[发明专利]一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋石油工程领域的模型实验装置及实验方法，特别是关于一种张力甲板形式浮式钻井储油装卸系统(FDPSO-TLD)的模型实验装置及实验方法。

背景技术

浮式钻井储油装卸系统(FDPSO，Floating drilling production，storage andoffloading system)是海洋工程领域新兴起的一种概念设计，它是在浮式生产储油系统(FPSO，Floating production storage and offloading)的基础上添加钻井功能模块而成的一种新装备。张力甲板形式浮式钻井储油装卸系统(FDPSO-TLD，Tension leg deck)是其中的一种形式，其概念采用了类似张力腿平台(TLP，Tension leg platform)的技术，置于月池中的钻井甲板与海底通过张力腿连接，通过舷外的悬挂重块为张力腿提供张力。这种设计尚处于概念设计阶段，具体的设计和分析方法还远谈不上完善，主要表现在：1)FDPSO-TLD概念的可行性没有验证；2)FDPSO-TLD设计中月池尺寸和TLD的尺寸设计没有准则；3)FDPSO-TLD在动力情况下，TLD的运动性能不清楚。

在波浪荷载作用下，船体和TLD(Tension leg deck，张力甲板)的响应是耦合的，船体的升沉(Heave)，横摇(Roll)以及水平偏移(Offset)对TLD都有重要影响，决定着结构以及钻井采油作业的安全。对于不同的船体设计参数，船体运动情况都不尽相同，TLD系统也有不同的设计参数，因此，如果要通过水池模型实验来研究FDPSO-TLD的耦合运动特性就需要制作不同形状参数的船模，浪费大量实验时间和经费。在传统水池实验中，为了满足雷诺数相似规律，船模和TLD的尺寸比尺较小(1∶80左右)，重点在测量船体的运动特性，此类实验无法准确模拟船体上的子结构TLD的动力性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于张力甲板形式的浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置及实验方法，该装置和方法可以做任意比尺的室内试验，可以仿真各种环境下TLD的运动情况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置，其特征在于：它包括运动控制系统、船体运动模拟系统、TLD模型和监测系统；所述运动控制系统连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器；所述船体运动模拟系统包括底端固定在地面基础上的下部支撑架，所述下部支撑架的顶部设置有一下部台面，所述下部台面顶部通过若干线性套筒和所述电液伺服作动器连接上部台面；所述TLD模型包括固定设置在所述上部台面上的若干滑轮组块，绕过各所述滑轮组块的各钢丝绳的一端共同悬吊一位于所述上部台面中部下方的甲板模型，各所述钢丝绳的另一端分别连接一设置在所述上部台面外侧的配重质量块；所述甲板模型的底面设置有若干拉伸弹簧，各所述拉伸弹簧的另一端穿过所述下部台面固定在地面基础上；所述监测系统包括设置在所述TLD模型上的若干传感器和测力仪，各所述传感器和测力仪的输出端连接数据分析采集仪。

所述运动控制系统包括设置在实验室内的工控机平台，所述工控机平台的输出端连接数模转换器，所述数模转换器的输出端连接信号处理装置，所述信号处理装置的输出端连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器。

所述监测系统中的各所述传感器包括设置在各所述拉伸弹簧上的位移传感器；设置在各所述配重质量块上的加速度传感器；所述测力计设置在各所述钢丝绳上。

一种采用上述实验装置的浮式钻井储油装卸系统的模型实验方法，其包括以下步骤：1)启动运动控制系统产生数字信号，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动，带动船体运动模拟系统的上部台面做升沉和横摇运动，以模拟船体的运动状态；2)上部台面带动TLD模型的滑轮组块运动，进而带动甲板模型运动，甲板模型带动下部的拉伸弹簧拉伸，用于模拟真实海况下连接海底与甲板的张力腿；3)通过监测系统同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据；通过信号分析采集仪采集上述数据，以用于分析TLD的运动规律，判断是否满足正常作业。

所述步骤1)中，通过运动控制系统中的工控机产生数字信号，通过数模转换器和信号处理装置将数字信号转换并放大，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动。

所述步骤4)中，通过监测系统中设置在各拉伸弹簧上的位移传感器；设置在各配重质量块上的加速度传感器；设置在钢丝绳上的测力计，同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据。