半潜式钻井平台锚泊系统作业条件实例分析

(中国石化集团国际石油勘探开发有限公司， 北京 100029)

0 引 言

海洋蕴藏着巨大的油气资源，面对陆地资源的日渐匮乏，海洋资源的开发和利用正在受到越来越多的关注[1]。随着海洋油气开发事业的进展，半潜式钻井平台已经成为海洋开发的主要工具，其作业范围也逐渐向深海域发展。为了保证半潜式平台等海上可移动钻井设备长期、稳定的运转，其锚泊系统的设计尤其重要[2]。本文研究的钻井作业为浅水钻井作业，采用的是链索结合的悬链线锚泊系统[3]，即传统展开式锚泊系统。该系统历史悠久，能适应较为恶劣的海洋环境，目前仍在浮式生产结构定位技术中占据重要的地位。

国内外对悬链线锚泊系统研究已久，但是发表的文章主要以理论研究或现场操作为主，结合实际海洋水文气象数据的数值模拟分析方面文章较少。本文利用现场数据，针对钢缆-锚链复合式锚泊系统在实际生产中的应用进行模拟校核和分析，可为半潜式钻井平台锚泊系统的设计提供参考。

1 基本情况

图1 P井锚泊系统分布图

1.1 钻井平台基本情况

P井位于巴西桑托斯盆地B区块，水深158 m，作业平台为Ensco公司某第三代半潜式钻井平台，最大作业水深304.8 m，最大钻井深度7 620 m；设计理论临界钻井状态风速70 kn(1 kn≈0.514 4 m/s)，浪高8.20 m，海流速度2.4 kn；设计理论风暴自存状态风速109 kn，浪高33.53 m，海流速度2.4 kn；平台由8条链索组成悬链线多点系泊系统。P井锚泊系统分布如图1所示，舰首方向与垂直方向平面直线的夹角为40°。

1.2 链索组成情况

由于该平台K4钢级悬链长度不足，且当时巴西境内无法采购到足够长度的悬链，进口成本大、周期长，为了满足作业需要，减少系统重量，决定采用不同钢级锚链-钢缆-锚链组合的系泊系统，如图2所示。

图2 P井锚链-钢缆-锚链组成图

锚泊系统组成结构见表1，其中1#、4#、5#、8#为主锚，各条锚链均连接拖曳嵌入式锚，结构组成为顶部锚链-中间嵌入钢缆-水底锚链。

表1 多点锚泊系统组成

2 锚泊系统设计

悬链线锚泊系统是在环境外力作用下提供水平回复力以保持系泊浮体定位的锚泊方式[4]，锚链-钢缆系泊系统是悬链锚泊系统，悬链线是一种曲线，其方程是双曲余弦函数[5-6]：

(1)

式中：r为悬链线参数方程；a为悬链面顶点到原点的距离；u为曲纹坐标；v为曲面参数。

锚泊系统设计必须满足以下前提条件：(1)锚泊系统必须严格依照API RP 2SK(第3版)[7]规范中对临时性锚泊系统的要求进行设计，包括：平台偏移量、悬链张力、悬链长度、锚抓力等参数。(2)要求平台导缆器处悬链与垂直方向的角度不小于30°，保证悬链不与平台锚架接触，导缆器处悬链垂直角度应尽量小。(3)根据隔水管安全作业分析结果，钻井作业时，平台最大水平偏移量应不大于2%水深[8](3.15 m)；非钻井作业前提下，防喷器(Blowout Preventer，BOP)与井口连接，平台水平偏移量应介于2%水深(3.15 m)与10%水深(15.8 m)之间；平台水平偏移量大于10%水深(15.8 m)，应立即断开井口连接，取回BOP与隔水管。(4)锚链与海底设备(采油树等)最短距离不得小于300 m，与海底考古遗迹(沉船等)最短距离不得小于305 m，还应尽量远离有化学合成物或珊瑚丛生成的生物敏感性区域。(5)本井采用悬链-钢索组合的锚链体系，锚链-钢缆系泊系统动态完整状态安全系数需大于1.67，动态破损状态(单根锚链断裂)安全系数需大于1.25，组件最小断裂载荷为441 t。(6)当海况条件超过钻井条件所要求的最大值时，须释放锚链，降低锚链张力至90 t；当极端海况条件发生时，需要立即断开BOP与井口的连接，释放锚链，降低锚链张力至70 t。

3 数值模拟

3.1 数值模拟基本思路

根据API RP 2SK(第3版)规范，风、浪、海流是锚泊系统设计的主要参数。针对海上移动式钻井装置(Mobile Offshore Drilling Units，MODU)锚泊系统的设计，须采用钻井吃水状态1年重现期内的海况数据以及风暴吃水状态5年重现期内的海况数据。基于上述设计要求，利用GMOOR32软件，以Ensco平台现有的锚链及钢缆长度、线重及断裂强度为输入参数，以钻井吃水深度(21.33 m)及风暴吃水深度(18.29 m)作为平台模拟计算时使用的吃水深度，采用3套实际海洋水文气象数据(包括海流速度、风速、有效浪高、波峰周期等)作为变量进行数值模拟，以5°为舰首方向增幅进行360°全方向计算，模拟计算得出锚链断裂安全系数以及锚抓力的安全系数，同时结合隔水管安全作业分析得出平台最大水平偏移量。

3种情况为：(1)钻井作业。平台处于作业吃水状态，海况条件采用平台服务商提供的隔水管分析采用的数据，有效浪高2.95 m，波峰周期11.5 s，风速23.5 kn(12.1 m/s)，海流速度1.7 kn(0.87 m/s)，锚链预张力设定为140 t。(2)1年重现期。平台处于作业吃水状态，海洋气象参数采用目标井附近海域近1年重现期内最大值，有效浪高5.41 m，波峰周期15.3 s，风速29.9 kn(15.4 m/s)，海流速度2.8 kn(1.44 m/s)，锚链预张力设定为90 t。(3)5年重现期。平台处于风暴吃水状态，海洋气象参数(除海流速度)采用目标井附近海域近1年重现期内最大值，有效浪高5.41 m，波峰周期15.3 s，风速29.9 kn(15.4 m/s)，海流速度则采用官方提供的目标井附近海域近5年内的最大值，为2.9 kn(1.49 m/s)，锚链预张力设定为70 t。采用5年重现期的风、浪数据进行数值模拟得到的结果过于保守，并且大幅增加作业费用及等待设备时间，因此采用1年重现期风、浪的数据。

其他输入的数据包括井位数据、官方提供的P井附近其他海洋水文气象数据、锚链-钢缆系泊系统组成及规格(见表2和表3)以及平台服务商提供的平台信息。

表2 拖曳嵌入式锚规格

表3 链缆规格表

3.2 数值模拟结果及分析

3.2.1 锚链张力及锚抓力结果分析

同时期海况调查数据如图3和表4所示，可以看出：海流速度超过1.7 kn(0.87 m/s)的发生概率仅为5%，有效浪高高度超过2.95 m的发生概率仅为2.45%，而风速超过23.5 kn的概率为2.29%；根据近1年重现期海况条件，海流速度超过2.8 kn(1.43 m/s)的发生概率仅为0.10%～0.25%；根据官方提供的近5年内的海况数据，海流速度超过2.9 kn(1.49 m/s)的发生概率仅为0.10%～0.25%。目标井区域海域海况条件超过平台服务商提供的最大钻井安全条件的概率较小。

表4 巴西桑托斯盆地B区块海域海流速度发生概率

图3 巴西桑托斯盆地B区块海域有效浪高和风速发生累积概率曲线

在3种情况下，考虑锚链动态完整和动态破损(仅单根锚链断裂)2种状态，其最小断裂强度安全系数和锚最小锚抓力安全系数均满足设计需要。锚链系统数值模拟结果见表5。

表5 锚链-钢缆系泊系统数值模拟结果

图4 钻井作业条件平台偏移量数值模拟图

3.2.2 平台水平偏移量模拟结果分析

(1) 钻井状态。图4为在钻井作业时，锚链-钢缆系泊系统动态完整状态及动态破损状态下平台的偏移范围，可以看出：完整状态平均水平偏移量为2.22 m，完整状态最大水平偏移量为3.14 m，均小于2%水深(3.15 m)，满足钻井作业的要求；动态破损状态平均水平偏移量为7.37 m，动态破损状态最大水平偏移量为8.33 m，小于10%水深 (15.8 m)，此时能够保持隔水管的连接，但需要停止钻井作业。

(2) 1年重现期状态。图5为在1年重现期作业时，锚链-钢缆系泊系统动态完整及动态破损状态平台偏移的范围，可以看出：完整状态平均水平偏移量为8.36 m，完整状态最大水平偏移量为11.26 m，均小于10%水深(15.8 m)，此海况状态下能够保持隔水管的连接，但需要停止钻井作业；破损状态平均水平偏移量为18.46 m，破损状态最大水平偏移量为21.43 m，均大于10%水深(15.8 m)，必须立即断开隔水管连接，取回BOP等水下设备，并且延长锚链长度，降低锚链张力。

(3) 5年周期状态。图6为在5年周期作业时，锚链-钢缆系泊系统动态完整及动态破损状态平台偏移的范围，可以看出：完整状态平均水平偏移量为11.80 m，完整状态最大水平偏移量为14.72 m，均小于10%水深(15.80 m)；破损状态平均水平偏移量为23.83 m，破损状态最大水平偏移量为26.81 m，均大于10%水深(15.80 m)。虽然5年周期动态完整状态平台最大水平位移量满足隔水管安全作业分析要求，但是，由表5可知：在5年重现期条件下，锚泊断裂强度安全系数仅略高于标准要求，所以在此海况状态下，即使平台锚链处于完整状态也应立即断开隔水管连接，取回BOP等水下设备，并且延长锚链长度，降低锚链张力。

图5 1年周期条件平台偏移量数值模拟图

图6 5年周期条件平台偏移量数值模拟图

4 结 论

(1) 平台处于作业吃水状态时，采用平台服务商提供的隔水管分析使用的海洋水文参数，锚链-钢缆系泊系统各项安全系数及平台水平偏移量均满足钻井作业条件。如果锚链发生断裂，则须停止钻井作业，但是仍可以保持隔水管的连接。

(2) 平台处于作业吃水状态时，1年重现期海况条件，动态完整状态可以保持隔水管连接，但是要停止钻井作业；如果锚链发生断裂，则必须断开隔水管连接，取回BOP等水下设备，并且延长锚链长度，降低锚链张力。

(3) 平台处于风暴吃水状态，海洋水位气象参数(除海流速度)为近1年时期内的最大值，海流速度采用官方提供的近5年内的最大值。此时，锚泊系统各项安全系数仅略高于标准要求，所以此状态下应立即断开隔水管连接，取回BOP等水下设备，并且延长锚链长度，降低锚链张力。

(4) 必须保证平台相关工作人员明确1年重现期海况参数，以实际的锚链张力值和平台偏移量作为判断的主要依据，保证在紧急情况下能够及时停钻、断开连接、迅速反应，以免导致无法挽回的损失。

[1] 韩凌, 杜勤. 深水半潜式钻井平台锚泊系统技术概述[J]. 船海工程, 2007, 36(03):82-86.

[2] 刘超. 海洋工程锚泊系统计算与分析[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2007.

[3] 王艳妮. 海洋工程锚泊系统的分析研究[D]. 哈尔滨 :哈尔滨工程大学, 2006.

[4] 余龙，谭家华. 深水中悬链线锚泊系统设计研究进展[J]. 中国海洋平台, 2004, 19(03):24 -29.

[5] 陆亚哲，黄卫华，胡艳. 悬链面上各种曲线的研究[J]. 湖北民族学院学报(自然科学版), 2015, 33(03):252-255.

[6] 莫妮佳, 纪永强. 悬链面与正螺面之间的内在关系[J]. 湖州师范学院学报, 2012, 34(01):23-26.

[7] Design and Analysis of Stationkeeping System for Floating Structures[S]. 2005.

[8] Institute A P. Recommended Practice for Design, Selection, Operation and Maintenance of Marine Drilling Riser Systems[S]. 1993.