(中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司， 北京 100029)

0 引 言

海洋蘊(yùn)藏著巨大的油氣資源，面對陸地資源的日漸匱乏，海洋資源的開發(fā)和利用正在受到越來越多的關(guān)注[1]。隨著海洋油氣開發(fā)事業(yè)的進(jìn)展，半潛式鉆井平臺已經(jīng)成為海洋開發(fā)的主要工具，其作業(yè)范圍也逐漸向深海域發(fā)展。為了保證半潛式平臺等海上可移動鉆井設(shè)備長期、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，其錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤其重要[2]。本文研究的鉆井作業(yè)為淺水鉆井作業(yè)，采用的是鏈索結(jié)合的懸鏈線錨泊系統(tǒng)[3]，即傳統(tǒng)展開式錨泊系統(tǒng)。該系統(tǒng)歷史悠久，能適應(yīng)較為惡劣的海洋環(huán)境，目前仍在浮式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)定位技術(shù)中占據(jù)重要的地位。

國內(nèi)外對懸鏈線錨泊系統(tǒng)研究已久，但是發(fā)表的文章主要以理論研究或現(xiàn)場操作為主，結(jié)合實(shí)際海洋水文氣象數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬分析方面文章較少。本文利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，針對鋼纜-錨鏈復(fù)合式錨泊系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行模擬校核和分析，可為半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 基本情況

圖1 P井錨泊系統(tǒng)分布圖

1.1 鉆井平臺基本情況

P井位于巴西桑托斯盆地B區(qū)塊，水深158 m，作業(yè)平臺為Ensco公司某第三代半潛式鉆井平臺，最大作業(yè)水深304.8 m，最大鉆井深度7 620 m；設(shè)計(jì)理論臨界鉆井狀態(tài)風(fēng)速70 kn(1 kn≈0.514 4 m/s)，浪高8.20 m，海流速度2.4 kn；設(shè)計(jì)理論風(fēng)暴自存狀態(tài)風(fēng)速109 kn，浪高33.53 m，海流速度2.4 kn；平臺由8條鏈索組成懸鏈線多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。P井錨泊系統(tǒng)分布如圖1所示，艦首方向與垂直方向平面直線的夾角為40°。

1.2 鏈索組成情況

由于該平臺K4鋼級懸鏈長度不足，且當(dāng)時(shí)巴西境內(nèi)無法采購到足夠長度的懸鏈，進(jìn)口成本大、周期長，為了滿足作業(yè)需要，減少系統(tǒng)重量，決定采用不同鋼級錨鏈-鋼纜-錨鏈組合的系泊系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 P井錨鏈-鋼纜-錨鏈組成圖

錨泊系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見表1，其中1#、4#、5#、8#為主錨，各條錨鏈均連接拖曳嵌入式錨，結(jié)構(gòu)組成為頂部錨鏈-中間嵌入鋼纜-水底錨鏈。

表1 多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)組成

2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸鏈線錨泊系統(tǒng)是在環(huán)境外力作用下提供水平回復(fù)力以保持系泊浮體定位的錨泊方式[4]，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)是懸鏈錨泊系統(tǒng)，懸鏈線是一種曲線，其方程是雙曲余弦函數(shù)[5-6]：

(1)

式中：r為懸鏈線參數(shù)方程；a為懸鏈面頂點(diǎn)到原點(diǎn)的距離；u為曲紋坐標(biāo)；v為曲面參數(shù)。

錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足以下前提條件：(1)錨泊系統(tǒng)必須嚴(yán)格依照API RP 2SK(第3版)[7]規(guī)范中對臨時(shí)性錨泊系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：平臺偏移量、懸鏈張力、懸鏈長度、錨抓力等參數(shù)。(2)要求平臺導(dǎo)纜器處懸鏈與垂直方向的角度不小于30°，保證懸鏈不與平臺錨架接觸，導(dǎo)纜器處懸鏈垂直角度應(yīng)盡量小。(3)根據(jù)隔水管安全作業(yè)分析結(jié)果，鉆井作業(yè)時(shí)，平臺最大水平偏移量應(yīng)不大于2%水深[8](3.15 m)；非鉆井作業(yè)前提下，防噴器(Blowout Preventer，BOP)與井口連接，平臺水平偏移量應(yīng)介于2%水深(3.15 m)與10%水深(15.8 m)之間；平臺水平偏移量大于10%水深(15.8 m)，應(yīng)立即斷開井口連接，取回BOP與隔水管。(4)錨鏈與海底設(shè)備(采油樹等)最短距離不得小于300 m，與海底考古遺跡(沉船等)最短距離不得小于305 m，還應(yīng)盡量遠(yuǎn)離有化學(xué)合成物或珊瑚叢生成的生物敏感性區(qū)域。(5)本井采用懸鏈-鋼索組合的錨鏈體系，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)動態(tài)完整狀態(tài)安全系數(shù)需大于1.67，動態(tài)破損狀態(tài)(單根錨鏈斷裂)安全系數(shù)需大于1.25，組件最小斷裂載荷為441 t。(6)當(dāng)海況條件超過鉆井條件所要求的最大值時(shí)，須釋放錨鏈，降低錨鏈張力至90 t；當(dāng)極端海況條件發(fā)生時(shí)，需要立即斷開BOP與井口的連接，釋放錨鏈，降低錨鏈張力至70 t。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬基本思路

根據(jù)API RP 2SK(第3版)規(guī)范，風(fēng)、浪、海流是錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。針對海上移動式鉆井裝置(Mobile Offshore Drilling Units，MODU)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，須采用鉆井吃水狀態(tài)1年重現(xiàn)期內(nèi)的海況數(shù)據(jù)以及風(fēng)暴吃水狀態(tài)5年重現(xiàn)期內(nèi)的海況數(shù)據(jù)?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)要求，利用GMOOR32軟件，以Ensco平臺現(xiàn)有的錨鏈及鋼纜長度、線重及斷裂強(qiáng)度為輸入?yún)?shù)，以鉆井吃水深度(21.33 m)及風(fēng)暴吃水深度(18.29 m)作為平臺模擬計(jì)算時(shí)使用的吃水深度，采用3套實(shí)際海洋水文氣象數(shù)據(jù)(包括海流速度、風(fēng)速、有效浪高、波峰周期等)作為變量進(jìn)行數(shù)值模擬，以5°為艦首方向增幅進(jìn)行360°全方向計(jì)算，模擬計(jì)算得出錨鏈斷裂安全系數(shù)以及錨抓力的安全系數(shù)，同時(shí)結(jié)合隔水管安全作業(yè)分析得出平臺最大水平偏移量。

3種情況為：(1)鉆井作業(yè)。平臺處于作業(yè)吃水狀態(tài)，海況條件采用平臺服務(wù)商提供的隔水管分析采用的數(shù)據(jù)，有效浪高2.95 m，波峰周期11.5 s，風(fēng)速23.5 kn(12.1 m/s)，海流速度1.7 kn(0.87 m/s)，錨鏈預(yù)張力設(shè)定為140 t。(2)1年重現(xiàn)期。平臺處于作業(yè)吃水狀態(tài)，海洋氣象參數(shù)采用目標(biāo)井附近海域近1年重現(xiàn)期內(nèi)最大值，有效浪高5.41 m，波峰周期15.3 s，風(fēng)速29.9 kn(15.4 m/s)，海流速度2.8 kn(1.44 m/s)，錨鏈預(yù)張力設(shè)定為90 t。(3)5年重現(xiàn)期。平臺處于風(fēng)暴吃水狀態(tài)，海洋氣象參數(shù)(除海流速度)采用目標(biāo)井附近海域近1年重現(xiàn)期內(nèi)最大值，有效浪高5.41 m，波峰周期15.3 s，風(fēng)速29.9 kn(15.4 m/s)，海流速度則采用官方提供的目標(biāo)井附近海域近5年內(nèi)的最大值，為2.9 kn(1.49 m/s)，錨鏈預(yù)張力設(shè)定為70 t。采用5年重現(xiàn)期的風(fēng)、浪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬得到的結(jié)果過于保守，并且大幅增加作業(yè)費(fèi)用及等待設(shè)備時(shí)間，因此采用1年重現(xiàn)期風(fēng)、浪的數(shù)據(jù)。

其他輸入的數(shù)據(jù)包括井位數(shù)據(jù)、官方提供的P井附近其他海洋水文氣象數(shù)據(jù)、錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)組成及規(guī)格(見表2和表3)以及平臺服務(wù)商提供的平臺信息。

表2 拖曳嵌入式錨規(guī)格

表3 鏈纜規(guī)格表

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 錨鏈張力及錨抓力結(jié)果分析

同時(shí)期海況調(diào)查數(shù)據(jù)如圖3和表4所示，可以看出：海流速度超過1.7 kn(0.87 m/s)的發(fā)生概率僅為5%，有效浪高高度超過2.95 m的發(fā)生概率僅為2.45%，而風(fēng)速超過23.5 kn的概率為2.29%；根據(jù)近1年重現(xiàn)期海況條件，海流速度超過2.8 kn(1.43 m/s)的發(fā)生概率僅為0.10%～0.25%；根據(jù)官方提供的近5年內(nèi)的海況數(shù)據(jù)，海流速度超過2.9 kn(1.49 m/s)的發(fā)生概率僅為0.10%～0.25%。目標(biāo)井區(qū)域海域海況條件超過平臺服務(wù)商提供的最大鉆井安全條件的概率較小。

表4 巴西桑托斯盆地B區(qū)塊海域海流速度發(fā)生概率

圖3 巴西桑托斯盆地B區(qū)塊海域有效浪高和風(fēng)速發(fā)生累積概率曲線

在3種情況下，考慮錨鏈動態(tài)完整和動態(tài)破損(僅單根錨鏈斷裂)2種狀態(tài)，其最小斷裂強(qiáng)度安全系數(shù)和錨最小錨抓力安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)需要。錨鏈系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果見表5。

表5 錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 鉆井作業(yè)條件平臺偏移量數(shù)值模擬圖

3.2.2 平臺水平偏移量模擬結(jié)果分析

(1) 鉆井狀態(tài)。圖4為在鉆井作業(yè)時(shí)，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)動態(tài)完整狀態(tài)及動態(tài)破損狀態(tài)下平臺的偏移范圍，可以看出：完整狀態(tài)平均水平偏移量為2.22 m，完整狀態(tài)最大水平偏移量為3.14 m，均小于2%水深(3.15 m)，滿足鉆井作業(yè)的要求；動態(tài)破損狀態(tài)平均水平偏移量為7.37 m，動態(tài)破損狀態(tài)最大水平偏移量為8.33 m，小于10%水深 (15.8 m)，此時(shí)能夠保持隔水管的連接，但需要停止鉆井作業(yè)。

(2) 1年重現(xiàn)期狀態(tài)。圖5為在1年重現(xiàn)期作業(yè)時(shí)，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)動態(tài)完整及動態(tài)破損狀態(tài)平臺偏移的范圍，可以看出：完整狀態(tài)平均水平偏移量為8.36 m，完整狀態(tài)最大水平偏移量為11.26 m，均小于10%水深(15.8 m)，此海況狀態(tài)下能夠保持隔水管的連接，但需要停止鉆井作業(yè)；破損狀態(tài)平均水平偏移量為18.46 m，破損狀態(tài)最大水平偏移量為21.43 m，均大于10%水深(15.8 m)，必須立即斷開隔水管連接，取回BOP等水下設(shè)備，并且延長錨鏈長度，降低錨鏈張力。

(3) 5年周期狀態(tài)。圖6為在5年周期作業(yè)時(shí)，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)動態(tài)完整及動態(tài)破損狀態(tài)平臺偏移的范圍，可以看出：完整狀態(tài)平均水平偏移量為11.80 m，完整狀態(tài)最大水平偏移量為14.72 m，均小于10%水深(15.80 m)；破損狀態(tài)平均水平偏移量為23.83 m，破損狀態(tài)最大水平偏移量為26.81 m，均大于10%水深(15.80 m)。雖然5年周期動態(tài)完整狀態(tài)平臺最大水平位移量滿足隔水管安全作業(yè)分析要求，但是，由表5可知：在5年重現(xiàn)期條件下，錨泊斷裂強(qiáng)度安全系數(shù)僅略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，所以在此海況狀態(tài)下，即使平臺錨鏈處于完整狀態(tài)也應(yīng)立即斷開隔水管連接，取回BOP等水下設(shè)備，并且延長錨鏈長度，降低錨鏈張力。

圖5 1年周期條件平臺偏移量數(shù)值模擬圖

圖6 5年周期條件平臺偏移量數(shù)值模擬圖

4 結(jié) 論

(1) 平臺處于作業(yè)吃水狀態(tài)時(shí)，采用平臺服務(wù)商提供的隔水管分析使用的海洋水文參數(shù)，錨鏈-鋼纜系泊系統(tǒng)各項(xiàng)安全系數(shù)及平臺水平偏移量均滿足鉆井作業(yè)條件。如果錨鏈發(fā)生斷裂，則須停止鉆井作業(yè)，但是仍可以保持隔水管的連接。

(2) 平臺處于作業(yè)吃水狀態(tài)時(shí)，1年重現(xiàn)期海況條件，動態(tài)完整狀態(tài)可以保持隔水管連接，但是要停止鉆井作業(yè)；如果錨鏈發(fā)生斷裂，則必須斷開隔水管連接，取回BOP等水下設(shè)備，并且延長錨鏈長度，降低錨鏈張力。

(3) 平臺處于風(fēng)暴吃水狀態(tài)，海洋水位氣象參數(shù)(除海流速度)為近1年時(shí)期內(nèi)的最大值，海流速度采用官方提供的近5年內(nèi)的最大值。此時(shí)，錨泊系統(tǒng)各項(xiàng)安全系數(shù)僅略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，所以此狀態(tài)下應(yīng)立即斷開隔水管連接，取回BOP等水下設(shè)備，并且延長錨鏈長度，降低錨鏈張力。

(4) 必須保證平臺相關(guān)工作人員明確1年重現(xiàn)期海況參數(shù)，以實(shí)際的錨鏈張力值和平臺偏移量作為判斷的主要依據(jù)，保證在緊急情況下能夠及時(shí)停鉆、斷開連接、迅速反應(yīng)，以免導(dǎo)致無法挽回的損失。

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