极地半潜式钻井平台系泊系统设计

李晓东， 屈 衍， 刘大辉， 张大刚， 滕 瑶

(1. 青岛迪玛尔海洋工程有限公司， 山东 青岛 266000；2. 华南理工大学 海洋科学与工程学院； 广东 广州 511442；3. 中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264670)

0 引 言

北极地区拥有全球剩余的30%油气储量。开发该地区油气资源是满足未来人类社会油气需求的重要选择。但是北极地区环境条件极其恶劣，尤其是低温和海冰的存在对海上油气勘探提出了严峻的挑战[1]。目前，工程中缺少专门针对北极地区的海洋石油勘探开发装备。现有勘探装备主要由常规油气装备改造而成：在喀拉海采用West Alpha半潜式钻井平台进行钻井[2]，在Chukchi海采用Arctic Pioneer号半潜式钻井平台钻井，俄罗斯油气公司雇佣中海油田服务股份有限公司的南海8号、南海9号在北极圈开展钻井。由于这些平台没有抗冰能力，因此作业窗口只有1～2个月，经常无法完成一个区块的钻井业务，因此对一个油气田的钻井勘探需用2 a或者更长的时间。超长的动复员距离和周期大幅增加了勘探成本。

为了降低勘探成本，工程中迫切需要设计专门针对北极有冰海域的钻井平台，平台需要具有一定的抗冰能力，可适当延长作业窗口期。从北极的冰情来看，部分地区多年冰可能达10～20 m厚度，易对平台施加105t级别的水平载荷，而目前的系泊定位产品几乎很难保证系泊系统有足够的定位能力。出于经济性考虑，这种极地冰区钻井平台可以设计成具有抵御初年冰的能力。具体来说，设定平台在0.5 m厚平整冰作用下可进行钻井作业，1.0 m厚平整冰作用下可以生存。

本文对一种新型极地半潜式钻井平台的系泊系统开展设计，并验证其在夏季及秋冬季弱冰期的系泊定位能力。采用时域方法进行系泊分析，以考虑系泊线和浮体的动态效应。考虑到平台实际作业时可能会遭遇浮冰的情况，在传统的风、浪、流以外引入浮冰载荷作为外部环境载荷。由于浮冰的存在使波浪难以传递，因此浮冰工况仅考虑风、流、冰载荷对浮体的影响。

1 基本信息

1.1 平台信息

新型极地半潜式钻井平台(简称“平台”)概念由中集海洋工程研究院有限公司提出，平台概念模型如图1所示。该平台为4立柱，双浮筒结构形式。平台主要形式与常规半潜式钻井平台基本一致，为了提升平台的抗冰能力，对平台水线面附近的立柱结构上加装抗冰锥，达到减小浮冰载荷的目的。

图1 新型极地半潜式钻井平台概念模型

平台主尺度数据如表1所示。

表1 新型极地半潜式钻井平台主尺度参数

1.2 海况条件

将平台的目标作业区域定位为巴伦支海与喀拉海，如图2所示。巴伦支海位于挪威与俄罗斯的北方，最大水深为450 m。巴伦支海虽然处于极圈以内，但是受大西洋暖流的影响其西南部分海域全年无冰[3]。喀拉海位于西伯利亚以北，最大水深可达620 m(最北端)，气候严寒，冰期很长，部分区域终年冰封。

图2 北极钻井平台目标作业海域

平台目标作业区域的环境条件如表2所示。

表2 不同重现周期的环境条件

1.3 控制因素

一般而言，系泊系统主要受以下条件控制：

(1) 由立管系统带来的平台水平方向漂移量的限制；

(2) 由系泊线强度、疲劳等因素带来的限制。

考虑到平台位移对钻井立管的影响，选取新型极地半潜式钻井平台在环境载荷下的漂移量如表3所示。

表3 新型极地半潜式钻井平台漂移量限制

由于平台作业区域不定，在服役周期中频繁移位，一般不对其系泊系统进行疲劳分析，而采用探伤的方法进行处理。因此，所设计的系泊系统仅在系泊线强度方面受到如表4所示的限制[4]。

表4 系泊线强度限制

2 系泊设计

为了考察平台在不同水深条件下的作业性能，选取100 m、300 m、500 m共3个典型水深进行系泊设计。在不同水深范围内，均采用表2的环境条件。在500 m水深以内，钻井的系泊线形式可以是纯锚链或链-缆-链的形式。考虑到浮冰的存在以及纤维缆和钢丝绳均不耐磨，并且由于钢丝绳和纤维缆柔性较大在浅水区域很难将平台限制在规定范围(在100 m水深位置，平台漂移量限制为5 m)之内，因此对于3个典型水深均采用纯锚链系泊。由于该平台排水量较大(在工作工况下为62 000 t)且北极地区环境条件极端恶劣，最终选取3×4系泊系统作为该平台的系泊系统。

2.1 设计环境组合

为了保证平台在北极夏季无冰期和春秋季弱冰期都具备钻井作业能力，选取夏季无冰海况和春秋季节有冰海况进行验证。确定钻井、停钻、自存等3种钻井平台的工作状态进行系泊设计。在无冰条件下，选取常规的风、浪、流载荷作为外部载荷。在有冰条件下，由于浮冰的存在波浪难以传递，因此选取风、流、冰载荷作为外部载荷。更为详细的设计环境条件如表5所示。

表5 不同工作状态对应的设计环境条件

2.2 模型建立

利用AQWA-line软件开展该平台的频域水动力分析工作，如图3所示。

图3 新型极地半潜式钻井平台湿表面模型

之后将得到的水动力特性数据和根据规范[4-5]推荐的方法计算得到的风、流载荷系数输入OrcaFlex中，建立平台时域系泊分析模型，如图4所示。平台所受的冰载荷由文献[6]推荐方法计算，并以定常力的形式施加至模型。

图4 OrcaFlex时域计算模型

为增加平台的破冰能力，平台在水面位置增加破冰锥体以改变平台水线面形状，同时锥体侧向投影面积的增加也会增加平台受到的波浪力。半潜式平台垂荡运动的固有周期对其水线面积极敏感，小幅增加水线面积即可大幅降低其垂荡运动固有周期，使其易与波浪发生共振。针对此问题，将锥体设计为表面带有较多开孔的形式。这些开孔保留了锥体的破冰能力，不仅不会对平台产生额外的浮力，而且会降低作用在锥体上的波浪载荷。由于这些消浪孔的存在，加锥体后的平台水动力性能不会发生显著改变。封闭式与开孔式破冰锥体对平台垂荡运动的影响如图5所示。由图5可知，封闭式破冰锥体明显降低平台垂荡运动的固有周期。

图5 封闭式、开孔式、无破冰锥体平台的垂荡运动RAO曲线(0°、45°、90°等3个方向)

破冰锥体的开孔式设计使锥体的存在对平台的水线面积几乎没有影响，保证了平台所需的垂荡固有周期。但是，这种设计为平台的水动力模拟带来一定的困难，增加了平台受到的波浪激励、阻尼力和平台运动的附连质量。由于其不属传统意义的湿表面，现有的水动力软件无法考虑这些因素对平台运动造成的影响。考虑到加锥体部分占平台湿表面积比例不到10%，仅对平台的黏性阻尼加以修正，对于开孔式破冰锥体带来的其他影响需要在后续的模型试验中加以深入研究。

2.3 系泊配置

选取R4锚链作为系泊系统组成部分。经循环优化[7-8]，得到的系泊线布置如图6所示，系泊线关于x轴和y轴镜像对称，在第1象限中，系泊线与平台x轴夹角分别为37°、40°和45°。详细的系泊线配置参数如表6所示。

图6 系泊布置图

表6 系泊线配置参数

2.4 计算结果

针对目标海域选取100 m、300 m、500 m等3个典型水深进行系泊设计，在无冰条件下对每个水深均开展钻井、停钻、自存等3种作业状态下的系泊分析。在有冰条件下，由于浮冰易对立管系统造成破坏，因此不再设计停钻工况，当海况条件超过一年一遇时需要解脱自存。此外，对于所有的工况，考虑艏向和舷向(见图6)两个受力方向(风、浪、流或风、流、冰载荷同向)。

详细的工况分类及计算结果如表7和表8所示。

表7 无冰工况计算结果

表8 浮冰工况计算结果

由表7和表8可知：

(1) 在所有工况中，平台的漂移量均未超过表5中的限制条件，系泊线的安全因数均高于表4给出的最小安全因数，所设计的系泊系统满足平台在目标海域的定位需求。

(2) 系泊线最大张力出现在工况3。在工况3中，平台的漂移量限制仅10 m，为了在恶劣海况下将平台漂移量限制在10 m以内，系泊系统采用了较高的预张力以提升其刚度，这直接导致系泊系统张力极值蹿升。据此，建议针对浮式平台浅水钻井的方案适当降低作业海况设计要求。

(3) 在百年一遇海况(自存工况)下，无冰工况系泊线张力极值均明显高于浮冰工况，其原因如下：浮冰工况波浪难以传递，外部载荷变化缓慢，平台和系泊线自身的动态效应不明显。据此，建议针对极地作业的浮式平台，系泊系统采用的设计海况仍旧以无冰条件为主。

3 结 论

针对拟应用于北极地区的抗冰半潜式钻井平台开展系泊设计的研究，对该平台系泊系统设计全锚链结构和3×4共12根锚链的系泊方案。针对该地区有冰和无冰两种海况，分别确定需要分析的作业状态及各作业状态下的限制条件。分别对100 m、300 m、500 m等3个典型水深进行系泊性能验证。

(1) 所设计的系泊系统能满足目标平台的定位需求。针对浮式钻井平台浅水钻井时系泊线张力极值蹿升明显的问题，建议适当降低作业海况的设计要求。对比自存工况无冰、浮冰两种工况下的系泊线张力极值，建议针对极地作业的浮式平台，仍以无冰工况的环境条件作为系泊系统设计的主要依据。

(2) 所提出的系泊方案采用市场上常用的锚链形式，分析结果表明，利用现有市场产品对钻井平台进行适当改造可保证平台具有在北极弱冰季节进行钻井作业的能力。