基于AQWA的新型半潜式海洋钻井平台水动力特性研究

李秀娟， 高　泽， 张可可， 唐文献

(江苏科技大学， 江苏 镇江 212003)



基于AQWA的新型半潜式海洋钻井平台水动力特性研究

李秀娟， 高泽， 张可可， 唐文献

(江苏科技大学， 江苏 镇江 212003)

摘要：首先，该文针对现役深水半潜式平台在风浪流中产生的升沉误差进行最优补偿，并依据规范设计了一种新型半潜式平台基本结构，建立三维水动力模型；其次，利用AQWA软件对目标平台进行频域下的水动力分析，得到平台的运动响应数据；最后，根据规范设计了一种新型半潜式平台的锚泊系统，对平台与锚泊系统进行时域耦合分析，为目标平台的控制提供精确预报，保证实时稳定性，调高作业人员舒适度。

关键词：新型半潜式平台；AQWA；水动力分析；时域分析

0引言

“海洋石油981”在南海的成功应用标志着我国海洋石油工业的深水战略迈出了实质性的一步。基于对原油的需求以及国家的战略规划，未来几年，我国将大力发展海洋工程装备，特别是深海石油勘探、钻采装备。然而，与欧美国家相比，我国仍处于海洋工程装备制造的第三阵营，核心设备依赖进口，配套率低于30%，这也促使我国更加努力地发展海洋工程装备。半潜式海洋平台是一种海上钻井平台，抗风能力强，作业水深广，广泛应用于世界各地深海油气的勘探与开采。现役半潜式平台的控制方法主要是利用平台的锚泊系统达到平台的稳定，尤其是平台绞车对系泊缆绳进行收放。但是，现役平台稳定性的控制方法耗时长，成本高，不能达到平台的实时稳定性，在深海等复杂条件下，现役平台受升沉运动影响较大，故设计一种能够重点补偿由于风浪流产生的升沉误差的新型半潜式平台尤为重要。

目前，很多学者已经对海洋结构物的稳定性进行了研究。何堃等以某自升式钻井平台为例，采用三维势流理论和Morison公式，运用SESAM软件建立精细模型，在频域内计算了结构的波浪载荷，得到运动响应的传递函数，并对平台运动响应进行了短期统计预报，确定了平台可能发生触底的桩腿下放高度及海洋环境参数[1]。Soy lemez和Atlar通过数值模拟与试验结果的对比分析，发现在主要频率范围内二者符合良好[2]。Clauss等考虑非线性波浪情况，证明时域计算结果与试验结果有更好的吻合特性[3]。

AQWA是计算三维流体动力学的重要工具，广泛应用于船舶海洋结构的流体动力学性能评估及分析[4]。吴澜等针对深水半潜式平台，建立了三维水动力模型，使用AQWA软件进行数值模拟，研究了水动力系数变化特征并进行了运动响应预报[5]。许津豪等以某自升式钻井平台的系泊定位系统为例，应用ANSYS软件中的水动力模块，进行了数值模拟和分析，研究了在给定的风、浪、流联合载荷的极端工况作用下，平台和系泊缆绳耦合状态下的时域运动响应分析，得到了系泊缆绳的系泊力以及平台位移的时历曲线[6]。

该文以新型半潜式海洋钻井平台为对象，运用AQWA软件对目标平台进行频域下的水动力分析与锚泊系统的时域耦合分析，利用分析结果，实现平台的实时稳定性。

1新型半潜式平台三维模型设计

图1　新型半潜式平台三维模型

半潜式平台在深海钻井作业过程中，平台的钻头设备必须始终接触井底，否则会造成油气泄漏等海洋安全事故，所以必须对风浪流作用产生的升沉落差进行补偿，目前主要采用天车补偿、游车补偿以及绞车补偿等方法。这些方法的本质是通过气动弹簧的充放气来补偿，属于随动补偿或半主动补偿。它们有如下缺点：(1) 补偿精度低，滞后较大，补偿性能不稳定；(2) 只解决了钻头的补偿问题，而没有解决上平台的稳定问题。在现有半潜式平台的基础上，将平台的刚性立柱断开，采用液压缸连接，提高整个系统的柔性。新型半潜式平台主要由上平台、液压缸及下船体构成，上平台通过销轴与液压缸连接，下船体通过刚性立柱与液压缸采用球铰连接，将传统的四立柱改为六立柱结构，建立三维模型，如图1所示。

2新型半潜式平台的数值模型

新型半潜式平台作业水深为3 500 m,由双浮体、六立柱、箱型封闭式上平台构成。三维模型完成后，导入ANSYS/Workbench的衍射分析模块构建目标平台的数值模型，如图2所示，目标平台几何参数见表1。

图2　目标平台数值模型

部位参数/m部位参数/m总长114立柱高11总宽80立柱截面16×16总高112可调立柱直径5浮体长度114立柱纵、横向间距36×14浮体宽度20甲板长80浮体高度8.5甲板宽68两浮体间距40甲板高8.5

3新型半潜式平台的水动力响应分析

通过ANSYS/Workbench的衍射分析得到目标平台的运动响应(RAO)，如图3所示。在波浪方向为X轴正向、频率0.264 Hz、波浪幅值2 m时，目标平台的最大位移为6.794 2 m，出现于平台迎浪方向的波峰处，平台整体的位移略小，平台背向波浪方向的波浪比较平静。

图3　目标平台运动响应

图4所示为目标平台的波浪应力云图，可知平台受到的最大波浪应力为6.794 2 N/m2，作用在平台与海平面相交处。该应力云图可为平台结构设计与强度校核提供数据支持，由此分析结果可知平台的强度满足设计要求。

图4　目标平台波浪应力云图

通常海洋平台要进行气隙设计，气隙值取决于平台垂向运动特性与最大设计波高的叠加，目标平台的气隙云图如图5所示，平台最大高度位于海平面以上51.566 m，最低点位于海平面以下9.486 m。

图5　目标平台气隙云图

4锚泊系统设计

该文采用张紧式定位系统，研究系统在风、浪、流综合作用下的水动力响应。将系泊缆自身的惯性特性以及系泊缆所受到的各项流体力(流体法向、切向阻力、流体附加质量力等)计入模型的影响因素，根据海洋平台相关规范，对新型半潜式海洋钻井平台施加风、浪、流等环境载荷谱，并充分考虑系泊缆之间的相互耦合作用，建立深水锚泊系统的动力学模型。

4.1系泊缆的布置

以工作水深3 500 m的新型半潜式海洋钻井平台为基础，设计锚泊系统并建立目标平台的水动力模型,如图6所示。该文根据API-RP-2SK“浮式结构定位系统的设计与分析规范”、DNV-OS-E301“系泊定位规范等设计锚泊系统”，采用4缆系泊，系泊缆的布置信息见表2，图7为4根系泊缆的布置示意图，其中两两系泊缆间的夹角为90°。

表2　系泊缆的布置信息

图6　水动力模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7　系泊缆布置示意图

4.2系泊缆材料属性

该文选用的系泊缆采用组合锚索，分为上下两段，全长3 600 m，材料为钢丝缆绳，表3为系泊缆各段材料属性，取附加质量系数和横向拖拽力系数为1。

表3　系泊缆配置及材料属性

5海洋环境载荷

新型半潜式平台所受的载荷以及载荷的产生因素见表4。

表4　载荷的组成

目标平台所受的环境条件及作业参数见表5。

表5　环境条件及参数

6新型半潜式平台重心垂荡方向运动分析

充分考虑风、浪、流等环境载荷的综合作用和波谱的影响[9]，对平台进行了耦合时域分析(含系泊缆)，模拟时间为1 000 s，步长为0.01 s，通过运算求出了平台在垂荡方向各项水动力参数，其中包括重心位置随时间的变化规律，重心加速度随时间的变化规律，重心随速度随时间的变化规律。

6.1平台垂荡方向重心位置分析

由于现役半潜式海洋平台在风、浪、流载荷的作用下其它方向的位移变化较小，所以应重点研究垂荡方向的位移变化，其中以平台在静水中的重心位置为基准。图8为船体在垂荡方向重心的时间历程位移曲线，根据计算结果可知，重心的最高垂荡方向位移高于重心基准8.711 m，最低垂荡方向位移低于重心基准-16.51 m。

6.2平台垂荡方向重心速度分析

新型半潜式平台垂荡方向的速度和加速度是影响平台的稳定性和工作人员舒适性的决定因素，所以研究目标平台垂荡方向的重心速度与加速度，以及垂荡方向基于目标平台运动响应的速度与加速度尤为重要。图9为船体垂荡方向上重心时间历程速度曲线，计算结果显示，平台在垂荡方向的速度最大值约为7.375 m/s。

图8　平台重心的时间历程位移曲线(垂荡方向)

图9　船体重心时间历程速度曲线(垂荡方向)

6.3平台垂荡方向重心加速度分析

加速度也是影响半潜式平台稳定性的一个重要因素，图10为船体重心时间历程加速度曲线。根据计算结果可知，平台垂荡方向加速度的最大值约为5.441 m/s2。

图10　船体重心时间历程加速度曲线(垂荡方向)

7结论

(1) 依据现役半潜式平台，并参照规范，设计了一种可调立柱半潜式平台，该平台系统具有良好的柔性，实现了平台的主动补偿，减小了因风浪而产生的垂荡影响，保障深海钻井作业过程中钻头与井底的恒定接触。

(2) 建立目标平台数值模型，根据三维势流理论，运用频域和与定位系统时域耦合的分析方法，得到目标平台重心在垂荡方向的位移、速度、加速度的最值，利用计算结果，对可调式立柱(液压系统)进行控制，补偿升沉误差，减少上平台的动态效应，提高平台的生产作业能力和作业人员舒适度。

参考文献

[1]何堃. 自升式钻井平台就位过程桩腿触底分析[J]. 中国海洋平台，2012，27(2):41-42.

[2]Soyl M A .Comparative Study of Two Practical Methods for Estimating the Hydrodynamic Loads and Motions of a Semi-Submersible[J].Journal of Offshore Mechanics and ArcticEnginecring,2000,122(5):57-65.

[3]Clauss G F,Schmittner C E,Stutz K.Freak Wave impact on Semisubmersibles Time-domainAnalysis of Motions and Forces[C].Proceedings of the Thirteenth International Offshore and Polar Engineering Conference,2003.

[4]胡毅，胡紫剑，刘元丹,等.基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析[J].舰船科学与技术，2012，34(2):70-73.

[5]吴澜. 基于AQWA的半潜式平台水动力特性研究[J].中国海洋平台，2014，29(5)：29-30.

[6]许津豪. 自升式平台系泊状态下动力响应研究[J].广东造船，2013，9(10)：30-31.

[7]中国船级社. 海上移动平台入级与建造规范[S]. 2012.

[8]美国石油学会. 浮式结构定位系统的设计与分析规范[S]. 1996.

[9]陈矗立.深海浮式结构物及其锚泊系统的动力特性研究[D].上海：上海交通大学,2007.

A Study on the Hydrodynamic Characteristics of a New

Semi-submersible Based on AQWA

LI Xiu-juan, GAO Ze, ZHANG Ke-ke, TANG Wen-xian

(Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

Abstract：Firstly, in order to make the compensation for the active deepwater semi-submersible platform, which produce heave error in the deep flow and storms. A new type of semi-submersible platform is designed and the three-dimensional hydrodynamic model is made; Secondly, the water dynamic analysis of the target platform is carried out in the frequency domain depending on the AQWA, and the motion response of the platform is obtained; Finally, according to the code for design of a new type of semi submersible platform mooring system, on the platform and mooring system are time domain coupled analysis, providing a precise prediction for the control of the target platform to ensure real-time stability, and to improve operators’ comfort.

Keywords：new semi-submersible platform; AQWA; hydrodynamic analysis; time- domain analysis

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0091-08

作者简介：李秀娟(1994-)，女，助理工程师。

收稿日期：2015-07-21