深水钻井船运动性能分析

刘学勤 张海彬

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

深水钻井船运动性能分析

刘学勤 张海彬

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

采用数值计算与模型试验相结合的方式研究深水钻井船的运动性能。对某钻井船的垂荡、横摇和纵摇运动进行短期预报，并衡量钻井船在特定海况下的钻井作业能力；同时，针对钻井船具有较大月池开口这一特点，分析研究了月池开口对钻井船运动性能的影响。

钻井船；运动性能；月池开口；横摇；模型试验

0 研究背景及意义

从工业革命至今，油气资源一直是人类赖以生存与发展的重要能源。但就世界范围而言，由于陆地和浅水区域油气的勘探程度很高，油气产量已接近饱和。世界新增油气储量已经由陆地、浅海转向更为广阔的深海区域。近年来，全球获得的重大油气勘探发现，有近50%是来自深海。巴西海域、美国墨西哥湾、安哥拉和尼日利亚近海是倍受关注的世界四大深水油气区，几乎集中了世界全部的深水探井和新发现油气储量；而被称为“第二个波斯湾”的我国南海也是极有希望的深水油气区。

根据DouglasWood公司和世界油田系统工业数据资料统计，当水深在500～1 500 m时，世界深水油气田的平均储量随水深大幅增加，深水油气田产量明显高于浅水油气田，这虽然不能从石油地质理论上得到解释，但它是不容忽视的事实。海洋油气开发走向深海已是必然的趋势［1］。

深海自然条件恶劣，油气开发难度大、风险高，必须有先进的油气勘探开发设备才可行。目前能够完成超深水钻井作业（水深＞1 500m）的海洋钻井装备只有两种：深水半潜式钻井平台和钻井船。

相比于半潜式钻井平台，钻井船具有以下主要优点：具有自航能力，航速一般在10 kn以上；机动性强、水线面积大、可变载荷大，更适合于超深水作业，且大部分自航船具备储油、试油功能。但是，钻井船也存在以下缺点：波浪载荷大、运动性能差、定位能力差以及对环境载荷敏感。

海上钻井作业对钻井船的运动性能的要求非常苛刻，一般要求钻井作业垂荡运动有义值在1m以内，横摇和纵摇运动有义值在2°以内。因此，钻井船的运动性能在设计中需要特别考虑。

本文基于海洋工程水动力学理论及应用分析软件SESAM，研究分析深水钻井船的运动性能，分析深水钻井船运动性能的特点以及月池开口对其运动性能的影响，并与水池模型试验结果进行对比，验证数值计算结果的准确性，探讨将数值计算的结果应用于工程实际的方法。

1 计算理论

按照Denis和Pierson在文献中的相关理论［2］，浮体在不规则海浪中运动的响应可由单位波幅波中的响应（传递函数）和海浪谱来确定。传递函数可利用三维线性势流理论进行计算，再利用谱分析的方法，结合海况条件对短期海况下的运动性能进行预报。

1.1 传递函数

根据势流理论考虑船舶在微幅波作用下的摇荡运动，船舶运动和波幅是同阶小量，那么运动响应的传递函数（即单位波幅规则波下的响应），可认为是简谐变化：

式中：ηj（j=1，2，…，6）分别表示浮体纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇6个自由度运动的复数振幅。

规则波中的浮体运动微分方程可整理成为

式中：［M］为浮体的广义质量矩阵；

［A］为附加质量系数矩阵；

［B］为阻尼系数矩阵；

［C］为流体静载荷系数矩阵；

｛f（t）｝为波浪干扰力。

将式（1）代入式（2），浮体运动微分方程即可转化为线性代数方程组，采用高斯消元法或迭代方法即可进行求解，获得运动响应的传递函数。三维水动力系数矩阵［A］、［B］、｛f（t）｝一般采用势流理论求解［3］。

1.2 短期预报

在获得浮体运动响应传递函数Hη（ω）后，结合短期预报的海浪谱S（ω），可得到运动响应谱Sη（ω）：

短期预报一般是指统计时间在半小时到数小时。在此期间，假定浮体的装载、航速、浪向及海况条件基本不变。根据数理统计的结论，短期预报的幅值服从Rayleigh分布：

参数σ2可由响应谱Sη（ω）得到：

根据Rayleigh分布，可得到浮体运动短期预报的统计值。如单幅有义值

假设变量η的短期循环次数为n，短期响应最大值定义为超过该值的概率小于的变量值。而最大值同有义值具有如下关系：

式中：若海况统计时间为3 h，则：

式中：m0和m2分别是响应谱的零阶矩和二阶矩。

2 实例计算

本文对一艘作业水深1 500m的钻井船进行了运动性能分析。利用DNV船级社的Sesam软件包中的Patran-Pre前处理软件建立了水动力模型，在HydroD模块中进行水动力计算，最后利用Postresp模块进行短期响应预报。

2.1 计算模型

采用Patran-Pre建立钻井船湿表面模型（见图1），模型长约3 m。

图1 钻井船水动力模型

由于势流理论中并没有考虑到粘性，而在横摇分析中，粘性阻尼的影响不可忽视，因此根据经验添加了横摇临界阻尼系数，并在计算中考虑了钻井船液舱自由液面对GM值的修正。

2.2 环境条件

根据技术规格书的要求，作业地区海况条件如表1所示，采用JONSWAP海浪谱，浪向取0°~180°，间隔为15°，其中0°为随浪，180°为迎浪。

表1 环境条件

3 结果与分析

3.1 钻井船运动性能分析

通过计算得到钻井船运动性能的主要信息包括固有周期、传递函数和短期预报值。

作业工况和生存工况下钻井船固有周期如表2。

表2 钻井船固有周期单位：s

由于钻井作业的需要，垂荡运动最大值要求小于1.86m，横摇和纵摇要求小于3.72°。图2给出了垂荡、横摇和纵摇0°～360°范围运动幅值最大值及作业要求的玫瑰图。从图中可以很明显看出满足作业要求的限制条件。

图2 垂荡、横摇和纵摇运动玫瑰图

从中我们还可以看出，作业及生存工况下横摇固有周期都较大，能很好避开波浪周期，横摇运动性能好；生存工况对稳性要求更高，GM值比作业工况大，因此横摇固有周期小于作业工况；垂荡及纵摇运动固有周期比较接近，也接近一年一遇海况波浪谱峰周期，作业工况下垂荡及纵摇运动稍差。由此可以得出，能满足作业要求的环境条件只有一年一遇海况下的0°～45°和135°～180°浪向，而决定作业限制浪向的最关键因素是垂荡运动，一年一遇海况下横摇和纵摇运动幅值都满足作业要求。

3.2 月池开口影响分析

为了考察月池开口对钻井船运动性能的影响，本文对有月池和无月池两种情况分别作了计算，分别从固有周期、传递函数和短期预报值三个方面作比较，结果如下：

（1）在固有周期上，有无月池对垂荡和横摇固有周期影响很小，但对横摇有明显的影响。有月池情况下的横摇周期为16.43 s，而无月池情况下的横摇周期为18.00 s，这也能从传递函数上看出（见图3）。

图3 有月池和无月池横摇传递函数

（2）在传递函数上，由于固有周期的差别，传递函数在固有周期附近差别较大，而远离固有周期的范围上基本相同。

（3）在短期预报上，仅比较十年一遇海况下的运动预报值，有月池情况下横摇幅值比无月池情况横摇幅值大，横浪情况下差距最明显（见图4），垂荡和纵摇运动预报值差别很小。

图4 有月池和无月池横摇运动玫瑰图

由于本船横摇固有周期大、横摇性能好，月池开口并没有成为设计的关键因素。

3.3 计算值与实验值的对比

为了验证数值计算结果的准确程度，本文将模型试验的结果与计算结果进行了对比。

表3给出了模型试验测得的横摇和纵摇固有周期及计算得到的固有周期，可见模型试验值与计算值非常接近，误差在3%以内；纵摇固有周期的误差在10%以内。由于模型试验中准确测量纵摇固有周期比较困难，因此10%的误差是可以接受的。

表3 模型试验与计算所得固有周期对比单位：s

图5 作业工况下模型试验与计算的传递函数对比

图5给出作业工况下计算的传递函数与模型试验测得结果的对比，除横摇运动固有周期附近外，其余部分符合良好。横摇固有周期附近的运动数值受横摇粘性阻尼影响较大，后期需要对数值计算结果进一步修正。

4 结论

通过以上的计算和分析，得到以下结论：

（1）该钻井船横摇周期在20 s以上，可以避开波浪周期，横摇运动优良；垂荡和纵摇周期在7.5 s左右，接近一年一遇波浪谱峰周期，垂荡和纵摇运动比较大。该钻井船可以在一年一遇的海况下作业，但是作业必须限制浪向（垂荡运动是限制钻井船作业的关键因素），满足钻井作业要求的浪向为0°～45°及135°～180°。

（2）月池开口的存在会影响钻井船的排水量及水线面面积，从而影响钻井船的运动。月池开口对横摇运动影响最大，可能会降低横摇固有周期，增大横摇运动幅值，但对纵摇和垂荡运动的影响非常小。

（3）通过模型试验结果的验证，数值计算对钻井船运动的预报比较准确。但对于横摇运动，由于粘性阻尼对横摇运动的影响不能忽视，而势流理论无法考虑其贡献，因此在后期的数值计算中需要对结果进行修正。

［1］郭永峰，周晓惠，白云程.世界深海油田的开发与展望［J］.国外油田工程，2008，24（12）：30-31.

［2］St.Denis，M.，Pierson，W.J.On the motions of ships in confused seas［J］.Trans.SNAME，1953，61：280-358.

［3］戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷［M］．北京：国防工业出版社，2007：23-27.

［4］DNV.Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory（WADAM）［S］.2004.

［5］DNV.Post processor for General Response Statistics（POSTRESP），SESAM USER’SMANUAL［S］.2004.

Analysis of motion performance for a deep water drilling ship

LIU Xue-qin ZHANG Hai-bin
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

This paper studies motion performance of a deep water drilling ship by numerical calculation andmodel test.Itpredicts short-term responses of heave，roll，and pitch for the drilling ship，and evaluates its capability of the drillingoperation under the given sea conditions.Moreover，italsoanalyzesand studies the influence of the moonpool on the motion performance of a drilling ship due to the characteristics that a drilling ship has a larger moonpool.

drilling ship；motion performance；moonpool；roll；model test

U661.3

A

1001-9855（2013）03-0012-05

2012-10-28；

2012-11-18

刘学勤（1985-），男，硕士研究生，主要从事总体设计工作。

张海彬（1976-），男，博士，高级工程师，主要从事船舶与海洋工程设计。