半潜式钻井平台拖航阻力数值分析.pdf

2 O1 2年 第 9期 第 4 1卷 第 2 3贞 石油矿 o I L FI ELD 场 机械 E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 4 8 2 2 0 l2 0 9 0 0 23 05 半潜 式钻井平 台拖航 阻力数值 分析 杜庆贵 ， 冯 玮 ， 宴绍枝 ， 康见逊 ， 张威 1 ． 中海油研究 总院 ， 北京 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． 中国海洋石油 总公 司 深水钻井船工程项 目组 ， 北京 1 0 0 0 1 0 摘要 半 潜式钻 井平 台是 深 海油 气资 源勘 探 开发 的重要 装备 。 因油 田 内短 距 离拖 航 需要 ， 某半潜 式 钻 井平 台可能遇 到 深吃 水拖航 工 况 。在 此 工况 下 ， 平 台吃 水 1 2 ． 5 m， 浮箱 、 横 撑整 体及 部 分 立柱将 位 于水 面以 下并 引起 拖航 阻力 。采用 F I UE NT计 算 了某半潜 式钻 井平 台深 吃水 拖航 工况 下的拖 航 阻力 ， 并与 浅吃 水拖航 工 况拖航 阻力进行 比较 。结果 表 明 拖 航速 度 为 2 m／ s时 ， 该 平 台深 吃 水 拖 航 阻 力约为 1 0 0 0 k N， 其 中浮 箱约 占 5 0 ， 立 柱和横 撑各 占约 2 5 ； 深吃 水拖航 阻力约 为浅吃 水 拖 航 阻 力的 2 ～3倍 。研 究 结果 可为今后 半 潜式钻 井平 台的船 型设计提 供 参考 。 关 键 词 半 潜式 钻 井平 台 ； 拖航 阻力 ； F LUENT 中图分 类号 T E 9 5 1 文献 标识码 A Nu me r i c a l S i m u l a t i o n s f o r To wi n g Re s i s t a n c e o f S e m i S u b me r s i b l e Dr i l l i n g Pl a t f o r m DU Qi n g g u i ， FENG W e i ， YAN S h a o z h i ， KANG J i a n x u n 。 ， ZHANG W e i 1 ． CNOOCRe s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 0 2 7， Ch i n a； 2 ． De e pz e ,a t e r Dr i l l i n g ,Un i t Pr o j e c t Gr o u p， CNOOC， Be i j i n g 1 0 0 0 1 0， C h i n a Ab s t r a c t The s e m i s ub m e r s i b l e d r i l l i n g pl a t f o r m pl a ys a i 1 i mpo r t a n t r ol e i n t he d e ve l op me n t o f t h e d e e p wa t e r o i l r e s o u r c e s ． Fo r t h e d e ma n d o f t h e s h o r t d i s t a n c e t r a n s l o c a t i o n i n a n o i l f i e l d， t h e d e e p d r a f t t owi n g ma y be e n c o un t e r e d． U n de r t h i s c on di t i o n， t he w h o l e po nt oo ns a nd t he b r a c e s， p a r t o f t he c y l i nd e r s s ub m e r g e d i n t h e wa t e r whi c h c a us e d t o wa g e r e s i s t a nc e， bu t t he r e wa s no e m p i r i c a l 参 考 文献 E l i 李 继志 ， 陈荣振． 石 油钻 采机 械概 论 [ M] ． 2版． 东 营 中石油大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 3 王保护 ， 罗万军 ， 黄军平 ， 等． 离心泵流量在油 田生 产实 际中的确定I- j ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 9 3 9 4 ． [ 3 ] 黄 志凌 ， 冯勇建． 不 同形状 叶轮对潜油离心泵 内数值 流 场 的影 响E J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 3 6 3 9 ． [ 4 ]周 昌静 ， 陈国明 ， 高本金 ， 等． 海底泥浆举 升叶片圆盘泵 轴 向力预测 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 2 8 3 1 ． E s ] 杨从新 ， 孙玉 甲， 宋显成． 基 于数值试 验 的常规转 速部 分流泵喉部参数研究 [ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 2 6 2 9． [ 6 ] 杨从新 ， 梁 杰 ， 常素玲． 部分 流泵 的三维流场数值 模拟 [ 7 ] [ 8 3 [ 9 ] E l O ] 及 叶片研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 5 2 2 2 6 ． 马希金 ， 刘高博 ， 胡忠辉 ， 等． 动叶片重叠系数对油气混 输泵 效 率 的影 响 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 17 2 O． 赵万 勇。 杨登 峰 ， 王 钊 ， 等． 基于正交试 验 的油气混输 泵叶轮结构参数优化[ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 3 4 3 4 7． 赵万勇 ， 荆野 ， 王振 ， 等． 固相粒径 和浓度 对旋 流泵 外特性 影 响 数 值 分 析 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 10 5 9． 李仁年 ， 韩 伟 ， 刘 胜 ， 等． 小粒径 固液两 相流 在螺 旋离心泵内运动的数值分析[ J ] ． 兰州 理工大学学报 ， 2 00 7 】 5 5 - 5 8 ． 收 稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 2 7 基金项 目 国家重大专项研究课题“ 半潜 式钻井平台关键系统设计技术研究” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 7 0 0 1 0 1 作者简 介 杜庆贵 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东 日照人 ， 硕士 ， 主要从事海洋平台设计及总体性能研究 ， E ma i l d u q g c n o o c ． c o rn． c n 。 石油 矿 场机 械 2 0 1 2年 9月 da t a t o c o n s u l t ． Thu s t h e s o f t wa r e FLUENT wa s u s e d he r e t o c o mpu t e t he dr a g r e s i s t a nc e o f t h e p l a t f o r m i n a u ni f o r m v i s c o us f l o w wi t h d e e p d r a f t ， a n d t h e c omp a r i s on wa s ma d e t o t h e on e wi t h a s h a l l o w d r a f t ． Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s ， u n d e r t h e s p e e d o f 2 m／ s ， t h e d r a g r e s i s t a n c e o f t h e p o n t oo ns t oo k a b ou t 5 0 o f t he wh o l e， whi l e t he br a c e s a nd t he c y l i nd e r s t o o k a r o un d 2 5 e a c h， t h e r e s i s t a n c e wi t h a d e e p d r a f t wa s t wi c e t he o ne wi t h s ha l l o w d r a f t ． The r e s e a r c h r e s u l t s ma y pr o v i d e go o d p r o p os a l t o t h e de s i g n o f a ne w p l a t f or m． Ke y wo r d s s e m i s u bme r s i bl e p l a t f or m ； dr a g r e s i s t a nc e； FLUENT 半潜 式钻 井平 台 、 钻 井 船是 目前 世 界上 主流 的 深 水钻井 装备 。深 水半潜 式钻 井平 台 由于 其性 能优 良、 抗 风浪能 力强 、 甲板 面积 大 、 装载 量大 、 适应 水深 范 围广 等优点 ， 成 为 海上 深 水油 气 田开 发 的 主要 装 备 之一[ 引。 我 国 目前 拥 有 9座半 潜 式 钻 井 平 台 ， 其 中有 5 座 已建成的平 台作业水深5 0 0 m， 3座在建平台作 业 水深 7 5 0 m， 建成 的 HYS Y9 8 1半潜 式钻井 平 台 如 图 1所 示 作 业 水 深 达 到 3 0 0 0 m。通 过 HYS Y 9 8 1的设计建造 ， 我国在深水半潜式钻井平 台设计与建造技术上已经历 了从无到有的跨越 ， 但 仍然与国外一流公司的设计水平存在较大差距 ， 并 且 缺乏独 立船 型设计 经验 。拖航 性能 关系 到平 台的 移航成本和工作效率 ， 是衡量半潜式钻井平 台综合 性能的一项重要指标【 6 ] 。因此 ， 对半潜式钻井平 台 拖 航 阻力进 行研究 意义 重大 。 图 1 HY S Y9 8 1 半潜式钻井平 台 半 潜式钻 井平 台较 为常见 的拖 航方式 为浅 吃水 拖航 ， 即仅依靠 2个浮箱浮于水面的航行方式 ， 以某 半 潜式 钻井 平 台为例 ， 浅 吃 水拖 航 工况 下 ， 吃 水 8 ． 2 m 如图 2所示 。但在油 田内短距离移动时 ， 不希 望 改变 平 台吃水 而采 用 深 吃 水拖 航 ， 此 时 平 台 吃水 较深 ， 浮箱 、 横撑 全部及 部分立 柱浸 没于水 面 以下 并 引起拖 航 阻力 ， 例如 某半 潜 式 钻 井平 台在 深 吃水 拖 航工 况下 ， 吃水 1 2 ． 5 m。对 此 ， 没 有 相 应 的 阻力 数 据 可参 考 。 图 2 平 台不同吃水水 面位 置 对 于平 台拖航 阻 力 的研 究 ， 比较 直 接 的办 法是 采用水池或风洞模型试验_ 7 ] ， 但只对深吃水工况进 行试验 ， 费 用高 、 时 问长 ， 且 无 法得 到 各 部分 的拖 航 阻力值 。工 程上 常见 的做 法是 根据母 型船 取相 似系 数计算近似阻力m g q o ] ， 计算结果比较粗略。 本文 采 用数 值 计算 方 法对 深 、 浅 吃水 拖 航 工况 下 某平 台 的拖 航 阻力 进 行 了计 算 。首 先 计 算 吃 水 1 9 m 和 8 ． 2 m 的拖航 阻力 ， 与 风 洞试 验 结 果对 比 ， 验证文 中所用 方法 的准确 性 ； 然 后 计算 深 吃 水 拖航 工况下 的 总体 拖航 阻力 ， 并 得 到 了各 部分 阻力 所 占 比例 ， 最后 与浅吃 水拖航 工况拖 航阻 力进行 比较 。 1 数值方法 采用 F L UE NT软件 肛 ￡三维湍流模 型求解上 述 平 台绕 流 问题 。压 力 速度 的耦合 方 式 采 用 P S I O 算法， 压力插值选择体积力加权积分， 时问项采用二 阶全 隐式积分 口 。 平 台在 拖 航 过 程 中 的拖 航 阻 力 与 船 体 几 何 形 状 、 航 速 、 水 的运 动黏 性 系 数 、 水 的质 量 密度 和重 力 加速度等相关 ， 因此必须探讨阻力与这些物理量 的 函数 关 系 。文 中引用 无 量纲 数 雷诺 数 R e和 傅 汝德 数 F 对平 台的运动 状态进行 界定 。 雷诺 数 Re 和傅 汝德数 F 表达式 为 Re 一 1 F 一_兰一 2 、 ， gL 石 油矿 场 机械 2 0 1 2年 9月 3 计算结果 平 台受 力分 别 以立 柱 、 横 撑 、 浮箱 及 总 阻力 对 于浅吃水拖航工况只有浮箱 进行计算 ， 得出拖曳力 随时间变化曲线， 如图 7 ～1 O所示 。 Z -R 接 ～⋯ 横撑⋯立柱 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 00 时间 ， s 图 7 吃水 1 9 m、 拖航速度 2 m／ s 时平台所受拖航阻力 Z 岛 蝠 力 力 时间￡ ， s 图 8 吃水 1 2 ． 5 1T I 、 拖航速度 2 m／ s时平 台所受拖航阻力 Z 四 疆 图 9 吃水 8 ． 2 r n 、 拖航速度 2 m／ s时平 台所受拖航阻力 Z [ 盟 蝠 蠼 图 1 O吃水 8 ． 2 I l l 、 拖 航 速 度 为 4 ． 1 1 2 m s 时平 台所 受 拖 航 阻 力 由计算可得平 台拖航阻力历时 3 0 0 S 2 0 0 s t 5 s ， 平 均值如 表 1 所 示 。 表 1 不同吃水时平台拖 航阻力计算结果 4 结果分析 该半潜式钻井平 台尺寸较大 ， 由式 1 可得 Re 在 1 0 。 量级 ， 此时流动存在较大的随机脉动性 ， 拖航 阻力 将不 是一个 固定值 ， 而是 随 时 问 呈现 一 定 区 间 的 波动 ， 这 与 图 7 ～1 0中曲线是 一致 的l 1 。 4 ． 1 数值 模 拟的准 确性分 析 对吃水为 1 9 m和 8 ． 2 m时的计算结果与风洞 试 验结果 I 2 ] 进行 比较 ， 结果 如表 2所示 。 由表 2可知 吃水 1 9 r n时 数值模 拟结 果与 风洞 试 验结 果相 差 仅 5 ； 吃水 8 ． 2 IT I 、 拖 航 速 度 2 m／ s 时 ， 数值结果与风洞试验结果相差 6 ． 1 ； 吃水 8 ． 2 m、 拖航速度 4 ． 1 1 2 m／ s 时 ， 数值结果与风洞试验结 果相 差 9 ． 2 。由于文 中的计算 模 型没 有 考 虑定 位 螺旋桨的阻力影响， 数值计算结果还是比较可信的。 表 2拖 航 阻 力试 验 结 果 比较 拖航 阻力／ N 拖航工况 风洞试 F L UE NT 验 结果 计 算 结 果 可 见 ， 通 过 F I UE NT 对 该 半潜 式 钻 井 平 台 的 拖 航阻力 研究 是切实 可行 的 。半潜 式钻 井平 台基本 ～ O O O 0 0 0 O O 2 一 加∞∞∞∞加 第4 1 卷 第9 期 杜庆贵， 等 半潜式钻 井平台拖 航陧 力 篁坌堑 2 7 结 构 型 式 比较 近 似 ， 也 可 以应 用 F I UE N T 计 算 同 型平 台各个部分的阻力分布 ， 或进行单工况下拖航 阻力 分析 。 4 ． 2 不 同吃 水拖 航工 况下拖 航 阻力分 析 应用该 方 法不但 得 到 了不 同吃水时 的拖航 阻 力 如 表 1 ， 还得到 了不 同吃水 时 总阻 力 的构 成 ， 如 图 l 1 ～l 2所示 。由图 l 1 ～l 2可 以看 出 3个结 构在 总 的阻力中都占有重要 比分， 在深吃水拖航时 ， 浮箱 占 总拖 航 阻力 的 4 9 ， 立 柱 占 2 7 ％ ， 横 撑 占 2 4 ； 对 于 1 9 i n吃水 时 ， 立 柱所 占 比例大 幅上 升 。 横撑所受 拖曳 阻力 2 4 ％ ■浮箱所受 拖曳阻 4 9 ％ 口立柱所受 拖曳阻力 2 7 ％ 图 1 1 吃水 1 2 ． 5 m 时平台各 部分 占 整体拖航 阻力 的百分 比 口横撑所受 拖曳阻力 1 6 ％ ■浮箱所受 拖曳阻力 3 4 ％ 口立柁所受 拖曳阻力 5 0 ％ 图 1 2 吃水为 1 9 m时平台各部分 占 整体拖航 阻力 的百分 比 由表 1可 知 在 吃水 1 9 1T I 和 1 2 ． 5 m 时 ， 浮箱 和 横 撑受力 变 化不 是 太 大 ， 而 立 柱 受力 差 别 很 大 。这 是 因为 2种工 况下 横 撑 和 浮箱 在 水 面 以下 ， 而 立 柱 吃水 有很 大差别 ， 引起受 力不 同 。平 台设 计 时 ， 可 以 通 过减 小平 台吃 水 来 减小 平 台拖 航 阻力 ， 当 平 台 吃 水 一定 时 ， 可 以对 3大结构 做 型线优 化 ， 以减 小拖航 阻力 。 对于深吃水拖航和浅吃水拖航 2种工况 ， 在拖 航 速 度 为 2 r n ／ s时 ， 后 者 拖 航 阻 力 不 到 前 者 的 4 6 。对设定 的拖 航速 度下 即深 吃水 拖 航 2 m／ s ， 浅 吃水拖 航 4 ． 1 1 2 m／ s 后 者拖 航 阻力接 近前 者 的 2 倍 ， 而 拖航 速度 增 加 了 2倍 多 。对 于油 田 内部 近距 离 拖航 ， 可 以选 用深 吃水 拖航 ， 这样 不需 要太 多改变 平 台吃 水 ； 而对 于远距 离拖航 ， 采 用深 吃水拖 航会增 加 2倍 的拖航 时 间 ， 会 增 加工 程 成 本 ， 延误 工 期 ， 应 选 用浅 吃水 拖航 。 5 结 论 1 半 潜式 钻 井 平 台在吃 水 1 2 ． 5 1 T I 拖 航 工况 下 ， 平 台拖航 阻力 约为 1 0 0 0 k N， 其 中浮箱 约 占 5 o ％、 立柱和横撑各约 占 2 5 。 2 在航速为 2 m／ s时， 该类型平 台深吃水拖 航阻力是浅吃水拖航阻力的 2 ～3 倍 。 3 应用 F L UNT软件研究半潜式 钻井平 台 拖航阻力是准确可行的。 参 考 文 献 [ 1 ] 王世圣 ， 谢彬 ， 曾恒～． 3 0 0 0米深 水半潜式钻 井平 台 运动性 能 研 究 [ J ] ．中 国 海 上 油 气 ， 2 0 0 7 ， 8 1 9 27 7 2 8 4． [ 2 3 苗玉 坤 ， 赵 学 峰． 我国 海洋 石油装 备现 状及 市场 前景 E J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 1 ， 4 0 9 2 9 3 2 ． [ 3 ] 赵洪 山， 刘新 华 ， 白立业． 深水海洋 石油钻 井装备发 展 现状[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 6 8 7 4 ． E 4 ] 赖笑辉 ， 王维旭 ， 栾苏 ， 等 ， 我国海洋钻井装备 国产化 现状及 发 展 展 望 [ J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 5 1 8． [ 5 ] 刘军鹏 ， 段梦兰 ， 罗晓兰 ， 等． 深水浮式平 台选择方法 及 其在 目标 油气 田的应 用 [ J ] ． 石 油矿 场 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 7 0 7 5 ． [ 6 ] 李志 刚， 雍军． 基于 S AF I 的海洋 塔形井架 的拖航计 算分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 4 0 4 4 ． [ 7 ] J o r g e L ． Ma r t i n e z ．Wi n d L o a d S t u d i e s o f t h e P R O J EC T7 5 2 9／ o r F r i e d e Go l d ma n r R] ，L t d ．Or a n W． Ni c ks Lo w Sp e e d W i nd Tu nn e l ， 20 07 ． [ 8 ] 曹明强 ， 王磊 ， 杨 立君． 深水半潜 平台海 流载荷 试验 分析[ J ] ． 实验室研究 与探 索 ， 2 0 0 9 ， 8 2 8 2 6 2 9 ． [ 9 ] D e t N o r s k e Ve r i t a s ． C n 3 0 5 E n v i r o n me n t a l C o n d i t i o n s a n d E n v i r o n me n t a l L o a d s I s ] ． [ 1 O ] 陈新权 ， 刘 振辉 ， 谭 家华． 深海 半 潜式 平 台选 型研究 [ J ] ． 中国海洋平台 ， 2 0 0 8 ， 2 2 3 7 - 1 3 ． [ 1 1 ] 王福军． 计算流体动力学分析l- M] ． 北京 清华大学 出 版社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 2 ] 盛振邦 ， 刘应 中． 船舶 原理 [ M] ． 上海 上 海交通 大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ] 刘应 中， 缪 国平． 高等流体 力学 E M] ．上海 上海 交通 大学出版社 ， 2 0 0 2