韓榮貴，時　磊，楊　楠，崔　娜，李　磊，肖　元，張健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264000)

挪威北海惡劣海況下半潛式鉆井平臺工作性能分析

韓榮貴，時磊，楊楠，崔娜，李磊，肖元，張健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264000)

摘要：針對半潛式鉆井平臺運動性能量化評估問題，采用工作性能分析方法。對3座半潛式鉆井平臺，考慮挪威北海惡劣海況條件，進行工作性能分析。結(jié)果表明，目標平臺在3座平臺中工作性能最佳。工作性能分析方法可以作為評估半潛鉆井平臺運動性能的分析工具之一。

關(guān)鍵詞：半潛式鉆井平臺；工作性能分析；勢流理論；水動力分析

挪威北海作為油氣開采比較活躍的幾個重要油區(qū)之一，以其海洋環(huán)境惡劣著稱，尤其是波浪條件十分惡劣，最大波高超過30 m[1]。由于惡劣的波浪條件，使得在挪威北海工作的半潛式鉆井平臺承受較大的波浪力和產(chǎn)生較大的平臺位移，對平臺的作業(yè)安全性是巨大挑戰(zhàn)。因此，在進行工作于挪威北海海域的半潛式鉆井平臺設(shè)計過程中，平臺的運動性能是一項重要的設(shè)計指標。為獲得量化的平臺運動性能評估指標，采用工作性能分析方法開展3座半潛式鉆井平臺運動性能研究。工作性能分析結(jié)果體現(xiàn)在平臺在指定海域和工況下的作業(yè)天窗期。作業(yè)天窗期是指平臺在指定海域和操作工況運動限制條件下，每年可工作的時間百分比，可以量化地反映平臺的運動性能。

1工作性能分析介紹

工作性能分析主要是在水動力系數(shù)計算基礎(chǔ)上，根據(jù)半潛式鉆井平臺具體操作工況的運動限制條件，結(jié)合實際工作海域的波浪信息，應(yīng)用短期預(yù)報方法，統(tǒng)計某項操作每年可以工作的時間百分比。

1.1勢流理論

采用三維勢流理論求解半潛式鉆井平臺附加質(zhì)量、勢流阻尼等水動力系數(shù)，在微幅波假設(shè)下，浮體線性運動方程為[2-3]

(1)

式中：Mij——平臺質(zhì)量矩陣；

Aij——平臺附加質(zhì)量矩陣；

Bij——平臺勢流阻尼矩陣；

BZij——平臺粘性阻尼矩陣；

Cij——平臺回復(fù)力剛度矩陣；

Xi——平臺收到的波浪激勵力；

ξj——平臺運動幅值。

數(shù)值計算中，所用面元采用常數(shù)元，在面元上均勻分布源匯強度，采用源匯表征流場速度勢的分布。通過求解源匯強度，獲得平臺在單位波幅波浪作用下的頻域運動響應(yīng)算子(RAO)。目前采用SESAM/HydroD[4-5]軟件進行相關(guān)勢流理論求解，獲得相關(guān)運動響應(yīng)算子(RAO)。

1.2短期預(yù)報

在工作性能計算過程中，短期預(yù)報采用的波浪譜類型為PM譜，PM波浪譜密度Sξ(w)如下式[5]。

(2)

式中：Tp——譜峰周期；

HS——有義波高；

p——波浪圓頻率。

通過水動力分析軟件獲得平臺RAO，結(jié)合實際海域的波浪譜，即可獲得平臺運動響應(yīng)譜SR(w)[6]。

(3)

通過響應(yīng)譜，可以獲得響應(yīng)譜各階譜矩。

(4)

運動響應(yīng)有義值為

(5)

1.3工作性能分析

工作性能分析是指根據(jù)特定操作工況的相關(guān)運動響應(yīng)幅值限制條件，如下放防噴器操作，平臺升沉運動不超過1.0 m，橫搖和縱搖角度不超過2.0°，通過對波浪散布圖(見圖1)中所用采集的各海況條件進行3 h短期預(yù)報，判斷各海況下平臺的最大運動幅值是否超過限制值(如表2示例)，如果沒有超過，則表明在該海況下可以進行相關(guān)作業(yè)。最終，統(tǒng)計所有可作業(yè)海況出現(xiàn)數(shù)量占所有海況數(shù)量的百分比。用該百分比表征平臺每年可以工作的時間百分比，作為評價平臺運動性能優(yōu)劣的參考。百分比越高說明平臺可操作的時間越多，平臺工作性能越好。

2算例分析

將中集來福士正在建造的某半潛式鉆井平臺與已建的兩座工作于同一海域的半潛式鉆井平臺(記為1#平臺和2#平臺)進行工作性能方面的對比分析。該平臺在運動性能優(yōu)化方面做了進一步的優(yōu)化設(shè)計。3座半潛式鉆井平臺的設(shè)計時間先后順序依次是1#平臺、2#平臺和本平臺。

圖1　波浪散布表(Statfjord油田)

在該平臺設(shè)計過程中，為了獲取更佳的平臺運動性能，進行了多個方案性能分析，考慮因素包括平臺浮筒長寬比、浮筒間距、浮筒倒角大小、立柱長寬比、立柱間距、立柱倒角大小、橫撐直徑和高度以及平臺吃水等。最終，綜合考慮平臺總重量、穩(wěn)性要求等綜合因素，確定相關(guān)平臺主尺度。

2.1水動力模型

對1#平臺、2#平臺和本平臺進行相關(guān)水動力分析。主要參數(shù)見表1，水動力網(wǎng)格模型見圖2～4。

2.2海況參數(shù)

具體分析所有海域波浪散布圖見圖1，該散布圖是挪威北海Statfjord油田的典型波浪散布圖。計算過程中假設(shè)各浪向波浪出現(xiàn)的概率相等，取0～360°，15°間隔，共計24個浪向。

表1　平臺主要參數(shù)

圖2　1#平臺水動力網(wǎng)格模型

圖3　2#平臺水動力網(wǎng)格模型

圖4　本平臺水動力網(wǎng)格模型

2.3操作工況運動限制條件

典型操作工況運動限制條件見表2。

表2　典型操作工況運動限制條件

平臺運動限制條件的設(shè)定主要是為保證平臺在進行相關(guān)操作時保證設(shè)備和人員的安全，防止重大事故出現(xiàn)。平臺的典型操作工況限制條件除了表2中的升沉、橫搖和縱搖運動外，還可以定義某些位置的速度、加速度值等作為相關(guān)操作的限制條件。

2.4計算結(jié)果

各項目工作性能計算結(jié)果見表3。

表3　工作性能計算結(jié)果對比　%

表3中數(shù)據(jù)表示各平臺在不同操作類型工況下每年可以工作的時間百分比。本平臺與1#平臺和2#平臺相比，各工況全年可增加的作業(yè)天數(shù)可以根據(jù)本平臺與1#平臺或2#平臺工作時間百分比的差值乘以365 d獲得，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4　本平臺全年可增加工作天數(shù)及經(jīng)濟效益對比　%

由表1可見，本平臺在主尺度上面進行較大的調(diào)整，從而來獲取較好的平臺運動性能。本平臺號與1#平臺運動性能的改善相比1#平臺到2#平臺的改善并沒有明顯量級上的變化。其原因在于，從圖1可以看出，波浪散布圖中的海況分布呈一個倒金字塔形，高海況對應(yīng)的海況出現(xiàn)次數(shù)變小。從而導致工作天窗期達到一定量級時，提高平臺的作業(yè)天窗期越來越困難。

2.5結(jié)果分析

由表3可見，3個項目的工作性能依次變好，表明該系列平臺設(shè)計過程中運動性能方面是不斷優(yōu)化的。3座半潛式鉆井平臺中目標平臺工作性能最佳，與目標平臺操作吃水大，有利于改善垂蕩運動性能響應(yīng)有直接關(guān)系，符合理論分析的變化趨勢。

由表4可見，平臺運動性能的優(yōu)化帶來的平臺可工作天數(shù)的增加是比較可觀的，可有利地提高臺的作業(yè)效率。表4中以中等水深半潛式鉆井平臺平均日費率36.06萬美元計算了相關(guān)操作工況的經(jīng)濟效益，計算結(jié)果可以看出運動性能的優(yōu)化，可節(jié)約平臺使用方的大量資金，有利于提高平臺的市場認可度。

3結(jié)束語

3座半潛式鉆井平臺的算例結(jié)果表明，目標平臺工作性能最佳，符合理論分析的變化趨勢。工作性能分析的優(yōu)勢在于可以直接給出量化的平臺可工作時間百分比，進而反映出平臺運動性能情況。在平臺方案設(shè)計過程中，可以為量化評估平臺運動性能提供數(shù)據(jù)支持。本文分析過程中只考慮了平臺升沉、橫搖和縱搖對工作性能的影響，后續(xù)研究中可以進一步考慮加速度、速度等影響因素，更全面地衡量平臺作業(yè)性能等。

參考文獻

[1] FALTINSEN O M.船舶與海洋工程環(huán)境載荷[M].楊建民，肖龍飛，葛春花,譯.上海：上海交通大學出版社，2008.

[2] 戴遺山，段文洋.艦船在波浪中運動的勢流理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4] 王世圣，謝彬.3 000 m深水半潛式鉆井平臺運動性能研究[J].中國海上油氣，2007，19(4):278-284.

[5] DNV-RP-C205, Environmental conditions and environmental loads[S].DNV， 2014.

[6] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS， 2014.

Workability Analysis for Semi-Submersible Drilling Unit under Harsh Environment at Norwegian Sea

HAN Rong-gui, SHI Lei, YANG Nan, CUI Na, LI Lei, XIAO Yuan, ZHANG Jian-xiao

(CIMC Offshore Engineering Institute Ltd., Yantai Shandong 264000, China)

Abstract:For quantitative assessment of motion performance of semi-submersible drilling unit, the workability analysis method is applied to investigate the workability for three semi-submersible drilling units under harsh environment at Norwegian Sea. According to analysis results, the target project had the best workability performance. It is proved that the workability analysis can be used as a tool to evaluate the performance of semi-submersible drilling unit.

Key words:semi-submersible drilling unit; workability analysis; potential flow theory; hydrodynamic analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.029

收稿日期：2015-11-06

基金項目：山東省自主專項(2014CGZH1202)；泰山學者藍色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專家專項

第一作者簡介：韓榮貴(1982—)，男，碩士，工程師 E-mail:ronggui.han@cimc-raffles.com

中圖分類號：U674.38；P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0127-04

修回日期：2015-12-08

研究方向:船舶與海洋工程水動力分析