超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

謝 彬，李 陽(yáng)，張 威，謝文會(huì)，王俊榮

(中海油研究總院，北京 100028)

超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

謝 彬，李 陽(yáng)，張 威，謝文會(huì)，王俊榮

(中海油研究總院，北京 100028)

中國(guó)南海環(huán)境條件惡劣，夏季強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，冬季突發(fā)性風(fēng)暴不斷，內(nèi)波時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，對(duì)深遠(yuǎn)海作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)的安全性、總體性能、作業(yè)效率等方面均提出了非常高的要求，南海超深水半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)面臨多項(xiàng)世界級(jí)的技術(shù)挑戰(zhàn)。結(jié)合南海超深水半潛式鉆井平臺(tái)的研發(fā)過(guò)程，重點(diǎn)敘述在南海內(nèi)波流載荷、甲板可變載荷、慢漂運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、簡(jiǎn)化疲勞分析等方面取得的創(chuàng)新性成果，并對(duì)南海超深水半潛式鉆井平臺(tái)的總體方案加以介紹。通過(guò)多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)，最終研發(fā)出世界首次針對(duì)南海特殊環(huán)境條件、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深水半潛式鉆井平臺(tái)新船型。平臺(tái)作業(yè)水深3 000 m、鉆井深度10 000 m、可變載荷9 000 t，穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足南海200年一遇環(huán)境條件要求。與世界先進(jìn)的同類(lèi)平臺(tái)相比，其運(yùn)動(dòng)性能和作業(yè)性能優(yōu)良，平均鉆井作業(yè)時(shí)效較國(guó)際同類(lèi)平臺(tái)提高10%，綜合技術(shù)指標(biāo)世界領(lǐng)先。

超深水半潛式鉆井平臺(tái)；內(nèi)波流；慢漂；簡(jiǎn)化疲勞；總體方案

0 引 言

我國(guó)油氣供需矛盾日益突出，2014年我國(guó)原油對(duì)外依存度已逼近60%。近十年，全球重大油氣田的發(fā)現(xiàn)主要來(lái)自深水。我國(guó)南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，資源量高達(dá)230～300億噸，是我國(guó)油氣供給重要的戰(zhàn)略接替區(qū)。

開(kāi)發(fā)中國(guó)南海超深水海域石油資源，需要可移動(dòng)式鉆井裝置。目前世界上使用的可移動(dòng)式鉆井裝置主要包括自升式鉆井平臺(tái)、鉆井船和半潛式鉆井平臺(tái)。其中自升式鉆井平臺(tái)由于受作業(yè)水深的限制，不能進(jìn)行海洋深水油氣田的勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)；而與鉆井船相比，半潛式鉆井平臺(tái)憑借作業(yè)效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)外深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的最主要裝備。

中國(guó)南海環(huán)境條件惡劣，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)、季風(fēng)不斷，號(hào)稱“水下魔鬼”的內(nèi)波時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，對(duì)平臺(tái)的安全性、總體性能、作業(yè)效率等方面均提出了更高的要求，南海超深水半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)面臨多項(xiàng)世界級(jí)的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。

1 南海內(nèi)波流載荷計(jì)算方法

中國(guó)南海夏季臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，冬季季風(fēng)不斷，海面以下時(shí)常還存在強(qiáng)內(nèi)波流，因此它屬于世界上環(huán)境條件極為復(fù)雜惡劣的海域之一。內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的一種波動(dòng)，波高從幾十米甚至達(dá)到上百米，產(chǎn)生的剪切流流速可高達(dá)2.0 m/s，破壞力大，突發(fā)性強(qiáng)，對(duì)浮式海洋平臺(tái)的影響極大[3]。復(fù)雜的地形和潮流分布導(dǎo)致南海海域內(nèi)波頻發(fā)。此前，國(guó)內(nèi)外既沒(méi)有針對(duì)南海內(nèi)波發(fā)生、演化、傳播的機(jī)理性研究，也沒(méi)有針對(duì)南海內(nèi)波流等特有災(zāi)害環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的超深水半潛式鉆井平臺(tái)，因此有必要建立南海內(nèi)波演化模型，研究?jī)?nèi)波流荷載計(jì)算方法，確立內(nèi)波流載荷與其他環(huán)境荷載的組合方法。

1.1 南海內(nèi)波演化模型的建立

考慮兩層不可混溶流體在兩水平固壁間不可壓縮的無(wú)旋無(wú)黏流動(dòng)，其位形如圖1所示，它處于靜力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，即σ=ρ1/ρlt;1，ρ1和ρ分別為上層和下層流體的密度，并假設(shè)無(wú)窮遠(yuǎn)處流體是靜止的，且僅考慮二維情形。

圖1 兩層不可混溶流體在兩水平固壁間不可壓縮的無(wú)旋無(wú)粘流動(dòng)Fig.1 Incompressible non viscous flow of two layers of immiscible fluid in the two horizontal solid walls

(1)

(2)

界面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件為

(3)

(4)

界面上的動(dòng)力學(xué)條件為

(5)

固定壁上的邊界條件為

(6)

(7)

考慮小振幅波情形，此時(shí)式(3)～(5)分別變?yōu)?/p>

(8)

(9)

(10)

采用分離變量法求解控制方程式(1)和式(2)在邊界條件式(8)～(10)下的解，分別得到線性內(nèi)波頻率ω和波數(shù)k的頻散關(guān)系式(11)以及上下層流場(chǎng)速度u1和u的表達(dá)式(12):

(11)

(12)

式中：H為內(nèi)波波高。

由此得到考慮淺水效應(yīng)、耗散效應(yīng)以及摩擦效應(yīng)的二階KdV方程：

(13)

式中：c1,c4,c5,c6是非線性項(xiàng)系數(shù)；c2,c3是頻散項(xiàng)系數(shù)；γ,f,ε分別是淺水系數(shù)、摩擦系數(shù)和耗散系數(shù)。人們通常采用在經(jīng)典KdV模型中加入變淺效應(yīng)項(xiàng)、耗散效應(yīng)項(xiàng)和海底摩擦項(xiàng)的方法來(lái)分別考慮實(shí)際海況下地形、耗散和海底摩擦等因素的影響。通過(guò)開(kāi)展大量的文獻(xiàn)調(diào)研，確定了這些影響因素的描述方法，同時(shí)獲得了在南海開(kāi)展的有關(guān)內(nèi)波傳播演化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)，通過(guò)大量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，確定了模型中的相關(guān)系數(shù)[4]。

1.2 內(nèi)波載荷計(jì)算公式的建立

活動(dòng)在我國(guó)南海海域的內(nèi)波主要以內(nèi)潮波和內(nèi)孤立波的形式出現(xiàn)。其中內(nèi)潮波由天文潮的潮流通過(guò)海底山脊形成，當(dāng)它向遠(yuǎn)離源區(qū)傳播時(shí)會(huì)分裂成孤立波串,出現(xiàn)在南海北部和東沙群島附近。由內(nèi)波流場(chǎng)特征分析得知，相對(duì)于內(nèi)波特征波長(zhǎng)而言，海洋結(jié)構(gòu)物完全可以視為小尺度物體，因此，Morison公式適用，公式為

(14)

式中:ρf是流體密度;A和V分別為平臺(tái)迎風(fēng)面積和排水體積;U和dU/dt分別為當(dāng)?shù)卮怪庇跇?gòu)件軸向方向的瞬時(shí)速度和加速度;Cd為阻力系數(shù);Cm為慣性力系數(shù)。水質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度和加速度根據(jù)內(nèi)波傳播引起的上下兩層流在水平x方向上的流場(chǎng)來(lái)計(jì)算。

(15)

對(duì)上式求時(shí)間變量t的導(dǎo)數(shù)，得到水質(zhì)點(diǎn)的加速度表達(dá)式：

(16)

1.3 內(nèi)波和其他環(huán)境荷載組合的運(yùn)動(dòng)方程的構(gòu)建

對(duì)半潛式平臺(tái)的主體，其在內(nèi)波模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可以由下式進(jìn)行求解:

(17)

式中：t為時(shí)間；xG為平臺(tái)6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)位移向量;外力f1為內(nèi)波載荷向量，外力f2為其他海洋環(huán)境載荷向量;M,K分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;Ma和C分別為附加質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣[5]。

2 超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

超深水半潛式鉆井平臺(tái)由于其功能及作業(yè)環(huán)境條件的要求，其結(jié)構(gòu)、設(shè)備等均非常復(fù)雜。通過(guò)研究，全面進(jìn)行了超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)方法的總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成技術(shù)、平臺(tái)定位技術(shù)、總體性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞分析等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，以下重點(diǎn)對(duì)超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)方法中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷的計(jì)算方法

甲板可變載荷是深水半潛式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。對(duì)于深水鉆井作業(yè)，隨著水深和井深的增加，作業(yè)區(qū)域離陸地越來(lái)越遠(yuǎn)，供應(yīng)船有可能長(zhǎng)時(shí)間不能到達(dá)鉆井平臺(tái)，導(dǎo)致后勤供應(yīng)困難。因此，新型深水半潛式鉆井平臺(tái)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一就是平臺(tái)具有足夠的甲板可變載荷和儲(chǔ)存能力。

為保證深水鉆井作業(yè)正常進(jìn)行，要求新建鉆井平臺(tái)的甲板可變載荷至少能夠滿足一口深水井的作業(yè)需要。但在半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，甲板可變載荷卻沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法，多數(shù)依靠類(lèi)比、經(jīng)驗(yàn)等估算。因此可能造成建造鉆井平臺(tái)的甲板可變載荷過(guò)大或過(guò)小：過(guò)大造成資源浪費(fèi)，增大投資；過(guò)小則不能滿足深水鉆井作業(yè)的特殊要求，影響作業(yè)效率，兩者都會(huì)影響新建平臺(tái)的投資回報(bào)。

針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)出一種深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷的設(shè)計(jì)方法。其中深水半潛式鉆井平臺(tái)的甲板可變載荷采用如下公式設(shè)計(jì)：

LVD≥CL(Lm+Lr+Ldp+Lcs+Lt+Lce+Lba+Lbe+Lo)，

(18)

式中:Lm為鉆井液載荷；Lr為隔水管載荷；Ldp為鉆桿載荷；Lcs為套管載荷；Lt為油管載荷；Lce為水泥載荷；Lba為重晶石載荷；Lbe為土粉載荷；Lo為其他載荷，各載荷的單位均為噸；CL為系數(shù)，取1～1.5，根據(jù)各載荷的實(shí)際情況確定。

鉆井液載荷Lm包括日用鉆井液用量和備用鉆井液用量?jī)刹糠?，?jì)算公式如下：

Lm=ρ(Va+Vr)，

(19)

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3；Va為日用鉆井液體積，m3；Vr為備用鉆井液體積，m3；日用鉆井液體積Va包括套管的內(nèi)容積、井眼的內(nèi)容積、隔水管的內(nèi)容積和地面管匯內(nèi)容積，各段日用鉆井液體積Va可以用如下公式計(jì)算：

(20)

式中:D為井眼、套管、隔水管或管匯內(nèi)徑，m；H為井眼、套管、隔水管或管匯長(zhǎng)度，m。備用鉆井液體積Vr計(jì)算公式如下：

Vr≥1.5Va.

(21)

水泥載荷Lce計(jì)算公式如下：

Lce=SWce,

(22)

式中：S為水泥袋數(shù)；Wce為每袋水泥質(zhì)量，t。水泥袋數(shù)S計(jì)算公式如下：

S=[Vo(1+E)+Vc+Vp]/Y,

(23)

式中:Vo為環(huán)空裸眼部分容積，L；E為附加系數(shù)；Vc為套管與套管之間環(huán)形容積，L；Vp為管內(nèi)水泥塞容積，L；Y為水泥造漿率，L/sx。

重晶石載荷Lba計(jì)算公式如下：

Lba≥0.12V漿ρ2/(ρ2-ρ1-0.12),

(24)

式中：V漿為原鉆井液體積，m3；ρ1為原鉆井液密度，g/cm3；ρ2為重晶石密度，g/cm3。

通過(guò)對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷中各分項(xiàng)載荷的分析和計(jì)算，得出一套設(shè)計(jì)甲板可變載荷的理論方法，該方法比較簡(jiǎn)單，可以準(zhǔn)確地計(jì)算深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷的大小，有效避免深水半潛式鉆井平臺(tái)的甲板可變載荷過(guò)大或過(guò)小，從而既不會(huì)造成資源浪費(fèi)，又能夠滿足深水鉆井作業(yè)的特殊要求。使得新建深水半潛式鉆井平臺(tái)的投資與回報(bào)達(dá)到最優(yōu)化，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

2.2 深水半潛式鉆井平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法

半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)和生存工況下，一個(gè)重要的衡準(zhǔn)要求是平臺(tái)的偏移要小于一定的水深百分比，如作業(yè)工況一般要求小于水深的3%，生存工況下一般要求小于水深的8%～10%。慢漂運(yùn)動(dòng)在總的水平運(yùn)動(dòng)中占有較大比例(約30%～70%)，但是傳統(tǒng)的慢漂運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法需要依靠復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算工作，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且不同的工程師計(jì)算結(jié)果差異很大；模型試驗(yàn)手段同樣也需要耗費(fèi)很大的工作量、時(shí)間和費(fèi)用。API-RP-2SK提供了估算低頻運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)曲線，但不適用于排水量超過(guò)30 000 t的大型半潛式鉆井生產(chǎn)平臺(tái)[6-7]。

另外，在平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)或者概念設(shè)計(jì)階段，會(huì)有很多種設(shè)計(jì)方案供對(duì)比篩選，這時(shí)候需要在保證一定計(jì)算精度的前提下，盡可能快速、高效地完成性能分析計(jì)算。

通過(guò)對(duì)多座超深水半潛式平臺(tái)大量系統(tǒng)的數(shù)值研究，結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺(tái)的模型試驗(yàn)，得出了主要的影響因素(浪向、波高、排水量、系泊系統(tǒng)剛度)及其影響規(guī)律，建立了一組適用于30 000～70 000 t的半潛式平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)分析曲線；并在此基礎(chǔ)上建立了依據(jù)曲線評(píng)估平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的方法。其步驟為：根據(jù)浪高、排水量選擇慢漂曲線的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)系泊剛度計(jì)算在新的系泊剛度下的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；依據(jù)浪向?qū)ζ脚_(tái)的縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解。圖2所示為統(tǒng)計(jì)的各型超深水半潛式鉆井平臺(tái)慢漂分析曲線。

圖2 超深水半潛式鉆井平臺(tái)慢漂分析曲線Fig.2 Slow drift analysis of ultra-deepwater semi-submersible drilling platform

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

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(32)

(33)

(34)

其中，系泊剛度系泊定位系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，其計(jì)算依據(jù)懸鏈線方程獲取。懸鏈線計(jì)算的目的是計(jì)算均質(zhì)線在均布力作用下的平衡位置曲線。在懸鏈線計(jì)算中，不考慮均質(zhì)線的彎曲剛度。經(jīng)典懸鏈線方程用來(lái)計(jì)算局部坐標(biāo)系中懸鏈線單元第二端點(diǎn)的坐標(biāo)和系泊力成分。

2.3 適應(yīng)南海的半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞分析方法

深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞分析是一個(gè)十分復(fù)雜的工程力學(xué)問(wèn)題，在工程實(shí)際中基于譜分析和精細(xì)有限元網(wǎng)格的詳細(xì)分析方法是迄今為止最準(zhǔn)確的方法，但是該方法計(jì)算工作量大，對(duì)平臺(tái)所有連接節(jié)點(diǎn)均采用譜疲勞分析方法分析需要大量時(shí)間，具體實(shí)施困難。為提高計(jì)算效率，在平臺(tái)方案設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)階段，通常采用簡(jiǎn)化疲勞分析方法分析結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。簡(jiǎn)化疲勞分析方法是假定疲勞應(yīng)力的長(zhǎng)期分布服從Weibull分布，其形狀參數(shù)按近似公式、譜分析結(jié)果擬合或規(guī)范推薦得到。結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)采用有限元分析技術(shù)得到，該方法具有能反映結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、計(jì)算工作量較小且計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。目前簡(jiǎn)化疲勞分析方法廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)疲勞分析。由于缺乏海洋深水浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)在不同作業(yè)海域條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期分布的Weibull參數(shù)資料，加之深水浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算困難等難題，導(dǎo)致簡(jiǎn)化疲勞分析方法在浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用較少。本項(xiàng)目依據(jù)簡(jiǎn)化疲勞分析方法基本理論，發(fā)展了一套針對(duì)南海環(huán)境條件、適用于深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞分析的簡(jiǎn)化疲勞分析方法，并成功應(yīng)用于海洋石油981的設(shè)計(jì)中[8]。

深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞設(shè)計(jì)方法的技術(shù)思路和原理方法如圖3所示。技術(shù)路線解釋如下。

(1) 半潛式平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱平臺(tái))波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)：根據(jù)平臺(tái)作業(yè)海域長(zhǎng)期海況資料計(jì)算平臺(tái)波浪載荷，對(duì)平臺(tái)壽命期一遇波浪載荷進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，得到平臺(tái)壽命期一遇最大波浪載荷，包括橫向波浪撕裂力、橫向波浪扭矩、縱向波浪剪切力、垂向波浪彎矩、縱向甲板質(zhì)量慣性力和橫向甲板質(zhì)量慣性力。

(2) 平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期Weibull分布形狀參數(shù)確定：建立平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行不同浪向、不同波浪周期條件下平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)有限元分析。計(jì)算得到各浪向平臺(tái)不同結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)，結(jié)合平臺(tái)作業(yè)海域長(zhǎng)期海況資料進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析，得到平臺(tái)不同部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期Weibull分布形狀參數(shù)和應(yīng)力響應(yīng)的平均過(guò)零周期。

(3) 確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍曲線：基于S-N曲線、結(jié)構(gòu)疲勞壽命達(dá)到或超過(guò)30年的要求和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期應(yīng)力響應(yīng)的平均過(guò)零周期導(dǎo)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍曲線，包括浸沒(méi)于海水中腐蝕保護(hù)條件下結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍曲線和空氣中結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍曲線。

(4) 計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)壽命期一遇熱點(diǎn)應(yīng)力范圍：根據(jù)平臺(tái)具體結(jié)構(gòu)形式，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命期一遇特征波浪載荷，進(jìn)行平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)有限元分析，得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)處名義應(yīng)力范圍，名義應(yīng)力范圍乘以應(yīng)力集中系數(shù)可得到疲勞校核節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的壽命期一遇熱點(diǎn)應(yīng)力范圍。其中應(yīng)力集中系數(shù)實(shí)際為應(yīng)力放大系數(shù)，可由有限元細(xì)網(wǎng)格計(jì)算或通用規(guī)范確定。

(5) 評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命：針對(duì)平臺(tái)不同結(jié)構(gòu)形式，在美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范中找出其結(jié)構(gòu)疲勞分析相應(yīng)的S-N曲線類(lèi)別。根據(jù)S-N曲線類(lèi)別選取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍曲線，并在該曲線上根據(jù)步驟(2)中確定的結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期Weibull分布形狀參數(shù)值找到結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍。比較結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大熱點(diǎn)應(yīng)力范圍和結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍。若結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大熱點(diǎn)應(yīng)力范圍小于結(jié)構(gòu)壽命期一遇最大許用應(yīng)力范圍，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求；否則不滿足要求。

圖3 半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞設(shè)計(jì)方法流程圖Fig.3 Process of simplified fatigue design method for semi-submersible platform

3 適應(yīng)中國(guó)南海惡劣海況條件的船型開(kāi)發(fā)

超深水半潛式鉆井平臺(tái)船型開(kāi)發(fā)方案研究對(duì)比分析了國(guó)外深水半潛式鉆井平臺(tái)GVA7500M，F(xiàn)amp;G ExD，MSC DSS50和Aker H-4.3等世界第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)方案的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)南海惡劣海況的實(shí)際，提出適用于中國(guó)南海并兼顧世界其他主要海域的目標(biāo)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案。該項(xiàng)研究對(duì)平臺(tái)環(huán)境條件、可變載荷指標(biāo)、主要性能指標(biāo)、平臺(tái)主要功能、鉆井方案、主要設(shè)備參數(shù)、定位方式等進(jìn)行分析論證。

超深水半潛式鉆井平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)在總體設(shè)計(jì)中是非常重要的部分，是深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，在總體方案設(shè)計(jì)中要確定平臺(tái)的船型與主尺度、結(jié)構(gòu)形式和總布置，其中平臺(tái)的總布置涉及平臺(tái)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方方面面，是一個(gè)確立工藝流程、劃分功能區(qū)塊、規(guī)劃系統(tǒng)布置、落實(shí)設(shè)備參數(shù)和協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程。

針對(duì)中國(guó)南海惡劣海況的船型開(kāi)發(fā)需重點(diǎn)做專題研究的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

(1) 超深水半潛式鉆井平臺(tái)總體布置：超深水半潛式鉆井平臺(tái)總體布置需要以鉆井系統(tǒng)及其作業(yè)流程為核心，考慮甲板布置、鉆機(jī)及井架布置、月池大小、隔水套管存放形式、可變載荷(甲板可變載荷和液體載荷)分布、機(jī)艙布置、動(dòng)力定位等級(jí)要求、安全要求、甲板面積等多種因素。具體內(nèi)容包括確立總布置原則、思路及布置要點(diǎn)，提出目標(biāo)平臺(tái)概念設(shè)計(jì)總布置方案，重點(diǎn)考慮工藝流程、作業(yè)效率、分系統(tǒng)要求、安全、重量重心平衡等要素；依據(jù)目標(biāo)平臺(tái)的功能要求和工程項(xiàng)目實(shí)際，需要研究工藝流程、空間限制、重量控制，完成下浮體、立柱、上船體、鉆井系統(tǒng)、生活樓、直升機(jī)平臺(tái)等全方位的總布置規(guī)劃；重點(diǎn)針對(duì)DP-3規(guī)范要求，研究影響動(dòng)力定位系統(tǒng)布置的關(guān)鍵因素及原則。

(2) 超深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式：以優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、減小空船重量、以較小的用鋼量獲得較大的可變載荷為目標(biāo)，進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃，提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；對(duì)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用、建造成本、結(jié)構(gòu)腐蝕、疲勞壽命以及抗意外事故和載荷的能力等方面進(jìn)行綜合論證分析。具體內(nèi)容包括通過(guò)國(guó)外典型平臺(tái)計(jì)算分析，比較不同形式平臺(tái)的水動(dòng)力載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)，得出不同形式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)重量及不同結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)；確定概念設(shè)計(jì)方案和基本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行骨架間距優(yōu)化、結(jié)構(gòu)材料選取和結(jié)構(gòu)重量的優(yōu)化，提出橫撐型式；對(duì)下浮體、立柱、上船體、撐桿、立柱與上船體和下浮體的連接節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行綜合研究，完成目標(biāo)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3) 超深水半潛式鉆井平臺(tái)定位方式：深水半潛式鉆井平臺(tái)的定位方式包括錨泊定位、動(dòng)力定位和組合定位三種方式。在不同的環(huán)境條件和水深下，合理選擇定位方式對(duì)于平臺(tái)的位移控制和降低燃油消耗起決定性作用。平臺(tái)定位方式的選擇建立在平臺(tái)定位能力分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)定位能力分析可以確定錨泊與動(dòng)力定位組合的適用水深及平衡點(diǎn)，錨泊定位與動(dòng)力定位所需要的環(huán)境條件，以及錨泊定位與動(dòng)力定位設(shè)備的選型與配置。平臺(tái)定位所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括錨泊定位、動(dòng)力定位和組合定位水深適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性分析技術(shù)，三種定位方式所需系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，以及平臺(tái)定位系統(tǒng)等效模擬技術(shù)。

(4) 主要設(shè)備配置方案研究：以鉆機(jī)為主導(dǎo)的設(shè)備配置方案，需要開(kāi)展鉆井、井架、泥漿泵、壓載泵等大型設(shè)備的配置分析，考慮防噴器、隔水管、水下井口及相關(guān)設(shè)施的配套等。具體內(nèi)容包括鉆井系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成、作業(yè)流程以及對(duì)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)的影響要素；不同鉆機(jī)系統(tǒng)配置的共性與特點(diǎn)；井架型式、鉆機(jī)、隔水管張緊系統(tǒng)、鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵設(shè)備配置技術(shù)；防噴器、采油樹(shù)、隔水管等水下系統(tǒng)的配置技術(shù)；高低壓泥漿、散料等系統(tǒng)和設(shè)備配置技術(shù)。

在專題研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多項(xiàng)超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)創(chuàng)新，包括深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷的計(jì)算方法，深水半潛式鉆井平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法，適應(yīng)南海的半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞分析方法等。同時(shí)，綜合考慮穩(wěn)性性能和建造的適用性等論證結(jié)果，確定了目標(biāo)平臺(tái)的船型和主尺度方案。

目標(biāo)平臺(tái)概念設(shè)計(jì)技術(shù)形態(tài)確定為：

(1) 采用四立柱型式，有效提高結(jié)構(gòu)可靠性，降低建造費(fèi)用。

(2) 甲板可變載荷達(dá)到10 000 t，以適應(yīng)深遠(yuǎn)海作業(yè)；作業(yè)排水量控制在53 000～54 000 t，平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量控制在16 500 t左右，以控制建造費(fèi)用。

(3) 采用動(dòng)力定位和錨泊定位組合方式，動(dòng)力定位等級(jí)為DP3，采用四機(jī)艙、四配電板室、八推進(jìn)器艙獨(dú)立，有效降低設(shè)備配置。

(4) 隔水管采取豎放和橫放組合型式，有效提高作業(yè)效率，同時(shí)兼顧在較淺海域作業(yè)時(shí)甲板可變載荷裝載的靈活性。

(5) 采用雙井架一主一輔配置，立根長(zhǎng)度采用四節(jié)，有效優(yōu)化作業(yè)流程，提高作業(yè)效率。

綜合而言，目標(biāo)平臺(tái)為第六代深海半潛式鉆井平臺(tái)，適用于中國(guó)南海、墨西哥灣、巴西等海域，船型為雙浮體、四立柱、橫撐連接、箱型甲板。超深水半潛式鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)方案如圖4所示。表1給出了超深水半潛式鉆井平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 超深水半潛式鉆井平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indices of ultra-deepwater semi-submersible drilling platform

針對(duì)南海特殊環(huán)境條件、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深水半潛式鉆井平臺(tái)新船型，可作為母型平臺(tái)推廣應(yīng)用。平臺(tái)穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足南海200年一遇環(huán)境條件要求。與世界先進(jìn)的同類(lèi)平臺(tái)相比，其運(yùn)動(dòng)性能(見(jiàn)表2)和作業(yè)性能優(yōu)良，平均鉆井作業(yè)時(shí)效較國(guó)際同類(lèi)平臺(tái)提高10%，平臺(tái)配備錨泊定位和動(dòng)力定位組合雙定位系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)和內(nèi)波監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)，裝備水平世界先進(jìn)，綜合技術(shù)指標(biāo)世界領(lǐng)先。

表2作業(yè)工況(一年一遇)環(huán)境條件下各型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能分析表

Table2Workingcondition(onceinayear)analysisofvarioustypesofplatformmotionperformanceunderambientconditions

平臺(tái)名稱超深水半潛式鉆井平臺(tái)Famp;GExDAkerH?4．3MSCDSS50垂蕩最大值/m1．552．832．262．35橫搖最大值/(°)3．383．83．393．56縱搖最大值/(°)2．6432．892．73

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)超深水半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用進(jìn)行了闡述，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

(1) 綜合考慮非線性、頻散、耗散、地形和海底摩擦等復(fù)雜因素影響，在國(guó)際上首次建立了南海內(nèi)波演化數(shù)學(xué)模型。建立了內(nèi)波流載荷計(jì)算方法，創(chuàng)立了考慮海浪、風(fēng)、海流、內(nèi)波流等多種載荷組合下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析方法。

(2) 通過(guò)對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板可變載荷中各分載荷的分析和計(jì)算，得出了一套設(shè)計(jì)甲板可變載荷的理論方法，該方法比較簡(jiǎn)便，可以準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)深水半潛式鉆井平臺(tái)甲板的可變載荷，以避免造成建造深水半潛式鉆井平臺(tái)的甲板載荷過(guò)大或過(guò)小，從而既不會(huì)造成資源浪費(fèi)，又能夠滿足深水鉆井作業(yè)的特殊要求，使得新建深水半潛式鉆井平臺(tái)的投資與回報(bào)達(dá)到最優(yōu)化。

(3)首次實(shí)現(xiàn)了超深水半潛式鉆井平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)多座半潛式平臺(tái)大量系統(tǒng)的數(shù)值研究、結(jié)合超深水半潛式鉆井平臺(tái)的模型試驗(yàn)，得出了主要的影響因素(浪向、波高、排水量、系泊系統(tǒng)剛度)及其影響規(guī)律，建立了一組適用于30 000～70 000 t的半潛式平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)分析曲線；并在此基礎(chǔ)上建立了依據(jù)曲線評(píng)估平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的方法。

(4) 創(chuàng)立了針對(duì)南海海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)疲勞最大許用應(yīng)力范圍曲線；研究建立了超深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)各個(gè)部位應(yīng)力分布的Weibull參數(shù)；構(gòu)建了一套適應(yīng)中國(guó)南海的深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化疲勞分析方法，并成功應(yīng)用。

(5) 研發(fā)出針對(duì)南海特殊環(huán)境條件、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深水半潛式鉆井平臺(tái)新船型。平臺(tái)作業(yè)水深3 000 m，鉆井深度10 000 m，可變載荷9 000 t；穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足南海200年一遇環(huán)境條件要求。

致謝本文主要內(nèi)容的研究成果來(lái)源于國(guó)家“863”計(jì)劃“3000米水深半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”課題，在此向?qū)Ρ疚淖龀鲐暙I(xiàn)的子課題單位及相關(guān)科研人員表示最由衷的感謝！

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InnovationandApplicationonDesignTechnologyofUltra-DeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatform

XIE Bin， LI Yang， ZHANG Wei, XIE Wen-hui, WANG Jun-rong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The environmental condition of South China Sea is extremely severe. Strong typhoons in summer, storm and soliton occur frequently. This raises very high demands for safety and overall performance, operation efficiency and other aspects for semi-submersible drilling platform.The design of semi-submersible drilling platform in the South China Sea faces a number of world-class technical challenges.We will focus on the research and development process of semi-submersible drilling platform in the South China Sea. The innovative results of the soliton load in the South China Sea, variable load, slow drift motion prediction, and simplified fatigue analysis are described, and the overall scheme of the semi-submersible drilling platform in the South China Sea is introduced.Through a number of major technological innovation, we create the ultra-deepwater semi-submersible drilling platform for the South China Sea for the first time in the world, for special environmental conditions, with independent intellectual property rights. The platform with operating depth of 3 000 m, drilling depth of 10 000 m, variable load of 9 000 t can meet the stability and structural strength of the South China Sea 200 years environmental requirements. The ultra-deepwater semi-submersible drilling platform has good working performance, and the average drilling operation is better than the international similar platform to improve the working rate by 10% in comprehensive technical indicators compared with the world’s advanced platform.

ultra-deepwater semi-submersible drilling platform; soliton; slow drift; simplified fatigue; overall plan

2015-08-07

謝彬(1962—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)與研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0353-08