張　浩　陳國明　鄭純亮　寇貝貝（.中國石油大學(xué)（華東），山東青島　66580；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

內(nèi)波參數(shù)對半潛式鉆井平臺漂移量的影響

張浩1陳國明1鄭純亮1寇貝貝2
（1.中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

基于KdV理論和莫里森方程，對內(nèi)波作用力進行理論計算。獲得平臺在內(nèi)波作用下的運動時程曲線，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)波作用下，平臺產(chǎn)生沿內(nèi)波入射方向的最大漂移量和反向漂移，并在內(nèi)波過境后不斷振蕩最終回到平衡位置。針對內(nèi)波上層流體厚度、最大流速、入射角度和水深等4個因素對平臺漂移量的影響進行規(guī)律性研究，發(fā)現(xiàn)上層流體厚度與水深的變化對平臺的漂移量影響不大，最大流速應(yīng)作為首要監(jiān)測因素，內(nèi)波入射角可在最大流速確定的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測范圍。監(jiān)測到強內(nèi)波流后，應(yīng)停止平臺作業(yè)，斷開作業(yè)管柱，適當(dāng)放松迎流向錨鏈。

內(nèi)波；運動方程；深水；半潛式鉆井平臺；漂移量

內(nèi)波作用導(dǎo)致深水鉆井平臺發(fā)生大偏移后，將使平臺超出隔水管或其他管柱正常作業(yè)窗口，導(dǎo)致隔水管及其他管柱發(fā)生破壞［1-2］，同時對井口的力學(xué)特性產(chǎn)生重大影響［3］。目前絕大部分研究都集中在常規(guī)荷載條件下半潛式鉆井平臺極限工況下的動力分析，而對內(nèi)波作用下平臺的相關(guān)分析較少。因此，開展了內(nèi)波下的平臺動力學(xué)分析，確定平臺在內(nèi)波作用下的動力特性，明確內(nèi)波作用下，平臺漂移量的變化規(guī)律。

1　內(nèi)波力及運動方程計算基礎(chǔ)

1.1內(nèi)波力計算

將內(nèi)波假設(shè)為一個兩層流模型［4-6］，考慮到內(nèi)波波長較長，一般在幾百米甚至上千米，任何海洋結(jié)構(gòu)物在內(nèi)波作用下均可看作是小尺度結(jié)構(gòu)物，即可以采用莫里森方程進行計算［7］

將式（1）積分得到平臺所受內(nèi)波作用力為

式中，ρ為流體密度；D為結(jié)構(gòu)物當(dāng)量直徑；u為流體速度；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)；Cd為拖曳力系數(shù)；l為入水長度；l1、l2分別為結(jié)構(gòu)物入水深度的上下邊界。

KdV模型是描述海洋內(nèi)波最常用的模型［8］，對于沿x軸正向傳播的內(nèi)波，其控制方程為

其中

式中，η為波剖面，c0為線性相速度，α為非線性系數(shù)，γ為頻散系數(shù)，ρ1、ρ2分別為上下層流體的密度，h1、h2分別為上下層流體的厚度。

通過求解式（3），得到等密度層方程為

式中，η0為最大振幅；c為內(nèi)波相速度；L為半波寬。內(nèi)波上下兩層流速為

通過所得內(nèi)波流速，結(jié)合莫里森方程（1），求得平臺受到的內(nèi)波力。

1.2運動方程求解

聯(lián)立上述方程，確定運動方程的最終形式，如式（12）。通過建立位移與作用力之間如式（13）形式的傳遞函數(shù)G（t），最終得到平臺的位移函數(shù)X（t）。

式中，M為平臺質(zhì)量；C為阻尼系數(shù)；K為平臺系泊剛度。

2　內(nèi)波作用下平臺動力特性研究

2.1研究對象

以某深水半潛式鉆井平臺為研究對象，對其進行內(nèi)波作用下的動力特性研究，基本參數(shù)見表1。

表1　某深水半潛式鉆井平臺基本參數(shù)

2.2內(nèi)波力計算

根據(jù)KdV雙層流理論與結(jié)構(gòu)動力學(xué)，對該鉆井平臺進行編程計算，可計算出內(nèi)波過境前后上下層流體流速，設(shè)內(nèi)波到達平臺為0 s，如圖1~圖3，根據(jù)莫里森方程得到內(nèi)波力的時程曲線，如圖4。

圖1　等密度層時程曲線

圖2　上層流體流速

圖4反映了內(nèi)波力隨時間變化關(guān)系，可以看出，當(dāng)內(nèi)波來臨時，平臺受到的作用力急劇增大，達到峰值后又逐漸衰減并產(chǎn)生與內(nèi)波運動方向相反的力。

圖3　下層流體流速

圖4　內(nèi)波作用力時程曲線

2.3平臺動力特性分析

通過2.2求得內(nèi)波作用力，結(jié)合式（12），求解運動方程。認為在內(nèi)波作用下，平臺位移與內(nèi)波入射方向相同，因此只得到在內(nèi)波入射方向的一條位移曲線，而不分解為平臺縱蕩和橫蕩運動。圖5為該平臺在某內(nèi)波作用下的運動時程曲線。當(dāng)內(nèi)波來臨時，平臺位移急劇增大，達到峰值后，又向反方向運動并出現(xiàn)振蕩運動，最終回到平衡位置。平臺存在一個最大位移為67.21 m，最大反向位移為28.51 m。

圖5　平臺運動時程曲線

3　內(nèi)波參數(shù)對平臺漂移量的影響

3.1內(nèi)波參數(shù)

根據(jù)KdV模型，可以確定內(nèi)波的主要參數(shù)分別為上層流體厚度、內(nèi)波流速、內(nèi)波入射角以及水深。內(nèi)波各參數(shù)不同會導(dǎo)致內(nèi)波力不同，進而使平臺產(chǎn)生不同的漂移量。因此，本文重點研究內(nèi)波參數(shù)不同時，對平臺漂移量產(chǎn)生何種影響。

3.2不同內(nèi)波參數(shù)下平臺漂移量的變化規(guī)律

根據(jù)3.1確定的內(nèi)波參數(shù)，采用控制變量法分別對上述各參數(shù)進行計算分析，結(jié)果如圖6~圖9。

圖6　平臺漂移量隨上層流體厚度的變化關(guān)系

圖7　平臺漂移量隨最大流速的變化關(guān)系

圖8　平臺漂移量隨入射角度的變化關(guān)系

圖9　平臺漂移量隨水深的變化關(guān)系

圖6為水深631 m，內(nèi)波最大流速為6節(jié)，入射角為30°時平臺漂移量隨上層流體厚度的變化關(guān)系。可以看出，隨上層流體厚度的增加，平臺的正向最大漂移量基本不變，反向最大漂移量逐漸減小。

圖7為水深631 m，上層流體厚度為90 m，入射角為30°時平臺漂移量隨最大流速的變化關(guān)系。當(dāng)內(nèi)波最大流速逐漸增大時，平臺的正向最大漂移量與反向最大漂移量均顯著增大，同時其變化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的指數(shù)形式。

圖8為水深631 m，上層流體厚度90 m，最大流速6節(jié)時平臺漂移量隨入射角度的變化關(guān)系。入射角控制在0~60°之間時，平臺的正向最大漂移量與反向最大漂移量均隨入射角度的增加而增加，其變化規(guī)律為對數(shù)形式。

圖9為上層流體厚度90 m，最大流速6節(jié)，入射角為40°時平臺漂移量隨水深的變化關(guān)系。隨著水深的增加，平臺的正向最大漂移量基本不變，而反向最大漂移量呈減小趨勢。

綜上所述，在內(nèi)波作用下，深水半潛式平臺漂移量的主要影響因素是內(nèi)波的最大流速和入射角。當(dāng)平臺在鉆井作業(yè)時遭遇內(nèi)波時，應(yīng)重點監(jiān)測內(nèi)波流速和入射方向。同時在兩者中應(yīng)優(yōu)先關(guān)注內(nèi)波流速，在小內(nèi)波流速時可重點觀測靠近船體橫向的入射方向，而在大內(nèi)波流速時則應(yīng)全面觀測所有入射方向。

4　結(jié)論

（1）通過理論求解，得到內(nèi)波力的時程變化曲線。可以看出內(nèi)波過境前后，其作用力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在過境后產(chǎn)生一定的反向作用力。在內(nèi)波力的作用下，平臺在其入射方向的漂移量也呈現(xiàn)相似的變化形式，即產(chǎn)生一個正向最大漂移量并逐漸減小，隨后向其反向運動最終達到平衡位置。

（2）考慮內(nèi)波上層流體厚度、最大流速、入射角度、深水等4個因素對平臺漂移量的影響，通過控制變量分別得到4個因素變化時平臺漂移量的變化規(guī)律。即當(dāng)上層流體厚度或水深增加時，平臺的正向最大漂移量基本不變，反向漂移減小。當(dāng)內(nèi)波最大流速增大時，平臺漂移量以指數(shù)形式增大，而內(nèi)波入射角從0增大60°時，平臺漂移量以對數(shù)形式增大。

（3）根據(jù)所得規(guī)律性結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場對內(nèi)波參數(shù)的監(jiān)測難度，認為在對內(nèi)波監(jiān)測時，可以忽略上層流體厚度和水深2個因素。重點監(jiān)測內(nèi)波最大流速和入射角。同時將內(nèi)波最大流速作為首要監(jiān)測因素。當(dāng)監(jiān)測到強內(nèi)波流后，應(yīng)迅速停止作業(yè)，斷開作業(yè)管柱，適當(dāng)放松迎流向錨鏈，以避免平臺發(fā)生大偏移后造成對錨鏈的破壞。

［1］劉康，陳國明，暢元江，等.深水測試管柱作業(yè)條件下平臺偏移預(yù)警界限［J］.石油學(xué)報，2014，35（6）： 1204-1210.

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［3］蘇堪華，管志川，蘇義腦.深水鉆井水下井口力學(xué)穩(wěn)定性分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：1-4.

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〔編輯劉秀全〕

Effect of internal wave parametres on drifting quantity of semi-submersible drilling platform

ZHANG Hao1, CHEN Guoming1, ZHENG Chunliang1, KOU Beibei2
（1.China University of Petroleum （East China）, Qingdao 266580, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Based on KdV theory and Morison equation, the theoretical calculation is done for the acting force of internal wave. The motion time travel curve of platform under the action of internal wave is figured out. It is discovered that, under the action of internal wave, the platform has the maximum drifting quantity and reverse drifting in the incidence direction of internal wave, and constantly vibrates and finally returns to the balanced position after the internal wave passes. According to effects of 4 factors, namely, upper fluid thickness of internal wave, maximum flow rate, angle of incidence and water depth on the platform drifting quantity, the research on law is conducted, and it is discovered that the changes of upper fluid thickness and water depth do not leave great effects on the platform drifting quantity, the maximum flow rate should be regarded as the primary monitoring factor, and the monitoring scope of angle of incidence of internal wave may be properly adjusted on the basis of determined maximum flow rate. After the strong internal wave current is monitored, the platform operation should be stopped, the operation pipe column should be disconnected, and the anchor chain towards the current direction should be properly loosened.

internal wave; motion equation; deepwater; semi-submersible drilling platform; drifting quantity

U611.1

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0039 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.009

中海石油深海開發(fā)有限公司項目“ 深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)安全評估與作業(yè)管理研究”。

張浩，1991年生。在讀碩士研究生，主要從事深水浮式平臺水動力研究。E-mail：zhanghaocoolcool@163.com。

2014-12-31）

引用格式：張浩，陳國明，鄭純亮，等. 內(nèi)波參數(shù)對半潛式鉆井平臺漂移量的影響［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：39-42.