半潜式钻井平台工作水深及平台吃水变化对平台气隙响应的分析

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1、第一章绪论11.1引言11.2气隙的研究进展21.3本文的主要研究内容31.4本研究的目的及意义3第二章理论基础42.1气隙的定义，示意图和公式42.2三维势流理论62.2.1波浪特性62.2.2控制方程和边界条件62.2.3艾利波理论72.2.4斯托克斯波理论82.2.5浮体在波浪中的运动102.3浮体的波浪诱导运动以及气隙响应函数预报142.4气隙的短期预报162.4.1随机波浪理论162.4.2随机波浪的谱特性162.4.3波浪要素的统计分布172.4.4海浪谱182.4.5几种常用的波浪谱及适用条件202.4.6短期预报2

2、3第三章半潜式平台的气隙数值预报253.1计算模型介绍253.2计算海况273.3平台波浪诱导运动282.3.1垂荡运动282.3.2其他五自由度运动响应353.4波面升高计算383.5气隙计算43第四章工作水深和吃水对气隙影响的参数研究463.1工作水深的影响464.2平台吃水的影响56第五章总结与展望674.1工作总结675.2进一步研究展望67参考文献69发表的论文和科研情况71致谢72第一章绪论1.1引言依据《世界能源中国展望（2013〜2014）》的统计和预测，中国能源需求在2035年将达到世界能源总需求的24%,其中作

3、为高速发展的中国，能源需求增量将占总增量的38.5%。从上世纪80年代末开始，新兴经济体称为世界能源需求的重心。其中，中国、印度以及东南亚这些发展中国家的总石油需求约占全球需求总量的25%,占世界石油总需求比例最大。COwn40wn■GhMz2**4沁沁少OftslweSupplybyDepth1970-2020GrowingdeepwaterproductionOffshortSupplybyType1970-20201X

4、油气储量为1000亿吨、2500亿吨油当量，占探明总储量的34%。从国际能源署公布的数据看，近10年发现的超过1亿吨储量的大型油气出中，海洋油气占到60%,其中一半是在水深500米以上的深海；在欧洲，巨型规模以上的油气CD几乎全部位于海上。Glob^Oil&GxSupply1970-2020图1・1全球油气需求增长随着全球能源需求的不断加大，近年來海洋油气勘探开发已从浅海、半浅海逐步延伸到深海。随着勘探和开发难度的增加，导管架和重力式平台以及类似的固定式平台，已经无法适应深水和超深水油田的油气开发。不断发展的勘探开发技术和大型装备

5、的投入起到关键作用，目前常用的浮式生产系统包括以FPSO、Spar、半潜式平台、TLP以及FPDSO、DrillShip等。海洋结构物设计的基本思路是尽量使其本身的固有周期远离海洋波浪能量的谱峰周期，以避免谐振；二是要保证海洋结构物之上的作业设备设施及生活区域及设施高于海平面。因此对于半潜式平台，必须保证气隙为正。在半潜式平台的设计上，要求在作业、风暴自存及油［□迁航等主要工况下，上部箱型甲板的下底面距离海面应有足有的高度，防止波浪对其造成抨击而造成结构和设备的随坏；同时，在井口作业区有诸如防喷器吊、套管张力装置等大负荷设备，保证

6、这些设备不受到波浪的抨击对安全生产也非常重要。半潜式平台与波浪的相互作用很复杂，平台在六个自由度内随机运动，其庞大的体积会干扰波浪的传播，同时扰动其附近的海水，因此平台吃水、自身的运动、辐射、绕射、波浪沿着立柱爬升作用以及一些相互作用系统如锚泊系统、立管系统都对气隙响应有重要的影响。在本论文中，我们主要讨论平台的运动、波浪不对称性及其绕射和辐射对气隙的影响。1.2气隙的研究进展半潜式平台立柱尺寸相对于波浪长度较大，波浪的辐射和绕射效应均较为显著，R使半潜式平台立柱附近的波高增大。平台在波浪中的运动相对波面升高影响无规律，有可能增加

7、也有可能减小。以上两方面因素导致气隙问题及其复杂，目前的计算方法尚不成熟。常用的一阶数值计算方法一般会低估相对波面升高，而基于二阶散射理论的数值方法常常会高估相对波面升高的极值［h2］o1995年Fokk等⑴在世界著名三大海洋工程试验水池之一的挪威Marintek水池开展了一系列模型实验来研究气隙响应。之后，斯坦福人学的LanceSweetman和Wintcrstcin等人宀刀以该模型试验为基础上，对实验数据进行了系统的整理分析，并与用WAMIT和Birknes软件分别进行一阶数值预报和二阶数值预报的结果进行了比较，得出如下结论：

8、一阶数值计算方法对于相对波面升高的极值常常会低估，而基于二阶散射理论的数值方法所得到的结果尚不可靠，KW会高估相对波面升高的极值，因此,在进行新平台设计时模型试验必不可少。同时，Sweetman认为,过大提高平台气隙与适度允许在最大浪高是的负气隙相