姜 偉，浦洪彬，王 蓉，王 屹，楊立琨，陳德林，劉賢權(quán)

(1. 上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

由于海洋惡劣的氣候和環(huán)境條件，深水鉆井具有高科技、高投入和高風(fēng)險的特點。20世紀(jì)80年代中期后，外國公司開始逐步在南中國海使用半潛式鉆井平臺進(jìn)行深水鉆井，在南海鉆探作業(yè)最大水深已達(dá)1 900 m。但由于深水鉆井投資巨大、南海海況和氣象條件惡劣，從1987年到2012年，外國公司在南中國海僅鉆了8口深水井[1]。

由于南海惡劣海洋環(huán)境條件，特別是南海的臺風(fēng)，威脅鉆井平臺和鉆井作業(yè)的安全。因此研究浮式鉆井平臺在惡劣海況環(huán)境條件下的運動規(guī)律和特點，探究南海深水鉆井安全應(yīng)對措施具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 研究背景

在海上鉆井如遇臺風(fēng)，通常有兩種應(yīng)對措施： 如果時間充足，則可以將鉆井隔水管全部起出，再避臺風(fēng)；如果時間倉促，那就將鉆井隔水導(dǎo)管從水下防噴器解脫，或從上部水下連接器(LMRP)解脫，并盡可能地取出部分鉆井隔水導(dǎo)管，根據(jù)情況采取軟懸掛或者硬懸掛兩種不同方式，鉆井平臺盡快駛離臺風(fēng)區(qū)避臺。

通常情況下我們遇到的問題是： 臺風(fēng)期間，由于受到風(fēng)浪作用，無論采用哪種懸掛方式，懸掛的鉆井隔水導(dǎo)管都很不安全，甚至危及平臺的安全。2006年8月，在南海鉆井作業(yè)的Disxx 5XX半潛式鉆井平臺，遇到臺風(fēng)派比安的襲擊，導(dǎo)致受損就是一個非常典型的案例。由于臺風(fēng)致使1 000多米導(dǎo)管斷成五節(jié)，鉆井隔水導(dǎo)管及水下防噴器一起落海，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬美元。

造成這類問題的原因是什么？今后應(yīng)如何防范和避免？我們希望探索其中的問題所在，以便為今后的深水鉆井作業(yè)提供安全保障，盡量避免經(jīng)濟(jì)損失和不良影響。

2 鉆井隔水導(dǎo)管振動動方程的建立

在避臺風(fēng)期間，因惡劣海況的影響，深水浮式鉆井平臺懸掛狀態(tài)的鉆井隔水導(dǎo)管容易受到損壞，因此為了便于研究此間的鉆井隔水導(dǎo)管的問題，我們首先沿鉆井隔水導(dǎo)管軸線方向建立坐標(biāo)系，并且做如下假設(shè)：

(1) 鉆井隔水導(dǎo)管管串質(zhì)量均質(zhì)分布，重量為W，質(zhì)量為m。

(2) 考慮到平臺在避臺風(fēng)時，通常情況下由于風(fēng)速和航向的問題，航速非常緩慢，忽略水平方向的風(fēng)載和流載對深水隔水導(dǎo)管的影響。

(3) 在水中的浮體六個自由度，為了簡化問題，我們把波面方程x=hsin(Pt)的干擾作用引起的豎直方向運動影響作為主要影響因素來考慮，忽略其他因素的影響。因此，以升沉運動作為鉆井隔水導(dǎo)管運動的主要制約因素，為說明豎直方向運動的影響，不再考慮隔水導(dǎo)管與平臺間由于縱、橫蕩和縱、橫搖的振動耦合。

(4) 設(shè)深水浮式鉆井平臺的隔水導(dǎo)管在懸掛狀態(tài)下，還受到具有剛度系數(shù)K的彈簧力的作用，因此我們將浮式鉆井平臺及其隔水導(dǎo)管的運動簡化成為受到干擾力幅hsin(Pt)和剛度系數(shù)K作用下的受迫振動模型[1]。如圖1所示：

圖1 浮式鉆井平臺受迫振動模型

波高x1=hsin(Pt),彈簧K下的隔水導(dǎo)管管串重量為W，隔水管質(zhì)點O為原點，X軸向下為正方向，在任意時刻，作用在質(zhì)點的力有重力和彈簧力。

設(shè)彈簧的伸長量為：λ=x+λs-x1

式中：λs為彈簧的凈伸長；

當(dāng)彈簧伸長為λ時，產(chǎn)生的力為

W=cλ=c(x+λs-x1)

(1)

式中：c為彈簧的剛度系數(shù)。

質(zhì)點運動的微分方程：

(2)

(3)

(4)

雖然這是一個非齊次的一個方程，設(shè)它的解為x=x1+x2

當(dāng)方程(4)右邊為零時，我們得到齊次方程，特征方程的解可以設(shè)為

x1=c1cos(kt)+c2sin(kt)

(5)

由此得到自由振動方程的解：

x1=Asin(kt+β)

(6)

當(dāng)t=0,x0=Asinβ時

(7)

有V0=Akcosβ

(8)

(9)

其固有頻率和周期：

(10)

(11)

(12)

(13)

將式(6)、式(8)和式(16)代入通解：x=x1+x2

(14)

3 鉆井隔水導(dǎo)管避臺作業(yè)狀態(tài)分析

當(dāng)浮式鉆井平臺在避臺風(fēng)時，對隔水導(dǎo)管的處置通常有以下幾種方法。

最理想的狀態(tài)： 時間允許，可將隔水導(dǎo)管全部起出，然后再駛離臺風(fēng)區(qū)避臺；在大部分情況下，臺風(fēng)來得比較突然，處置隔水導(dǎo)管時間非常有限。鉆井平臺只能起出部分隔水導(dǎo)管，然后盡快駛離臺風(fēng)區(qū)避臺。

起隔水導(dǎo)管之前，要把隔水導(dǎo)管與水下井口解脫，通常有兩種解脫方式： 一是從隔水導(dǎo)管下部連接器(lower marine riser package connector，LMRPC)處解脫，水下防噴器留在海底；二是在井口連接器(well head connector)處脫開，水下防噴器隨隔水導(dǎo)管一起帶走。

鉆井平臺起出部分隔水導(dǎo)管后，可以采取軟懸掛或者硬懸掛兩種方式(軟懸掛為用張力器懸掛隔水導(dǎo)管，硬懸掛為隔水導(dǎo)管直接坐在井口卡盤上)，將隔水導(dǎo)管懸掛在鉆井平臺。

【實例】2006年8月2日，外國公司的Disxx 5XX半潛式鉆井平臺在南海受到臺風(fēng)派比安的影響，4:00鉆井平臺起出12根鉆井隔水導(dǎo)管，后因現(xiàn)場風(fēng)力達(dá)到38～45 kn(19～23 m/s)，浪高2～3.6 m，遂將鉆井隔水導(dǎo)管(底部帶有防噴器)直接坐在轉(zhuǎn)盤上避臺，如圖2所示。

圖2 懸掛隔水導(dǎo)管及BOP避臺示意圖

當(dāng)晚18:56，隔水導(dǎo)管從轉(zhuǎn)盤面下折斷，近1 200 m鉆井隔水導(dǎo)管和防噴器全部落海，試分析其原因。

已知條件： 該鉆井平臺所使用的隔水導(dǎo)管參數(shù)：OD=21 in(533.4 mm),ID=19.25 in(488.95 mm)壁厚為δ=22.23 mm，隔水導(dǎo)管帶浮力塊在水中每米重量為q=73 kg/m，按照Cameron公司18-3/4 in 20 K ‘EVO’水下防噴器的規(guī)范，LMRP總重量為1 500 kN，水下防噴器組總重量為3 500 kN，

解： 平臺采取的是硬懸掛隔水導(dǎo)管方式，因此，由文獻(xiàn)[2]知隔水導(dǎo)管有拉壓剛度K：

(15)

由文獻(xiàn)[3-4]可知，半潛式鉆井平臺張力器由4～6個液壓缸連接張力環(huán)，就相當(dāng)于4～6個彈簧并聯(lián)使用，Discover 534鉆井平臺有兩個雙缸的張力器組成張緊系統(tǒng)，即共有4個液壓缸構(gòu)成，設(shè)每個彈簧的剛度為Ki，彈簧組的等效剛度為Ke。由文獻(xiàn)[1]我們知道Varco-shaffer公司的120 K張力器額定動態(tài)張緊力P=534 kN，工作行程s=15.24 m，我們可由張力器懸掛的負(fù)荷P求得液壓缸的剛度[5]：

Ki=P/s

(16)

張力器系統(tǒng)的液壓缸就相當(dāng)于彈簧組，對于4個液壓缸構(gòu)成的彈簧組，其等效剛度[1]Ke：

Ke=4ki

(17)

此時，按照Disxx 5XX半潛式鉆井平臺，當(dāng)時配備水下防噴器(LMRP+BOP)系統(tǒng)濕重為400×10 kN，估可求得隔水導(dǎo)管串帶水下防噴器系統(tǒng)情況下，其固有頻率和周期如表1所示

表1 懸掛模式： 張力器+隔水導(dǎo)管+LMRP+BOP

由表1可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 結(jié)合Disxx 5XX鉆井平臺實際情況，所配Varco-Shaffer 160 K張緊器，張緊力為530 kN，行程為15.2 m的設(shè)備情況，計算張緊器的剛度。并按水深3 000 m計算出懸掛隔水導(dǎo)管+隔水導(dǎo)管下部連接器(以下簡稱LMRP，濕重為1 000 kN)+水下防噴器(以下簡稱BOP，濕重為4 000 kN)，在水下防噴器下部井口連接器處脫開時，此時隔水導(dǎo)管管串實際懸掛濕重為6 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m時，隔水導(dǎo)管懸掛系統(tǒng)的固有周期為7.8～10.4 s，而南海的波浪周期[6]為8～11 s。因此，應(yīng)盡量避免波浪周期頻率一致時發(fā)生諧振而造成設(shè)備損壞[7]。當(dāng)水深進(jìn)入380 m后，波浪周期進(jìn)入8 s區(qū)域。換句話說，不宜在該水深條件下長期工作。

(3) Disxx 5XX鉆井平臺避臺風(fēng)當(dāng)時的實際情況[8]，水深為1 400 ～1 500 m，其固有頻率周期為9.0～9.2 s，按照此時實際懸掛的隔水導(dǎo)管+隔水導(dǎo)管下部連接器的重量至少有5 300 kN，在經(jīng)歷了近15 h臺風(fēng)肆虐以后，隔水導(dǎo)管在轉(zhuǎn)盤面以下斷裂?？梢娿@井隔水導(dǎo)管系統(tǒng)+LMRP+BOP，以5 300 kN的負(fù)荷、固有頻率周期與該海域的波浪周期發(fā)生諧振[6]，所產(chǎn)生的巨大能量對隔水導(dǎo)管造成致命損壞。

如果假設(shè)從隔水管下部連接器LMRP處脫開，這樣就將3 000 kN的水下防噴器留在了海底泥線，其他條件都不變，同樣計算得到結(jié)果如表2所示。

表2 懸掛模式： 隔水導(dǎo)管+LMRP

由表2可知：

(1) 計算條件與表1完全相同，但隔水導(dǎo)管管串在隔水導(dǎo)管底部的下連接器MLRP處脫開，即水下防噴器留在海底的水下井口處，此時按照LMRP脫開時，水深3 000 m，懸掛隔水導(dǎo)管+隔水導(dǎo)管下部連接器，此時隔水導(dǎo)管管串懸掛的全部實際濕重為3 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m時，隔水導(dǎo)管懸掛系統(tǒng)的固有周期為4.2～7.8 s，如果隔水導(dǎo)管管串在LMRP處解脫，則管串系統(tǒng)的固有頻率周期離開了8～11 s這個范圍，從避免諧振的角度出發(fā),這個管串是安全的。

(3) 回顧Disxx 5XX鉆井平臺避臺風(fēng)當(dāng)時的實際情況，水深為1 400～1 500 m，此時實際懸掛的隔水導(dǎo)管+隔水導(dǎo)管下部連接器(LMRP)，波浪周期為5.9～6.0 s，這個頻率范圍可以避諧振，同時也避免了對隔水導(dǎo)管的損壞。

4 結(jié) 語

(1) 深水浮式鉆井平臺在避臺風(fēng)和航渡期間，由于受到波浪運動的作用，浮式鉆井平臺和所懸掛的隔水導(dǎo)管系統(tǒng)的運動特性可以視為受波浪運動干擾的受迫振動問題來考慮。利用本文的研究方法，只須根據(jù)現(xiàn)場海況的波浪周期、懸掛的隔水導(dǎo)管管串等實際情況和參數(shù)，就可以迅速確定合理的懸掛重量、解脫方式和解脫位置，為平臺避臺風(fēng)提供正確決策方式和安全保障。

(2) 深水浮式鉆井平臺在避臺風(fēng)期間，為了有效地避免隔水導(dǎo)管系統(tǒng)和水下防噴器在避臺期間受損，應(yīng)盡量避免管串的固有頻率周期與作業(yè)海域的波浪周期相同而發(fā)生諧振。

(3) 就本文的實例分析情況而言，避臺時，選擇隔水導(dǎo)管從LMRP處解脫開，不但快捷，也有利于隔水導(dǎo)管和平臺的安全。

(4) 深水浮式鉆井平臺在避臺時，現(xiàn)場的風(fēng)力、海流、波浪周期等氣象條件和環(huán)境參數(shù)對于分析平臺運動和隔水導(dǎo)管的動力響應(yīng)尤為重要，但由于當(dāng)時現(xiàn)場受各種條件的限制，這部分?jǐn)?shù)據(jù)我們通常無法準(zhǔn)確獲取，今后需要完善這部分的工作。

(5) 由于影響深水浮式鉆井平臺隔水導(dǎo)管系統(tǒng)安全的因素很多，本文由于忽略了平臺縱、橫蕩和縱、橫搖等因素對隔水管系統(tǒng)的影響，以及平臺水平方向的運動、水平方向的風(fēng)載和流載的影響，本文主要就豎直向的升沉運動對避臺期間隔水導(dǎo)管的影響，結(jié)合南海Disxx 5XX鉆井平臺的實際情況，做了一個初步的探索，研究結(jié)果有一定的局限性，今后還需要進(jìn)一步對多種影響因素展開深入探討。

本文旨在為鉆井平臺在現(xiàn)場避臺期間，迅速、合理地選擇作業(yè)方式，盡量避免和減少鉆井設(shè)備的損壞和影響，保障人員和設(shè)備安全，提供一種簡便的分析和計算方法，并提供一種判斷和決策的依據(jù)。