深水鉆井船錨泊定位分析方法研究

魏躍峰 潘方豪（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

特邀專(zhuān)欄

深水鉆井船錨泊定位分析方法研究

魏躍峰 潘方豪
（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合方法對(duì)作業(yè)于1 500 m水深的鉆井船開(kāi)展錨泊定位分析，比較兩種方法的結(jié)果，并研究?jī)煞N錨泊定位分析方法的特點(diǎn)。研究表明：不同設(shè)計(jì)階段采用不同的錨泊定位分析方法能夠提高設(shè)計(jì)的效率和精度。

深水鉆井船；錨泊定位；準(zhǔn)動(dòng)態(tài)；動(dòng)態(tài)耦合

引　言

深水鉆井船的主要功能是進(jìn)行海上油氣勘探、鉆井作業(yè)。為保護(hù)鉆井隔水管及下部的球形接頭不受損壞，鉆井船的船體運(yùn)動(dòng)應(yīng)限制在一定的范圍內(nèi)，這對(duì)深水鉆井船的定位性能提出了很高的要求［1］。鉆井船的定位方式有動(dòng)力定位［2］和錨泊定位［3-4］兩種。動(dòng)力定位鉆井船具有快速作業(yè)、快速撤離的優(yōu)勢(shì)，但運(yùn)營(yíng)成本較高。作業(yè)于相對(duì)溫和海域的鉆井船，可以采用錨泊定位方式。

錨泊定位分析方法是深水鉆井船錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文分別采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合分析方法對(duì)深水鉆井船開(kāi)展錨泊定位分析，計(jì)算完整系泊和單根錨索破斷時(shí)鉆井船錨泊系統(tǒng)的定位能力，研究?jī)煞N不同方法的特點(diǎn)及在錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同階段的作用。

1　理論方法

1.1 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)法

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法首先根據(jù)三維頻域勢(shì)流理論計(jì)算船體水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪力、二階波浪力和運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAOs），然后求解船體時(shí)域運(yùn)動(dòng)。在求解船體時(shí)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)的低頻運(yùn)動(dòng)（縱蕩、橫蕩和首搖）和波頻運(yùn)動(dòng)（垂蕩、橫搖和縱搖）均需分別計(jì)算。低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過(guò)求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程得到，船體低頻運(yùn)動(dòng)求解方程見(jiàn)式（1）［5］：式中：M為船體水平運(yùn)動(dòng)方向的質(zhì)量矩陣；Fwave（2）為船體所受到的二階波浪漂移力；Fcurrent為海流力；Fwind為風(fēng)力；Fmoor為錨泊力。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法中假定錨索處于靜止?fàn)顟B(tài)，錨泊力通過(guò)求解靜力學(xué)方程得到［6］。

在低頻運(yùn)動(dòng)位置和船體首搖角的基礎(chǔ)上，根據(jù)頻域計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)結(jié)果，結(jié)合波浪時(shí)歷獲得波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷。

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法雖考慮到船體附加質(zhì)量和二階波浪漂移力，但忽略了船體阻尼、一階波浪力以及錨索自身拖曳力和慣性力等諸多影響。

1.2 動(dòng)態(tài)耦合

動(dòng)態(tài)耦合分析方法首先通過(guò)三維頻域勢(shì)流理論計(jì)算船體水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪力和二階波浪力；然后通過(guò)快速Fourier變換（FFT）將頻域分析得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間序列；最后結(jié)合每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)算得的錨泊力，求解船體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程。時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程為［7］：

式中：M為船體六自由度運(yùn)動(dòng)方向的質(zhì)量矩陣；μ為附加質(zhì)量；K（）為延遲函數(shù)；Fwave（1）為船體所受到的一階波浪力；Fwave（2）為船體所受到的二階波浪漂移力；Fcurrent為海流力；Fwind為風(fēng)力；Fmoor為系泊力。動(dòng)態(tài)耦合方法中，錨泊力通過(guò)求解動(dòng)力學(xué)方程得到［7］。

動(dòng)態(tài)耦合分析不僅考慮船體水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪力、二階波浪漂移力以及錨索自身拖曳力和慣性力的影響，而且還考慮每一個(gè)時(shí)間步船體運(yùn)動(dòng)對(duì)錨索張力的影響。

2　深水鉆井船及錨泊定位系統(tǒng)

本文研究的深水鉆井船船體主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　鉆井船主尺度參數(shù)

圖1　錨泊系統(tǒng)布置圖

鉆井船采用8根錨索（分為4組、每組2根），這2根錨索與船體中線(xiàn)的夾角分別為40°和60°。錨泊系統(tǒng)布置如圖1所示。每一根錨索由鋼絲繩和錨鏈組成。與船體相連的一段為鋼絲繩，與錨相連的一段為錨鏈。錨索參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　錨索參數(shù)

3　環(huán)境條件

深水鉆井船作業(yè)水深1 500 m，作業(yè)海域環(huán)境條件見(jiàn)表3。在進(jìn)行錨泊定位分析計(jì)算時(shí)，波浪譜采用JONSWAP譜，風(fēng)采用API風(fēng)譜，流采用定常流。對(duì)于多點(diǎn)系泊，當(dāng)風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷方向相同時(shí)，錨索受力最大，因此本文計(jì)算時(shí)也設(shè)定風(fēng)、浪、流、方向相同，見(jiàn)圖1。

表3　設(shè)計(jì)環(huán)境條件

4　結(jié)果與分析

文中分別采用BV船級(jí)社基于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法開(kāi)發(fā)的ARIANE軟件以及DNV船級(jí)社基于動(dòng)態(tài)耦合分析方法開(kāi)發(fā)的DeepC軟件計(jì)算了一年一遇季風(fēng)和一年一遇臺(tái)風(fēng)情況，分別在迎浪、首斜浪和橫浪下，完整系泊和單根錨索（第四根）的破斷工況，以及鉆井船運(yùn)動(dòng)偏移、導(dǎo)纜孔處錨索張力和錨泊點(diǎn)處錨索張力。本文僅以首斜浪（風(fēng)、浪、流同向且為157.5°）為例，給出計(jì)算結(jié)果，其他方向結(jié)論與之相同。

圖2　作業(yè)工況完整系泊時(shí)結(jié)果比較

圖3　作業(yè)工況單根錨索破斷時(shí)結(jié)果比較

圖2 — 圖5給出了采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合方法開(kāi)展的深水鉆井船錨泊定位分析結(jié)果比較。圖中導(dǎo)纜孔處張力和錨點(diǎn)張力均為第三根錨索受力。從圖中可以看出，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法計(jì)算出的船體運(yùn)動(dòng)偏移較動(dòng)態(tài)耦合分析方法偏大，導(dǎo)纜孔處和錨點(diǎn)處的錨索張力偏小。這主要是由于耦合的影響：準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算出的錨索張力作用到船體運(yùn)動(dòng)上，船體運(yùn)動(dòng)未引起錨索張力變化；動(dòng)態(tài)耦合方法在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)考慮兩者之間的相互影響，反復(fù)迭代，直至結(jié)果收斂。上述四種工況下的計(jì)算結(jié)果如下：一年一遇季風(fēng)海況，完整系泊時(shí)，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合分析方法得到的船體運(yùn)動(dòng)偏移相差最大（為15.54%）；一年一遇臺(tái)風(fēng)海況，單根錨索破斷時(shí)，船體運(yùn)動(dòng)偏移相差最?。?.51%）；一年一遇臺(tái)風(fēng)海況，完整系泊時(shí)，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合分析方法得到的導(dǎo)纜孔處錨索張力相差最大（為23.46%）；一年一遇季風(fēng)海況，單根錨索破斷時(shí)，導(dǎo)纜孔處錨索張力相差最?。?.41%）；一年一遇臺(tái)風(fēng)海況，完整系泊時(shí)，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合分析方法得到的錨點(diǎn)處錨索張力相差最大（為34.16%）；一年一遇季風(fēng)海況，單根錨索破斷時(shí)，錨點(diǎn)處錨索張力相差最?。?.61%）。

圖4　生存工況完整系泊時(shí)結(jié)果比較

圖5　生存工況單根錨索破斷時(shí)結(jié)果比較

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法在計(jì)算時(shí)忽略了船體阻尼系數(shù)和錨索動(dòng)力等的影響，而動(dòng)態(tài)耦合分析方法均考慮了這些因素的影響，因此動(dòng)態(tài)耦合分析方法計(jì)算出的結(jié)果更接近真實(shí)結(jié)果。在工程應(yīng)用中，考慮到準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)耦合方法計(jì)算結(jié)果的差別，BV船級(jí)社規(guī)范NR493［8］規(guī)定，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法錨索張力安全系數(shù)不小于1.75，動(dòng)態(tài)方法安全系數(shù)不小于1.67。由于動(dòng)態(tài)耦合分析方法計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，在進(jìn)行錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，通常采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算，得出對(duì)錨泊系統(tǒng)影響最大的惡劣海況，再對(duì)惡劣海況采用動(dòng)態(tài)耦合分析的方法計(jì)算。

5　結(jié)　論

本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)耦合兩種方法對(duì)作業(yè)于1 500 m水深的鉆井船開(kāi)展錨泊定位分析，分別計(jì)算了一年一遇的季風(fēng)和一年一遇的臺(tái)風(fēng)情況下，完整錨泊和單根錨索破斷時(shí)的鉆井船船體運(yùn)動(dòng)偏移、導(dǎo)纜孔處錨索張力和錨點(diǎn)處的錨索張力。通過(guò)對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，研究得出各自的特點(diǎn)：準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法同動(dòng)態(tài)耦合分析方法相比，具有一定的精度。在深水鉆井船錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段可采用其對(duì)各種工況開(kāi)展錨泊定位分析，而后再對(duì)惡劣海況采用動(dòng)態(tài)耦合分析方法計(jì)算，從而高效準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出合理的系泊系統(tǒng)。

［1］ API. Recommended Practice 2SK for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures［S］.2005.

［2］ 何進(jìn)輝，張海彬.深水鉆井船動(dòng)力定位能力分析方法研究［J］.海洋工程.2014（1）： 25-31.

［3］ 麻翠榮.深水鉆井船船型開(kāi)發(fā)及總體性能分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［4］ 曲媛.深海鉆井船的總體方案分析研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［5］ BV. Ariane 7 Theoretical Manual ［S］. 2007.

［6］ 黃祥鹿，陸鑫森. 海洋工程流體力學(xué)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

［7］ Norwegin Marine Technology Research Institule. Marintek Report：SIMO-Theory Manual Version 3.4［R］. 2004.

［8］ BV. Classification of Mooring Systems for Performanent Offshore Units［S］. 2012.

On mooring position analysis method for deep-water drilling ship

WEI Yue-feng PAN Fang-hao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The quasi-dynamic method and the dynamic coupled method are adopted to perform mooring position analysis of a deep-water drilling ship, which operates in the water depth of 1 500 m. The characteristics of the two methods are studied by comparison between the two methods. It shows that the efficiency and the precision of the mooring system design can be improved by the application of the different mooring position methods in the relevant design stage.

deep-water drilling ship; mooring position; quasi-dynamic; dynamic coupled

U653.2

A

1001-9855（2016）04-0001-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.001

2016-03-16；

2016-04-29

魏躍峰（1981-），男，博士，工程師，研究方向：船舶及海洋工程水動(dòng)力性能及系泊定位。

潘方豪（1978-），男，研究員，研究方向：船舶及海洋工程舾裝研究設(shè)計(jì)。