挪威北海惡劣海況下半潛式鉆井平臺(tái)工作性能分析

韓榮貴，時(shí)　磊，楊　楠，崔　娜，李　磊，肖　元，張健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

挪威北海惡劣海況下半潛式鉆井平臺(tái)工作性能分析

韓榮貴，時(shí)磊，楊楠，崔娜，李磊，肖元，張健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

摘要：針對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能量化評(píng)估問(wèn)題，采用工作性能分析方法。對(duì)3座半潛式鉆井平臺(tái)，考慮挪威北海惡劣海況條件，進(jìn)行工作性能分析。結(jié)果表明，目標(biāo)平臺(tái)在3座平臺(tái)中工作性能最佳。工作性能分析方法可以作為評(píng)估半潛鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的分析工具之一。

關(guān)鍵詞：半潛式鉆井平臺(tái)；工作性能分析；勢(shì)流理論；水動(dòng)力分析

挪威北海作為油氣開(kāi)采比較活躍的幾個(gè)重要油區(qū)之一，以其海洋環(huán)境惡劣著稱(chēng)，尤其是波浪條件十分惡劣，最大波高超過(guò)30 m[1]。由于惡劣的波浪條件，使得在挪威北海工作的半潛式鉆井平臺(tái)承受較大的波浪力和產(chǎn)生較大的平臺(tái)位移，對(duì)平臺(tái)的作業(yè)安全性是巨大挑戰(zhàn)。因此，在進(jìn)行工作于挪威北海海域的半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為獲得量化的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估指標(biāo)，采用工作性能分析方法開(kāi)展3座半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能研究。工作性能分析結(jié)果體現(xiàn)在平臺(tái)在指定海域和工況下的作業(yè)天窗期。作業(yè)天窗期是指平臺(tái)在指定海域和操作工況運(yùn)動(dòng)限制條件下，每年可工作的時(shí)間百分比，可以量化地反映平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能。

1工作性能分析介紹

工作性能分析主要是在水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)半潛式鉆井平臺(tái)具體操作工況的運(yùn)動(dòng)限制條件，結(jié)合實(shí)際工作海域的波浪信息，應(yīng)用短期預(yù)報(bào)方法，統(tǒng)計(jì)某項(xiàng)操作每年可以工作的時(shí)間百分比。

1.1勢(shì)流理論

采用三維勢(shì)流理論求解半潛式鉆井平臺(tái)附加質(zhì)量、勢(shì)流阻尼等水動(dòng)力系數(shù)，在微幅波假設(shè)下，浮體線性運(yùn)動(dòng)方程為[2-3]

(1)

式中：Mij——平臺(tái)質(zhì)量矩陣；

Aij——平臺(tái)附加質(zhì)量矩陣；

Bij——平臺(tái)勢(shì)流阻尼矩陣；

BZij——平臺(tái)粘性阻尼矩陣；

Cij——平臺(tái)回復(fù)力剛度矩陣；

Xi——平臺(tái)收到的波浪激勵(lì)力；

ξj——平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值。

數(shù)值計(jì)算中，所用面元采用常數(shù)元，在面元上均勻分布源匯強(qiáng)度，采用源匯表征流場(chǎng)速度勢(shì)的分布。通過(guò)求解源匯強(qiáng)度，獲得平臺(tái)在單位波幅波浪作用下的頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子(RAO)。目前采用SESAM/HydroD[4-5]軟件進(jìn)行相關(guān)勢(shì)流理論求解，獲得相關(guān)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子(RAO)。

1.2短期預(yù)報(bào)

在工作性能計(jì)算過(guò)程中，短期預(yù)報(bào)采用的波浪譜類(lèi)型為PM譜，PM波浪譜密度Sξ(w)如下式[5]。

(2)

式中：Tp——譜峰周期；

HS——有義波高；

p——波浪圓頻率。

通過(guò)水動(dòng)力分析軟件獲得平臺(tái)RAO，結(jié)合實(shí)際海域的波浪譜，即可獲得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜SR(w)[6]。

(3)

通過(guò)響應(yīng)譜，可以獲得響應(yīng)譜各階譜矩。

(4)

運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有義值為

(5)

1.3工作性能分析

工作性能分析是指根據(jù)特定操作工況的相關(guān)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值限制條件，如下放防噴器操作，平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)不超過(guò)1.0 m，橫搖和縱搖角度不超過(guò)2.0°，通過(guò)對(duì)波浪散布圖(見(jiàn)圖1)中所用采集的各海況條件進(jìn)行3 h短期預(yù)報(bào)，判斷各海況下平臺(tái)的最大運(yùn)動(dòng)幅值是否超過(guò)限制值(如表2示例)，如果沒(méi)有超過(guò)，則表明在該海況下可以進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。最終，統(tǒng)計(jì)所有可作業(yè)海況出現(xiàn)數(shù)量占所有海況數(shù)量的百分比。用該百分比表征平臺(tái)每年可以工作的時(shí)間百分比，作為評(píng)價(jià)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)劣的參考。百分比越高說(shuō)明平臺(tái)可操作的時(shí)間越多，平臺(tái)工作性能越好。

2算例分析

將中集來(lái)福士正在建造的某半潛式鉆井平臺(tái)與已建的兩座工作于同一海域的半潛式鉆井平臺(tái)(記為1#平臺(tái)和2#平臺(tái))進(jìn)行工作性能方面的對(duì)比分析。該平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化方面做了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3座半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)間先后順序依次是1#平臺(tái)、2#平臺(tái)和本平臺(tái)。

圖1　波浪散布表(Statfjord油田)

在該平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了獲取更佳的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能，進(jìn)行了多個(gè)方案性能分析，考慮因素包括平臺(tái)浮筒長(zhǎng)寬比、浮筒間距、浮筒倒角大小、立柱長(zhǎng)寬比、立柱間距、立柱倒角大小、橫撐直徑和高度以及平臺(tái)吃水等。最終，綜合考慮平臺(tái)總重量、穩(wěn)性要求等綜合因素，確定相關(guān)平臺(tái)主尺度。

2.1水動(dòng)力模型

對(duì)1#平臺(tái)、2#平臺(tái)和本平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)水動(dòng)力分析。主要參數(shù)見(jiàn)表1，水動(dòng)力網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2～4。

2.2海況參數(shù)

具體分析所有海域波浪散布圖見(jiàn)圖1，該散布圖是挪威北海Statfjord油田的典型波浪散布圖。計(jì)算過(guò)程中假設(shè)各浪向波浪出現(xiàn)的概率相等，取0～360°，15°間隔，共計(jì)24個(gè)浪向。

表1　平臺(tái)主要參數(shù)

圖2　1#平臺(tái)水動(dòng)力網(wǎng)格模型

圖3　2#平臺(tái)水動(dòng)力網(wǎng)格模型

圖4　本平臺(tái)水動(dòng)力網(wǎng)格模型

2.3操作工況運(yùn)動(dòng)限制條件

典型操作工況運(yùn)動(dòng)限制條件見(jiàn)表2。

表2　典型操作工況運(yùn)動(dòng)限制條件

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)限制條件的設(shè)定主要是為保證平臺(tái)在進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)保證設(shè)備和人員的安全，防止重大事故出現(xiàn)。平臺(tái)的典型操作工況限制條件除了表2中的升沉、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)外，還可以定義某些位置的速度、加速度值等作為相關(guān)操作的限制條件。

2.4計(jì)算結(jié)果

各項(xiàng)目工作性能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　工作性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比　%

表3中數(shù)據(jù)表示各平臺(tái)在不同操作類(lèi)型工況下每年可以工作的時(shí)間百分比。本平臺(tái)與1#平臺(tái)和2#平臺(tái)相比，各工況全年可增加的作業(yè)天數(shù)可以根據(jù)本平臺(tái)與1#平臺(tái)或2#平臺(tái)工作時(shí)間百分比的差值乘以365 d獲得，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　本平臺(tái)全年可增加工作天數(shù)及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比　%

由表1可見(jiàn)，本平臺(tái)在主尺度上面進(jìn)行較大的調(diào)整，從而來(lái)獲取較好的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能。本平臺(tái)號(hào)與1#平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的改善相比1#平臺(tái)到2#平臺(tái)的改善并沒(méi)有明顯量級(jí)上的變化。其原因在于，從圖1可以看出，波浪散布圖中的海況分布呈一個(gè)倒金字塔形，高海況對(duì)應(yīng)的海況出現(xiàn)次數(shù)變小。從而導(dǎo)致工作天窗期達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，提高平臺(tái)的作業(yè)天窗期越來(lái)越困難。

2.5結(jié)果分析

由表3可見(jiàn)，3個(gè)項(xiàng)目的工作性能依次變好，表明該系列平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)性能方面是不斷優(yōu)化的。3座半潛式鉆井平臺(tái)中目標(biāo)平臺(tái)工作性能最佳，與目標(biāo)平臺(tái)操作吃水大，有利于改善垂蕩運(yùn)動(dòng)性能響應(yīng)有直接關(guān)系，符合理論分析的變化趨勢(shì)。

由表4可見(jiàn)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化帶來(lái)的平臺(tái)可工作天數(shù)的增加是比較可觀的，可有利地提高臺(tái)的作業(yè)效率。表4中以中等水深半潛式鉆井平臺(tái)平均日費(fèi)率36.06萬(wàn)美元計(jì)算了相關(guān)操作工況的經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算結(jié)果可以看出運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化，可節(jié)約平臺(tái)使用方的大量資金，有利于提高平臺(tái)的市場(chǎng)認(rèn)可度。

3結(jié)束語(yǔ)

3座半潛式鉆井平臺(tái)的算例結(jié)果表明，目標(biāo)平臺(tái)工作性能最佳，符合理論分析的變化趨勢(shì)。工作性能分析的優(yōu)勢(shì)在于可以直接給出量化的平臺(tái)可工作時(shí)間百分比，進(jìn)而反映出平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能情況。在平臺(tái)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以為量化評(píng)估平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能提供數(shù)據(jù)支持。本文分析過(guò)程中只考慮了平臺(tái)升沉、橫搖和縱搖對(duì)工作性能的影響，后續(xù)研究中可以進(jìn)一步考慮加速度、速度等影響因素，更全面地衡量平臺(tái)作業(yè)性能等。

參考文獻(xiàn)

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[6] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS， 2014.

Workability Analysis for Semi-Submersible Drilling Unit under Harsh Environment at Norwegian Sea

HAN Rong-gui, SHI Lei, YANG Nan, CUI Na, LI Lei, XIAO Yuan, ZHANG Jian-xiao

(CIMC Offshore Engineering Institute Ltd., Yantai Shandong 264000, China)

Abstract:For quantitative assessment of motion performance of semi-submersible drilling unit, the workability analysis method is applied to investigate the workability for three semi-submersible drilling units under harsh environment at Norwegian Sea. According to analysis results, the target project had the best workability performance. It is proved that the workability analysis can be used as a tool to evaluate the performance of semi-submersible drilling unit.

Key words:semi-submersible drilling unit; workability analysis; potential flow theory; hydrodynamic analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.029

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：山東省自主專(zhuān)項(xiàng)(2014CGZH1202)；泰山學(xué)者藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專(zhuān)家專(zhuān)項(xiàng)

第一作者簡(jiǎn)介：韓榮貴(1982—)，男，碩士，工程師 E-mail:ronggui.han@cimc-raffles.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38；P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0127-04

修回日期：2015-12-08

研究方向:船舶與海洋工程水動(dòng)力分析