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一种新型海底生产系统安装装置的设计
摘要
海底生产系统（SPSs）因其经济优势主导着深海油气田的勘探。SPS是一种高投资高风险的技术。本研究设计了一种浮动安装设备（FID）和使用这种设备的SPS安装方法。该装置由浮力材料制成，允许SPS和FID保持一种悬浮状态。因此，可以避免由SPS的巨大重量引起的限制。据环境载荷和材料特性分析了链系统和FID的动态响应。通过数值模拟和理论计算验证了设计的可行性。
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- 介绍
海底生产系统（SPS）由几个典型的子系统组成，包括井口、圣诞树、歧管、桥管等。该系统因为其效率高、应用范围广等优点在深海油气田勘探中占有主导地位。由于海洋环境的复杂性和系统的重量，SPS的安装是困难的。目前，SPS的主流安装方法包括传统的安装方法，滑轮安装方法（SIM），笔式安装方法（PIM），铅笔浮标法（PBM），升沉补偿着陆系统（HCLS） 和海底部署系统（SDS）。
传统的安装方法，使用单根钢丝或钻柱来部署中小型海底结构，主要包括两种方法：钻柱安装方法（DSIM）和绞车线安装方法（WWIM）。在DSIM中，SPS与大型钻井平台上的钻柱相连，可以通过支付钻柱来降低和安装SPS。2001年8月，Petrobras使用一个大型钻井系统在940米水深安装了一个歧管。与DSIM不同的是，在WWIM中，SPS通常使用船舶起重机从重提升船的甲板上吊起，然后通过支付绞盘线来降低。1995年12月，在阿尔巴科拉油田的620米水深处安装了412吨生产歧管。传统的安装方法是传统的、简单的、成熟的，但目前很少用于安装SPS，主要原因是钻井平台的提升能力有限。
SIM基于传统部署系统的双降配置。 与传统方法的主要区别在于将部署绳索的死端的固定点从同一安装容器重新定位到另一个容器。 在该方法中使用半潜式（SS）和两个部署容器。 但是，这种方法也有缺点。 三个部署船舶意味着昂贵的日费率和复杂的运营。 因此，该方法需要进行数值模拟和现场测试。
PIM是Petrobras最初开发的一种非常规方法，用于成功安装水深1900米的280吨大型SPS。 PIM使用传统的钢丝绞盘系统作为发射线，以下垂的方式发射和安装SPS。 由于该方法操作复杂，在发射作业中可能出现水动力不稳定，对海洋环境的严格要求限制了其发展。
PBM是Aker Solutions开发的地下运输和安装方法。 在湿拖曳过程中，SPS悬挂在铅笔形浮标上。 到达安装地点后，牵引线被绞入，浮标断开。 与WWIM类似，降低操作是标准的海上作业，因此起重机提升能力也限制了其发展。 这种方法非常适合长途旅行和恶劣的环境运输。
HCLS基于特定的链和浮标系统，类似于PBM。 主要区别在于浮标用于安装过程。 HCLS通过支撑浮标的有效载荷将船舶运动与有效载荷分离，从而大大减少了船舶运动对有效载荷运动的影响以及对大型近海船舶的需求。 由于SPS的尺寸，HCLS还需要大型甲板来运输SPS。
SDS是一种在没有重型提升容器的情况下安装大型海底结构的方法。 它使用海底部署车（SDV），由安装在结构钢框架上的坚固浮力模块组成，在运输，定位和安装过程中支撑SPS。 这种方法有效地抑制了垂直运动，导致可忽略的动态响应和软着陆，因为SDV和SPS的组装在海水中略微浮动。
本文开发的FID是一种经济实惠且可用的替代方案，允许使用低成本的提升船。船舶不直接支持SPS，而是由FID支持。使用湿拖曳将FID和SPS的组装运输到现场，这极大地降低了表面环境的影响。该方法不需要特殊的工具，因此成本低。应用动力响应分析，通过理论计算和数值模拟计算沿重量平衡链的横向位移和轴向张力。通过对主轴承载体的结果与其他主流方法的结果进行对比，分析了该设计的优点和特点。此外，利用AQWA建立了单拖轮安装系统，并在设定过程中对系统进行了动态响应仿真和计算。沿着压载控制链的十分之一和FID的运动被建模以分析FID和SPS组件的稳定性。
- FID结构设计
已经开发了各种深水安装方法解决三大相互关联的挑战，起重机吊装能力，对环境条件的动态响应和安装成本[6,10,11]。 主要因素是整体尺寸要安装的SPS。 尺寸经常限制实际起重能力显着，需要大型甲板运输SPS，导致昂贵的日费率。 FID的目的是为了解决上述挑战，满足部署要求深水中的大型SPS。
2.1主要结构
设计方法的概念起源于PBM。新方法利用FID在传输和安装过程中支持SPS。该设备主要由坚固的浮力材料，密度低（低于水），高抗压强度，低吸水率等属性。因此，运输可以是湿拖曳过程，和消除了对大型甲板空间的需求，这类似于PBM。图1显示了FID的横截面视图。图2显示FID和SPS组装的3D原理图。主要的FID的主体由以下组件组成：浮动主体，顶部凸耳，侧面凸耳，底部凸耳和固定杆。形状FID大多是圆柱形的，具有圆锥形的上端和下端，这可以降低湿拖丝过程中的流动阻力。耳环是设计在FID的顶部，侧面和底部，以连接不同的链条。三个液压释放钩环用于连接三个吊索到SPS上的顶环。液压释放卸扣是一种可操作的卸扣车（ROV）。该吊索的另一端连接到FID上的底部凸耳。穿过固定环的FID上的固定杆可以防止SPS经受过度的横向位移和回转。由于固体浮标材料，FID可以提供浮力，并且浮力足以使组件成为可能FID和SPS略微积极上扬。因此，组装可以使用浸没式拖车运输到现场，从而避免表面环境的影响以及稀缺的需要专业的深水安装船或昂贵的钻井平台，使这种方法具有成本效益，而且更少
对传统安装的天气条件敏感。
图1. FID的横截面视图
图2. FID的3D示意图：（a）前视图和（b）侧视图
2.2连锁系统
根据设计中的用法，有四种类型的链：拖链，压载控制链，辅助控制链和重量平衡链，如图3和4所示。拖链条是钢丝。它连接到顶部凸耳并用于牵引湿拖丝过程中的FID。压载控制链辅助控制链也是钢丝。在设定中阶段，两个控制链分别连接到侧向凸耳控制FID的位置和方向。一些丛生在压载控制链上将重物串在一起，以提供必要的重量以降低FID。可移动的滑轮是串在辅助控制链上以连接锚海底并使链条能够控制FID的运动。重量平衡链由两部分组成：钢块链和尼龙绳。钢丛链条短得多比尼龙绳重，因此大量的质量重量平衡链集中在钢丛链上。钢块链起到替代压载重量的作用压载阶段的SPS。钢丛链的重量压载舱底部支撑使FID中性浮力，从而有助于浮动操作。
2.3 内部结构
顶部形状的压载舱，重量平衡链将被放置，是为FID设计的，如图1所示。坦克是通过圆锥形通道，圆柱形通道和外部连接到外部三个滑动孔，如图1所示。压载舱的空间足够大以保持重量平衡的压载重量链条，如图5所示。重量平衡链被添加到压载舱通过锥形通道和圆柱形通道水面船舶起重机。 在淹没和降低过程中，将压载舱连接到外部的滑动孔可以减少水在深度方向上引起的拖曳力并保持不变流程顺畅。
- 安装程序
新方法只需要两个小型安装容器在安装过程中，将SPS传输和部署到海底。 典型的安装过程包括以下内容步骤：发射和湿拖，放下，压载和漂浮。
图3.浮动之前
图4.湿拖丝工艺
3.1发射并湿拖
通常，FID的浮力大于重力FID和SPS的组装，所以有一定数量的丛将重量加到压载舱上以使装配略微积极地浮力水。然后将FID连接到SPS三个吊索，组件慢慢抬起并淹没通过港口起重机进水。如图6所示，提升链连接到FID的顶部凸耳。虽然通过飞溅区的发射过程是一个天气敏感的操作，但它将在相对受保护的地点进行，如港口，并且滑动孔也使浸没过程平稳。因此，表面天气条件对发射操作影响不大。起重机支付起重链直到装配完全被淹没。起重链松弛，还有潜水员或ROV用于断开它。如图4所示，部署船舶接下来支付拖车链和压载控制链条连接到顶部和侧面的凸耳，然后牵引装配到现场。部署船可以调整其速度和两条链的长度，以保持FID合适深度，从而避免表面环境的影响。该湿拖丝工艺也使得设计方法更适合恶劣的环境。
3.2安置
当接近现场时，部署船减速并停在适当的位置。 然后，部署船控制ROV以断开拖链。 辅助容器支付辅助控制链并展开ROV以将链条连接到另一个侧向凸耳。 然后，辅助容器继续支付辅助控制链，直到ROV将可动滑轮连接到预先安装的抽吸桩锚，如图7所示。
当可动滑轮固定在锚上时，下降过程开始，如图8所示。部署船开始支付压载控制链和辅助容器在辅助控制链中开始绞车以降低装配。通过支付或绞车来调整组件的高度在压载控制链中。 当团块重量较低时比FID，船只和FID将团块重量保持在一起，导致重量和浮力之间的不平衡装配和加速。 与SPS相比，重量更小，以确保在基础上软着陆。组件的横向位置和方向通过调整移动压载控制链并改变压载长度辅助控制链。 一旦SPS处于正确的位置并且方向，通过缓慢降低压载控制来降落链。 ROV在最终着陆时用作监视器。
3.3压载和漂浮
在设定过程之后，部署船继续进行支付压载控制链，直到成堆重量为止在海底。丛块权重充当FID的锚点。然后，将重量平衡链添加到FID以平衡浮动操作前SPS的重量，如图所示图镇流器可以分几个步骤展开以适应部署船起重机的能力。例如，如果起重机表面容器的容量为100吨，SPS的重量为500吨总镇流器分五步部署。这种压载方法大大降低了重型起重船和电缆的要求容量。然后，FID中性浮力并且依赖于SPS。连接两个结构的吊索现在松弛了。如图所示如图3所示，ROV可轻松接合液压释放钩环释放吊索。随后，压载控制链和部署辅助控制链以提升FID并完成浮动操作，如图10所示。
图5.链条的储存：（a）在降低链条之前和（b）在降低链条之后
图6.发射
- 链系统的动态响应
虽然新方法包括四种类型的链条，但沿着重量平衡链的轴向张力远大于沿其他三条链条的轴向张力。通过分析沿重量平衡链的轴向动力响应，计算了沿链条的最大轴向张力，验证了该方法可以降低船舶起重机和电缆的容量要求。另外，在波浪和电流的作用下，重量平衡链的下端将横向移位，这将使压载操作变得困难。横向位移的值对于ROV正确调整链条的位置并将其添加到压载舱非常重要。为确保压载作业的成功和安全，还应分析横向位移[15]。最近，研究人员对沿主要部件（例如钻杆或绞盘线）的横向位移和轴向张力进行了许多研究。 Driscoll[16]等人研究了海底物体的运动。里维拉[1]和Wang[6]等人研究了轴向动态响应下降过程中的钻杆。林[17]和江[18]等人通过建立机械模型分析了钻杆和绞车线的横向位移和轴向张力。通过耦合安装容器的波动来进行非线性时域分析[10,19]。基于这些研究的结果，分析了沿重量平衡链的横向位移和轴向张力。此外，计算了FID和SPS组装在设定过程中的动态响应。
图7.降低之前
图8.降低过程 图9.压载过程
4.1分析方法
作用在重量平衡链上的水动力很复杂。为了方便分析，做出以下假设[17,18]：
（1）链条在整个安装过程中都是弹性的。
（2）链的位移与洋流平行和波浪方向。
（3）风荷载的影响可以忽略不计。
（4）由起伏引起的链条横向位移可以忽略不计。
（5）钢丛链的质量集中在下部结束。
4.1.1横向位移
如图11所示，建立坐标系将原点定位在降低点的位置。 X轴沿着容器的纵向放置，而Z轴沿深度方向放置。 力学分析模型构建了重量平衡链。 水面下的重量平衡链部分分为n段，节点1位于海面。 本地坐标系在单元i-1上设置，使节点i-1成为坐标原点，如图12所示。
图12显示了局部坐标系中单元i-1的机械模型。 作用在单元i-1上的阻力和惯性力引起通过波浪和洋流是沿着海洋的主导力量X轴方向，而重力是沿着它的主导力Z轴方向。 传统上，海洋中的当前速度具有被认为是常数[20]，因此在计算中只考虑由电流引起的作用在链上的阻力。基于Morison方程，水平力Fi作用于单位i-1可表示如下：
根据线性波理论，可以导出u和du / dt如下[17]：
在局部坐标系中，力Fxi，Fzi和Gi可以计算如下：
重量平衡链只能维持紧张; 因此，局部节点i-1截面的弯矩方程坐标系可以给出如下：
节点i在局部坐标系中的横向位移可以如下计算：
如果n足够大，则Fi lt;Fxi，Gi lt;lt; Fzi，两者都可以方程中忽略，然后（5a）和（5b）可以简化如下：
在单元i-1的局部坐标系中（i = 1,2,3，...，n 1），边界条件如下：
然后，节点i在局部坐标中的横向位移xi系统可以根据Eqs计算。 （6a）和（6b）和边界条件。 因此，下部的横向位移结束可以通过叠加获得，如下：
图10.漂浮过程
图11.重量平衡链的机械模型 图12.单元i-1的机械模型
图13.单自由度振动系统
4.1.2轴向动态响应
在深水中从水面船舶降低线路上的重物时，系统将经历动态
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