考慮內(nèi)波流影響的南海八號鉆井平臺錨泊能力分析評估

王俊榮　付英軍　韋紅術(shù)　汪順文（.中海油研究總院，北京　0008；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

考慮內(nèi)波流影響的南海八號鉆井平臺錨泊能力分析評估

王俊榮1付英軍2韋紅術(shù)2汪順文2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

南海八號鉆井平臺在我國南海某油田鉆井作業(yè)時，遭遇了內(nèi)波流的作用，對平臺的錨泊系統(tǒng)和鉆井作業(yè)產(chǎn)生了一定的影響。結(jié)合南海特有的內(nèi)波流環(huán)境條件，分析評估了南海八號鉆井平臺的錨泊能力。首先對平臺的錨泊系統(tǒng)配置、海洋環(huán)境進(jìn)行了介紹，然后就平臺原設(shè)計環(huán)境條件進(jìn)行了錨泊能力評估，平臺水動力計算依據(jù)三維勢流理論，采用挪威船級社DNV的HydroD和DeepC軟件，對南海8號半潛式鉆井平臺進(jìn)行了水動力分析，并建立了平臺系統(tǒng)耦合運動空間離散有限元模型的動平衡方程。重點評估了內(nèi)波流作用下平臺的定位能力，分析了平臺遭遇不同內(nèi)波流流速下平臺的偏移、錨纜張力、錨的水平載荷，提出了可供平臺作業(yè)方參考的工程建議。

深水鉆井；內(nèi)波流；南海八號鉆井平臺；錨泊系統(tǒng)；平臺偏移；錨纜張力；拖曳錨承載力

我國南海油氣資源豐富，南海水深大、臺風(fēng)頻發(fā)、內(nèi)波流都給南海油氣資源的勘探開發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn)。中海油服于2012年從Transocean公司購置的深水半潛式鉆井平臺 “JIM CUNNINGHAM”，經(jīng)過維修改造，正式加入中海油深水鉆井平臺行列，更名為“南海八號”深水半潛式鉆井平臺。南海八號鉆井平臺屬于第3代鉆井平臺，定位系統(tǒng)為錨泊定位系統(tǒng)，通過8根系泊纜實現(xiàn)平臺的錨泊定位。在鉆井作業(yè)工況下，平臺在錨泊系統(tǒng)的作用下，以保證平臺的偏移不超出一定的范圍，確保鉆井隔水管的安全；在平臺生存工況下，由于隔水管已經(jīng)解脫，API RP 2SK規(guī)范對生產(chǎn)工況下平臺的偏移沒有特別的限制。在2種工況下，對錨纜張力和拖曳錨的抓持力都有嚴(yán)格的要求，以確保平臺的安全。

1　鉆井平臺及錨泊系統(tǒng)

南海八號半潛式鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。平臺作業(yè)工況吃水19.81 m，排水量28 126 t；生存工況吃水15.24 m，排水量25 037 t。

表1　南海八號半潛式鉆井平臺浮體主尺度參數(shù)

南海八號鉆井平臺鉆井作業(yè)所處海域水深630 m，平臺艏向60.1°，錨鏈的測試張力1 600 kN，預(yù)張力1 250 kN。錨纜布置情況見表2，各錨纜的物理力學(xué)特性見表3。

表2　NH8號鉆井平臺的系泊布置

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，2#、3#、7#等3根鋼纜為舊鋼纜，破斷張力取4 368 kN，1#、4#、5#、6#、8#鋼纜為新鋼纜，破斷張力取6 300 kN。

根據(jù)API RP 2SK（2005）［1］規(guī)范的要求，作業(yè)工況和生存工況下錨纜的安全系數(shù)為1.67，單纜破斷工況下的安全系數(shù)為1.25。

根據(jù)平臺操船手冊，作業(yè)工況下平臺的最大偏移不得超過水深的6%［2］。

表3　錨鏈（纜）力學(xué)特性

2　分析方法與模型

2.1分析方法

平臺水動力計算依據(jù)三維勢流理論。軟件采用挪威船級社DNV的HydroD和DeepC軟件，該軟件的方法屬于時域耦合分析方法。

平臺系統(tǒng)耦合運動空間離散有限元模型的動平衡方程為［3］

式中，RI（r，r''，t）表示慣性力矢量，RD（r，r'，t）表示阻尼力矢量，R?S（r，t）表示結(jié)構(gòu)內(nèi)力矢量，RE（r，r'，t）表示外力矢量，r、r'、r''分別表示結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度。

該非線性微分方程，表示了慣性力、阻尼力，以及外力矢量與結(jié)構(gòu)位移和速度之間耦合作用的關(guān)系。此外，在內(nèi)部力和位移之間也存在著非線性的關(guān)系。所有這些力矢量均由單元和特定離散點作用力構(gòu)成。

外力主要包括重力、浮力、與平臺運動位移相關(guān)的力、系泊纜上的水動力載荷（Morison方程中的拖曳力和與波浪水質(zhì)點加速度相關(guān)項）和特定集中力。

慣性力矢量可表示為

式中，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣MS（r），內(nèi)流質(zhì)量矩陣MF（r），考慮Morison公式中結(jié)構(gòu)加速度的水動力質(zhì)量矩陣MH（r），是局部坐標(biāo)中附加質(zhì)量的一部分。

阻尼力矢量可表示為

懸鏈線分析的目的是計算均質(zhì)線在均布力作用下的平衡位置曲線。在懸鏈線計算中，不考慮勻質(zhì)線的彎曲剛度。圖1給出了懸鏈線單元X-Z平面坐標(biāo)示意圖。

圖1　懸鏈線單元x-z平面坐標(biāo)

經(jīng)典懸鏈線方程用來計算局部坐標(biāo)系中懸鏈線單元第二端點的坐標(biāo)和系泊力成分［4］

其中

式中，T1為端點1的張力；T2為端點2的張力；FX1、FZ1分別為端點1的水平分力和豎直分力；FX2、FZ2分別為端點2的水平分力和豎直分力；l為線長度； H、V為端點2的坐標(biāo)； q為均布載荷。

2.2分析模型

南海八號半潛式鉆井平臺的水動力分析模型如圖2所示，作業(yè)工況排水量2.81×104t。

錨泊系統(tǒng)時域分析模型如圖3所示，采用8根錨纜，作業(yè)工況錨纜預(yù)張力約1 250 kN。

圖2　南海八號鉆機平臺水動力分析模型

圖3　南海八號鉆機平臺錨泊分析模型

3　錨泊能力分析評估

3.1原設(shè)計海況下錨泊能力評估

原設(shè)計環(huán)境條件見表4。1 min平均風(fēng)速19.5m/s，有效波高5.9 m，流速1.03 m/s?？紤]風(fēng)浪流同向的最不利組合工況來進(jìn)行錨泊能力校核。

表4　原設(shè)計環(huán)境條件

通過時域錨泊分析計算，得出最大錨纜張力和錨載荷均出現(xiàn)在橫浪向，#2的最大張力為2 280 kN，安全系數(shù)為1.92，大于規(guī)范要求的1.67；最大錨載荷為1 788 kN，滿足錨的承載力要求。平臺的最大偏移也出現(xiàn)在橫浪向，最大偏移為24.7 m，偏移水深比為3.91%，小于6%，滿足設(shè)計要求（表5）。

表5　原設(shè)計海況下的平臺最大偏移

3.2內(nèi)波流海況下錨泊能力評估

為校核平臺抵御內(nèi)波流的能力，分別分析了3節(jié)、4節(jié)、5節(jié)和6節(jié)等內(nèi)波流的作用。文中另外考慮了一定的波浪和風(fēng)條件。有效波高為2.8 m，風(fēng)速9 m/s，方向與內(nèi)波流方向相同?？紤]到平臺的左右舷對稱性，所有環(huán)境力作用在平臺及錨泊系統(tǒng)的方向考慮0~180°，角度間隔22.5°。

分析了平臺遭遇不同內(nèi)波流流速下平臺的偏移、錨纜張力、錨的水平載荷。從現(xiàn)有平臺的能力來看，平臺可以全方位抵御4節(jié)流速內(nèi)波流的作用。

對于5節(jié)的內(nèi)波流，在部分角度（–25~25°，155~205°）范圍內(nèi)，平臺偏移、錨纜張力和錨的水平承載力能滿足規(guī)范和設(shè)計要求；在遭遇斜浪和橫浪向內(nèi)波流時，不滿足規(guī)范和設(shè)計要求。若將2#、3#、7#更換成新鋼纜（MBL6 300 kN），則系泊系統(tǒng)能抵御5節(jié)內(nèi)波流的作用。

對于6節(jié)的內(nèi)波流，偏移基本都超出了水深的6%，錨纜張力和錨的水平載荷都已經(jīng)超出了設(shè)計要求（表6、表7、圖4）。故NH8號抵御6節(jié)流速的作用時，不滿足規(guī)范的要求。

表6　內(nèi)波流作用下的平臺偏移 m

表7　平臺遭遇內(nèi)波流的錨纜張力和錨載荷

圖4　平臺遭遇內(nèi)波流的平臺偏移

4結(jié)論

（1）南海八號鉆井平臺在原設(shè)計海況下作業(yè)時錨纜張力、錨載荷、最大水平偏移滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

（2）分析了平臺遭遇不同內(nèi)波流流速（3節(jié)、4節(jié)、5節(jié)和6節(jié)）下平臺的偏移、錨纜張力、錨的水平載荷。從現(xiàn)有平臺的能力來看，平臺可以全方位抵御3節(jié)和4節(jié)流速內(nèi)波流的作用。

（3）對于5節(jié)的內(nèi)波流，在部分角度（–25~25°，155~205°）范圍內(nèi)，平臺偏移、錨纜張力和錨的水平承載力能滿足規(guī)范和設(shè)計要求；在遭遇大斜浪和橫浪向內(nèi)波流時，不滿足規(guī)范和設(shè)計要求。若對2#、3#、7#進(jìn)行更新替換，換成MBL為6 300 kN的新鋼纜時，可以抵御5節(jié)內(nèi)波流。

（4）南海八號抵御6節(jié)流速的作用時，不滿足規(guī)范要求。對于6節(jié)的內(nèi)波流，偏移基本都超出了水深的6%，錨纜張力和錨的水平載荷都已經(jīng)超出了設(shè)計要求。

［1］API RP 2SK（2005）. Recommended practice for design and analysis of station keeping system for floating structures［S］. 3rd Edition. October 2005.

［2］JIC Marine Operations Manual［R］. REV E, 2003.

［3］DeepC User Manual［R］. DNV Software, 2005.

［4］RIFLEX Theory Manual［R］. SINTEF Report STF70 F95219, 1995.

〔編輯付麗霞〕

Analysis and assessment on anchoring capacity of NANHAI 8 drilling platform with effects of internal solitary wave current are considered

WANG Junrong1, FU Yingjun2, WEI Hongshu2, WANG Shunwen2
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

During the drilling operation of an oil field in the South China Sea, NANHAI 8 drilling platform has encountered the action of internal solitary wave current, and certain effects have been left on the platform mooring system and drilling operation. Pursuant to the unique environmental conditions of internal solitary wave current in the South China Sea, the anchoring capacity of NANHAI 8 drilling platform has been analyzed and assessed. At first, the platform mooring system configuration and marine environment have been introduced. After that, the anchoring capacity assessment has been conducted based on the original design environmental conditions of platform. With regard to the hydrodynamic calculation of platform, according to the three-dimensional potential flow theory, by virtue of HydroD and DeepC software of DNV (Det Norske Veritas), the hydrodynamic analysis has been conducted on No. 8 semi-submersible drilling platform in the South China Sea, and the dynamic balance equation of finite element model of coupling motion spatial dispersion of platform system has been established. The positioning capacity of platform under the action of internal solitary wave current has been assessed in an emphasized manner, the platform deviation, anchor cable tension, and anchor horizontal load under the action of different current speed of internal solitary wave current have been analyzed, and the engineering suggestions which may be referred to by the platform operator have been proposed.

deepwater drilling; internal solitary wave current; NANHAI 8 drilling platform; mooring system; platform offset; mooring line tension; holding capacity of dragging anchor

P751；TE49

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0043 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.010

國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）。

王俊榮，1982年生。2009年畢業(yè)于中國海洋大學(xué)港口、海岸及近海工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事深水浮式平臺水動力性能與運動性能研究工作，浮體工程師。電話：010-84526284。E-mail：wangjr5@cnooc.com.cn。

2015-01-01）

引用格式：王俊榮，付英軍，韋紅術(shù)，等. 考慮內(nèi)波流影響的南海八號鉆井平臺錨泊能力分析評估［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：43-46.