第六代半潛式鉆井平臺定位能力分析研究

彭作如，王躍曾 （中海石油 （中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

楊秀夫 （中海石油有限公司工程技術(shù)部，北京10010）

韋紅術(shù)，劉正禮，張新平

張俊斌，肖譚 （中海石油 （中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

西方大力神平臺計劃在南中國海某合作區(qū)塊進行拋錨鉆探作業(yè)。在鉆前風(fēng)險識別階段，中海石油深圳分公司、哈斯基石油 （中國）有限公司與瑞典GVA Consultants AB三家公司合作，展開了第六代半潛式鉆井平臺對于南中國海天氣海況條件的平臺定位能力分析，預(yù)計作業(yè)海域水深85m。主要針對兩種狀態(tài) （作業(yè)狀態(tài)和生存狀態(tài)）分析了半潛式鉆井平臺在完整方式 （包括8點系泊和8個推進器）、單鏈?zhǔn)Х绞?（7點系泊和8個推進器）和推進器失效方式 （8點系泊和6個推進器）中的定位能力。

1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.1 一般標(biāo)準(zhǔn)

鉆井平臺定位能力方式有完整方式IC （intact case）、單鏈?zhǔn)Х绞?OLF （one mooring line failure）、推進器失效方式TF（thruster failure）。作業(yè)狀態(tài)：1年一遇季風(fēng)；生存狀態(tài)：5年一遇臺風(fēng)，10年一遇強臺風(fēng)。

1.2 西方大力神平臺的主要參數(shù)

西方大力神平臺總長116．60m，總寬96．70m，作業(yè)吃水23．00m，生存吃水19．00m，沉箱間距78．08m，沉箱長108．80m，沉箱高10．24m，沉箱梁橋16．00m，樁腿16．80m×14．40m。

1.3 基本的流體動力特性

基本的流體力學(xué)性能 （如響應(yīng)幅值算子 （RAO）等）是應(yīng)用WADAM軟件而得到的。模型中不考慮擋泥板的影響，流力系數(shù)根據(jù)投影面積的變化按比例放大。設(shè)定縮放因子在涌浪時為4．8%，在搖擺時為2．6%。

1.4 環(huán)境條件

假定為波浪、風(fēng)和海流共同作用的全方位環(huán)境條件。分析中使用了JONSWAP波譜和NPD風(fēng)譜。JONSWAP波譜公式如下：

式中：α為無量綱常量，1；fw為波浪頻率，Hz；fp為譜峰頻率，Hz；γ為譜峰提升因子，1；σ為峰形參數(shù)，當(dāng)f≤fp時σ＝0．07，當(dāng)f＞fp時σ＝0．09；g為重力加速度，取9．81cm／s2；e為自然常數(shù)。

假定短峰波以COS4分布，從海平面到海床的波速為定值。海洋環(huán)境剖面見表1，平均海平面以下的海流流速剖面見表2。

表1 海洋環(huán)境剖面

1.5 海底土壤條件

假定是在海底土壤為非常軟的黏土條件下計算錨抓力。該錨抓力要小于沙土或硬質(zhì)黏土海底土質(zhì)條件下的錨抓力。

1.6 系泊鏈和錨的安全系數(shù)

定位系統(tǒng)最小安全系數(shù)分析方法采用動態(tài)分析法，完整狀態(tài)IC、單鏈?zhǔn)LF、推進器失效TF下的最小安全系數(shù)分別為1．67、1．25、1．25。

系泊鏈的安全系數(shù)計算公式：系泊鏈安全系數(shù)＝最小破斷載荷÷鏈的最大張力。

錨的安全系數(shù)計算公式：錨安全系數(shù)＝錨的破斷載荷÷錨的最大張力。

表2 平均海平面以下的海流流速剖面

2 分析方法

2.1 分析程序

2．1．1 頻域分析

在頻域中動態(tài)的定位能力分析是通過系泊計算程序MIMOSA來完成的。該軟件可以計算作用在浮式裝置上靜態(tài)和動態(tài)的環(huán)境載荷，還可以計算浮式裝置在波浪頻率和海流低頻作用下的運動。系泊鏈在頻域內(nèi)動態(tài)張力的計算采用了傳遞函數(shù)。MIMOSA包含指定的JONSWAP海浪譜和NPD風(fēng)譜，計算了3h持續(xù)風(fēng)暴作用下的最大張力。MIMOSA程序需要輸入的數(shù)據(jù)：①一階運動的傳遞函數(shù) （WADAM程序）；②風(fēng)力系數(shù) （風(fēng)洞試驗或計算）；③水流力系數(shù) （風(fēng)洞試驗或計算）；④波浪漂移力系數(shù)（WADAM程序）；⑤容器的質(zhì)量和附加質(zhì)量 （WADAM程序）；⑥系泊系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2．1．2 預(yù)處理和后處理

采用PPMIMOSA程序為MIMOSA創(chuàng)建宏命令，處理MIMOSA的運算結(jié)果。

2.2 環(huán)境力

對于每個環(huán)境條件，計算了包括風(fēng)、波、流和每一個方向上的外作用力。在波浪條件下計算波浪漂移力系數(shù)，隨著流速的改變，波浪漂移力系數(shù)會發(fā)生變化。首先定義波浪漂移系數(shù)Csurge和海流作用系數(shù)Csway；然后漂移力系數(shù)在浪涌方向上按照1＋Csurge×Usurge，在擺動方向按照1＋Csway×Usway的比例放大。其中，Usurge和Usway分別為海流在浪涌和搖擺上對應(yīng)的速度，m／s。對于半潛式鉆井平臺的典型值是在0．2～0．3m／s之間。根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，該分析選擇0．25m／s。

2.3 動力響應(yīng)

錨泊分析中計算了波浪頻率和海流低頻下的動力響應(yīng)。波浪頻率響應(yīng)的最大幅值按瑞利分布，海流低頻響應(yīng)的最大幅值是基于斯坦伯格的方法計算，考慮到非高斯特性，組合波浪頻率和海流低頻水平運動而得到最大偏值Xcomb，有如下關(guān)系式：

式中：fw，sign為最大運動波浪頻率，Hz；fw，max為3h的最大運動波浪頻率，Hz；fL，sign為最大運動海流低頻，Hz；fL，max為3h的最大運動海流低頻，Hz。

2.4 計算方法

在頻域中的系泊鏈張力、錨拉力和最大系泊鏈張力應(yīng)用了一種近似算法。MIMOSA在計算波浪頻率的動態(tài)張力時使用了傳遞函數(shù)模型。該模型將準(zhǔn)靜態(tài)形狀作為真正的形狀，沿鏈上的任何點的速度和加速度均可以通過頂端運動來確定。因此它可以用來計算慣性力引起的附加張力?？倧埩κ峭ㄟ^海流低頻靜態(tài)張力和波浪頻率動態(tài)張力的線性求和而得到的。

3 平臺位置控制系統(tǒng)

3.1 平臺位置控制系統(tǒng)的組成

由錨泊定位系統(tǒng) （8點系泊的錨鏈系統(tǒng)）和動力定位系統(tǒng) （不同方位的8個推進器）組成。

3.2 系泊系統(tǒng)

系泊錨鏈的型號為NV R4型，其性能參數(shù)見表3。

表3 NV R4錨鏈 （帶擋鏈環(huán)）系泊錨鏈性能參數(shù)

3.3 錨抓力

西方大力神平臺配置Stevpris MK5 18mt的錨，在非常軟的地層中最大的錨抓力為5100kN。

3.4 導(dǎo)鏈器角度限制

滿足系泊線不接觸錨架要求的最小垂直角度是33．2°（根據(jù)平臺系泊系統(tǒng)規(guī)劃草圖測量出來的），通過計算在10年一遇強臺風(fēng)情況下系泊線的最小垂直角是45．4°，因此能夠保證在極端生存條件下系泊鏈不會接觸到錨架。

3.5 動力定位 （推進器）系統(tǒng)

西方大力神平臺在8個方位上共配備了8臺3．5MW推進器，推進器傾斜5°，在滿負(fù)荷下每個推進器的推力為638kN。在完整方式和推進器失效方式中，最大的推進器推力分別近似等于所安裝推進器推力的90%～93%和80%～83%。

3.6 系泊系統(tǒng)配置

局部坐標(biāo)系和系泊系統(tǒng)配置如圖1所示，由于系泊分析使用了全方位的環(huán)境坐標(biāo)，因此局部坐標(biāo)系的選擇和平臺方向均不影響分析結(jié)果?，F(xiàn)場作業(yè)和生存模式的要求都要低于235t的絞車能力。

4 運算結(jié)果

將作業(yè)狀態(tài)與生存狀態(tài)下的系泊分析結(jié)果與API RP2SK要求進行對比，在WADAM水力分析中應(yīng)用了雙對稱平臺，風(fēng)力和流力系數(shù)并不是軸對稱的。分析主要從0～360°步長按22．5°的分析中找出最大值。

4.1 作業(yè)狀態(tài)

作業(yè)中的全局運動和系泊分析結(jié)果主要包括環(huán)境負(fù)荷、最大系泊鏈張力、導(dǎo)鏈器最小垂直角度和最大偏移量。在分析中，推進器的力主要用于補償由于保持穩(wěn)定狀態(tài)所需要克服的平均偏移量所需的力，在波峰處，因為克服環(huán)境達到穩(wěn)定狀態(tài)所需力的平均值低至1011kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于推進器失效模式下的最大作業(yè)能力，因此沒有必要研究完整推進器和失效推進器下的系泊系統(tǒng)。

圖1 系泊系統(tǒng)配置

4．1．1 推進器的應(yīng)用

計算了使用8臺和6臺推進器所對應(yīng)的推進器能力。推進器的最大使用率表明總的推進器能力減去推進器與推進器以及推進器與船體之間的相互作用力。運算結(jié)果顯示：使用8臺和6臺推進器的作業(yè)所對應(yīng)的推進器能力，足以應(yīng)對1年一遇季風(fēng)條件下的環(huán)境載荷。

4．1．2 最大偏移量

在推進器提供補償力的情況下，完整錨鏈在90°方向最大偏移量是水深的3．08%，其超過了水深2．0%的要求；一條錨鏈破斷的情況下最大偏移量是水深的7．77%。最大偏移量之所以沒有達到要求是由于頻繁受到波浪運用的影響，而推進器系統(tǒng)不能削減波浪的運動。

4．1．3 最大有效浪高和風(fēng)速

分析主要用于校核滿足水深2%偏移量要求下的最大有效浪高和風(fēng)速，其中有效浪高和風(fēng)速通過在1年季風(fēng)條件下取值的73%來進行線性調(diào)整。當(dāng)浪高3．82m和風(fēng)速11．4m／s的環(huán)境下，完整錨鏈對應(yīng)的最大偏移量是水深的1．99%，滿足最大偏移量不超過水深2%的要求。

4.2 生存條件

生存條件下的系泊分析結(jié)果主要包含環(huán)境負(fù)荷、錨鏈張力、在導(dǎo)鏈器上的系泊錨鏈的垂直角度和最大偏移量。在平均偏移量的分析中，應(yīng)用一個修正的推進器力，在錨鏈完整正常工作的情況下，根據(jù)每一種天氣狀態(tài)和近似8個推進器全部用于補償平均偏移量的情況下，對推進器的力進行調(diào)整。對于兩種生存模式 （5年一遇臺風(fēng)和10年一遇強臺風(fēng)）的取值進行評估，研究了以下3種情況：①完整的系泊系統(tǒng) （8個系泊錨鏈和8臺推進器）；②一個系泊錨鏈?zhǔn)?（7個系泊錨鏈和8臺推進器）；③推進器失效 （8個系泊錨鏈和6臺推進器）。

4．2．1 推進器的使用

通過10年臺風(fēng)期間對應(yīng)的6個推進器的使用率與5年臺風(fēng)期間對應(yīng)的8個推進器的使用率得出，推進器系統(tǒng)在8臺機器都工作的情況下，同時平均環(huán)境力也很穩(wěn)定的情況下，能夠很好地保持平臺的穩(wěn)定；但是如果有一個推進器失效，系泊系統(tǒng)就必須承擔(dān)失效推進器所對應(yīng)的那部分平均環(huán)境力，最大的推進器使用率說明了總的推進器在受到推進器與推進器之間、推進器與平臺之間相互作用力影響削弱后的能力。

4．2．2 系泊能力

通過對各種生存模式的計算結(jié)果得出了總體系泊能力，西方大力神平臺的系泊輔助推進器系統(tǒng)能夠滿足API RP2SK所有生存模式的要求。在10年一遇強臺風(fēng)情況下，使用推進器所對應(yīng)的錨鏈最大張力是2575kN （錨鏈張力的安全值5100kN），能夠滿足要求。

4．2．3 最大偏移量和最小系泊鏈垂直角度

在單條錨鏈?zhǔn)闆r下，5年臺風(fēng)對應(yīng)最大偏移量是水深的15．70%，10年臺風(fēng)對應(yīng)最大偏移量是水深的17．28%，在生存模式下，對最大偏移量沒有特別的要求。在導(dǎo)鏈器上的系泊錨鏈最小垂直角度一般以10年一遇強臺風(fēng)為基準(zhǔn)進行校核。在10年強臺風(fēng)情況下的最小系泊錨鏈垂直角度是45．4°，大于所要求的33．2°。在作業(yè)狀態(tài)下，能確保系泊線不會接觸到錨架。

5 結(jié)論

1）分別針對1年一遇季風(fēng)、5年一遇臺風(fēng)和10年一遇強臺風(fēng)的情況進行了分析計算。分析計算結(jié)果表明，推進器輔助模式的錨泊系統(tǒng)能夠滿足作業(yè)條件下的結(jié)構(gòu)強度要求；然而推進器輔助模式的錨泊系統(tǒng)在作業(yè)條件下 （1年一遇季風(fēng)）的最大漂移量為水深的3．08%，不能滿足業(yè)主要求的最大漂移量為水深的2%要求，即使通過運行推進器也不能降低波浪頻率運動的影響。

2）通過全局運動分析表明，若要滿足最大漂移量為水深的2%要求，則最大允許波高、波速分別為3．82m和11．40m／s。推進器輔助模式的錨泊系統(tǒng)能夠滿足API RP2SK的生存條件要求，在此情況下，推進器的利用率接近100% （5年一遇臺風(fēng)為88%，10年一遇強臺風(fēng)為97%）。