نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

آنالیز عددی عملکرد ریگ های فراساحلی اسپار بر اثر جریان های گردابی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی نفت، دانشکده مهندسی نفت، شیمی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران
2 استادیار ، گروه مهندسی نفت ، معدن و مواد ، دانشکده فنی و مهندسی ، واحد تهران مرکزی ، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران ، ایران
3 دانشیار، گروه مهندسی نفت، دانشکده مهندسی نفت، شیمی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران
چکیده
از بین ریگ‌های فراساحلی، ریگ‌های اسپار بعنوان یکی از بزرگترین سازه‌های مهندسی ساخته شده در صنعت حفاری است که در طول چند دهه گذشته برای حفاری و بهره برداری از میادین نفت و گاز استفاده شده‌اند. یکی از مشکلات استفاده از ریگ‌های اسپار، اعمال اثر گردابی توسط محیط اطراف می باشد. طوقه های مارپیچ نصب شده بر روی بدنه اینگونه ریگ ها، وظیفه کنترل اثرات گردابی را بر عهده دارند. پژوهش انجام شده، به تحلیل پدیده اثر گردابی و نیروهای ناشی از امواج جریان محیطی (نیروهای بالابری و کششی) بر روی ریگ دریایی اسپار با استفاده از روش عددی پرداخته است. جهت انجام شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در شرایط جریانی آرام و بدون در نظر گرفتن ارتعاشات و نوسانات در اطراف ریگ اسپار در نظر گرفته شده است. شبیه سازی انجام شده با استفاده از نرم افزار STAR-CCM+ جهت آنالیز اثر گردابی اطراف ریگ اسپار با فرض وجود و یا عدم وجود طوقه‌های مارپیچ انجام شده است. براساس نتایج حاصله از شبیه سازی عددی، طراحی موثر طوقه های مارپیچ می تواند تاثیر به سزایی در جلوگیری از اثر گردابی و برخورد مستقیم امواج به بدنه ریگ داشته باشند. همچنین، سرعت آب در مقادیر 5/0، 75/0، 00/1، 25/1 و 5/1متر بر ثانیه و اعماق 7/1 و 7/2 متری می تواند تاثیرات به سزایی در اعمال نیروهای بالابری و کششی در حضور و یا عدم حضور طوقه های مارپیچی ایفا نماید.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Analysis of SPAR Rig Performance via Vortex

نویسندگان English

Sajjad Jokari 1
ARMIN HOSSEINIAN 2
Ali Esfandiari Bayat 3
1 Master's degree, Department of Petroleum Engineering, Faculty of Petroleum, Chemical, and Polymer Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Science and Engineering, Faculty of Petroleum, Mining and Materials Engineering, CT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Petroleum Engineering, Faculty of Petroleum, Chemical, and Polymer Engineering, SR.C., Islamic Azad
چکیده English

Among the various types of offshore rigs, single-point anchor reservoir (SPAR) rigs are notable as exceptional engineering accomplishments. A challenge faced by SPAR rigs is the impact of vortex effects from the surrounding environment. The helical strakes positioned on the body of the SPAR rig serve to reduce these effects. This research aims to examine the vortex phenomenon along with the forces generated by environmental flow waves (specifically lift and drag forces) that act on offshore SPAR rigs through numerical analysis. For the computational fluid dynamics (CFD) simulations, laminar flow conditions were chosen, eliminating vibration and oscillation around a modeled SPAR rig. The simulation was carried out using STAR-CCM+ software to analyze the vortex effects around the SPAR rig both with and without the presence of spiral rings. The results from the numerical simulation suggest that a carefully designed array of helical strakes can significantly impact the reduction of the vortex effect and the direct influence of waves on the rig’s structure. Moreover, the water velocity can greatly influence the dynamics of lift and drag forces depending on whether helical strakes are incorporated or not. Consequently, the behavior of lift and drag on the spar structure varied based on the performance of the vortex effects across different components of the spar rigs. Additionally, water velocities of 0.5, 0.75, 1.00, 1.25, and 1.5 m/sec at depths ranging from 1.7 to 2.7 m can significantly impact lift and drag forces, whether strakes are present or not.

کلیدواژه‌ها English

Offshore Rigs
SPAR Rig
Environmental Factors
Vortex Effect
Lift and Drag Forces
Helical Strakes
[1] Finn L.D., Maher J.V., & Gupta H. (2003). The Cell
Spar and Vortex Induced Vibrations. Paper Presented at
the Proceeding of the Offshore Technology Conference
(USA), Houston, Texas.
https://doi.org/10.4043/15244-MS
[2] Holmes S. (2009). Predicting Spar VIM Using CFD.
Paper Presented at ASME 2008 27th International
Conference on Offshore Mechanics and Arctic
Engineering (Portugal), Estoril (pp. 895-900).
https://doi.org/10.1115/OMAE2008-57706
[3] Roddier, D., Finnigan, T, & Liapis, S. (2009)
Influence of the Reynolds Number on Spar Vortex
Induced Motions (VIM): Multiple Scale Model Test
Comparisons. Paper Presented at the Proceeding of
Proceedings of the ASME 2009 28th International
Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering
(USA), Honolulu, Hawaii, (5, pp. 797-806).
https://doi.org/10.1115/OMAE2009-79991
[4] Shalabe, A., Kamal, AY., Nabeeh, & N., Samy, M.
(2025). A comparison of the dynamic characteristics
of the spar and TLP offshore structures under irregular
waves, experimentally. Benha Journal of Engineering
Science and Technology, 1(1),105-116.
https://doi.org/10.21608/bjest.2025.445860
[5] Chakrabatri, S.K. (2005). Handbook of Offshore
Engineering. Plainfield, IL, USA, Volume I, 563.
[6] Sukarnoor, N. I. M., Quen L. K., Abu A., Kuwano,
N., Hooi-Siang, K., & Desa S. M. (2021). The
effectiveness of helical strakes in suppressing Vortexinduced
Vibration of tandem circular Cylinders
Guidelines for CFD Simulations of SPAR VIM. Ain
Shams Engineering Journal, 13(1), 101502.
https://doi.org/10.1016/j.asej.2021.05.016
[7] Speight, James G. (2011). Handbook of Offshore
Oil and Gas Operations. Elsevier Ltd.
ISBN: 978-1-85617-558-6
[8] Quen, L. K., Abu A., Kato N., Muhamad P.,
Sahekhaini, A., & Abdullah, H. (2013). Investigation
on the effectiveness of helical strakes in suppressing
VIV of flexible riser. Applied Ocean Research, 44,82-
91. https://doi.org/10.1016/j.apor.2013.11.006
[9] Magee, A., Sablok A., & Gebara J., (2003). Mooring
Design for Directional Spar Hull VIV. Paper Presented
at the Proceeding of the Offshore Technology
Conference (USA), Houston, Texas.
https://doi.org/10.4043/15243-MS
[10] Huang, K ., & Chen X, (2003). The Impact of
Vortex-Induced Motions on Mooring System Design
for Spar-based Installations. Paper Presented at the
Proceeding of the Offshore Technology Conference
(USA), Houston, Texas.
https://doi.org/10.4043/15245-MS
[11] Nallayarasu, S., Sreeraj, R., & Murali, M. (2014).
Effect of hull geometry on the hydrodynamic response
of spar in regular waves. Ships and Offshore Structures,
9(1),22–37.
https://doi.org/10.1080/17445302.2012.704172
[12] Yung, T.W., Sandström R. E., Slocum S. T., Ding
Z. J., & Lokken R. T. (2004). Advancement of Spar
VIV Prediction. Paper presented at the Offshore
Technology Conference (USA), Houston, Texas.
https://doi.org/10.4043/16343-MS
[13] Carpenter, C. (2020). The Spar Platform: A Design
That Transformed Deepwater Development. Petroleum
Technology (JPT), 72(09),76–77.
https://doi.org/10.2118/0920-0076-JPT
[14] Clement, P., Mat Saad, KA., Zakaria, A., Zharif
Ikhmal Mohamad, M., Bahadur Rana, P., La Rosa, D.,
& Scandura, P. (2025). Advanced Engineering and
Sustainable Solutions. Springer Nature Link, Cham.
ISBN: 978-3-031-81127-2
[15] Rahman, M. A., Leggoe, J., Thiagarajan, K.,
Mohd, M. H., and Paik, J. K. (2015). Numerical
simulations of vortex-induced vibrations on vertical
cylindrical structure with different aspect ratios. Ships
and Offshore Structures 11(4), 405-423.
https://doi.org/10.1080/17445302.2015.1013783
[16] Ding, Z.J., Balasubramanian, S., Lokken, R.T., &
T.W. Yung, (2004). Lift and Damping Characteristics
of Bare and Straked Cylinders at Riser Scale Reynolds
Numbers. Paper presented at the Offshore Technology
Conference (USA), Houston, Texas.
https://doi.org/10.4043/16341-MS
[17] Iwan, W.D., & Blevins, R. D., (1974). A model for
vortex induced oscillation of structure. The American
Society of Mechanical Engineering, Applied
Mechanics, 41(3): 581-586.
https://doi.org/10.1115/1.3423352
[18] Irani, M., Perryman, S., Brewer, J., & McNeill S.,
(2009, July). Vortex Induced Motions of the Horn
Mountain Truss Spar. Paper Presented at the
Proceeding of Proceedings of the ASME 2009 28th
International Conference on Ocean, Offshore and
Arctic Engineering (Portugal), Estoril (pp. 967-973).
https://doi.org/10.1115/OMAE2008-57992
[19] Tang, Y., Li Y., Liu L., Jin, W., & Qu Xi., (2009,
June). Study on Influence of Vortex Induced Loads on
the Motion of Spar-Type Wind Turbine Based on Aero-
Hydro-Vortex-Mooring Coupled Model. Paper
Presented at the Proceeding of Proceedings of the
ASME 2009 28th International Conference on Ocean,
Offshore and Arctic Engineering (Portugal), Estoril
(pp. 797-806). https://doi.org/10.1115/OMAE2017-
62620
[20] Blevins, Robert D. (1994). Flow-induced vibration
(2th ed.). New York: Van Nostrand Reinhold. ISBN:
978-0-08-044954-8