鄭純亮， 陳國明， 張 浩， 羅 寧， 劉正禮

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心， 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)

南海深水鉆井平臺錨泊系統(tǒng)預張力優(yōu)選研究

鄭純亮1， 陳國明1， 張 浩1， 羅 寧1， 劉正禮2

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心， 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)

根據(jù)不同工況對錨泊系統(tǒng)的不同要求，確定錨泊系統(tǒng)性能優(yōu)化的設計變量、優(yōu)化目標和約束條件等。以南海某深水半潛式鉆井平臺為例，采用ANSYS-AQWA軟件建立平臺-錨泊系統(tǒng)動力耦合分析模型，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境載荷劃分工況，并采用AQWA-DRIFT模塊進行時域分析，得到各個方向上平臺的最大漂移量、平均漂移量及系泊線最小安全系數(shù)等結果。基于作業(yè)工況安全作業(yè)窗口最大的優(yōu)化要求，以及現(xiàn)場對平臺漂移量和系泊線安全性能要求的優(yōu)先級順序，確定作業(yè)工況下的最優(yōu)預張力范圍；選取某極限工況，基于極限工況系泊線安全系數(shù)最大的優(yōu)化要求，確定極限工況最優(yōu)預張力范圍。

錨泊系統(tǒng)；優(yōu)化要求；工況；預張力；優(yōu)選

0 引言

隨著我國南海油氣勘探開發(fā)水域日趨加深，對半潛式鉆井平臺的需求逐漸增加。錨泊定位為我國南海半潛式鉆井平臺的重要定位方式，而錨泊系統(tǒng)的預張力設置對保證深水錨泊系統(tǒng)的安全作業(yè)十分重要。預張力過大則系泊線動張力大，不利于平臺安全；預張力過小則平臺漂移量大，不能滿足正常作業(yè)要求。我國南海工況復雜，不同工況對平臺錨泊系統(tǒng)的要求也不同，因此預張力的選擇原則也不同。尤其在我國南海海域環(huán)境惡劣，惡劣的環(huán)境條件極易引發(fā)一系列錨泊系統(tǒng)失效事故。從實際出發(fā)，結合現(xiàn)場作業(yè)要求研究不同工況下深水錨泊系統(tǒng)的預張力優(yōu)選很有必要。

錨泊系統(tǒng)的優(yōu)化方面，國內(nèi)外學者進行了大量地研究。Mehdi Shafieefar[1]基于遺傳算法提出一種可以使平臺響應最小的錨鏈布局和錨鏈張力優(yōu)化自動程序。Rio de Janeir[2]利用遺傳算法優(yōu)化布錨方案使平臺漂移量最小。金鴻章等[3]利用改進的遺傳算法優(yōu)化系泊線張力。樊磊等[4]以滿足安全校核及水動力性能良好為目標，采用時域方法對半潛式起重平臺的系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化研究。這些研究豐富了錨鏈系統(tǒng)設計方法，然而由于錨泊系統(tǒng)影響因素多，不同工況對錨泊系統(tǒng)的要求不同，目前的研究成果不能適用于所有工況形成統(tǒng)一的優(yōu)化方法，研究成果與現(xiàn)場應用的結合需進一步加強。

該文的研究面向我國南海深水油氣開發(fā)實際，結合現(xiàn)場平臺錨泊系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，分析不同工況下錨泊系統(tǒng)的力學響應性能，并對錨泊系統(tǒng)的預張力進行優(yōu)選，為深水錨泊系統(tǒng)的安全作業(yè)提供技術支持。雖然多種因素對平臺-錨泊系統(tǒng)的水動力響應都有影響，但是作業(yè)工況和極限工況下的預張力優(yōu)選思路不變，該文在作業(yè)水深、平臺外形、錨泊系統(tǒng)布置方案等確定的前提下研究預張力優(yōu)選方法，符合工程要求。

1 錨泊系統(tǒng)性能優(yōu)化要求

1.1 優(yōu)化表達式

錨泊系統(tǒng)的預張力優(yōu)化屬于多目標優(yōu)化問題[5]，多目標優(yōu)化問題的數(shù)學表達式為[6]：

設計變量：

目標：

約束：

式中：ai、bi為第i個設計變量xi的上下限；n為設計變量的個數(shù)；p為非上、下限等式約束的個數(shù)；l為非上、下限不等式的約束個數(shù)。

1.2 設計變量

錨泊系統(tǒng)力學性能的影響因素很多，但是現(xiàn)場作業(yè)過程中很多因素是不可調(diào)整的，如錨泊系統(tǒng)的類型、設備選型、系泊線成分等內(nèi)部因素是作業(yè)前提前設定好的，而環(huán)境載荷等外部因素是不可控的，錨泊方案中的布錨角度、拋錨位置等一旦拋錨完成也很難調(diào)整，而最容易調(diào)整也最符合實際的因素就是出纜長度，即通過調(diào)整出纜長度控制預張力，因此，錨泊系統(tǒng)性能優(yōu)化的設計變量為系泊線出纜長度/預張力。

1.3 優(yōu)化目標

作業(yè)過程中調(diào)整錨泊系統(tǒng)預張力不但影響作業(yè)效率，造成大量經(jīng)濟損失，而且在系泊線張力比較大的情況下調(diào)整錨泊系統(tǒng)存在風險，絞車剎車或者止鏈器可能導致嚴重的破壞。同時，即使有些預張力調(diào)整出現(xiàn)在操作手冊中，但是很少執(zhí)行，因此，作業(yè)過程中不建議調(diào)整預張力，除非很有必要執(zhí)行并且應在保證平臺安全的前提下操作。故認為作業(yè)工況的預張力一旦設定好，工況改變時不再調(diào)整，預張力方案應盡量滿足多種環(huán)境條件要求，即作業(yè)工況預張力的優(yōu)化目標為安全作業(yè)窗口最大。

由于極限工況下不再作業(yè)，因此對平臺漂移量不再要求。極限工況下通常斷開隔水管連接，放松錨鏈，保證錨泊系統(tǒng)在臺風等極端載荷下不受損，盡量提高系泊線的安全系數(shù)(系泊線破斷張力/系泊線最大張力)。放松錨鏈的程度應根據(jù)氣象預報的極限工況載荷大小確定，優(yōu)選極限工況預張力時，應首先比較所有錨鏈的最小安全系數(shù)，保證最危險錨鏈的安全；當最小安全系數(shù)接近時，應進一步比較平均張力的大小，平均張力越小，錨泊系統(tǒng)越安全，即極限工況預張力的優(yōu)化目標為系泊線安全系數(shù)最高。

通常情況下，預張力越大對控制平臺漂移量越有效，預張力越小對保證系泊線安全越有益。不同的工況條件下對平臺的要求不同，在優(yōu)選預張力時需要判斷控制平臺漂移量和保證系泊線安全性能的優(yōu)先級，根據(jù)現(xiàn)場需求適當調(diào)整優(yōu)化目標。

1.4 約束條件

深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)主要用于定位，為保證順利地進行鉆井作業(yè)，要求平臺漂移量不超過規(guī)定范圍。為保證錨泊系統(tǒng)的結構和功能的完整性，要求系泊線不發(fā)生斷開，通常要求系泊線張力的最小安全系數(shù)不大于許用值，此外，要求錨泊系統(tǒng)不發(fā)生走錨、疲勞失效等。走錨的影響因素很多，走錨不一定意味著事故。該文分析對象屬于移動式系泊，疲勞失效分析不是重點，故分析過程中不考慮走錨和疲勞，錨泊系統(tǒng)性能優(yōu)化的約束條件為平臺漂移量和系泊線張力滿足作業(yè)要求，平臺漂移量和系泊線張力的要求參考API-RP-2SK標準[7]。綜合考慮，認為作業(yè)時平臺的平均漂移量不應超過水深的4%，最大漂移量不應超過水深的8%，錨泊系統(tǒng)完整條件下動力分析的系泊線最小安全系數(shù)不應小于1.67。

綜上所述，該文錨泊系統(tǒng)力學性能優(yōu)化以預張力為控制變量，作業(yè)工況安全作業(yè)窗口最大、極限工況系泊線安全系數(shù)最大為優(yōu)化目標，平臺漂移量和系泊線張力滿足作業(yè)要求為約束條件，優(yōu)選出作業(yè)工況和極限工況的最優(yōu)預張力。

2 分析模型及方法

2.1 分析模型

該文以南海某半潛式鉆井平臺為研究對象，其錨泊系統(tǒng)為8點、45°對稱分布的移動式系泊系統(tǒng)，工作水深631 m，系泊線為錨鏈和錨纜的組合形式，底端與錨連接的臥底段為錨鏈，上端與平臺連接段為錨纜，中間過渡段為錨鏈。

采用ANSYS-AQWA軟件建立錨泊系統(tǒng)的水動力分析模型，建立的平臺ANSYS模型如圖1所示，整個模型的濕表面采用Shell63單元，撐桿采用Pipe59單元進行網(wǎng)格劃分。將ANSYS模型數(shù)據(jù)導入到AQWA中，定義水深、系泊線、導纜孔、錨點、重心等信息，得到無隔水管的平臺-錨泊系統(tǒng)耦合分析模型，如圖2所示。

圖1 南海某平臺ANSYS模型

圖2 無隔水管平臺-錨泊系統(tǒng)耦合模型

為方便計算分析，模擬過程進行了如下簡化：

(1) 不考慮錨土的相互作用，認為錨點是一個剛性節(jié)點，即認為不發(fā)生走錨。

(2) 忽略錨泊系統(tǒng)中因腐蝕、磨損等原因造成的各組件剛度、斷裂強度的降低。

(3) 風荷載和流荷載計算采用恒定風和恒定流理論。

(4) 風、浪、流方向一致，即各個方向環(huán)境載荷為風浪流的最大組合，這是一種偏保守的簡化。

(5) 不考慮系泊線彈性伸長，認為系泊線長度恒定。

2.2 分析方法

錨泊分析中常采用的方法包括準靜定法、頻域法、時域法。準靜定法由于計算過程簡單，可用于移動式系泊和安全性較高的永久式系泊的初步分析。頻域法計算簡單，但是需要對非線性問題進行處理，常用于錨泊系統(tǒng)的運動機理研究。時域法可解決穩(wěn)態(tài)問題、瞬態(tài)問題和非線性問題，可模擬動力響應的時間歷程，但是該方法計算量大、耗時長。三種分析方法可以分別通過AQWA中的Cable Dynamics、AQWA-FER、AQWA-DRIFT模塊實現(xiàn)。由于時域法的計算結果準確性相對較高，且采用AQWA軟件計算速度快，因此，該文計算主要基于AQWA-DRIFT模塊進行時域分析。

3 作業(yè)工況預張力優(yōu)選

3.1 工況劃分

根據(jù)現(xiàn)場某區(qū)塊的環(huán)境參數(shù)定義分析工況，具體細化見表1。其中，工況1為1年重現(xiàn)期季風工況，工況4為1年重現(xiàn)期臺風工況。

表1 分析工況細化表

3.2 分析計算

分別設定錨泊系統(tǒng)預張力為129 t、137 t、156 t，在此基礎上進行錨泊系統(tǒng)動力分析，得到不同環(huán)境入射方向下的平臺漂移量和系泊線動張力的時歷結果，進一步整理得到平臺的最大漂移量、平均漂移量及系泊線的最小安全系數(shù)。以工況1預張力137 t為例，得到各個方向上平臺的最大漂移量、平均漂移量及系泊線的最小安全系數(shù)，如圖3～圖5所示。

圖3 工況1 預張力137 t時平臺平均漂移量

圖4 工況1 預張力137 t時平臺最大漂移量

圖5 工況1 預張力137 t時系泊線最小安全系數(shù)

3.3 預張力優(yōu)選

根據(jù)1.4節(jié)所述約束條件及平臺所在海域水深，確定平臺允許平均漂移量為25.24 m，允許最大漂移量為50.48 m，允許系泊線最小安全系數(shù)為1.67。綜合這三條約束條件，統(tǒng)計不同工況、不同預張力下，平臺平均漂移量、最大漂移量、系泊線最小安全系數(shù)在各個方向上的最大值及其許用值，如圖6～圖8所示。

圖6 預張力129 t時各工況下最大漂移量與最小安全系數(shù)

圖7 預張力137 t時各工況下最大漂移量與最小安全系數(shù)

圖8 預張力156 t時各工況下最大漂移量與最小安全系數(shù)

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，預張力129 t、137 t、156 t時的作業(yè)窗口都為工況1～工況4。預張力為129 t時，在工況4下平臺漂移量接近允許值，預張力156 t時，在工況4下系泊線張力接近允許值。如果預張力比129 t小，容易出現(xiàn)平臺漂移量超過允許值的情況；同樣，如果預張力比156 t大，容易出現(xiàn)系泊線最小安全系數(shù)低于允許值的情況。這兩種情況都會縮小作業(yè)窗口，因此，認為預張力在129 t～156 t之間，錨泊系統(tǒng)的安全作業(yè)窗口最大，即作業(yè)工況最優(yōu)預張力在該范圍內(nèi)。

在預張力129 t～156 t之間選取最優(yōu)預張力，需要首先判斷現(xiàn)場對平臺漂移量和系泊線安全性能要求的優(yōu)先級。如果現(xiàn)場對平臺漂移量要求更為嚴格，則最優(yōu)預張力為156 t左右；如果現(xiàn)場對系泊線的安全性能更看重，則最優(yōu)預張力為129 t左右；如果不確定二者優(yōu)先級，或二者要求折中，選取最優(yōu)預張力為137 t左右。

4 極限工況預張力優(yōu)選

4.1 工況確定

極限載荷來臨前需要減載、減少吃水，同時放松錨鏈，不同極限工況下錨鏈的放松程度應有所區(qū)別，需根據(jù)預報載荷大小優(yōu)選特定極限工況下的最優(yōu)預張力。通過3.3節(jié)發(fā)現(xiàn)，工況5超出安全作業(yè)的要求范圍，因此，認為工況5為最小的極限工況，以工況5為例，優(yōu)選該極限工況下最優(yōu)預張力。

4.2 分析計算

分別設定錨泊系統(tǒng)預張力為40 t、50 t、70 t、86 t、112 t，在此基礎上進行錨泊系統(tǒng)動力分析，得到不同環(huán)境入射方向下，系泊線動張力的時歷結果，進一步整理得到系泊線的最小安全系數(shù)。極限工況不同預張力條件下的最小安全系數(shù)計算結果見表2。

表2 極限工況系泊線完整時不同預張力下最小安全系數(shù)統(tǒng)計表

注：表中“[]”數(shù)字代表安全系數(shù)最小的系泊線號。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分別繪制不同預張力下錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)的圖像，如圖9～圖13所示。

圖9 預張力40 t時系泊線最小安全系數(shù)

圖10 預張力86 t時錨泊系統(tǒng)的最小安全系數(shù)

圖11 預張力50 t時系泊線最小安全系數(shù)

圖12 預張力112 t 時系泊線最小安全系數(shù)

圖13 預張力70 t時系泊線最小安全系數(shù)

4.3 預張力優(yōu)選

通過對比發(fā)現(xiàn)，當預張力取86 t 和112 t時，基本可以保證錨泊系統(tǒng)的安全要求。當臺風荷載來臨后，平臺將產(chǎn)生迅速的張力驟增，然后再回到某一平衡位置呈現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。根據(jù)圖14、圖15統(tǒng)計500 s以后兩條系泊線的平均動張力，結果見表3。

根據(jù)表3可以看出，預張力112 t時，2號系泊線在產(chǎn)生張力驟增現(xiàn)象后，重新進入張力平衡狀態(tài)下的平均動張力比預張力86 t 時大，考慮到系泊線的疲勞破壞問題，應盡量降低系泊線的平均動張力。對比其他環(huán)境入射方向上張力穩(wěn)定以后的各主要受力系泊線的平均動張力，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律與上述內(nèi)容相符。在保證相同安全系數(shù)條件下，應選用86 t預張力作為平臺在極限工況下的預張力。因此，該極限工況下的最優(yōu)預張力為86 t左右。

圖14 預張力86 t時，環(huán)境入射角為90°時2號錨動張力曲線

圖15 預張力112 t時，環(huán)境入射角為90°時2號錨動張力曲線

表3 環(huán)境入射角90°，2號系泊線在不同預張力條件下的平均動張力對比表

5 結論

(1) 優(yōu)選作業(yè)工況下錨泊系統(tǒng)預張力，發(fā)現(xiàn)預張力在129 t～156 t時，錨泊系統(tǒng)的安全作業(yè)窗口最大。優(yōu)選最優(yōu)張力需要確定平臺漂移量和系泊線安全性能要求的優(yōu)先級。如果現(xiàn)場對平臺漂移量要求更為嚴格，則作業(yè)工況下最優(yōu)預張力為156 t左右；如果現(xiàn)場對系泊線的安全性能更看重，則最優(yōu)預張力為129 t左右；如果不確定二者優(yōu)先級，或二者要求折中，則最優(yōu)預張力為137 t左右。

(2) 以某極限工況為例，優(yōu)選極限工況下錨泊系統(tǒng)的預張力，發(fā)現(xiàn)預張力在86 t和112 t錨泊系統(tǒng)的安全性能最高，而預張力112 t下動張力大，易發(fā)生失效。因此，認為該極限工況下的最優(yōu)預張力在86 t左右。

(3) 優(yōu)選預張力時應考慮錨泊系統(tǒng)影響因素及現(xiàn)場作業(yè)要求，保證作業(yè)工況下安全作業(yè)窗口最大，極限工況系泊線安全系數(shù)最大。在布錨前應進行詳細地分析討論，綜合考慮作業(yè)時的水深、錨泊系統(tǒng)類型、設備選型、系泊線組分、外部環(huán)境載荷等因素，確定不同工況下最優(yōu)的布錨預張力。

[1] Mehdi Shafieefar. Aidin Rezvani. Mooring optimization of floating platforms using a genetic algorithm[J]. Ocean Engineering,2007, 34(10): 1413-1421.

[2] Carbono A J J, Menezes I F M, Martha L F. Mooring pattern optimization using genetic algorithms[A]. 6th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization[C]. Brazil:Rio de Janeiro,2005.

[3] 金鴻章,蘇曉宇,于安才,等. 基于錨鏈切換的平臺自動錨泊定位系統(tǒng)設計[J]. 電機與控制學報, 2014,18(5): 93-98.

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Optimization on Mooring Pretention of Deepwater Drilling Platform in South China Sea

ZHENG Chun-liang1, CHEN Guo-ming1, ZHANG Hao1, LUO Ning1， LIU Zheng-Li2

(1.Offshore Oil and Gas Equipment and Safety Technology Research Center, China University of Petroleum(Hua Dong), Shandong Qingdao 266580, China; 2.China Petroleum(China) Co., Ltd, Shen-zhen branch, Guangdong Shenzhen 518067, China)

In order to provide the reference to mooring opreration for deepwater drilling, optimization method on mooring pretention under different operation condition is presened in this paper. Firstly, according to different demands on mooring system under different operation condition, mooring system optimization demands are determined, including design variables, optimization objective and constraints. Secondly, taking a deepwater semi-submersible drilling platform in South China Sea as example, coupled dynamic analysis model of platform-mooring system is established using the software ANSYS-AQWA, operation conditions are divided according to environment data on site, and time domain method is adopted using AQWA-DRIFT module, which result in maximum platform offsets, mean platform offsets and minimum mooring line safety factors at different environment direction. Thirdly, based on the optimization demand that safety operation window should be maximized and different priority demand on platform offset and mooring line safety performance on site, the optimum pretension scope under operation condition is determined. Taking a survival condition as example, based on the optimization demand that safety factors of mooring lines should be maximized, the optimum pretension scope under this survival condition is determined.

mooring system; optimization demand; operation condition; pretention; optimization

1001-4500(2016)06-0091-08

2015-07-24

鄭純亮(1988-)，男，工程師。

P751

A