摘要：随着全球能源需求不断增加，不断上涨，并且陆上油气资源日渐枯竭，油气资源勘探开发不断向海洋进展，并逐渐以浅海、半浅海向深海延伸。中国拥有300多万平方公里的海域，海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源。目前，近海油气田的开发已具有一定规模，深海油田还尚待开发，深海油气开采技术的突破是海洋油气开采长期战略的关键因素。传统的深海油气开采需要两套功能独立的系统，即钻井系统和生产储油系统，这不仅投资巨大，更重要的是生产周期较长。浮式钻井生产储油轮（Floating,Drilpng, production, storage and offloading vessel，简称FDPSO）是具备油矿钻探、原油生产以及储备等多功能的海洋平台。FDPSO是在FPSO基础上配置钻井设备进展而来，既具有FPSO较强的生产储油特点，又具备钻探和完井的功能，降低了投资成本，缩短了生产周期，并且具备井口维修时不停产的特点，是近年来新进展的深海油气开采装备，自上世纪90年代提出之后，引起海洋石油界的广泛关注，有很多探讨机构对此开展探讨，并逐渐有实船建造。目前，全世界已经建成的FDPSO总共有两艘，第一艘是船型FDPSO，由新加坡吉宝船厂将一艘VLCC改造而成，2009年8月在西非海域正式投产；第二艘是圆筒型FDPSO，SEVAN DRILLER，由南通中远船务建造，于2010年2月，怎么写作于巴西海域。FDPSO水动力性能及概念设计探讨是目前海洋工程学科的前沿课题，也是我国南海油气开采战略中的重要课题。本论文以FDPSO水动力性能为主要探讨内容，通过数值模拟和模型试验相结合的策略，对FDPSO船体水动力性能，定位性能，船体与钻井装置耦合水动力性能，以及概念设计等方面开展探讨，旨在掌握FDPSO水动力性能和定位技术主要特点，为中国开发利用FDPSO系统提供技术保障。本论文首先采取三维频域势流论述策略对FDPSO船体水动力性能进行频域浅析，计算了FDPSO船体运动幅值响应（ResponseAmpptude Operator，简称RAO），探讨了FDPSO船体的水动力性能。FDPSO船体具有月池，月池的有着对FDPSO船体水动力性能影响较大。本论文计算了不同月池尺寸、位置和不同船体吃水下，FDPSO船体辐射水动力系数，一阶波浪力和二阶平均波浪力，探讨了FDPSO船体水动力性能随月池尺寸、位置和船体吃水的变化规律。基于卡明斯论述，采取频域转时域的策略，对FDPSO进行船体/系泊缆时域耦合数值浅析。计算了多点系泊和内转塔单点系泊定位下FDPSO船体运动性能和系泊缆的张力特性，探讨了FDPSO多点系泊和内转塔单点系泊系统的定位性能。计算了不同海况、不同浪向下多点系泊和单点系泊FDPSO船体运动性能，探讨了FDPSO多点系泊和单点系泊适应的极限海况。计算了FDPSO多点系泊不同系泊缆直径、单位长度重量和轴向刚度下船体运动和系泊缆动力响应，探讨了这些因素对系泊缆定位性能的影响。采取模型试验的策略对船型FDPSO，MPF1000的水动力性能及定位性能开展探讨，验证了数值计算策略的可靠性，并对FDPSO水动力性能及定位性能进行深入系统的探讨。模型试验包括静水衰减试验，白噪声试验和风浪流试验。静水衰减试验测量了船体垂荡、横摇和纵摇运动固有周期和阻尼特性；白噪声试验获得了不同浪向下船体六自由度运动幅值响应（RAO）；风浪流试验探讨了FDPSO多点系泊系统在中国南海海域作业海况和存活海况，不同风浪流方向下的定位特性；风浪流试验还探讨了FDPSO内转塔单点系泊系统在中国南海海域作业海况和存活海况，不同风浪流方向下的定位特性。深海钻井平台采取升沉补偿装置补偿船体的升沉运动，使钻柱上下往复运动幅度减小。目前，液压式升沉补偿系统在浮式钻井平台上运用较广。但随着海上油气开采不断向深海推进，平台作业环境越来越恶劣，升沉运动幅度越来越剧烈，传统的液压式升沉补偿装置已不能满足深海钻井作业的需求。FDPSO所采取的升沉补偿系统主要有隐藏式立管浮箱（Sheltered Riser Vessel，简称SRV）补偿系统和张力腿甲板（Tension Leg Deck，简称TLD）补偿系统等。采取模型试验的策略，对FDPSO船体与SRV耦合的水动力性能开展探讨。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了FDPSO船体和SRV耦合时，船体和SRV的运动幅值响应（RAO）；风浪流试验探讨了中国南海海域作业海况下，FDPSO船体的运动特性和SRV的补偿性能，验证了SRV概念在南海海域运用的可行性。采取CFD策略对FDPSO船体和SRV耦合水动力性能开展数值模拟，探讨了SRV补偿性能，浅析了FDPSO和SRV耦合的流场特性。建立了FDPSO船体和TLD耦合频域水动力性能浅析的数学模型，开发了数值计算程序，计算了船体与TLD甲板运动幅值响应，并探讨了不同悬挂重物质量、立管刚度和系泊缆刚度对船体和TLD甲板垂荡运动的影响。建立了FDPSO船体和TLD耦合时域水动力性能浅析的数值模型，计算了中国南海海域作业海况下船体和TLD甲板六自由度运动特性，系泊缆和立管张力等。为了验证数值计算策略的精度，采取模型试验的策略对FDPSO船体和TLD耦合水动力性能开展探讨。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了FDPSO船体和TLD耦合时，船体和TLD甲板的运动幅值响应（RAO），并和频域数值模拟结果比较，验证频域策略的可行性；风浪流试验获得了中国南海海域作业海况下，FDPSO船体和TLD甲板的运动性能，并和时域耦合结果比较，验证时域策略的准确性，探讨了TLD的补偿性能以及TLD概念在南海海域运用的可行性。针对中国南海海域环境条件的特点，提出了一种多立柱半潜FDPSO概念。在对该概念进行稳性校核的基础上，采取模型试验和数值计算的策略对其水动力性能和定位性能开展探讨。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了迎浪、斜浪和横浪下船体运动幅值响应；风浪流试验测量了中国南海海域，作业海况和存活海况下，多点系泊定位船体运动特性。数值计算包括频域水动力性能计算和时域船体/系泊缆耦合数值浅析。频域水动力性能计算获得了船体水动力系数、一阶和二阶波浪力，以及船体运动幅值响应，并和白噪声模型试验结果比较，探讨了概念设计FDPSO船体水动力性能。时域水动力性能浅析获得了中国南海海域作业海况和存活海况下船体运动特性并和风浪流试验结果比较，探讨了概念设计FDPSO在中国南海海域的定位特性。综上所述，本论文以FDPSO船体水动力性能、定位性能、船体与钻井装置耦合水动力性能及概念设计等方面着手，提出了合理的数值计算策略和模型试验步骤，针对中国南海海域环境条件，深入探讨了FDPSO船体水动力性能，定位性能，船体与钻井装置耦合水动力性能，并提出了适合中国南海海域作业的FDPSO概念形式，得到了具有革新作用的结论，为我国系统掌握FDPSO关键技术提供论述依据和技术支持。关键词：FDPSO论文TLD论文SRV论文水动力性能论文多点系泊论文单点系泊论文概念设计论文
摘要3-6
ABSTRACT6-10
目录10-14
第一章 绪论14-34
1.1 概述14-17
1.2 FDPSO 的进展和运用17-20
1.2.1 FDPSO 的组成及特点17-18
1.2.2 FDPSO 运用18-20
1.3 FDPSO 探讨与进展20-29
1.3.1 FDPSO 月池和运动抑制装置对船体水动力性能的影响20-21
1.3.2 FDPSO 定位方式的探讨21-23
1.3.3 FDPSO 船体与钻井系统耦合水动力性能浅析23-28
1.3.4 FDPSO 概念设计探讨28-29
1.4 本论文的探讨内容29-34
1.4.1 本论文的探讨背景和作用29-30
1.4.2 探讨目标和拟解决的关键性不足30-31
1.4.3 探讨内容及策略31
1.4.4 论文的革新性31-34
第二章 FDPSO 水动力性能数值计算34-58
2.1 概述34
2.2 三维无航速频域势流论述34-42
2.2.1 坐标系定义34-35
2.2.2 速度势定解条件的建立和求解35-38
2.2.3 流体辐射力和绕射力38-39
2.2.4 静水回复力计算39-40
2.2.5 频域运动方程40
2.2.6 波浪平均二阶力40-42
2.3 结果与浅析42-57
2.3.1 数值计算结果和模型试验结果比较42-46
2.3.2 月池对船体水动力性能的影响46-57
2.4 本章小结57-58
第三章 FDPSO 船体/系泊缆时域耦合数值浅析58-86
3.1 概述58-59
3.2 时域耦合数值浅析模型59-69
3.2.1 风力59
3.2.2 流力59-60
3.2.3 波浪力60-61
3.2.4 延迟函数[85]61-63
3.2.5 系泊系统力63-69
3.2.6 时域耦合运动方程69
3.3 结果与浅析69-84
3.3.1 多点系泊 FDPSO 定位性能69-75
3.3.2 单点系泊 FDPSO 定位性能75-80
3.3.3 系泊缆参数对定位性能的影响80-84
3.4 本章小结84-86
第四章 FDPSO 水动力性能及定位性能模型试验探讨86-114
4.1 概述86
4.2 相似法则与坐标系86-88
4.2.1 相似法则86-88
4.2.2 模型试验中采取的坐标系88
4.3 模型试验中模型制作88-94
4.3.1 FDPSO 船体模型89-90
4.3.2 FDPSO 多点系泊系统模型90-93
4.3.3 FDPSO 单点系泊系统模型93-94
4.4 FDPSO 水动力性能和定位性能海洋环境条件模拟94-98
4.5 模型试验测量内容与所需仪器98-99
4.6 试验内容99-100
4.7 结果与浅析100-112
4.7.1 静水衰减试验结果100-102
4.7.2 FDPSO 白噪声试验结果102-104
4.7.3 FDPSO 多点系泊定位风浪流模型试验结果104-109
4.7.4 FDPSO 单点系泊定位风浪流模型试验结果109-112
4.8 本章小结112-114
第五章 FDPSO 与 SRV 耦合水动力性能探讨114-136
5.1 概述114-115
5.2 FDPSO 船体与 SRV 耦合水动力性能模型试验探讨115-126
5.2.1 模型制作115-118
5.2.2 模型试验内容和所需仪器118-119
5.2.3 FDPSO 船体和 SRV 耦合水动力性能模型试验结果119-126
5.3 CFD 数值模拟126-133
5.3.1 CFD 论述基础126-130
5.3.2 结果与浅析130-133
5.4 本章小结133-136
第六章 FDPSO 与 TLD 耦合水动力性能探讨136-158
6.1 概述136-138
6.2 FDPSO 船体与 TLD 耦合数值模型138-140
6.2.1 FDPSO 船体与 TLD 耦合频域水动力性能数值模型138-139
6.2.2 FDPSO 船体与 TLD 耦合时域水动力性能数值模型139-140
6.3 FDPSO 船体与 TLD 耦合水动力性能模型试验探讨140-144
6.3.1 模型制作140-142
6.3.2 模型试验内容和所需仪器142-144
6.4 结果与浅析144-156
6.4.1 船体与 TLD 频域耦合水动力性能数值计算结果144-149
6.4.2 船体与 TLD 时域耦合水动力性能数值计算结果149-156
6.5 本章小结156-158
第七章 FDPSO 概念设计探讨158-178
7.1 概述158-159
7.2 多立柱圆筒型半潜 FDPSO 概念设计159-162
7.3 FDPSO 概念设计稳性计算162-163
7.4 多立柱圆筒型半潜、船型和圆筒型 FDPSO 水动力性能比较163-164
7.5 FDPSO 概念设计水动力性能模型试验探讨164-166
7.5.1 模型制作164-166
7.5.2 FDPSO 概念设计模型试验内容166
7.6 概念设计 FDPSO 水动力性能结果与浅析166-176
7.6.1 概念设计 FDPSO 频域水动力性能数值计算结果166-172
7.6.2 概念设计 FDPSO 时域耦合水动力性能数值浅析172-176
7.7 本章小结176-178
第八章 总结与展望178-184
8.1 主要探讨工作总结及结论178-181
8.2 革新性181-182
8.3 进一步探讨工作与展望182-184
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