童波 金強(qiáng)

（七○八研究所 上海 200011）

基于南海環(huán)境條件的半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)分析

童波 金強(qiáng)

（七○八研究所 上海 200011）

南海環(huán)境；熱帶氣旋；設(shè)計(jì)工況；海況參數(shù)

南海環(huán)境條件復(fù)雜多變，深水、高壓、低溫、波流的不規(guī)則性以及內(nèi)波的存在等使半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)。研究海洋環(huán)境條件的意義是在現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)水平和設(shè)備技術(shù)水平條件下，確保該海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)的作業(yè)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。研究南海海域的環(huán)境特征，可應(yīng)用于南海半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)中不同工況的海況參數(shù)選取。

0 引言

隨著當(dāng)今全球氣候環(huán)境的變化，惡劣風(fēng)暴條件下平臺(tái)海損事故不斷發(fā)生，平臺(tái)設(shè)計(jì)采用的環(huán)境數(shù)據(jù)正趨于提高。以海洋環(huán)境條件為核心的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對(duì)平臺(tái)方案的船型、尺度、性能等具有重要影響，是決定平臺(tái)作業(yè)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

值得注意的是，南海是臺(tái)風(fēng)多發(fā)海域，每年影響南海的熱帶氣旋有10余個(gè)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)速可達(dá)60m/s。熱帶氣旋的生成地和發(fā)展趨勢(shì)千變?nèi)f化，不同時(shí)間熱帶氣旋的強(qiáng)度和路徑各有不同，這些都增加準(zhǔn)確預(yù)報(bào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)的難度，進(jìn)而影響平臺(tái)的設(shè)計(jì)和安全操作。

本文研究南海海域的環(huán)境特征，以指導(dǎo)應(yīng)用于南海半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)中不同工況的海況參數(shù)選取。針對(duì)深海半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)海域的環(huán)境特征，重點(diǎn)研究熱帶氣旋的生成、強(qiáng)度、路徑和預(yù)報(bào)可靠性；分析海洋環(huán)境與平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)系，進(jìn)而選取不同工況下的海況參數(shù)。

1 海洋環(huán)境特征

海洋環(huán)境條件在工程設(shè)計(jì)分析中可分為靜態(tài)環(huán)境條件和動(dòng)態(tài)環(huán)境條件。其中，靜態(tài)條件包括水深、海底地形、氣溫、水溫和濕度等；動(dòng)態(tài)條件包括風(fēng)（季風(fēng)和熱帶氣旋）、波浪和海流。此外，海洋環(huán)境條件還包括內(nèi)波、海生物等因素。下面以南海為例闡述海洋環(huán)境條件的主要特征：

1.1 水深與地形

南海是西北太平洋最大的邊緣海，其跨度大約為0°N~23°N、99°E~121°E，面積約達(dá)350萬(wàn)平方公里，平均水深在1 800m以上，最深達(dá)5 420m。它通過(guò)臺(tái)灣海峽、呂宋海峽、民都洛海峽、巴拉巴克海峽、邦加海峽、加斯伯海峽、卡里馬塔海峽、馬六甲海峽與外界海域相連。

1.2 氣溫

利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）1979年~2005年氣溫資料計(jì)算了南海/西非/東南亞/墨西哥灣海域的最高氣溫和最低氣溫。南海/東南亞的最高氣溫可達(dá)32℃以上；西非海域的最高氣溫為30℃；墨西哥灣累年最高氣溫為30℃～32℃。南海的最低氣溫為10℃；東南亞海域的最低氣溫為22℃；西非海域最低氣溫為8℃；墨西哥灣累年最低氣溫為8℃～24℃。

1.3 水溫

利用OISST（NOAA Optimum Interpolation（OI）Sea Surface Temperature）1981~2005年海面溫度資料計(jì)算南海/西非/東南亞/墨西哥灣最高水溫和最低水溫。南海大部分海域的海溫最高為31℃；東南亞海域的溫度最高為31℃；西非海域的溫度最高為30℃；墨西哥灣累年最高水溫為22℃~28℃。南海的最低海面溫度為23℃；東南亞海域的最低海面溫度為26℃；西非海域的最低海溫在12℃；墨西哥灣累年最低水溫為14℃~18℃。

1.4 濕度

利用NCEP的1979~2005年相對(duì)濕度資料計(jì)算了南海/西非/東南亞/墨西哥灣最高、最低和平均相對(duì)濕度。南海/東南亞/西非的最高相對(duì)濕度可達(dá)96%以上；墨西哥灣累年最高相對(duì)濕度可達(dá)99%。南海/東南亞海域最低相對(duì)濕度為30%；西非海域的最低相對(duì)濕度為40%；墨西哥灣最低相對(duì)濕度為40%～60%。南海/東南亞平均相對(duì)濕度為78%～86%；西非海域平均相對(duì)濕度為80%左右；墨西哥灣平均相對(duì)濕度為75%－85%。

1.5 季風(fēng)

南海地處亞熱帶和熱帶區(qū)域，屬典型的亞洲季風(fēng)區(qū)。受季風(fēng)性氣候影響，南海海域的氣候呈現(xiàn)冬半年、夏半年的特征，其轉(zhuǎn)換季節(jié)很短。南海海面風(fēng)力在東北季風(fēng)時(shí)期最強(qiáng)，在夏季風(fēng)時(shí)期較冬季風(fēng)時(shí)期弱，春秋過(guò)渡季節(jié)的平均風(fēng)速均比冬夏季時(shí)期小，南海海面平均風(fēng)速的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。

1.6 波浪

南海海浪的分布和變化主要取決于海區(qū)季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的分布及其變化，同時(shí)也受到風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)和地形等的影響。東北季風(fēng)期間盛行東北浪，西南季風(fēng)時(shí)期盛行南、西南浪。兩種季風(fēng)交替時(shí)期浪向多變，盛行浪向不明顯。由于冬季東北季風(fēng)的風(fēng)速較夏季的西南季風(fēng)的風(fēng)速大，所以就氣候態(tài)的波高（一般稱(chēng)為波候）而言，冬季的波高較夏季的大。

1.7 海流

南海的環(huán)流場(chǎng)受多種因素的影響，包括季風(fēng)、地形、太陽(yáng)輻射以及降雨等。此外，黑潮通過(guò)呂宋海峽至少影響南海北部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。冬季南?？偟沫h(huán)流結(jié)構(gòu)呈一個(gè)氣旋型，并發(fā)育有兩個(gè)次海盆尺度的氣旋型環(huán)流；夏季總環(huán)流大致呈反氣旋型，大部分海區(qū)以東北向漂流為主。不論冬、夏季，南海環(huán)流的西部邊界強(qiáng)化趨勢(shì)均十分明顯，由于南海海流的復(fù)雜性，目前對(duì)南海海流的特征還沒(méi)有比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

1.8 南海內(nèi)波

內(nèi)波是海洋中普遍存在的現(xiàn)象，在穩(wěn)定層化的海水中，只要有擾動(dòng)就有可能激起內(nèi)波。南海北部海域是海洋內(nèi)波發(fā)生最頻繁的海域之一，對(duì)于南海北部?jī)?nèi)波（內(nèi)潮波和孤立子內(nèi)波）的發(fā)源地，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)為是在巴士和巴林塘海峽或其中的某個(gè)局部區(qū)域。這是因?yàn)樵诎褪亢桶土痔梁{存在急劇變化的底地形，當(dāng)來(lái)自太平洋的潮波或海流穿過(guò)海峽時(shí)，潮流或海流受海峽內(nèi)的地形影響會(huì)在層化的海水中激發(fā)出內(nèi)潮波或孤立子內(nèi)波，另一方面，在南海北部海域的陸架陸坡的連接處地形變化劇烈，且海水層化現(xiàn)象常年存在，因此由內(nèi)潮波的生成機(jī)制可知，潮流在這里受到變化劇烈地形的強(qiáng)迫或調(diào)制作用后，會(huì)在層化的海水中產(chǎn)生擾動(dòng)并最終發(fā)展成強(qiáng)的內(nèi)潮波。

1.9 南海海洋污損生物情況

海洋附著（污損）生物是指生長(zhǎng)在海中一切人工設(shè)施（包括船舶、浮標(biāo)、石油平臺(tái)等）表面上的動(dòng)物、植物和微生物。海洋結(jié)構(gòu)物上附著的污損（附著）生物增加了結(jié)構(gòu)物的載荷，從而減少了結(jié)構(gòu)物的壽命，結(jié)構(gòu)物表面的海生物生長(zhǎng)情況如表1所示。

表1 海洋附著生物生長(zhǎng)情況

2 熱帶氣旋

本文主要分析影響南海的熱帶氣旋次數(shù)、路徑及強(qiáng)度特征。南海熱帶氣旋包括南海海域（25°N以南、120°E以西）生成的熱帶氣旋或從西太平洋移進(jìn)以上海域的熱帶氣旋。熱帶氣旋的等級(jí)劃分采用2006年6月15日正式啟用的中國(guó)氣象局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員共同制定的《熱帶氣旋等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)1976-2005年臺(tái)風(fēng)資料（中國(guó)臺(tái)風(fēng)年鑒）統(tǒng)計(jì)，30年中影響南海的熱帶氣旋共有372個(gè)，年平均12.4個(gè)。最多年份有18個(gè)（1978年），最少年份有6個(gè)（1997年）。在南海海域生成的熱帶氣旋有153個(gè)，占總數(shù)的41.1%，在西太平洋生成后移進(jìn)南海的熱帶氣旋有219個(gè)，占總數(shù)的58.9%。

表2 熱帶氣旋等級(jí)劃分

圖1 1976年~2005年影響南海熱帶氣旋月個(gè)數(shù)變化圖

2.1 熱帶氣旋路徑

影響南海的熱帶氣旋復(fù)雜路徑一般分為四類(lèi)，即：打轉(zhuǎn)類(lèi)、蛇行類(lèi)、右折類(lèi)、左折類(lèi)。南海生成的熱帶氣旋較西太平洋移進(jìn)南海的熱帶氣旋路徑復(fù)雜，這是由于南海受冬、夏季風(fēng)影響明顯，又處于熱帶、副熱帶和西風(fēng)帶系統(tǒng)交匯區(qū)，因而可使得影響南海的熱帶氣旋路徑千變?nèi)f化。如8616號(hào)臺(tái)風(fēng)1986年8月16日在南海東部海面生成后，在臺(tái)灣附近和南海東北部海面回旋打轉(zhuǎn)，先后兩出兩進(jìn)南海，至9月6日在越南海防附近登陸，前后共歷時(shí)22天。該臺(tái)風(fēng)是多年來(lái)路徑最異常、持續(xù)時(shí)間特長(zhǎng)的一個(gè)臺(tái)風(fēng)。

2.2 熱帶氣旋強(qiáng)度

影響南海的熱帶氣旋中，TD占23.9%、TS占16.7%、STS占27.7%、TY占23.9%、STY占6.7%，Super TY占1.1%。在影響南海的118個(gè)臺(tái)風(fēng)以上強(qiáng)度的熱帶氣旋中，西太平洋移進(jìn)的占了83.1%，而南海海域生成的只有16.9%。其中4個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)全是從西太平洋移進(jìn)南海的，其中7908號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)移進(jìn)南海后，中心最大風(fēng)速最強(qiáng)達(dá)60m/s。

2.3 臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)可靠性

臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性直接關(guān)系到臺(tái)風(fēng)造成的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。臺(tái)風(fēng)由熱帶氣旋發(fā)展而來(lái)，熱帶氣旋的生成地和發(fā)展趨勢(shì)千變?nèi)f化，不同時(shí)間熱帶氣旋的強(qiáng)度和路徑各有不同，這些都增加準(zhǔn)確預(yù)報(bào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)的難度。臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的可靠性一般為24 h（小時(shí)），48~72 h內(nèi)的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)（中心強(qiáng)度、路徑、風(fēng)圈半徑等）誤差較大。一般接到預(yù)報(bào)后，平臺(tái)僅有1~2天時(shí)間進(jìn)行撤離準(zhǔn)備。

臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容包括熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展、移動(dòng)路徑、強(qiáng)度變化等。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響范圍很大，一般臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速30~50m/s，臺(tái)風(fēng)圈直徑300 km以上（對(duì)應(yīng)風(fēng)圈邊緣風(fēng)速20m/s）。目前24 h和48 h的中心附近最大風(fēng)速預(yù)報(bào)的平均誤差為4~7m/s和6~10m/s。

若預(yù)報(bào)熱帶氣旋未來(lái)將加強(qiáng)、維持或減弱，而實(shí)際情況也是如此，則認(rèn)為預(yù)報(bào)趨勢(shì)與實(shí)況一致。用預(yù)報(bào)趨勢(shì)與實(shí)況一致的次數(shù)除以總的預(yù)報(bào)次數(shù),即可得預(yù)測(cè)趨勢(shì)一致率。目前中國(guó)的預(yù)測(cè)趨勢(shì)一致率為70%～80%。臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑范圍的誤差在120 km以上，目前中央氣象臺(tái)24、48和72小時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差分別為112、194和318 km，與日本和美國(guó)綜合預(yù)報(bào)水平大體相當(dāng)。

以下以一種典型臺(tái)風(fēng)為例介紹預(yù)報(bào)的可靠性：2006年的臺(tái)風(fēng)“珍珠”初始階段預(yù)報(bào)其沿西北偏西方向行進(jìn)，最大風(fēng)速30m/s，移動(dòng)速度20 km/h。當(dāng)臺(tái)風(fēng)行進(jìn)至南海中部時(shí)，出現(xiàn)90°轉(zhuǎn)彎，豎直北上，貫穿南海，此次臺(tái)風(fēng)路徑及登陸地點(diǎn)預(yù)報(bào)的難度都很高（具體如圖4~圖7所示）。圖中實(shí)線(xiàn)為臺(tái)風(fēng)實(shí)際路徑，虛線(xiàn)代表不同氣象臺(tái)的預(yù)報(bào)路徑。

圖4 臺(tái)風(fēng)“珍珠”路線(xiàn)圖

圖5 臺(tái)風(fēng)“珍珠”路線(xiàn)圖

圖6 臺(tái)風(fēng)“珍珠”路線(xiàn)圖

圖7 臺(tái)風(fēng)“珍珠”路線(xiàn)圖

3 海洋環(huán)境與平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 海洋環(huán)境與平臺(tái)作業(yè)性

半潛式鉆井平臺(tái)能否正常作業(yè)與海況密切相關(guān)。例如鉆井作業(yè)時(shí)在波浪作用下，半潛式鉆井平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生周期性的上下垂蕩運(yùn)動(dòng)，使鉆柱隨之作上下運(yùn)動(dòng)，并造成井底鉆壓變化，甚至鉆頭脫離井底，無(wú)法鉆進(jìn)。目前主要通過(guò)鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)解決鉆柱的升沉補(bǔ)償問(wèn)題。鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)能夠在浮式鉆井裝置升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)保持井底鉆壓，并按巖石性質(zhì)隨時(shí)調(diào)節(jié)鉆壓。

在風(fēng)、浪、流作用下，平臺(tái)產(chǎn)生水平漂移運(yùn)動(dòng)，隔水管也會(huì)隨著平臺(tái)產(chǎn)生水平漂移運(yùn)動(dòng)。作業(yè)時(shí)，隔水管底部的球形接頭允許旋轉(zhuǎn)的角度范圍限制了平臺(tái)的偏移量，平臺(tái)偏移過(guò)大時(shí)就應(yīng)使隔水管下部組件與BOP解脫，而且平臺(tái)水平偏移增加隔水管的補(bǔ)償需求長(zhǎng)度。目前可以通過(guò)隔水管張緊系統(tǒng)的伸縮節(jié)為隔水管頂部提供垂向力，以控制隔水管的應(yīng)力和位移，并能在浮體作垂直和水平運(yùn)動(dòng)的情況下，使隔水管柱的張力基本保持恒定，不致使它出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等損壞。

作業(yè)海況和平臺(tái)型式?jīng)Q定平臺(tái)作業(yè)工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值影響鉆井運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力（例如鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、隔水管張緊系統(tǒng)等），另外作業(yè)海況的最大風(fēng)速也影響鉆井平臺(tái)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)（例如起重設(shè)備、井架系統(tǒng)），同時(shí)該作業(yè)海況還應(yīng)保證足夠的全年作業(yè)率。

與半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)性相關(guān)的總體性能有運(yùn)動(dòng)性能和定位能力（DP定位與錨泊定位），與這些總體性能相關(guān)的主導(dǎo)海況各有不同。

運(yùn)動(dòng)性能主要考量半潛平臺(tái)在作業(yè)工況下的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，與此相關(guān)的環(huán)境載荷是一階波浪力，因此作業(yè)工況下運(yùn)動(dòng)性能的主導(dǎo)海況是波高和波浪周期，平臺(tái)固有周期應(yīng)避開(kāi)波浪能量的集中范圍。

作業(yè)時(shí)定位能力（錨泊定位與DP定位）主要考量半潛平臺(tái)在多根系泊纜或多個(gè)推進(jìn)器作用下的縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，作業(yè)時(shí)應(yīng)保證平臺(tái)的偏移滿(mǎn)足隔水管球形接頭轉(zhuǎn)角、伸縮節(jié)和鉆桿等的限制要求，與定位能力相關(guān)的環(huán)境載荷是二階波浪力、風(fēng)載荷和流載荷，相比之下定位能力的主導(dǎo)海況是風(fēng)速。

半潛式平臺(tái)要在更惡劣的海洋環(huán)境條件下作業(yè)，一方面要優(yōu)化平臺(tái)的型式使其具備更好的耐波性，另一方面要提高定位技術(shù)。其中，動(dòng)力定位系統(tǒng)能平衡低頻的環(huán)境載荷，在惡劣的海況下平臺(tái)需要更高功率的推進(jìn)器和電站，進(jìn)而影響設(shè)備的布置空間和選型采購(gòu)。對(duì)于錨泊系統(tǒng)，半潛式鉆井平臺(tái)需要到不同海域鉆井作業(yè)，通常選用起拋錨方便、抓力較大、成本較低的非永久性錨泊系統(tǒng)，且一般采用拖曳埋置錨。此錨不能承受上拔力，因此需要較長(zhǎng)的鋼鏈連接海底錨，以保證系泊纜在設(shè)計(jì)海況下具備躺底部分。惡劣的海況條件下，則要求連接錨的鋼鏈更長(zhǎng)，纜繩的強(qiáng)度、剛度也更大，也導(dǎo)致系泊纜繩較長(zhǎng)，總重較大，影響到平臺(tái)的可變載荷。另外，若作業(yè)工況下風(fēng)載荷較大，將影響井架內(nèi)起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及立根盒等，設(shè)計(jì)的鉆井機(jī)械也需要具有在更惡劣海況下工作的能力。

3.2 海洋環(huán)境與平臺(tái)安全性

這里的半潛式鉆井平臺(tái)安全性是指如何克服海洋環(huán)境對(duì)平臺(tái)生存的威脅，與平臺(tái)安全性相關(guān)的總體性能包括穩(wěn)性、氣隙和總強(qiáng)度等，與這些總體性能相關(guān)的主導(dǎo)海況也各有不同。

穩(wěn)性主要考量半潛平臺(tái)的抗傾覆能力，設(shè)計(jì)分析中傾覆力矩主要來(lái)自于定常的風(fēng)力，平臺(tái)穩(wěn)性的主導(dǎo)海況是風(fēng)速。

氣隙主要考量半潛平臺(tái)在生存工況下波面和上船體底部的相對(duì)距離，避免波浪抨擊上船體底部甲板的井口區(qū)。由于波浪與平臺(tái)間的繞射效應(yīng)，波面將沿立柱爬升，上船體底部的立柱附近區(qū)域可能出現(xiàn)氣隙為負(fù)。氣隙性能的主導(dǎo)海況是波高和波周期。

總強(qiáng)度主要考量半潛平臺(tái)在不同吃水工況下波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，平臺(tái)總強(qiáng)度主要與主尺度、排水量和波浪參數(shù)有關(guān)?？倧?qiáng)度性能的主導(dǎo)海況是波高和周期。

單從提高半潛式平臺(tái)安全性角度考慮，增大立柱的尺度和間距利于改善平臺(tái)的穩(wěn)性和氣隙。對(duì)于總強(qiáng)度而言，惡劣的海況使得立柱與下浮體、立柱與上船體連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中更加突出，對(duì)局部鋼板厚度和建造工藝的要求更高。

3.3 海洋環(huán)境與平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性

海洋環(huán)境條件與半潛式鉆井平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。隨著作業(yè)水深和鉆深的增加，隔水管、套管和鉆桿的長(zhǎng)度增加。例如，3 000m作業(yè)水深需要的隔水管總重達(dá)到～2 800 t。另外，為減少供應(yīng)船的補(bǔ)給頻率，平臺(tái)需要裝備更多的消耗品，這些都導(dǎo)致半潛平臺(tái)承載更大的可變載荷，從而影響平臺(tái)的主尺度。深水、高壓等復(fù)雜的海洋環(huán)境使得隔水管抗壓浮力材料、水下BOP、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等更加復(fù)雜；惡劣的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件使得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更大，對(duì)鉆井系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等提出更高的技術(shù)要求，也就增加設(shè)備的設(shè)計(jì)和建造成本；另外半潛式鉆井平臺(tái)安全性等級(jí)的提高，例如滿(mǎn)足DP3要求的動(dòng)力定位系統(tǒng)增加結(jié)構(gòu)重量，管系的數(shù)量和布置等，因此深水惡劣的海洋環(huán)境條件顯著增加半潛式鉆井平臺(tái)的成本。

4 平臺(tái)主要設(shè)計(jì)工況

4.1 作業(yè)工況

平臺(tái)鉆井作業(yè)工況一般波浪取自南海一年一遇最大海況，流速取自一年一遇最大風(fēng)速下的條件極值（也有保守取為一年一遇最大極值），風(fēng)速選取可以不考慮熱帶氣旋、季風(fēng)的區(qū)別，而綜合考慮動(dòng)力定位能力、鉆井機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)速、作業(yè)率和平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性等因素。

作業(yè)海況的確定與平臺(tái)性能、設(shè)備的正常使用以及該海況能達(dá)到的作業(yè)率相關(guān)，在作業(yè)工況下若采用錨泊定位，除了系泊纜的強(qiáng)度具備一定的安全裕度，系泊纜在海底有躺底部分（錨無(wú)上拔力）外，錨泊系統(tǒng)要有效地控制平臺(tái)的水平偏移。如果錨泊系統(tǒng)無(wú)法有效控制平臺(tái)位移，可使用動(dòng)力定位輔助平臺(tái)作業(yè)，動(dòng)力定位的精度較高，可滿(mǎn)足作業(yè)要求，有效提高作業(yè)效率。

在動(dòng)力定位模式下（作業(yè)水深＞1 500m），平臺(tái)定位能力完全由推進(jìn)器提供，故鉆井作業(yè)海況（外部環(huán)境載荷）和推進(jìn)器布置決定了推進(jìn)器功率的大小，根據(jù)分析確定的單純DP系統(tǒng)抗風(fēng)能力，既要滿(mǎn)足平臺(tái)實(shí)際作業(yè)率要求，又要合理降低推進(jìn)器功率。在作業(yè)工況下風(fēng)速的選取不僅要滿(mǎn)足動(dòng)力定位能力，還要考慮通常機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)作業(yè)風(fēng)速。平臺(tái)作業(yè)海況影響參數(shù)如圖8所示：

4.2 隔水管最大連接工況

最大連接工況是指水下鉆井隔水管保持連接時(shí)的最大環(huán)境條件，通常連接工況下，平臺(tái)的偏移應(yīng)不大于水深的10%，錨泊定位和動(dòng)力定位都應(yīng)校核該工況下的定位能力。最大連接工況應(yīng)低于最大自存工況，但高于最大作業(yè)工況。鉆井平臺(tái)負(fù)責(zé)人應(yīng)了解連接工況的環(huán)境條件，以便做好脫開(kāi)或回收隔水管的準(zhǔn)備。當(dāng)海況條件超過(guò)作業(yè)海況，平臺(tái)管理人員已作出撤離準(zhǔn)備決定后，可將鉆桿收起放置于立根盒上，環(huán)境條件更惡劣時(shí)需將鉆桿放置于堆場(chǎng)并綁扎，可選擇隔水管下部只與BOP應(yīng)急解脫，隔水管仍懸掛在平臺(tái)上，隨平臺(tái)一起漂移，這是因?yàn)楦羲艿倪B接、下放相對(duì)鉆桿的連接、下放要復(fù)雜、費(fèi)時(shí)得多，隔水管掛在平臺(tái)上降低平臺(tái)重心，而且增加漂移時(shí)的阻力，但是這樣也增加了隔水管碰撞破損的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 錨泊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工況

根據(jù)APIRP 2SK，對(duì)于移動(dòng)式浮式裝置（遠(yuǎn)離其他結(jié)構(gòu)物作業(yè)的MODU）來(lái)說(shuō)，其系泊系統(tǒng)應(yīng)采用重現(xiàn)期至少5年的最大設(shè)計(jì)環(huán)境條件。應(yīng)特別注意在熱帶氣旋（tropical cyclones）地區(qū)諸如墨西哥灣（hurricane-颶風(fēng)）和南中國(guó)海（typhoon-臺(tái)風(fēng)）的作業(yè)。對(duì)于不在氣旋季節(jié)作業(yè)的裝置，確定5年的環(huán)境條件應(yīng)采用除去熱帶氣旋的環(huán)境數(shù)據(jù)。

在某些熱帶氣旋地區(qū)，如果滿(mǎn)足下述兩個(gè)條件，在熱帶氣旋季節(jié)作業(yè)時(shí)，重現(xiàn)周期可縮短：

a.實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)分析，估算出系泊失效的影響。通過(guò)這樣一種分析去檢驗(yàn)系泊失效的各種情況的發(fā)生概率及其對(duì)安全和環(huán)境的影響。風(fēng)險(xiǎn)分析可用以確定合適的重現(xiàn)周期，但應(yīng)不少于一年。

b.做好作業(yè)人員撤離計(jì)劃，并在熱帶氣旋來(lái)到之前予以實(shí)施。

圖8 平臺(tái)作業(yè)海況影響參數(shù)

在錨泊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工況下，所有系泊纜完好或一根系泊纜破損時(shí)，系泊纜的強(qiáng)度仍具備一定的安全裕度，系泊纜在海底仍有躺底部分（錨無(wú)上拔力），此時(shí)不限制平臺(tái)的漂移。錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力與人員是否撤離并無(wú)實(shí)質(zhì)的聯(lián)系，鉆井平臺(tái)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮是否抗臺(tái)，可以設(shè)置12點(diǎn)錨泊定位，提高錨泊系統(tǒng)的能力抵抗10年一遇的臺(tái)風(fēng)；也可以考慮設(shè)置8點(diǎn)錨泊定位只抵抗5年一遇的臺(tái)風(fēng)，通常生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要抗臺(tái)，然而鉆井平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)要求可以相對(duì)降低。錨泊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工況下人員已經(jīng)撤離平臺(tái)，該工況直接影響錨泊系統(tǒng)走錨的概率，另外對(duì)于需要經(jīng)常移位的平臺(tái)來(lái)說(shuō)，系泊纜數(shù)目越多操作效率越低。

4.4 生存工況

不考慮熱帶氣旋、季風(fēng)的區(qū)別，平臺(tái)生存工況波浪取自南海100年一遇最大海況，流速取100年一遇最大風(fēng)速下的條件極值，穩(wěn)性校核時(shí)風(fēng)速按規(guī)范選取為100 kn。風(fēng)速100 kn已不能達(dá)到南海北部區(qū)塊100年一遇的水平，實(shí)際項(xiàng)目中根據(jù)船東要求再確定自存工況穩(wěn)性校核風(fēng)速。平臺(tái)遭遇生存海況時(shí)，系泊纜已相對(duì)松弛，其張力減少，人員已經(jīng)全部撤離，錨泊系統(tǒng)也可能發(fā)生走錨或錨纜斷裂，各纜繩上的張力重新分配，平臺(tái)產(chǎn)生更大范圍的水平漂移。如果預(yù)報(bào)作業(yè)區(qū)將遭遇超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，平臺(tái)已無(wú)法生存，由于受到拖輪能力的限制，應(yīng)提早在較好海況下將平臺(tái)撤離至避風(fēng)區(qū)，平臺(tái)移位之前應(yīng)將隔水管收起至甲板堆放區(qū)，避免隔水管在水下發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)生存海況影響參數(shù)如圖9所示：

圖9 平臺(tái)生存海況影響參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

研究海洋環(huán)境條件的意義是在現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)水平和設(shè)備技術(shù)水平條件下，確保該海域作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)的作業(yè)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。南海是臺(tái)風(fēng)多發(fā)海域，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)速可達(dá)60m/s，熱帶氣旋的生成地和發(fā)展趨勢(shì)千變?nèi)f化，不同時(shí)間熱帶氣旋的強(qiáng)度和路徑各有不同，這些都增加準(zhǔn)確預(yù)報(bào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)的難度，進(jìn)而影響作業(yè)平臺(tái)的人員撤離決策和應(yīng)采取的安全措施，為應(yīng)對(duì)極端天氣的威脅，需要建立統(tǒng)一、規(guī)范、有計(jì)劃的和科學(xué)的臺(tái)風(fēng)預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急撤離程序。

作業(yè)海況和平臺(tái)型式?jīng)Q定平臺(tái)作業(yè)工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值影響鉆井運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力（例如鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、隔水管張緊系統(tǒng)等），另外作業(yè)海況的最大風(fēng)速也影響鉆井平臺(tái)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)（例如起重設(shè)備、井架系統(tǒng)），同時(shí)該作業(yè)海況還應(yīng)保證足夠的全年作業(yè)率。

研究海洋環(huán)境時(shí)應(yīng)建立作業(yè)區(qū)塊、水深和風(fēng)浪流條件的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能將其互相割裂。例如南海中部區(qū)塊水深超過(guò)1 500m，而海況較好，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)于不同水深定位能力的研究很重要。通常生產(chǎn)平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要抗臺(tái)，然而鉆井平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)要求可以相對(duì)降低。錨泊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工況下，人員已經(jīng)撤離平臺(tái)，人員撤離決策不會(huì)因錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件的提高而有所改變，錨泊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工況直接影響系統(tǒng)走錨或錨纜斷裂的概率。實(shí)際工程領(lǐng)域，關(guān)于錨泊系統(tǒng)，業(yè)主提出12點(diǎn)和8點(diǎn)都是合理的。不過(guò)是有的關(guān)注便利性和成本，有的關(guān)注個(gè)別極端海況。

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要用于控制平臺(tái)作業(yè)工況和隔水管最大連接工況下平臺(tái)的偏移，不會(huì)用于抵御臺(tái)風(fēng)。DP系統(tǒng)抗風(fēng)能力，既要滿(mǎn)足平臺(tái)實(shí)際作業(yè)率要求，又要合理降低推進(jìn)器功率。另外錨泊定位時(shí)也可以使用動(dòng)力定位輔助平臺(tái)作業(yè)，動(dòng)力定位的精度較高，可滿(mǎn)足作業(yè)要求，有效提高作業(yè)效率。

海洋環(huán)境條件的變化影響著海上人員活動(dòng)和平臺(tái)操作，需要建立海況與不同操作工況的有效對(duì)應(yīng)聯(lián)系，操作規(guī)范、科學(xué)才能保障平臺(tái)的海上作業(yè)性和安全性。

［1］水文氣象環(huán)境動(dòng)力參數(shù)研究技術(shù)報(bào)告［R］.中科院南海海洋研究所.2009.4.

［2］趙建亭.浮式鉆井裝置鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)研究［J］.船舶，2010，（03）.

［3］API RECOMMEND PRACTICE 2SK（APIRP 2SK）.Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure［Z］.2005.

［4］孫意卿.海洋工程環(huán)境條件及其載荷［M］.上海交大出版社，1989.

［5］馬志良，羅德濤.近海移動(dòng)式平臺(tái)［M］.海洋出版社，1993.

［6］Ronalds B F.Deepwater Facility Selection［A］.Offshore Technology Conference［C］.2002.

Environmental parameter analysis for the design of semi-submersible drilling platform based on South China Sea environment

Tong Bo Jin Qiang

South China Sea environment；tropical cyclone；designed condition；sea condition parameter

The design of the semi-submersible drilling platform faces to great challenges because of the complex and changeable environment of South China Sea，such as deep water，prevailing monsoon，high-frequency tropical cyclone，irregular ocean current，the internal wave and so on.The ocean environment has been studied to insure the operation ality，security and economy for the semi-submersible drilling platform in this area under current platform design ability and equipment technical conditions.The environment features of operation sea area for the deep-sea semi-submersible drilling platform have been analyzed and can be applied to choose the sea condition parameters related to various situations during the platform design.

U674.38

A

1001-9855（2011）02-0008-07

2010-10-15

童波（1983-），男，漢族，助理工程師，主要從事海洋工程總體研究設(shè)計(jì)工作。

金強(qiáng)（1973-），男，漢族，高級(jí)工程師，主要從事船舶總體研究設(shè)計(jì)工作。