半潛鉆井平臺動力定位與錨泊混合定位控位能力分析方法研究

張本偉，楊清峽，梁園華

(中國船級社 海工技術(shù)中心，北京100007)

在海洋油氣開發(fā)中，選取半潛鉆井平臺的定位方式十分重要。常見的定位方式有錨泊定位和動力定位。錨泊定位一般適用在作業(yè)水深300～1 000 m的范圍，動力定位方式理論上不受水深的限制，但是出于經(jīng)濟性考慮，常用在水深1 000 m以上的作業(yè)海域，二者隨水深的成本變化見圖1。

圖1 錨泊與動力定位系統(tǒng)成本與水深關(guān)系

錨泊定位技術(shù)研究和應(yīng)用比較早，分析和計算方法也有很多。動力定位技術(shù)的研究和應(yīng)用比錨泊起步晚一些，但從目前全球?qū)恿Χㄎ幌到y(tǒng)的使用和開發(fā)來看，動力定位也已成為一種比較常見的定位方式。錨泊定位和動力定位都有自己的優(yōu)點和缺點，在具體應(yīng)用中，通常根據(jù)不同的平臺類型和區(qū)域作業(yè)要求，選擇定位方式。

隨著海洋開發(fā)區(qū)域的全球性發(fā)展，針對半潛式鉆井平臺工作的一些特殊海區(qū)，緊靠一種單獨的定位方式，無法滿足定位作業(yè)要求。二者的混合定位方式在近幾年已經(jīng)出現(xiàn)。比如在挪威北海Haltenbanken海區(qū)。該海域水深在300 m左右，其顯著特點就是海況惡劣，挪威船級社在規(guī)范中明確要求，錨泊定位需要滿足100年一遇的風(fēng)和浪，及10年一遇的流，因此單獨使用一種定位方式，平臺的作業(yè)窗口期很短，極大地影響了平臺的使用效率。同時，混合定位方式也可以節(jié)約成本［1］。

KONGSBERG公司早已開始動力定位和錨泊定位混合定位模式的研究，推出了成熟的混合定位模式產(chǎn)品DP-M，但是截至目前，國內(nèi)對其內(nèi)部的核心技術(shù)了解甚少。

本文結(jié)合位于挪威北海作業(yè)的某半潛鉆井平臺所使用的混合定位模式，研究一種半潛鉆井平臺混合定位模式下控位能力的分析方法。

1 錨泊定位

半潛平臺錨泊定位示意見圖2。錨泊分析分為準靜態(tài)和動態(tài)分析，其中動態(tài)又分為時域和頻域分析。

圖2 半潛平臺錨泊定位示意

在分析過程中，一般包括風(fēng)、浪、流因素。其中風(fēng)考慮為穩(wěn)態(tài)風(fēng)，流考慮為恒流，波浪的成分比較復(fù)雜，一般包括波頻，低頻，其中低頻包括二階波漂力，為定值。錨泊分析主要是對錨鏈強度和疲勞等進行分析。

分析工況包括在作業(yè)和自存海況下平臺的完整、破損和瞬態(tài)(一根錨鏈斷裂)工況。

系泊平臺在風(fēng)力(定常)、恒流力和波漂力的聯(lián)合作用下將從無環(huán)境力作用時的初始位置偏移至新的平均位置，在此平均位置上，系泊系統(tǒng)的復(fù)原力將平衡環(huán)境因素對平臺所施加的上述定常力。波浪還在此新的平衡位置上引起系泊平臺的波頻和低頻運動。

波頻運動和低頻運動可由模型試驗或計算分析求得。波頻運動一般可與低頻運動分開計算。在波頻運動分析中，由于平臺的縱蕩、橫蕩和首搖運動的固有周期遠大于波浪周期，一般可不考慮系泊系統(tǒng)質(zhì)量及彈性對波頻運動的影響。在低頻運動分析中，一般可只考慮系泊平臺的低頻縱蕩、橫蕩和首搖運動。系泊平臺的低頻運動為集中在系泊平臺固有頻率附近的極度狹帶的響應(yīng)。運動幅值取決于系泊系統(tǒng)的剛度和阻尼。

關(guān)于半潛鉆井平臺的錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計衡準、分析方法可以參考的材料很多，比如API RP2SK，API RP 2SM，ISO19901-7(2005)，各大船級社規(guī)范，政府法規(guī)等等。

2 動力定位

動力定位技術(shù)最早開始于上世紀70年代，用于海洋開發(fā)，目前對其研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。

動力定位主要是利用計算機自動控制推進器抵抗風(fēng)浪流環(huán)境力，保持平臺/船舶的位置和艏向。這里所能抵抗的風(fēng)浪流包括穩(wěn)態(tài)風(fēng)，海流力及波浪載荷中的二階力波漂，其他運動載荷，動力定位系統(tǒng)不于考慮，其控制原理見圖3。

圖3 半潛平臺動力定位控制原理

動力定位系統(tǒng)推進器發(fā)出的推力的使用分為兩部分:一部分為抵抗靜載荷，就是由風(fēng)、流和二階波漂力組成;另一部分為抵抗動載荷，控制平臺運動位移及艏向。行業(yè)內(nèi)對推進器使用的考慮一般是每個推進器可用推力的80%，用來抵抗靜載荷，剩余20%用來抵抗動載荷。

目前，對于動力定位系統(tǒng)的控位能力分析都是基于上述原理進行的?？梢詤⒖嫉男袠I(yè)標(biāo)準比較多，比如有API RP 2SK，以及國際海事承包商協(xié)會(IMCA)等推薦辦法。

3 動力定位輔助錨泊定位

目前，對動力定位輔助錨泊定位系統(tǒng)的研究都是基于上個世紀對動力定位系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)的研究應(yīng)用基礎(chǔ)上進行的［2］。上個世紀90年代末，荷蘭MARIN水池的Johan等從理論上研究過二者混合定位系統(tǒng)，并做過水池試驗，最終因為難以開展水下錨泊系統(tǒng)試驗研究，沒有進行完整的相關(guān)模型試驗。同時，挪威科技大學(xué)也開展了一系列涉及動力定位輔助錨泊定位模型試驗研究，但是重點是控制方式的研究。近幾年，國內(nèi)上海交通大學(xué)也對該混合定位方式進行了理論研究。

動力定位輔助錨泊混合定位下的平臺運動是一個復(fù)雜的過程，很難像單純地使用錨泊定位或者動力定位模式下那樣，建立一個精確的模型，單純用靜態(tài)或者動態(tài)方法，或者用時域和頻域分析方法來分析其控位能力［3-5］。

從上述動力定位和錨泊定位能力分析對比可以看出，在動力定位與錨泊定位對環(huán)境的抵抗作用中，錨泊抵抗的環(huán)境力的成分更多，包含了波頻及全部低頻，對穩(wěn)態(tài)風(fēng)、流及二階波漂力抵抗作用二者幾乎是相同的。

錨泊定位下平臺的波頻運動一般可與低頻運動分開計算。在波頻運動分析中，由于平臺的縱蕩、橫蕩和首搖運動的固有周期遠大于波浪周期，一般可不考慮系泊系統(tǒng)質(zhì)量及彈性對波頻運動的影響。在低頻運動分析中，一般只考慮系泊平臺的低頻縱蕩、橫蕩和首搖運動。系泊平臺的低頻運動為集中在系泊平臺固有頻率附近的極度狹帶的響應(yīng)。運動幅值取決于系泊系統(tǒng)的剛度和阻尼［6］。

如果動力定位通過試驗或由廠家可以提交出其剛度和阻尼系數(shù)(動力定位系統(tǒng)的控制品質(zhì))，同樣也可以用與錨泊分析類似的方式進行分析，這樣就簡化了整個分析過程。通過試驗可以得出動力定位控位能力的計算公式為

式(1)中等號右邊第二項與第三項相位差為90°。

另外，由統(tǒng)計學(xué)和圓周運動公式可知

推薦混合定位的分析流程見圖4。

圖4 混合定位分析流程

4 計算實例

設(shè)計位于北海Haltenbanken海區(qū)作業(yè)的某半潛鉆井平臺的相關(guān)參數(shù)如下。坐標(biāo)系采用常規(guī)的北東坐標(biāo)系。

6個65 t全回轉(zhuǎn)推進器的布置位置見表1，8根錨鏈布置位置見表2，選取的錨鏈的特性見表3，挪威海事局對錨鏈動態(tài)安全系數(shù)的要求見表4，依據(jù)挪威船級社規(guī)范要求，對工作在北海海區(qū)使用錨泊定位的半潛平臺需滿足100年一遇風(fēng)和浪的工況(自存)，對應(yīng)的海況參數(shù)見表5，所配置的動力定位，即系統(tǒng)廠家提供的動力定位系統(tǒng)的阻尼和剛度系數(shù)見表6。

表1 某半潛鉆井平臺推進器位置 m

表2 錨鏈布置位置

表3 所選用錨鏈的特性

表4 挪威海事局對錨鏈安全系數(shù)的要求

表5 挪威北海Haltenbanken海區(qū)百年一遇工況

表6 DP廠家提供的DP特性

依據(jù)試驗得出的環(huán)境力系數(shù)，所計算出平臺在180°方向所受環(huán)境力的大小及計算流程見表7。

表7 180°方向平臺所受環(huán)境力計算

在SESAM MIMOSA模塊下頻域分析可知平臺橫向標(biāo)準偏差為7.9 m，跨零周期為165.4 s;縱向標(biāo)準偏差為1.09 m，跨零周期為204.49 s;分別帶入式(2)和(1)中，結(jié)合表6，求得平臺在北東坐標(biāo)系下180°方向動力定位系統(tǒng)最大需要提供推力為3 617 kN，小于3 635 kN，滿足要求。

依據(jù)上述流程，可以依次算出在完整自存工況下其他角度動力定位的控位能力及錨泊分析。

見圖5和圖6。

圖5 混合定位模式及完整自存工況下DP控位能力分析

圖6 混合定位模式及完整自存工況下錨泊安全系數(shù)

5 結(jié)束語

半潛平臺在動力定位輔助錨泊定位模式下的分析是一個復(fù)雜的過程。通過對比分析兩種定位方式在定位過程中所抵抗的環(huán)境載荷成分的不同，把平臺作業(yè)中所受的環(huán)境載荷分為靜態(tài)力和動態(tài)力，靜態(tài)力主要由動力定位來控制，動態(tài)力主要由錨泊系統(tǒng)來控制，基于此思想計算校核二者的定位能力。本文僅是從理論上給出分析，把環(huán)境載荷分開考慮是一種簡化和理想的過程，實際控制過程遠沒這么簡單，需要專業(yè)軟件建模分析和水池試驗等方法進行混合定位模式控位能力的真實分析。

［1］孫 攀.深水半潛平臺錨泊輔助動力定位系統(tǒng)功率消耗研究［J］.海洋工程，2010，28(3):24-30.

［2］楊 歡.錨泊輔助動力定位研究與進展［J］.試驗室研究與探索，2012，30(4):88-92.

［3］張 峰.錨泊輔助動力定位系統(tǒng)單纜失效影響研究［J］.海洋工程，2012，30(3):29-34.

［4］周 利.船舶動力定位系統(tǒng)與錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的時域模擬比較［J］.船海工程，2009，38(4):154-157.

［5］PETER J.Design of automatic thruster assisted positioning mooring system for ships［J］.Modeling，identification and comtrol，1998，19(2):61-75.

［6］JENMAN C.mixing dynamic positioning and moorings［C］∥Dynamic Positioning Conference，2005.