第六代半潜式钻井平台定位能力分析研究.pdf

石 油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 9 月 第 3 6 卷 第 9 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I S e p ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 3 6 No ． 9 第六代半潜式钻 井平台定位能力分析研究 彭作如 杨秀夫 韦红术 张俊斌 王跃 曾 中海 石油 中国有限公司深圳 1分公司， 广东深f 』ll 5 1 8 0 6 7 中海石 油有 限公 司工程技术部 ，北京 1 0 0 1 0 刘 正礼 ，张新平 肖谭 中海石油 中国 有限公司深圳分公司， 广东深圳 ’ 。 。 。 [ 摘要]在钻前风险识别 阶段 ，根据南 中国海 天气海况条件，分析 了第六代半潜 式钻井平 台定位 能力。分 别针对 1年一遇季风、5 年 一遇 台风 和 1 O年 一遇 强台风 的情况进行 了分析 计算 。结果 表 明，推 进器 辅助 模 式的锚 泊系统能够满足作业条件下的结构 强度要求 ，若要满足最大 漂移量 为水 深的 2 要求，则最 大允 许波高、波速分别为 3 ． 8 2 m和 1 1 ． 4 0 m／ s 。确定 第六代 半潜 式钻 井平 台适应 南 中国海天 气海况 的定 位 能 力，为制定钻 井作 业的应急反应策略和应对措施提供决策依据 。 [ 关键词]深水钻井平 台；半潜 式；动力分析 ；定位 能力分析 [ 中图分类号]T E 9 5 1 [ 文献标 志码]A [ 文章编 号] 1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 9 0 1 8 9 0 4 西方大力神平 台计划在南中国海某合作区块进行抛锚钻探作业。在钻前风险识别阶段 ，中海石油深 圳 分公 司 、哈斯 基石 油 中 国有 限公 司与瑞 典 GVA C o n s u l t a n t s AB三家公 司合 作 ，展开 了第六 代 半 潜式 钻井 平 台对 于南 中 国海 天气 海况 条件 的平 台定 位 能力分 析 ，预计 作业 海域 水深 8 5 m。主要针 对两 种 状态 作业状态和生存状态分析了半潜式钻井平台在完整方式 包括 8点系泊和 8个推进器 、单链 失 效方 式 7点 系泊和 8个 推进 器 和推进 器 失效方 式 8点 系泊 和 6 个 推进 器 中的定位 能力 。 1 设 计标准 1 ． 1一般 标准 钻井平 台定位能力方式有完整方式 I C i n t a c t c a s e 、单链失效方式 O L F o n e mo o r i n g l i n e f a i l u r e 、推进器失效方式 T F t h r u s t e r f a i l u r e 。作业状态 1年一遇季风 ；生存状态 5年一遇 台风，1 0 年 一遇 强 台风 。 1 ． 2 西方 大 力神平 台 的主要 参数 西方大力神平 台总长 1 1 6 ． 6 0 m，总宽 9 6 ． 7 0 m，作业 吃水 2 3 ． 0 0 m，生存吃水 1 9 ． 0 0 m，沉 箱间距 7 8 ． 0 8 m，沉箱 长 1 0 8 ． 8 0 m，沉箱 高 1 0 ． 2 4 m，沉 箱梁 桥 1 6 ． 0 0 m，桩腿 1 6 ． 8 0 m1 4 ． 4 0 m。 1 ． 3 基本 的 流体 动力 特性 基本的流体力学性能 如响应幅值算子 RA0等是应用 WADAM 软件而得到的。模型中不考 虑挡泥板的影响，流力系数根据投影面积的变化按 比例放大。设定缩放因子在涌浪时为 4 ． 8 ，在摇摆 时 为 2 ． 6 。 1 ． 4环境 条 件 假定为波浪、风和海流共 同作用的全方位环境 条件 。分析 中使用了 J ONS WAP波谱和 NP D风谱 。 J ONS WAP波 谱公 式如 下 ， 一 r 2 S f ， f p ， y ， 一 a g 。 f ；w e 7 e 式中 a为无量纲常量 ，1 ；， 为波浪频率 ，Hz ；f 为谱峰频率，Hz ； 7为谱峰提升因子 ，1 ； a为峰形 [ 收稿日期]2 0 1 4 一O 72 0 [ 基金项目]国家科技重大专项 2 O l 1 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 0 3 。 [ 作者简介]彭作如 1 9 6 8 一 ，男 ，1 9 9 1年中国石油大学 华东毕业 ，工程 师 ，现主要从事海洋钻完井技术工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油机 械 工程 2 O 1 4年 9月 参 数 ，当 厂 ≤ - 厂 时 一0 ． 0 7 ，当 -厂 _厂 时 一O ． 0 9 ； g为重 力加 速度 ，取 9 ． 8 1 c m／ s 。 ；e为 自然常数 。 假定 短 峰波 以 C O S 4分 布 ，从 海 平面到 海 床 的波 速 为定值 。海 洋 环境 剖 面见 表 1 ，平 均 海平 面 以下 的海 流 流速 剖面见 表 2 。 表 1海 洋 环 境 剖 面 1 ． 5 海底 土壤 条件 假 定 是在海 底 土壤 为非 常软 的黏 土条 件下 计 算锚 抓力 。该 锚抓 力要 小 于沙土 或硬 质黏 土海 底 土质 条件 下 的锚抓 力 。 1 ． 6 系泊链 和锚 的安 全 系数 表 2平均海平面 以下 的海流流速剖面 平均海平面 海流流速／ m s 以下海拔／ m 作业状态 生存 状态 定位 系统 最小 安全 系数 分析 方法 采用 动态 分 ’ 析 法 ，完 整 状态 I C、单 链失 效 OL F、推进 器失效 T F下的最 小安 全系数 分别 为 1 ． 6 7 、1 ． 2 5 、1 ． 2 5 。 系泊链 的安 全系 数计算 公 式 系泊链 安全 系 数 一最 小 破断 载荷 链 的最 大张力 。 锚的安全系数计算公式 锚安全系数一锚 的破断载荷锚的最大张力 。 2 分析方法 2 ． 1分析 程序 2 ． 1 ． 1 频 域分 析 在频域 中动态的定位能力分析是通过系泊计算程序 MI MOS A来完成 的。该软件可以计算作用在浮 式装置上静态和动态 的环境载荷 ，还可 以计算浮式装置在波浪频率和海流低频作用下的运动 。系泊链在 频域内动态张力 的计算采用了传递函数。MI MO S A包含指定的 J ONS WAP海浪谱和 NP D风谱 ，计算 了 3 h持续风暴作用下 的最大张力。MI MOS A程序需要输人 的数据 ①一 阶运动 的传递 函数 WAD AM 程序 ；②风 力 系 数 风 洞试 验 或计 算 ；③ 水 流 力 系数 风 洞试 验 或计 算 ；④ 波 浪 漂 移 力 系 数 wAD AM 程序 ；⑤容器 的质 量 和附加 质量 wADAM 程序 ；⑥系 泊系统 数据 。 2 ． 1 ． 2预处 理和 后处 理 采用 P P MI MOS A程序为 MI M S A创建宏命令，处理 MI MOS A的运算结果 。 2 ． 2环境 力 对于每个环境条件 ，计算 了包括风、波、流和每一个方向上的外作用力 。在波浪条件下计算波浪漂 移力 系数 ，随着流 速 的改变 ，波 浪漂移 力 系数会 发 生变 化 。首 先定 义 波 浪漂 移 系 数 C ⋯ 和 海 流作 用 系 数 C ⋯ ； 然 后 漂移力 系数 在浪 涌方 向上 按照 1 C 一 U ～ ， 在摆 动方 向按 照 1 C x L ， ⋯ 的 比例放 大 。 其中， u 和 u⋯ 分别为海流在浪涌和摇摆上对应的速度 ，m／ s 。对于半潜式钻井平 台的典型值是在 0 ． 2 ～0 ． 3 m／ s 之 间 。根 据 以往 的项 目经验 ，该 分析选 择 0 ． 2 5 m／ s 。 2 ． 3 动 力响 应 锚泊分析中计算了波浪频率和海流低频下的动力响应 。波浪频率响应的最大幅值按瑞利分布 ，海流 低频 响应 的 最大 幅值 是基 于斯坦 伯格 的方 法计算 ，考虑 到非 高斯特 性 ，组合 波浪 频率 和海 流低 频水 平运 动 而得 到最 大偏值 X⋯ ， 有 如下关 系式 i f 厂 ⋯ 厂 ， X 。 b f ， f O r f I 一 f ， X⋯b f L ， 卜f 式中 _ 厂 ⋯ 为最大运动波浪频率 ， Hz ； f w ⋯ 为 3 h的最大运动波浪频率， Hz ； f 。 为最大运动海流低频 ， Hz ； f 为 3 h的最大 运动 海流低 频 ， Hz 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 9 期 彭作如 等 第六代 半潜式钻 井平台定位能力分析研究 2 ． 4 计 算方 法 在频域中的系泊链张力 、锚拉力和最大系泊链张力应用 了一种 近似算法。MI MOS A在计算波浪频 率的动态张力时使用了传递函数模型 。该模型将准静态形状作为真正的形状 ，沿链上的任何点 的速度和 加速 度均 可 以通过 顶端 运动来 确定 。因此 它可 以用来 计算 惯性 力 引起 的附加 张力 。总张力 是通 过海 流低 频静态张力和波浪频率动态张力的线性求和而得到的。 3 平台位置控制系统 3 ． 1 平 台位 置控 制 系统 的 组成 由锚泊定位系统 8点系泊 的锚链系统和动力定位系统 不同方位的 8个推进器组成。 3 ． 2系泊 系统 系泊锚链的型号为 NV R 4型 ，其性能参数见表 3 。 表 3 N V R 4锚链 带挡链环 系泊锚链性能参数 3 ． 3 锚 抓 力 西方 大力 神平 台配置 S t e v p r i s MK 5 1 8 mt 的锚 ，在非 常软 的地 层 中最 大的锚 抓力 为 5 1 0 0 k N。 3 ． 4导 链器 角度 限 制 满足系泊线不接触锚架要求 的最小垂直角度是 3 3 ． 2 。 根据平台系泊系统规划草图测量出来的 ， 通过计算在 1 o年一遇强台风情况下系泊线的最小垂直角是 4 5 ． 4 。 ，因此能够保证在极端生存条件下系泊 链 不会 接触 到锚架 。 3 ． 5动力 定位 推进 器 系统 西方大力神平 台在 8 个方位上共配备 了 8台 3 ． 5 MW 推进器 ，推进器倾斜 5 。 ，在满负荷下每个推进 器的推力为 6 3 8 k N。在完整方式和推进器失效方式 中，最大的推进器推力分别近似等于所安装推进器 推 力 的 9 O ～9 3 9 ／ 6 和 8 O 9 ／ 6 ～8 3 9 ／ 6 。 3 ． 6系泊 系统 配置 局部坐标系和系泊系统配置如图 1所示 ，由于系泊分析使用了 全方位 的环 境坐 标 ， 因此 局部 坐标 系 的选 择 和 平 台方 向均 不 影 响分 析结果。现场作业和生存模 式的要求都要低于 2 3 5 t 的绞车能力。 4 运算结果 将作业状态与生存状态下的系泊分析结果与 AP I RP 2 S K要求进 行对 比，在 WAD AM 水力分析中应用 了双对称平台，风力和流力系 数并不是轴对称的。分析主要从 0 3 6 0 。 步长按 2 2 ． 5 。 的分析中找 出 最 大值 。 4 ． 1 作 业状 态 注l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 分别代表 系泊锚链的8 个不同方 向。 图 1 系泊 系统配置 作业 中的全局运动和系泊分析结果主要包括环境负荷、最大系泊链张力、导链器最小垂直角度和最 大偏 移量 。在分析 中 ，推进 器 的力 主要用 于补 偿 由于保 持 稳定 状 态 所需 要 克 服 的平 均偏 移 量 所 需 的力 ， 在波峰处，因为克服环境达到稳定状态所需力的平均值低至 1 0 1 1 k N，远远低于推进器失效模式下的最 大作业能力 ，因此没有必要研究完整推进器和失效推进器下的系泊系统。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油机 械 工 程 2 0 1 4年 9月 4 ． I ． I推 进器 的应 用 计 算 了使用 8台和 6台推 进器 所对 应 的推进 器 能力 。推进 器 的最 大使用 率表 明 总 的推 进 器能 力减 去 推进器与推进器以及推进器与船体之间的相互作用力 。运算结果显示 使用 8台和 6台推进器的作业所 对 应 的推进 器能 力 ，足 以应对 1 年 一 遇季 风条件 下 的环境 载荷 。 4 ． 1 ． 2最 大偏 移量 在推进器提供补偿力的情况下，完整锚链在 9 0 。 方 向最大偏移量是水深的 3 ． 0 8 ，其超过 了水深 2 ． 0 的要求 ；一条锚链破断的情况下最大偏移量是水深的 7 ． 7 7 。最大偏移量之所 以没有达到要求是 由于 频繁 受到 波浪 运用 的影 响 ，而推 进器 系统 不能 削减 波浪 的运 动 。 4 ． 1 ． 3最大 有效 浪高 和风 速 分析主要用于校核满足水深 2 偏移量要求下的最大有效浪高和风速 ，其 中有效浪高和风速通过在 1 年季风条件下取值的 7 3 ％来进行线性调整 。当浪高 3 ． 8 2 m 和风速 l 1 ． 4 m／ s的环境下 ，完整锚链 对应 的最大偏 移 量是水 深 的 1 ． 9 9 ，满 足最大 偏移 量不 超过 水深 2 的要求 。 4 ． 2 生存 条件 生 存条 件下 的 系泊分 析结 果 主要 包 含环境 负 荷 、锚 链 张力 、在 导链 器 上的 系泊锚 链 的垂 直角 度和 最 大 偏移 量 。在平 均偏 移量 的分 析 中 ，应 用一个 修 正 的推进 器力 ，在 锚链 完 整正 常工作 的情 况 下 ，根据 每 一 种天气状态和近似 8个推进器全部用于补偿平均偏移量的情况下 ，对推进器的力进行调整。对于两种 生 存模 式 5年一 遇 台风和 1 O年 一遇 强 台风 的 取 值 进行 评 估 ，研 究 了 以下 3种 情 况 ① 完 整 的 系 泊 系统 8个系 泊锚链 和 8台推进 器 i②一 个 系泊 锚链 失 效 7个 系 泊锚 链 和 8台推 进 器 ；③ 推 进 器 失 效 8个 系泊 锚链 和 6台推 进器 。 4 ． 2 ． 1推 进器 的使 用 通 过 1 O年 台风 期 间对应 的 6 个 推 进 器 的使 用 率 与 5年 台 风 期 间 对应 的 8个 推 进 器 的 使 用 率得 出 ， 推进器系统在 8台机器都工作的情况下 ，同时平均环境力也很稳定的情况下 ，能够很好地保持平 台的稳 定 ；但 是 如果 有一 个推 进器 失效 ，系 泊 系统就 必须 承担 失效 推进 器所 对应 的那 部分 平均 环境 力 ，最大 的 推进器使用率说明了总的推进器在受到推进器与推进器之间、推进器与平台之间相互作用力影响削弱后 的能 力 。 4 ． 2 ． 2 系泊 能力 通过 对各 种生 存模 式 的计算 结果 得 出了总 体 系泊能 力 ，西方 大力 神平 台 的系泊 辅助 推进 器 系统 能够 满足 A P I R P 2 S K所有生存模式的要求。在 1 0年一遇强 台风情况下 ，使用推进器所对应 的锚链最大张 力是 2 5 7 5 k N 锚 链 张力 的安 全值 5 1 0 0 k N ，能够 满 足要求 。 4 ． 2 ． 3 最 大偏 移量 和 最小 系泊链 垂直 角 度 在单条锚链失效情况下 ，5年台风对应最大偏移量是水深的 1 5 ． 7 O ，1 O年台风对应最大偏移量是 水深 的 1 7 ． 2 8 ，在 生存 模式 下 ，对最 大偏 移量 没有 特别 的要 求 。在导 链 器上 的系泊 锚 链 最小 垂 直 角度 一 般 以 1 0年 一遇 强 台风 为基准 进行 校核 。在 1 0年强 台风情 况 下 的最 小 系泊 锚链 垂 直 角 度 是 4 5 ． 4 。 ，大 于所 要求 的 3 3 ． 2 。 。在 作业状 态 下 ，能确保 系泊 线 不会 接触 到锚架 。 5 结论 1 分别针对 1年一遇季风 、5年一遇台风和 1 0年一遇强台风的情况进行 了分析计算 。分析计算结 果表 明 ，推 进器辅 助模 式 的锚泊 系统 能够 满 足作业 条件 下 的结构 强 度要求 ；然 而推 进 器辅 助模 式 的锚泊 系统在作业条件下 1 年一遇季风的最大漂移量为水深的 3 ． 0 8 9 ／ 6 ，不能满足业主要求的最大漂移量为 水深 的 2 7 ／ 6 要求 ，即使通过运行推进器也不能降低波浪频率运动的影响。 2 通过全局运动分析表明，若要满足最大漂移量为水深的 2 要求 ，则最大允许波高 、波速分别 为 3 ． 8 2 m 和 1 1 ． 4 0 m／ s 。推进器辅助模式的锚泊系统能够满足 AP I R P 2 S K的生存条件要求 ，在此情况 下 ，推 进器 的利 用率 接近 1 0 0 5年 一遇 台风 为 8 8 ，1 O年 一遇 强 台风为 9 7 。 [ 编辑 ] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m