第六代半潜式钻井平台定位能力分析研究

彭作如，王跃曾 （中海石油 （中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳518067）

杨秀夫 （中海石油有限公司工程技术部，北京10010）

韦红术，刘正礼，张新平

张俊斌，肖谭 （中海石油 （中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳518067）

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 Consultants 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85m。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IC （intact case）、单链失效方式 OLF （one mooring line failure）、推进器失效方式TF（thruster failure）。作业状态：1年一遇季风；生存状态：5年一遇台风，10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116．60m，总宽96．70m，作业吃水23．00m，生存吃水19．00m，沉箱间距78．08m，沉箱长108．80m，沉箱高10．24m，沉箱梁桥16．00m，桩腿16．80m×14．40m。

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 （RAO）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JONSWAP波谱和NPD风谱。JONSWAP波谱公式如下：

式中：α为无量纲常量，1；fw为波浪频率，Hz；fp为谱峰频率，Hz；γ为谱峰提升因子，1；σ为峰形参数，当f≤fp时σ＝0．07，当f＞fp时σ＝0．09；g为重力加速度，取9．81cm／s2；e为自然常数。

假定短峰波以COS4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

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IC、单链失效OLF、推进器失效TF下的最小安全系数分别为1．67、1．25、1．25。

系泊链的安全系数计算公式：系泊链安全系数＝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＝锚的破断载荷÷锚的最大张力。

表2 平均海平面以下的海流流速剖面

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MIMOSA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。MIMOSA包含指定的JONSWAP海浪谱和NPD风谱，计算了3h持续风暴作用下的最大张力。MIMOSA程序需要输入的数据：①一阶运动的传递函数 （WADAM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（WADAM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PPMIMOSA程序为MIMOSA创建宏命令，处理MIMOSA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Csurge和海流作用系数Csway；然后漂移力系数在浪涌方向上按照1＋Csurge×Usurge，在摆动方向按照1＋Csway×Usway的比例放大。其中，Usurge和Usway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0．2～0．3m／s之间。根据以往的项目经验，该分析选择0．25m／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Xcomb，有如下关系式：

式中：fw，sign为最大运动波浪频率，Hz；fw，max为3h的最大运动波浪频率，Hz；fL，sign为最大运动海流低频，Hz；fL，max为3h的最大运动海流低频，Hz。

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。MIMOSA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 R4型，其性能参数见表3。

表3 NV R4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Stevpris MK5 18mt的锚，在非常软的地层中最大的锚抓力为5100kN。

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33．2°（根据平台系泊系统规划草图测量出来的），通过计算在10年一遇强台风情况下系泊线的最小垂直角是45．4°，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3．5MW推进器，推进器倾斜5°，在满负荷下每个推进器的推力为638kN。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90%～93%和80%～83%。

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235t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API RP2SK要求进行对比，在WADAM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0～360°步长按22．5°的分析中找出最大值。

4.1 作业状态

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1011kN，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。

图1 系泊系统配置

4．1．1 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90°方向最大偏移量是水深的3．08%，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7．77%。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73%来进行线性调整。当浪高3．82m和风速11．4m／s的环境下，完整锚链对应的最大偏移量是水深的1．99%，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10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）；②一个系泊锚链失效 （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10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API RP2SK所有生存模式的要求。在10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2575kN （锚链张力的安全值5100kN），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15．70%，10年台风对应最大偏移量是水深的17．28%，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10年一遇强台风为基准进行校核。在10年强台风情况下的最小系泊锚链垂直角度是45．4°，大于所要求的33．2°。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10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3．08%，不能满足业主要求的最大漂移量为水深的2%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3．82m和11．40m／s。推进器辅助模式的锚泊系统能够满足API RP2SK的生存条件要求，在此情况下，推进器的利用率接近100% （5年一遇台风为88%，10年一遇强台风为97%）。