深水半潛式鉆井平臺(tái)主尺度論證研究

童波金強(qiáng)

（中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

深水半潛式鉆井平臺(tái)除了能在500～3 000 m水深進(jìn)行鉆井作業(yè)外，還能承擔(dān)完井、試油和修井任務(wù)，也可用作深水采油平臺(tái)。自上世紀(jì)60年代初發(fā)展至今已到了第六代。深海半潛式平臺(tái)技術(shù)難度高、附加值大，其設(shè)計(jì)和建造反映了一個(gè)國(guó)家在海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備上的研發(fā)水平。

本文研究深水半潛式平臺(tái)的主要型式、結(jié)構(gòu)組成和發(fā)展趨勢(shì)，論證平臺(tái)作業(yè)功能、耐波性、穩(wěn)性、定位能力、總布置和可變載荷與主尺度的關(guān)系，為半潛式平臺(tái)方案的主尺度選取提供依據(jù)。

1 半潛式平臺(tái)型式

新一代半潛式平臺(tái)型式主要有兩平行浮體6立柱、環(huán)形浮體6立柱、兩平行浮體4立柱、環(huán)形浮體4立柱等，平臺(tái)型長(zhǎng)在100～120 m，型寬在70～80 m，型深在35～45 m范圍內(nèi)。目前深水半潛式平臺(tái)大都具有在水深超過(guò)1 500 m水域工作的能力，配備甲板大吊機(jī)，采用動(dòng)力定位系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件高，抗風(fēng)暴能力強(qiáng)。不同型式的半潛式平臺(tái)具有各自不同的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)選型中，要綜合考慮作業(yè)環(huán)境、工作能力等要求，并分析半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性、拖航阻力、經(jīng)濟(jì)性和建造方便等因素［1］。

1.1 下浮體

下浮體主要是為平臺(tái)提供足夠的排水量 （特別是拖航狀態(tài)下的排水量）和專(zhuān)用液艙艙容。下浮體首、尾端設(shè)計(jì)成半圓形，以減小拖航阻力，舭部為圓弧形?，F(xiàn)有的半潛式平臺(tái)中，下浮體型式有雙浮體和環(huán)狀浮體（ring pontoon）兩類(lèi)。其中雙浮體占絕大多數(shù)，是較為傳統(tǒng)、慣用的型式，拖航時(shí)阻力小。環(huán)狀浮體是新的發(fā)展型式，該結(jié)構(gòu)型式提高了平臺(tái)總強(qiáng)度，增大了裝載量，但航行阻力增大，故在拖航移位時(shí)一般置于大型半潛船上 （即干拖）。

1.2 立柱

立柱的作用主要是支持上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的載荷，同時(shí)為保證平臺(tái)的穩(wěn)性提供足夠的水線(xiàn)面面積［2］。立柱的數(shù)目和斜撐的布置形式多種多樣，目前多數(shù)平臺(tái)立柱的數(shù)目為4個(gè)，斜撐和水平撐桿數(shù)目盡量減少，以至于無(wú)斜撐。雖然立柱數(shù)量多有利于發(fā)生結(jié)構(gòu)破損事故時(shí)平臺(tái)的安全性，同時(shí)給甲板提供更有力的支持，但也因此導(dǎo)致平臺(tái)的造價(jià)有所增加。較為傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)多設(shè)8立柱或6立柱，而新一代的半潛式平臺(tái)廣泛采用了4立柱。這一發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要原因在于有限元分析技術(shù)在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和提高。早期的平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用桿元理論，不能計(jì)算大型結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和屈曲問(wèn)題等。平臺(tái)由小尺寸構(gòu)件組成，因此需要較多的立柱以滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)性要求。而目前應(yīng)用有限元分析技術(shù)，立柱和浮體尺寸可充分增大，因此較少數(shù)目的立柱即可能滿(mǎn)足要求。

1.3 橫撐

橫撐的作用在于保持平臺(tái)結(jié)構(gòu)的完整性，其尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求而確定。橫撐一般由圓管構(gòu)成，其布置形式也呈多樣化。為保證立柱和上船體的“梁—肘”節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度要求，通常在兩立柱底端設(shè)水平橫撐。橫撐與立柱的連接點(diǎn)為載荷關(guān)鍵點(diǎn)，容易發(fā)生疲勞問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)平臺(tái)水平撐桿的強(qiáng)度（包括連接點(diǎn)）需作詳細(xì)的分析計(jì)算。

1.4 上船體箱形甲板

根據(jù)深水半潛式鉆井平臺(tái)近期的新發(fā)展，上船體平臺(tái)多為箱型封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)1～2 m高的雙層底、各3～4 m高的雙層甲板空間。雙層底可有利于整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且雙層底內(nèi)可鋪設(shè)各種管線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)布置的統(tǒng)一規(guī)劃。雙層甲板空間可提供更多的布置面積，以適應(yīng)隨鉆井深度而增加的布置空間需求。上船體箱形結(jié)構(gòu)可在穩(wěn)性計(jì)算中計(jì)入。

總的來(lái)講，新一代的半潛式平臺(tái)趨于大型化和簡(jiǎn)單化。平臺(tái)的主尺度增大，立柱浮體和主甲板間的內(nèi)部空間增大，鉆井作業(yè)、生活等物資存儲(chǔ)能力增強(qiáng)。平臺(tái)外形結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化，下浮體趨向采用簡(jiǎn)單的方形截面，平臺(tái)甲板也為規(guī)則的箱形結(jié)構(gòu)。采用的撐桿和節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)化、數(shù)目減少，或是無(wú)撐桿的簡(jiǎn)單外形結(jié)構(gòu)，這些改變降低了節(jié)點(diǎn)疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)并減少了建造費(fèi)用。圖4的四個(gè)方案均為第五、第六代深海半潛式鉆井平臺(tái)，除挪威Aker公司方案為八立柱外，其余三家公司方案均為四立柱。各方案船型如圖1所示：

圖1 不同方案船型模型圖

2 主尺度選取論證

下面結(jié)合圖2來(lái)說(shuō)明半潛平臺(tái)下浮體、立柱和上船體的主要尺度與平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)的相互關(guān)系。

圖2 半潛式平臺(tái)主要尺度與設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)關(guān)系

2.1 作業(yè)功能對(duì)主尺度選取的影響

深水半潛式鉆井平臺(tái)的鉆井作業(yè)功能主要分為鉆井作業(yè)、測(cè)井作業(yè)、完井作業(yè)、試油作業(yè)等。

鉆井作業(yè)的工藝流程及設(shè)備配置對(duì)平臺(tái)的總布置及主尺度影響較大，深水半潛式鉆井平臺(tái)鉆井系統(tǒng)按作業(yè)的功能可以劃分為鉆井模塊、管材處理系統(tǒng)、防噴器組與采油樹(shù)處理系統(tǒng)、升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、高壓泥漿系統(tǒng)、低壓泥漿系統(tǒng)、泥漿材料存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、司鉆房控制與監(jiān)控等十大關(guān)鍵系統(tǒng)。

測(cè)井作業(yè)對(duì)平臺(tái)的主尺度影響不是很大，測(cè)井設(shè)備主要包括測(cè)井儀、測(cè)斜儀、綜合錄井儀等。測(cè)井的工作一般由第三方專(zhuān)業(yè)的測(cè)井公司人員完成，所以測(cè)井設(shè)備一般是集成在集裝箱內(nèi)，平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留好將來(lái)設(shè)備放置的空間即可。深水半潛式鉆井平臺(tái)一般在正對(duì)井架大門(mén)的地方設(shè)置測(cè)井平臺(tái)用以放置測(cè)井設(shè)備，并需要在靠近泥漿凈化設(shè)備的安全區(qū)預(yù)留錄井設(shè)備的空間。

完井作業(yè)時(shí)需要完井液，所以平臺(tái)在總布置時(shí)需要考慮完井液的專(zhuān)用艙室。完井液艙一般處于下浮體內(nèi)，試油作業(yè)時(shí)所需的試油設(shè)備一般為第三方臨時(shí)設(shè)備，平臺(tái)在遠(yuǎn)離生活樓方向的主甲板上劃分出試油設(shè)備的臨時(shí)設(shè)備區(qū)。此區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)，相關(guān)的設(shè)計(jì)按照危險(xiǎn)區(qū)考慮。

2.2 運(yùn)動(dòng)性能對(duì)主尺度選取的影響

半潛式平臺(tái)在波浪上有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，一般假設(shè)它們都是微幅簡(jiǎn)諧振蕩。平臺(tái)周期性的垂蕩運(yùn)動(dòng)使鉆柱隨之做上下運(yùn)動(dòng)，并造成井底鉆壓變化，甚至鉆頭脫離井底，無(wú)法鉆進(jìn)。目前主要通過(guò)鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)解決鉆柱的升沉補(bǔ)償問(wèn)題，與其他方向的運(yùn)動(dòng)相比，平臺(tái)在垂蕩響應(yīng)上只具有很小的靈活性，它只能在一定的垂向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)工作，一般作業(yè)工況下垂蕩固有周期大于20 s，而且通常認(rèn)為在主尺度決定后通過(guò)調(diào)節(jié)重心或船體的慣性矩只能用來(lái)減小縱搖和橫搖，因此一般把平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)作為設(shè)計(jì)時(shí)首要的考慮因素。

以雙下浮體多立柱支撐對(duì)稱(chēng)式深水半潛平臺(tái)為例，橫浪條件下無(wú)阻尼垂蕩運(yùn)動(dòng)方程為［3］：

式中：M——平臺(tái)質(zhì)量；

A33——垂蕩附加質(zhì)量；

η3——垂蕩位移；

Aw——水線(xiàn)面面積；

F3（t）——垂向激振力。

假設(shè)平臺(tái)中心處自由液面升高為 ζ=ζasinωt，k（zt-zm）為小量，zt、zm分別為下浮體頂部和幾何中心距水線(xiàn)的高度，通過(guò)分析計(jì)算得到：

半潛平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)中立柱不產(chǎn)生附加質(zhì)量，附加質(zhì)量?jī)H來(lái)自于下浮體的運(yùn)動(dòng)，初步設(shè)計(jì)中一般要使垂蕩固有周期大于20 s，遠(yuǎn)離波浪能量范圍，避免波頻共振的發(fā)生。

以深水規(guī)則波為例，假設(shè)波浪周期為11.2 s，波數(shù)k＝0.032，波浪頻率一般高于平臺(tái)固有頻率。通過(guò)上式可以得出平臺(tái)垂蕩響應(yīng)與波高成正比，垂蕩位移隨zm的增加而減小、隨B的增大而減小；當(dāng)波浪頻率ω=ωn時(shí)，垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)限大，因?yàn)檫@里忽略了粘性效應(yīng)；當(dāng)或者 λ=2B/（2n+1）時(shí)，垂蕩響應(yīng)的理論值為0。

由此可知，在一定海洋環(huán)境條件下，垂蕩響應(yīng)的主要影響因素有平臺(tái)吃水zm、下浮體中心面間的橫向距離B以及垂蕩運(yùn)動(dòng)固有頻率ωn；垂蕩固有周期的主要影響因素為水線(xiàn)面面積Aw和垂蕩附加質(zhì)量A33。

深水半潛平臺(tái)初步設(shè)計(jì)中選擇合理的平臺(tái)主尺度以使垂蕩運(yùn)動(dòng)最小化，通過(guò)減小水線(xiàn)處立柱橫截面積或增大下浮體尺度使平臺(tái)垂蕩固有周期增加；平臺(tái)垂蕩固有周期增加會(huì)使得平臺(tái)波頻垂蕩響應(yīng)減少，同時(shí)也應(yīng)考慮上述尺度變化對(duì)穩(wěn)性和排水量的影響。通過(guò)增加平臺(tái)吃水可以減小垂蕩響應(yīng)，這點(diǎn)也符合平臺(tái)下潛越深受到的波浪干擾力越小的原則；另外增加下浮體中心面間的橫向距離也可減小垂蕩響應(yīng)，下浮體中心面間距和立柱橫向間距、主甲板寬度相關(guān)，進(jìn)而影響平臺(tái)穩(wěn)性、橫搖運(yùn)動(dòng)和甲板可利用面積。

平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)中除垂蕩運(yùn)動(dòng)外，還需考慮縱搖、橫搖對(duì)主尺度選取的影響，非耦合橫搖和縱搖固有周期為：

對(duì)于半潛平臺(tái)而言，橫搖、縱搖固有周期一般大于30 s，其影響因素主要包括：橫搖慣性半徑r44、縱搖慣性半徑r55、橫穩(wěn)性高與縱穩(wěn)性高。因此在主尺度基本確定后，可通過(guò)調(diào)整質(zhì)量分布，改變搖轉(zhuǎn)慣性半徑和重心高度，進(jìn)而優(yōu)化橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)。

2.3 穩(wěn)性對(duì)主尺度的影響

隨著全球氣候變化，臺(tái)風(fēng)發(fā)生的頻率越來(lái)越高且風(fēng)速也越來(lái)越大，作業(yè)海況更加惡劣，這就對(duì)半潛式平臺(tái)的安全性和抗風(fēng)暴能力提出了更高的要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高平臺(tái)的穩(wěn)性?xún)?chǔ)備。穩(wěn)性研究一般包括初穩(wěn)性、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性。

初穩(wěn)性主要由穩(wěn)心高度和重心高度決定，穩(wěn)心高是水線(xiàn)面慣性矩與排水量的比值，主要由半潛式平臺(tái)立柱的大小所控制，立柱的間距和立柱的直徑應(yīng)結(jié)合起來(lái)考慮，以求獲得必要的水線(xiàn)面慣性矩［4］。一般地，立柱水線(xiàn)面的橫向慣性矩和縱向慣性矩定為相等或相近，這對(duì)于半潛平臺(tái)在海況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全向作業(yè)是相當(dāng)重要的。因此，平臺(tái)縱向和橫向的立柱間距基本一致，從而使得半潛平臺(tái)具有相同的縱向穩(wěn)性和橫向穩(wěn)性。立柱的縱向間距和橫向間距還受到上船體甲板面積要求的影響。立柱水線(xiàn)以上部分的高度同穩(wěn)性密切相關(guān)，在滿(mǎn)足氣隙的前提下，降低立柱高度有利于降低平臺(tái)的空船垂向重心，從而對(duì)提高穩(wěn)性有利。立柱尺度的增加并不是沒(méi)有限制的，相同海況下，大尺度立柱所受的波浪力和力矩也較大，水動(dòng)力性能就比較差，若大尺度立柱艙室發(fā)生破損，傾斜角增加較大，這對(duì)破損穩(wěn)性非常不利。所以在保證平臺(tái)穩(wěn)性要求的前提下，應(yīng)選取適當(dāng)尺度的立柱。

半潛式平臺(tái)的完整穩(wěn)性包括平臺(tái)在拖航狀態(tài)、正常作業(yè)狀態(tài)和風(fēng)暴自存狀態(tài)的穩(wěn)性，主要與風(fēng)傾力矩、平臺(tái)復(fù)原力矩和水密、風(fēng)雨密完整性范圍等有關(guān)［5］。一般通過(guò)降低立柱高度、降低甲板上結(jié)構(gòu)和設(shè)備的高度，以達(dá)到減少風(fēng)傾力矩的目的。平臺(tái)的復(fù)原力矩與自身的排水量和穩(wěn)性高相關(guān)。此外，提高水密、風(fēng)雨密完整性范圍能有效改善穩(wěn)性性能。穩(wěn)性計(jì)算需要分析不同的傾斜軸，通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同傾斜軸的復(fù)原力矩曲線(xiàn)與風(fēng)傾力矩曲線(xiàn)下的面積比，確定平臺(tái)最危險(xiǎn)的傾覆方向。

半潛式平臺(tái)破損穩(wěn)性主要校核拖航工況和作業(yè)工況，破損主要包括碰撞破損（collision damage）和艙室間接進(jìn)水（remote flooding），碰撞破損范圍和平臺(tái)分艙布置密切相關(guān)，內(nèi)部艙室分隔應(yīng)盡量減少破艙進(jìn)水范圍，艙室劃分較多利于減小自由液面矩，降低浮力損失，但是會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量和管系復(fù)雜性。間接進(jìn)水的艙室是指任何一個(gè)全部或部分處于所考慮水線(xiàn)以下的水密艙室浸水，這些艙室可以是泵艙、設(shè)有海水冷卻系統(tǒng)機(jī)械的艙室或與海水相鄰的艙室。

2.4 定位能力對(duì)主尺度的影響

深水半潛平臺(tái)承受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，系統(tǒng)在縱蕩、橫蕩和首搖方向的固有頻率很低，由于非線(xiàn)性的低頻環(huán)境力，平臺(tái)將產(chǎn)生較大的低頻慢漂運(yùn)動(dòng)［6］。

半潛平臺(tái)的定位方式主要包括動(dòng)力定位和錨泊定位。動(dòng)力定位系統(tǒng)能平衡低頻的環(huán)境載荷。在惡劣的海況下，平臺(tái)需要更高功率的推進(jìn)器和電站，進(jìn)而影響設(shè)備的布置空間和選型采購(gòu)。對(duì)于錨泊系統(tǒng)，因半潛式鉆井平臺(tái)需要到不同海域鉆井作業(yè)，因而通常會(huì)選用拋錨、起錨操作方便，抓力較大，成本較低的非永久性錨泊系統(tǒng)。一般采用拖曳埋置錨，此錨不能承受上拔力，因此需要較長(zhǎng)的鋼鏈連接海底錨，以保證系泊纜在設(shè)計(jì)海況下具備躺底部分。惡劣的海況需要連接錨的鋼鏈更長(zhǎng)，纜繩的強(qiáng)度、剛度更大，也就導(dǎo)致系泊纜繩較長(zhǎng)，總重較大，影響平臺(tái)的可變載荷。

500 m水深以?xún)?nèi)一般采用常規(guī)錨泊定位方式，平臺(tái)若帶全定位所需的全部錨鏈，則要設(shè)置較大的8～12個(gè)錨鏈艙，而且較大的錨鏈重量影響平臺(tái)的拖航可變載荷指標(biāo)。在500～1 500 m水深之間，錨泊系統(tǒng)通常采用鏈-聚酯纜-鏈三段型式和預(yù)拋錨，平臺(tái)部分系泊纜可由供應(yīng)船補(bǔ)給。

2.5 總布置對(duì)主尺度的影響

半潛式平臺(tái)的下浮體中一般布置推進(jìn)器艙、泵艙、燃油艙、基油艙、鹽水艙、鉆井水艙、壓載水艙、通道等。下浮體的長(zhǎng)度與立柱的縱向間距有關(guān)，并滿(mǎn)足一定的液艙艙容要求，下浮體的寬度和高度要符合部分工作艙室布置（特別是泵艙、推進(jìn)器艙）要求。

立柱是連接下浮體和上船體的通道，立柱中布置管線(xiàn)、電纜、梯道和通風(fēng)等，且通常設(shè)有設(shè)備間、重晶石和土粉儲(chǔ)存罐，備用泥漿艙、飲用水艙和錨鏈艙。

上船體多為箱型封閉結(jié)構(gòu)。箱型甲板雙層底高1.5～1.7 m，兩層高均為3.5 m左右。上船體主要布置機(jī)艙、配電間、鉆井配電間、泥漿泵艙、日用泥漿艙、機(jī)電設(shè)備與維修間、BOP控制室、散料儲(chǔ)存罐、散料輸送空氣系統(tǒng)、干燥空氣間、隔水管立放區(qū)（可選）、生活區(qū)、垃圾焚燒間以及通風(fēng)梯道等。

主甲板主要布置井架系統(tǒng)，鉆臺(tái)，起重機(jī)，鉆桿、套管、隔水管堆場(chǎng)和輸送系統(tǒng)，大型海底工具儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)，袋裝品庫(kù)，泥漿凈化艙，水泥儲(chǔ)存罐，應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，燃燒臂，生活區(qū)，救生平臺(tái)，補(bǔ)給平臺(tái)，錨機(jī)平臺(tái)等。此外，固井設(shè)備、試油設(shè)備、錄井設(shè)備和ROV設(shè)備屬于第三方設(shè)備，需在主甲板預(yù)留空間。

2.6 可變載荷對(duì)主尺度的影響

半潛式平臺(tái)排水量除空船重量外，還包括甲板可變載荷，錨及錨鏈重量/張力，鉆井水、鹽水、基油、淡水和燃油等消耗品重量，壓載水重量等。平臺(tái)的外形尺度應(yīng)為半潛式平臺(tái)的各個(gè)狀態(tài)提供足夠的排水量，其中拖航排水量決定了下浮體的主尺度要求，立柱的高度分為水線(xiàn)以下部分和水線(xiàn)以上部分。當(dāng)下浮體尺度、立柱截面積確定后，立柱水線(xiàn)以下部分和下浮體的體積決定了作業(yè)/風(fēng)暴自存工況下的平臺(tái)排水量。隨著作業(yè)水深和鉆深的增加，隔水管、套管和鉆桿的長(zhǎng)度增加，例如3 000 m作業(yè)水深需要的隔水管總重達(dá)到～2 800 t，另外為提高平臺(tái)自持力，減少供應(yīng)船的補(bǔ)給頻率，平臺(tái)需要裝備更多的消耗品，這些都導(dǎo)致半潛平臺(tái)承載更大的可變載荷，甲板具有更大的可利用面積，部分艙室具備更大的存儲(chǔ)空間，從而影響平臺(tái)的主尺度，半潛式平臺(tái)也會(huì)趨于大型化。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今全球氣候環(huán)境變化、平臺(tái)作業(yè)水深和鉆深增加，以及平臺(tái)安全性、作業(yè)效率等要求都需要半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性?xún)?chǔ)備、定位性能、可變載荷、總體布局等達(dá)到先進(jìn)水平，而這些性能指標(biāo)都與主尺度密切相關(guān)。希望本文的論證研究能為平臺(tái)方案的主尺度選取提供參考依據(jù)。

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