臺風(fēng)作用下錨泊定位半潛式鉆井平臺動力特性研究

劉正禮， 張 浩， 陽文學(xué)， 張玉亭， 暢元江

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266580)

臺風(fēng)作用下錨泊定位半潛式鉆井平臺動力特性研究

劉正禮1， 張 浩2， 陽文學(xué)1， 張玉亭1， 暢元江2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266580)

南海臺風(fēng)活動頻繁，嚴(yán)重影響著錨泊定位半潛式鉆井平臺的作業(yè)安全。采用水動力學(xué)計算軟件 ANSYS-AQWA，基于三維勢流理論和莫里森方程，建立了平臺-錨泊系統(tǒng)耦合動力分析模型，開展了臺風(fēng)作用下的平臺漂移分析和錨泊系統(tǒng)安全性評估。分析結(jié)果表明：當(dāng)錨泊系統(tǒng)完整時，平臺的平均漂移量與最大漂移量均超出API規(guī)定的許用值，需停止鉆井作業(yè)并準(zhǔn)備解脫，但錨鏈不會發(fā)生斷裂。如果錨泊系統(tǒng)中安全系數(shù)最小的錨鏈發(fā)生斷裂，平臺的漂移量明顯增大，錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)明顯減小，局部情況下錨鏈易相繼斷裂并造成連鎖反應(yīng)。研究表明，提出的相關(guān)方法和得出的結(jié)論可為極端天氣下錨泊定位浮式裝置的安全評估提供參考。

海上鉆井 半潛式鉆井平臺 臺風(fēng) 錨泊 數(shù)學(xué)模型

南海臺風(fēng)活動頻繁，在臺風(fēng)作用下采用錨泊定位的浮式鉆井裝置將會產(chǎn)生大的漂移，對錨泊系統(tǒng)和水下管柱造成嚴(yán)重威脅，甚至引發(fā)鉆井事故[1]。因此，研究臺風(fēng)作用下錨泊定位半潛式平臺的動力特性，對于指導(dǎo)平臺科學(xué)合理抗臺風(fēng)具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外對于錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了較多的理論研究：袁楊等[2]對錨泊系統(tǒng)失效后的半潛式平臺的動力特性進(jìn)行了相關(guān)研究；袁夢等[3]從勢能理論角度入手，結(jié)合懸鏈線方程,建立了錨泊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；Ruoyu Zhang等[4]針對浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用頻域與時域的計算方法，得到了該浮式結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性；V.F.Matos等[5]采用理論推導(dǎo)和試驗(yàn)方法，對深吃水半潛式平臺進(jìn)行了各自由度的二階運(yùn)動分析；K.A.Belibassakis[6]采用邊界元方法對浮式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水動力數(shù)值分析，得到了其運(yùn)動特性；Haixiao Liu等[7]對人工合成纖維纜繩進(jìn)行了動力分析，研究了其在循環(huán)載荷作用下的非線性動態(tài)特性。上述研究對于建立簡單錨泊系統(tǒng)分析理論模型、揭示錨泊系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律有著重要作用，但均沒有詳細(xì)分析臺風(fēng)作用下錨泊定位半潛式平臺的動力特性，相關(guān)模型既無法定量評估復(fù)合式錨泊系統(tǒng)的安全性，也無法針對現(xiàn)場問題進(jìn)行快速響應(yīng)并提出解決方案。為此，筆者在前人的研究基礎(chǔ)上，采用水動力學(xué)計算軟件 ANSYS-AQWA 建立了平臺-錨泊系統(tǒng)耦合水動力學(xué)分析模型，對錨泊定位的半潛式鉆井平臺進(jìn)行了詳細(xì)的動力學(xué)分析，得到了錨鏈完整和局部斷裂情況下平臺漂移量和錨泊系統(tǒng)的安全系數(shù)，并對極端情況下錨鏈斷裂后剩余錨鏈的錨泊定位能力和其他錨鏈的安全性進(jìn)行了評價，以對我國南海錨泊定位鉆井和生產(chǎn)裝置的錨泊系統(tǒng)設(shè)計、分析和安全評價提供一定參考。

1 平臺動力特性理論基礎(chǔ)及分析模型

1.1 理論基礎(chǔ)

采用三維勢流理論可以計算得到平臺的附加質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，以及平臺運(yùn)動的幅值響應(yīng)算子。將頻域計算結(jié)果轉(zhuǎn)化成時域結(jié)果，結(jié)合運(yùn)動方程進(jìn)行時域計算，可得到平臺在外界荷載作用下的時域動態(tài)結(jié)果[2]。平臺運(yùn)動方程為[2,8]：

Fwi(t)+Fcu(t)+Fwa(t)+Fmo(t)

(1)

將勢流理論與莫里森方程相結(jié)合,得到平臺所受波浪力荷載。可根據(jù)風(fēng)力系數(shù)與流力系數(shù)得出風(fēng)力和流力荷載[9]，計算式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Cwi和Ccu分別為風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)；ρa(bǔ)i和ρwa為空氣和海水的密度，kg/m3；Awi和Acu為平臺的迎風(fēng)面積和迎流面積,m2；vwi和vcu為風(fēng)速和流速,m/s；Fwi和Fcu分別為風(fēng)力和海流力，N；Mwi和Mcu分別為風(fēng)傾力矩和流傾力矩，N·m；Lwi和Lcu為風(fēng)傾力臂和流傾力臂,m。

以南海某深水半潛式鉆井平臺為研究對象。該平臺基本尺寸為82.30 m×60.96 m×41.66 m，作業(yè)吃水深度20 m，平臺質(zhì)量2.8×104t。該平臺采用錨泊定位，錨鏈有8根。根據(jù)上述參數(shù)和平臺的結(jié)構(gòu)，采用ANSYS-AQWA建立該平臺的濕表面模型，如圖1所示(圖中，紅色部分為繞射輻射單元，采用三維勢流理論進(jìn)行水動力分析；黃色部分為莫里森單元，采用莫里森方程進(jìn)行水動力分析[10-11])。建模時，平臺由shell和pipe單元構(gòu)成，共計8 979個shell單元和53個pipe單元。

1.3 基于AQWA的錨泊系統(tǒng)模型

半潛式鉆井平臺采用復(fù)合式錨鏈定位，其下端分別為長70 m的φ90.0 mm鋼鏈及長550 m的φ84.0 mm鋼鏈，最上端為φ90.0 mm的纜繩。鋼鏈和纜繩的材料屬性見表1，各錨鏈所選纜繩類型及布錨基本參數(shù)見表2。

根據(jù)平臺基本模型與錨泊系統(tǒng)參數(shù)，建立了深水平臺-錨泊系統(tǒng)耦合動力分析模型，如圖2所示(圖中數(shù)字代表各條錨鏈的編號)。錨鏈組合形式如圖3所示，為非對稱式布錨方式。采用ANSYS-AQWA對其進(jìn)行動力學(xué)分析，即獲得平臺的動力特性。

1.4 臺風(fēng)參數(shù)

考慮重現(xiàn)期為1年的臺風(fēng)荷載，根據(jù)現(xiàn)場井位環(huán)境參數(shù)，近海面海流流速為1.12 m/s，平均風(fēng)速為42.52 m/s。隨機(jī)波面采用 P-M 波浪譜，顯著波高為9.24 m，跨零周期為12.6 s。

根據(jù)上述耦合分析模型及確定的臺風(fēng)參數(shù)，對臺風(fēng)作用下平臺與錨泊系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行計算分析，確定平臺在臺風(fēng)作用下的漂移量與錨鏈的安全系數(shù)。通過與API規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對比，校核平臺錨泊系統(tǒng)的安全性[12]。

2.1 平臺漂移量分析

在進(jìn)行平臺漂移動力分析時，既要關(guān)注平均漂移量，又要關(guān)注最大漂移量。前者主要用于判斷平臺漂移量是否滿足正常鉆井作業(yè)需求，后者主要用于判斷是否需要解脫隔水管與井口的連接。臺風(fēng)條件下，環(huán)境荷載入射角為90°時的平臺漂移時程曲線如圖4所示。

由圖4可知，臺風(fēng)作用下平臺在順風(fēng)向產(chǎn)生較大漂移量，然后在新的相對平衡位置處呈不規(guī)則振蕩運(yùn)動。

環(huán)境荷載入射角為0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°時平臺的平均漂移量和最大漂移量分析結(jié)果見圖5。圖5(a)中，紅線代表可進(jìn)行正常鉆井的平臺平均漂移許用值，藍(lán)線代表平臺平均漂移量計算值;圖5(b)中，紅線代表需啟動解脫的平臺最大漂移許用值，藍(lán)線代表平臺最大漂移量的計算值。

由圖5可知，平臺在臺風(fēng)作用下的平均漂移量和最大漂移量的計算值均大于相應(yīng)的許用值。根據(jù)API規(guī)范，當(dāng)平均漂移量的計算值大于其許用值時應(yīng)停止鉆井作業(yè)，此時水下管柱與井口可保持連接；但當(dāng)最大漂移量的計算值大于其許用值時，應(yīng)解脫隔水管與井口的連接，以避免因平臺漂移較大造成隔水管柱或者張緊系統(tǒng)損壞[13]。

2.2 錨泊系統(tǒng)強(qiáng)度分析

同樣，環(huán)境荷載以45°為間隔對錨鏈動張力進(jìn)行分析，獲得不同環(huán)境荷載入射方向上主要受力錨鏈的最小安全系數(shù)。環(huán)境荷載入射角為90°時2號錨鏈的動張力時程曲線如圖6所示。

由圖6可知，在臺風(fēng)作用下2號錨鏈的瞬時最大動張力達(dá)到2 739 kN?？紤]到錨鏈的斷裂強(qiáng)度為5 200 kN，此時該條錨鏈的最小安全系數(shù)為1.9。同理，可獲得其他環(huán)境入射方向上主要受力錨鏈的瞬時最大動張力和最小安全系數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

Table3 The statistical result of the minimum safety factor of the mooring system

注：“()”內(nèi)數(shù)字為主要受力錨鏈編號。

API規(guī)范對錨泊系統(tǒng)最小安全系數(shù)的規(guī)定為，當(dāng)錨泊系統(tǒng)完整時各錨鏈安全系數(shù)應(yīng)大于1.67[12]。由表3可知，各環(huán)境入射方向上，主要受力錨鏈的最小安全系數(shù)均在API規(guī)定的許用值范圍內(nèi)，說明錨泊系統(tǒng)在該臺風(fēng)條件下具有足夠的剩余強(qiáng)度，可維持錨泊系統(tǒng)的完整性。但對比可知，2號錨鏈的安全系數(shù)最小，主要原因是其破壞強(qiáng)度較其他錨鏈較低，造成其強(qiáng)度余量較小，可能成為整個錨泊系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，需結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)向及海流流向判斷2號錨鏈?zhǔn)欠駮蔀橹饕芰﹀^鏈，并加以優(yōu)化。

3 錨鏈損壞后的平臺錨泊系統(tǒng)動力分析

在極端條件下，錨泊系統(tǒng)中某一條錨鏈有可能由于強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂，并由此引發(fā)后續(xù)的連鎖反應(yīng)，如平臺的漂移量持續(xù)增大、其他錨鏈相繼發(fā)生斷裂等。于是，對錨鏈損壞后平臺-錨泊系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行分析，對于掌握錨鏈斷裂后平臺運(yùn)動和剩余錨鏈張力重新分配規(guī)律、研究不完整錨泊系統(tǒng)的剩余強(qiáng)度具有較大意義。

3.1 平臺漂移量

根據(jù)表3中錨鏈完整情況下各條錨鏈的最小安全系數(shù)計算結(jié)果，進(jìn)行一條錨鏈斷裂條件下的平臺-剩余錨泊系統(tǒng)動力分析，確定平臺漂移量的變化規(guī)律。分析前提是剩余錨泊系統(tǒng)仍然具有與原有完整錨泊系統(tǒng)相同的定位能力。

臺風(fēng)條件下，環(huán)境入射角為90°時平臺漂移時程曲線如圖7所示。

由圖7可知，損壞一條錨鏈后，相對于錨鏈完整狀態(tài)，整個鉆井平臺的漂移量明顯增大，瞬時最大值接近80 m。

同樣，以45°為間隔，計算0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°等環(huán)境入射角下平臺的平均漂移量和最大漂移量并進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，2號錨鏈斷裂后，平臺的平均漂移量為60～70 m，最大漂移量為70～80 m，表明一條錨鏈斷裂后，剩余錨鏈的回復(fù)力明顯減小，對平臺的定位能力下降,導(dǎo)致平臺的漂移量增大1.5倍左右。

3.2 錨鏈損壞后的錨泊系統(tǒng)剩余強(qiáng)度分析

當(dāng)損壞一條錨鏈后，整個錨泊系統(tǒng)的張力將在剩余的各條錨鏈上重新分布。如果2號錨鏈發(fā)生斷裂，環(huán)境入射角為90°時，分析得到相鄰的3號錨鏈的動張力時程曲線，如圖9所示。

由圖9知，3號錨鏈的動張力為3 000～4 400 kN，較錨鏈完整時的動張力約增大2 000 kN，表明損壞一條錨鏈后，剩余錨泊系統(tǒng)的動張力顯著增大。

不同環(huán)境入射角條件下剩余錨鏈系統(tǒng)的最小安全系數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 錨泊系統(tǒng)損壞后的最小安全系數(shù)

Table 4 Minimum safety factor of the damaged mooring system

注：“()”內(nèi)的數(shù)字代表安全系數(shù)最小的錨鏈號。

表4中，以環(huán)境入射角0°為例，該工況下通過分析錨鏈完整條件下的錨泊系統(tǒng)動張力，得知4號錨鏈的最小安全系數(shù)最小，于是假定該條錨鏈?zhǔn)紫葦嗔选Ｈ缓筮M(jìn)行剩余錨泊系統(tǒng)的張力重分布研究和動張力分析，確定5號錨鏈的最小安全系數(shù)最小，為1.52，仍高于規(guī)范要求的最小值1.25[12]，表明此時剩余錨泊系統(tǒng)雖然定位能力較差，但是錨泊系統(tǒng)是安全的，不會發(fā)生其他錨鏈相繼斷裂的連鎖反應(yīng)。

當(dāng)然，也有比較危險的工況，譬如當(dāng)環(huán)境入射角為135°時，臺風(fēng)條件下完整錨泊系統(tǒng)分析表明2號錨鏈?zhǔn)紫劝l(fā)生斷裂。對剩余錨泊系統(tǒng)重新進(jìn)行計算和分析，結(jié)果表明1號錨鏈的最小安全系數(shù)為1.26，接近API規(guī)定的安全系數(shù)許用值，安全儲備較差。但對于整個錨泊系統(tǒng)的安全評估，需要結(jié)合表4中的所有分析結(jié)果才能得到比較有價值的結(jié)論。

4 結(jié) 論

1) 利用 ANSYS-AQWA 水動力計算軟件將繞射輻射單元與莫里森單元相結(jié)合，建立了半潛式平臺-錨泊系統(tǒng)耦合動力計算模型。采用三維勢流理論和莫里森方程,可以較好地模擬錨泊定位半潛式平臺與錨泊系統(tǒng)的動力學(xué)特性。

2) 臺風(fēng)作用下需要計算錨泊定位半潛式平臺各個環(huán)境入射方向上的漂移量及錨鏈動張力。通過對比平臺漂移量與API規(guī)定的漂移量許用值，確定隔水管柱的作業(yè)模式。通過計算不同環(huán)境入射方向上各錨鏈的動張力，確定主要受力錨鏈的最小安全系數(shù)，并與API安全系數(shù)許用值對比，評估錨泊系統(tǒng)的安全性。

3) 研究損壞一條錨鏈后平臺-錨泊系統(tǒng)的耦合動力特性，發(fā)現(xiàn)平臺的漂移量將明顯增大，約為錨鏈完整時漂移量的1.5倍。斷裂后主要受力錨鏈為斷裂錨鏈的相鄰錨鏈，其最大動張力明顯增大，最小安全系數(shù)已經(jīng)接近API規(guī)定的極限值。這表明當(dāng)一條錨鏈斷裂后，極有可能造成剩余錨泊系統(tǒng)連續(xù)性破壞，并有可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。

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[編輯 令文學(xué)]

The Dynamic Characteristics of Mooring Semi-Submersible Drilling Platform in Typhoon

Liu Zhengli1, Zhang Hao2, Yang Wenxue1, Zhang Yuting1, Chang Yuanjiang2

(1.ShenzhenBranchofCNOOC，Shenzhen,Guangdong，518067，China；2.ResearchCenterforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong, 266580,China)

Frequent typhoons in the South China Sea may significantly affect safety of the operations on semi-submersible drilling platforms with anchor mooring system. By useing hydrodynamic calculation software, ANSYS-AQWA, the coupled dynamic analysis model for the platform-mooring system was established, and an analysis on the drift of semi-submersible platforms and the safety assessment of anchoring system were conducted based on three dimensional potential flow theory and Morison equation. The analysis results showed that when the mooring system was intact, both the average and maximum drift distances of platforms exceeded the allowable values specified in API. Under such circumstances, drilling operations should be suspended and a disconnection between the drilling riser and the wellhead should be done, if the anchor chain does not part. when the anchor chain of the least safety factor in the mooring system parted, the drift distance increased significantly, the minimum safety factor of the mooring system decreased obviously and in some cases, other anchor chains then parted in succession, leading to chain reactions. Research results showed that the proposed methods and the obtained conclusions could provide a reference for security assessment of mooring floating structures in extreme weather conditions.

offshore drilling; semi-submersible drilling platform; typhoon; anchoring; mathematical model

2015-04-21；改回日期：2015-06-23。

劉正禮(1974—)，河南鄲城人，1996年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，2010年獲長江大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事海洋鉆完井技術(shù)研究與相關(guān)管理工作。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究”(編號：2015CB251200)、中海石油深海開發(fā)有限公司項目“深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)安全評估與作業(yè)管理研究”(編號：YXKY-ZY-2014-SHENHAI-03)資助。

?“973”深水鉆井專題?

10.11911/syztjs.201504007

TE52

A

1001-0890(2015)04-0037-06

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