深水鉆井船運(yùn)動性能分析

劉學(xué)勤 張海彬

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

深水鉆井船運(yùn)動性能分析

劉學(xué)勤 張海彬

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

采用數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究深水鉆井船的運(yùn)動性能。對某鉆井船的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，并衡量鉆井船在特定海況下的鉆井作業(yè)能力；同時(shí)，針對鉆井船具有較大月池開口這一特點(diǎn)，分析研究了月池開口對鉆井船運(yùn)動性能的影響。

鉆井船；運(yùn)動性能；月池開口；橫搖；模型試驗(yàn)

0 研究背景及意義

從工業(yè)革命至今，油氣資源一直是人類賴以生存與發(fā)展的重要能源。但就世界范圍而言，由于陸地和淺水區(qū)域油氣的勘探程度很高，油氣產(chǎn)量已接近飽和。世界新增油氣儲量已經(jīng)由陸地、淺海轉(zhuǎn)向更為廣闊的深海區(qū)域。近年來，全球獲得的重大油氣勘探發(fā)現(xiàn)，有近50%是來自深海。巴西海域、美國墨西哥灣、安哥拉和尼日利亞近海是倍受關(guān)注的世界四大深水油氣區(qū)，幾乎集中了世界全部的深水探井和新發(fā)現(xiàn)油氣儲量；而被稱為“第二個(gè)波斯灣”的我國南海也是極有希望的深水油氣區(qū)。

根據(jù)DouglasWood公司和世界油田系統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)水深在500～1 500 m時(shí)，世界深水油氣田的平均儲量隨水深大幅增加，深水油氣田產(chǎn)量明顯高于淺水油氣田，這雖然不能從石油地質(zhì)理論上得到解釋，但它是不容忽視的事實(shí)。海洋油氣開發(fā)走向深海已是必然的趨勢［1］。

深海自然條件惡劣，油氣開發(fā)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，必須有先進(jìn)的油氣勘探開發(fā)設(shè)備才可行。目前能夠完成超深水鉆井作業(yè)（水深＞1 500m）的海洋鉆井裝備只有兩種：深水半潛式鉆井平臺和鉆井船。

相比于半潛式鉆井平臺，鉆井船具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：具有自航能力，航速一般在10 kn以上；機(jī)動性強(qiáng)、水線面積大、可變載荷大，更適合于超深水作業(yè)，且大部分自航船具備儲油、試油功能。但是，鉆井船也存在以下缺點(diǎn)：波浪載荷大、運(yùn)動性能差、定位能力差以及對環(huán)境載荷敏感。

海上鉆井作業(yè)對鉆井船的運(yùn)動性能的要求非?？量?，一般要求鉆井作業(yè)垂蕩運(yùn)動有義值在1m以內(nèi)，橫搖和縱搖運(yùn)動有義值在2°以內(nèi)。因此，鉆井船的運(yùn)動性能在設(shè)計(jì)中需要特別考慮。

本文基于海洋工程水動力學(xué)理論及應(yīng)用分析軟件SESAM，研究分析深水鉆井船的運(yùn)動性能，分析深水鉆井船運(yùn)動性能的特點(diǎn)以及月池開口對其運(yùn)動性能的影響，并與水池模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，探討將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)際的方法。

1 計(jì)算理論

按照Denis和Pierson在文獻(xiàn)中的相關(guān)理論［2］，浮體在不規(guī)則海浪中運(yùn)動的響應(yīng)可由單位波幅波中的響應(yīng)（傳遞函數(shù)）和海浪譜來確定。傳遞函數(shù)可利用三維線性勢流理論進(jìn)行計(jì)算，再利用譜分析的方法，結(jié)合海況條件對短期海況下的運(yùn)動性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1.1 傳遞函數(shù)

根據(jù)勢流理論考慮船舶在微幅波作用下的搖蕩運(yùn)動，船舶運(yùn)動和波幅是同階小量，那么運(yùn)動響應(yīng)的傳遞函數(shù)（即單位波幅規(guī)則波下的響應(yīng)），可認(rèn)為是簡諧變化：

式中：ηj（j=1，2，…，6）分別表示浮體縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖6個(gè)自由度運(yùn)動的復(fù)數(shù)振幅。

規(guī)則波中的浮體運(yùn)動微分方程可整理成為

式中：［M］為浮體的廣義質(zhì)量矩陣；

［A］為附加質(zhì)量系數(shù)矩陣；

［B］為阻尼系數(shù)矩陣；

［C］為流體靜載荷系數(shù)矩陣；

｛f（t）｝為波浪干擾力。

將式（1）代入式（2），浮體運(yùn)動微分方程即可轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組，采用高斯消元法或迭代方法即可進(jìn)行求解，獲得運(yùn)動響應(yīng)的傳遞函數(shù)。三維水動力系數(shù)矩陣［A］、［B］、｛f（t）｝一般采用勢流理論求解［3］。

1.2 短期預(yù)報(bào)

在獲得浮體運(yùn)動響應(yīng)傳遞函數(shù)Hη（ω）后，結(jié)合短期預(yù)報(bào)的海浪譜S（ω），可得到運(yùn)動響應(yīng)譜Sη（ω）：

短期預(yù)報(bào)一般是指統(tǒng)計(jì)時(shí)間在半小時(shí)到數(shù)小時(shí)。在此期間，假定浮體的裝載、航速、浪向及海況條件基本不變。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的結(jié)論，短期預(yù)報(bào)的幅值服從Rayleigh分布：

參數(shù)σ2可由響應(yīng)譜Sη（ω）得到：

根據(jù)Rayleigh分布，可得到浮體運(yùn)動短期預(yù)報(bào)的統(tǒng)計(jì)值。如單幅有義值

假設(shè)變量η的短期循環(huán)次數(shù)為n，短期響應(yīng)最大值定義為超過該值的概率小于的變量值。而最大值同有義值具有如下關(guān)系：

式中：若海況統(tǒng)計(jì)時(shí)間為3 h，則：

式中：m0和m2分別是響應(yīng)譜的零階矩和二階矩。

2 實(shí)例計(jì)算

本文對一艘作業(yè)水深1 500m的鉆井船進(jìn)行了運(yùn)動性能分析。利用DNV船級社的Sesam軟件包中的Patran-Pre前處理軟件建立了水動力模型，在HydroD模塊中進(jìn)行水動力計(jì)算，最后利用Postresp模塊進(jìn)行短期響應(yīng)預(yù)報(bào)。

2.1 計(jì)算模型

采用Patran-Pre建立鉆井船濕表面模型（見圖1），模型長約3 m。

圖1 鉆井船水動力模型

由于勢流理論中并沒有考慮到粘性，而在橫搖分析中，粘性阻尼的影響不可忽視，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)添加了橫搖臨界阻尼系數(shù)，并在計(jì)算中考慮了鉆井船液艙自由液面對GM值的修正。

2.2 環(huán)境條件

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求，作業(yè)地區(qū)海況條件如表1所示，采用JONSWAP海浪譜，浪向取0°~180°，間隔為15°，其中0°為隨浪，180°為迎浪。

表1 環(huán)境條件

3 結(jié)果與分析

3.1 鉆井船運(yùn)動性能分析

通過計(jì)算得到鉆井船運(yùn)動性能的主要信息包括固有周期、傳遞函數(shù)和短期預(yù)報(bào)值。

作業(yè)工況和生存工況下鉆井船固有周期如表2。

表2 鉆井船固有周期單位：s

由于鉆井作業(yè)的需要，垂蕩運(yùn)動最大值要求小于1.86m，橫搖和縱搖要求小于3.72°。圖2給出了垂蕩、橫搖和縱搖0°～360°范圍運(yùn)動幅值最大值及作業(yè)要求的玫瑰圖。從圖中可以很明顯看出滿足作業(yè)要求的限制條件。

圖2 垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動玫瑰圖

從中我們還可以看出，作業(yè)及生存工況下橫搖固有周期都較大，能很好避開波浪周期，橫搖運(yùn)動性能好；生存工況對穩(wěn)性要求更高，GM值比作業(yè)工況大，因此橫搖固有周期小于作業(yè)工況；垂蕩及縱搖運(yùn)動固有周期比較接近，也接近一年一遇海況波浪譜峰周期，作業(yè)工況下垂蕩及縱搖運(yùn)動稍差。由此可以得出，能滿足作業(yè)要求的環(huán)境條件只有一年一遇海況下的0°～45°和135°～180°浪向，而決定作業(yè)限制浪向的最關(guān)鍵因素是垂蕩運(yùn)動，一年一遇海況下橫搖和縱搖運(yùn)動幅值都滿足作業(yè)要求。

3.2 月池開口影響分析

為了考察月池開口對鉆井船運(yùn)動性能的影響，本文對有月池和無月池兩種情況分別作了計(jì)算，分別從固有周期、傳遞函數(shù)和短期預(yù)報(bào)值三個(gè)方面作比較，結(jié)果如下：

（1）在固有周期上，有無月池對垂蕩和橫搖固有周期影響很小，但對橫搖有明顯的影響。有月池情況下的橫搖周期為16.43 s，而無月池情況下的橫搖周期為18.00 s，這也能從傳遞函數(shù)上看出（見圖3）。

圖3 有月池和無月池橫搖傳遞函數(shù)

（2）在傳遞函數(shù)上，由于固有周期的差別，傳遞函數(shù)在固有周期附近差別較大，而遠(yuǎn)離固有周期的范圍上基本相同。

（3）在短期預(yù)報(bào)上，僅比較十年一遇海況下的運(yùn)動預(yù)報(bào)值，有月池情況下橫搖幅值比無月池情況橫搖幅值大，橫浪情況下差距最明顯（見圖4），垂蕩和縱搖運(yùn)動預(yù)報(bào)值差別很小。

圖4 有月池和無月池橫搖運(yùn)動玫瑰圖

由于本船橫搖固有周期大、橫搖性能好，月池開口并沒有成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

3.3 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，本文將模型試驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。

表3給出了模型試驗(yàn)測得的橫搖和縱搖固有周期及計(jì)算得到的固有周期，可見模型試驗(yàn)值與計(jì)算值非常接近，誤差在3%以內(nèi)；縱搖固有周期的誤差在10%以內(nèi)。由于模型試驗(yàn)中準(zhǔn)確測量縱搖固有周期比較困難，因此10%的誤差是可以接受的。

表3 模型試驗(yàn)與計(jì)算所得固有周期對比單位：s

圖5 作業(yè)工況下模型試驗(yàn)與計(jì)算的傳遞函數(shù)對比

圖5給出作業(yè)工況下計(jì)算的傳遞函數(shù)與模型試驗(yàn)測得結(jié)果的對比，除橫搖運(yùn)動固有周期附近外，其余部分符合良好。橫搖固有周期附近的運(yùn)動數(shù)值受橫搖粘性阻尼影響較大，后期需要對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步修正。

4 結(jié)論

通過以上的計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論：

（1）該鉆井船橫搖周期在20 s以上，可以避開波浪周期，橫搖運(yùn)動優(yōu)良；垂蕩和縱搖周期在7.5 s左右，接近一年一遇波浪譜峰周期，垂蕩和縱搖運(yùn)動比較大。該鉆井船可以在一年一遇的海況下作業(yè)，但是作業(yè)必須限制浪向（垂蕩運(yùn)動是限制鉆井船作業(yè)的關(guān)鍵因素），滿足鉆井作業(yè)要求的浪向?yàn)?°～45°及135°～180°。

（2）月池開口的存在會影響鉆井船的排水量及水線面面積，從而影響鉆井船的運(yùn)動。月池開口對橫搖運(yùn)動影響最大，可能會降低橫搖固有周期，增大橫搖運(yùn)動幅值，但對縱搖和垂蕩運(yùn)動的影響非常小。

（3）通過模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算對鉆井船運(yùn)動的預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確。但對于橫搖運(yùn)動，由于粘性阻尼對橫搖運(yùn)動的影響不能忽視，而勢流理論無法考慮其貢獻(xiàn)，因此在后期的數(shù)值計(jì)算中需要對結(jié)果進(jìn)行修正。

［1］郭永峰，周曉惠，白云程.世界深海油田的開發(fā)與展望［J］.國外油田工程，2008，24（12）：30-31.

［2］St.Denis，M.，Pierson，W.J.On the motions of ships in confused seas［J］.Trans.SNAME，1953，61：280-358.

［3］戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正.船舶波浪載荷［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2007：23-27.

［4］DNV.Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory（WADAM）［S］.2004.

［5］DNV.Post processor for General Response Statistics（POSTRESP），SESAM USER’SMANUAL［S］.2004.

Analysis of motion performance for a deep water drilling ship

LIU Xue-qin ZHANG Hai-bin
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

This paper studies motion performance of a deep water drilling ship by numerical calculation andmodel test.Itpredicts short-term responses of heave，roll，and pitch for the drilling ship，and evaluates its capability of the drillingoperation under the given sea conditions.Moreover，italsoanalyzesand studies the influence of the moonpool on the motion performance of a drilling ship due to the characteristics that a drilling ship has a larger moonpool.

drilling ship；motion performance；moonpool；roll；model test

U661.3

A

1001-9855（2013）03-0012-05

2012-10-28；

2012-11-18

劉學(xué)勤（1985-），男，碩士研究生，主要從事總體設(shè)計(jì)工作。

張海彬（1976-），男，博士，高級工程師，主要從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)。