深水半潛式鉆井平臺防臺措施探討

李 陽，張 威，謝 彬

(中海油研究總院，北京 100028)

深水半潛式鉆井平臺防臺措施探討

李 陽，張 威，謝 彬

(中海油研究總院，北京 100028)

中國南海臺風頻發，給海洋油氣資源安全高效的開發帶來了一定的挑戰。隨著近海石油資源的日益減少，未來海洋石油開發將逐漸聚焦深水區。深水半潛式鉆井平臺是南海深遠海重要的鉆井裝備。因中國南海臺風強度大且其產生經常出人預料，在某些平臺無法緊急撤臺的情況下，如何有效避臺或減小臺風對平臺造成的損失是工程設計人員必須面對的問題。以某座深水半潛式鉆井平臺為研究對象，詳細分析了深水半潛式鉆井平臺避臺原則及防臺措施，并討論了調整平臺艏向對減小平臺整體受力的影響。采用三維勢流理論和時域耦合分析方法計算平臺在不同吃水下的總體性能，分析對平臺系泊張力及運動性能的影響，探討通過改變平臺吃水而降低系泊系統的受載，從而避免系泊系統破壞的可行性，最終得到可指導平臺操作的結論。

深水半潛式鉆井平臺；臺風；系泊系統；防臺

0 引 言

臺風①是產生于熱帶洋面上的一種強烈的熱帶氣旋，其經過時常伴隨著大風和暴雨。2004—2005年，墨西哥灣先后經歷了3次罕見的4級以上颶風②：Ivan，Katrina和Rita，造成了大量的海洋平臺、管線等生產設施的損壞，歷時6個月90%的油田才恢復到災前的生產水平，給墨西哥灣的海洋石油工業帶來了巨大的經濟損失。南海屬于臺風頻發的海域，據不完全統計，2006—2008年間，影響南海地區的12～13級臺風③和熱帶氣旋不少于30個。近年來頻發的臺風等災害性氣候已給海上油氣的開發帶來了嚴重的影響。

進入21世紀，世界范圍內的氣候復雜多變，常常超出人們之前的認識。南海臺風突發性強，強度較大，路徑變化多端，而我國對于南海的海洋環境監測和認識還有待加強。確保海上生產設施安全高效的作業和海上人員的人身安全是我們必須面對的問題。一般情況下，應根據臺風預報，啟動撤臺應急響應，臺風條件下，平臺應該撤離。但南海海域往往可能遭遇臺風預報不準確、不及時的情況，導致平臺來不及撤離。因此，在半潛式鉆井平臺來不及撤離時如何進行有效的應對，以使得平臺安全并且遭受的損失最小，顯得尤為重要。通常情況下，改變吃水、調整錨鏈預張力、調整平臺方位等均能起到一定的防臺作用。然而，根據美國石油學會(API)的調研結果④，平臺船體部分在颶風中表現出了較高的安全性[僅有一座張力腿(TLP)平臺Typhoon傾覆]，但有23座移動式鉆井平臺(MODU)的系泊系統部分失效或者完全失效[1](這也是Typhoon傾覆的原因)。雖然系泊系統失效僅導致移動式鉆井平臺產生較大的水平位移，對平臺船體本身的安全威脅不大，但在油田開發區域有著復雜的水下生產系統(如復雜交錯的錨鏈與立管、外輸管線等，復雜水下井口等)，系泊系統的移位或破壞將給水下生產系統的安全造成巨大的潛在威脅，尤其是多個油氣田密集集中在某一海域的情形，涉及多系統之間的相互影響，情況更加復雜。本文討論的是第六代半潛式平臺，最大工作水深3 000 m，主要的目標作業海域為南海的深水區。平臺的穩性滿足200年一遇南海環境條件，運動性能及結構強度滿足100年一遇環境條件。考慮到平臺為鉆井平臺，屬于非永久性系泊的浮式平臺，故平臺的系泊系統滿足10年一遇南海環境條件[2]。

①臺風和颶風都是產生于熱帶洋面上的強烈的熱帶氣旋，只是發生地點不同，名稱不同。在北太平洋西部、國際日期變更線以西，包括中國南海范圍內發生的熱帶氣旋稱為臺風。而在大西洋或北太平洋東部的熱帶氣旋則稱為颶風，也就是說在美國一帶稱為颶風，在菲律賓、中國、日本、東亞一帶稱為臺風；在南半球稱為旋風。

②4級颶風最高持續風速為59～69 m/s。

③根據國家標準GB/T 19201—2006《熱帶氣旋等級》，熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風六個等級，其中臺風等級對應風力12～13級(風速32.7～41.4 m/s)。

④2004—2005年墨西哥灣颶風過后，API組織美國各大石油公司、設計公司、研究機構和高校聯合攻關，一方面探索更加完善的海洋環境數據預報方法，另一方面研究現行海洋結構物設計方法的優劣。

本文采用三維勢流理論和時域耦合分析方法計算平臺在不同吃水下的總體性能，探索通過改變平臺吃水而降低錨鏈受載，從而避免系泊系統破壞的可行性，對半潛式鉆井平臺的避臺原則及防臺措施進行探討，最終得到可指導平臺操作的結論。

1 改變吃水對深水半潛式鉆井平臺系泊張力及運動性能的影響分析

1.1 平臺主尺度及環境條件

本文研究對象為某超深水半潛式鉆井平臺，該半潛式鉆井平臺由下浮體、橫撐、立柱和上船體組成。作業排水量51 624 t，主要作業海域為我國南海。圖1為超深水半潛式鉆井平臺的示意圖。平臺工作于南海環境條件，載荷包括風載荷、波浪載荷以及流載荷。本節以典型計算生存工況為例，計算的環境方向與平臺艏成30°夾角。

圖1 超深水半潛式鉆井平臺Fig.1 Ultra-deepwater semi-submersible drilling platform

1.2 裝載工況

平臺作業工況吃水19 m，生存工況吃水16 m。生存工況的裝載工況如表1所示。

以表1所示裝載工況為基礎，在16～19 m的范圍內，選取步長0.5 m，通過調節壓載水改變平臺吃水，其他各項的重量和重心位置不變。表2～4分別給出平臺吃水在17 m、18 m和19 m時的裝載工況。

表1 平臺生存工況裝載工況(16 m吃水)Table 1 Platform survival loading condition (16 m draft)

表2 平臺生存工況裝載工況(17 m吃水)Table 2 Platform survival loading condition (17 m draft)

表3 平臺生存工況裝載工況(18 m吃水)Table 3 Platform survival loading condition (18 m draft)

表4 平臺生存工況裝載工況(19 m吃水)Table 4 Platform survival loading condition (19 m draft)

1.3 系泊系統配置

平臺采用12點系泊，系泊纜分為4組，每組3根，對稱布置,如圖2所示。每根系泊纜采用錨鏈-聚酯纖維纜-錨鏈的復合式纜繩結構，具體配置如表5所示。

圖2 系泊系統布置Fig.2 Configuration of mooring system

表5 系泊系統配置參數Table 5 Mooring system configuration parameters

1.4 計算分析方法

浮式平臺總體性能的計算方法有頻域法、時域法、非耦合分析法、耦合分析法等多種[3]，每種方法在計算精度和計算效率上有各自的特點，適用于設計分析中的不同階段。本文首先應用三維勢流理論求解平臺的水動力參數，隨后利用時域分析法，對平臺以及系泊系統進行耦合計算分析。

根據三維勢流理論，在笛卡兒坐標系中，對于角頻率為ω的長波來說，自由面平移量、速度和勢函數之間的關系可以表示如下：

(1)

式中:u(x,y,z)=(x,y,z);ω表示長波的角頻率;q為速度;ζ為自由表面起伏;Φ(x,y,z,t)為不定常速度勢。

當浮體在靜水自由面上做搖蕩運動時，流場中一階不定常速度勢Φ(x,y,z,t)的定解滿足拉普拉斯方程

2Φ(x,y,z,t)=0,

(2)

自由面條件：

(3)

物面條件：

(4)

海底條件：

(5)

輻射條件：遠離物體的自由面上有波外傳。

以上公式中，拉普拉斯方程和邊界條件都是線性的，應用迭加原理把速度勢加以分解，令不定常速度勢分解為

Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+ΦR(x,y,z,t),

(6)

式中：ΦI為入射波速度勢;ΦD為繞射勢;ΦR為輻射勢。它們符合

ΦD+ΦR=ΦP，

又合稱為擾動勢。

現設船體在平衡位置周圍做微幅的簡諧搖蕩運動，船體搖蕩的速度勢Φ(x,y,z,t)可設為

(7)

(8)

(9)

2D(x,y,z)=0，

(10)

在流場內自由面條件：

(11)

(12)

(13)

輻射條件與無航速船舶輻射勢的定解條件類似。

(14)

(15)

首先將船體濕表面劃分成網格狀，分成N個四邊形小面元，在每個面元上分布等強度面源，其強度未知，在每個面元上分布控制點并在該點滿足邊界條件，從而決定面源強度。面源強度確定后，則物面上的各物理量便可根據有關公式計算得出，即可求解不同運動模態時的源強分布，從而可確定場內各點的輻射速度勢和繞射速度勢，進而根據三維勢流理論，求得各水動力學參數及波浪載荷。具體過程文中不再贅述。

在半潛式平臺船體各水動力參數及外載荷確定的情況下，應用Cummins脈沖理論，便可對目標平臺船體進行時域分析，其中風、流載荷的計算以平臺的風洞試驗報告為依據[4-5]。考慮到深海平臺錨泊系統的動力響應較為顯著，與平臺的耦合作用較強，此次分析中對目標平臺船體及錨系進行時域耦合分析。

處理這類問題，已有較為成熟的專業軟件可以應用。本文計算采用挪威船級社(DNV)船舶與海洋結構物分析專用軟件SESAM，其中HydroD模塊以三維勢流理論為基礎，計算平臺的水動力學參數；DeepC模塊對平臺和系泊系統進行耦合時域求解。圖3所示為平臺三維濕表面模型，圖4所示為平臺時域耦合分析模型。

圖3 平臺三維濕表面模型Fig.3 Platform 3D wet surface model

圖4 平臺時域耦合分析模型Fig.4 Platform time domain coupling model

1.5 分析結果

根據計算可知，在不同吃水下，單根錨鏈的形狀和剛度曲線變化很小。圖5為單根錨鏈在不同吃水下的懸鏈線形狀示意圖，圖6為單根錨鏈在不同吃水下的剛度曲線圖。

根據前述分析方法計算不同吃水下的平臺位移與錨鏈受載情況，吃水變化步長為0.5 m。計算結果如表6所示。

由表6可知，平臺吃水在16～19 m變化時，平臺平均位移在27.35～27.72 m之間變化，平均位移標準差僅為0.13 m，變化很小；最大位移在45.91～52.13 m之間變化；錨鏈預張力在140.5～135.4 t之間變化；錨鏈平均張力在298.57～297.31 t之間變化；最大錨鏈張力在474.16～437.34 t之間變化，且隨著吃水的增加而降低。

圖5 單根錨鏈懸鏈線形狀圖Fig.5 Single chain catenary shape graph

圖6 單根錨鏈剛度曲線圖Fig.6 Single chain stiffness curve

表6 不同吃水下平臺位移與錨鏈張力計算結果Table 6 Calculation results of platform displacement and chain tension under different drafts

根據計算結果可知，通過增加3 m的吃水，可使最大錨鏈張力降低36.82 t，降幅達7.8%。但平臺的平均位移、最大位移、預張力和平均錨鏈張力變化均不大。圖7更直觀地比較了不同吃水下的錨鏈張力。

圖8為6號錨鏈頂端張力響應譜密度曲線圖。由圖可知，雖然不同吃水下錨鏈的懸鏈線形狀改變不大，且錨鏈的預張力和平均錨鏈張力僅有微小的改變，但19 m吃水時錨鏈的低頻和波頻響應均明顯低于16 m吃水時的響應，說明吃水的變化影響了錨鏈的動態響應特性。

圖7 錨鏈張力隨平臺吃水變化圖Fig.7 Chain tension exchange with platform drafts

圖8 錨鏈頂端張力響應譜密度曲線Fig.8 Chain top tension response spectrum curve

2 改變平臺艏向對深水半潛式鉆井平臺抗臺效果的影響

由于所研究半潛式平臺的工作地點為我國南海海域，該海域極限海況為熱帶季風所引起的臺風海況，因此，風對半潛式平臺運動響應的影響以及半潛式平臺在風浪聯合作用下的運動響應，對于平臺的鉆井工作和自身安全極為重要。

2.1 風浪聯合作用下半潛式平臺運動響應的數值計算方法

平臺運動響應的數值計算過程中考慮了風、浪和錨泊系統對平臺主體的作用力，以及它們與平臺運動響應的耦合作用。下面簡單介紹風、浪載荷的計算方法。

2.2.1 波浪載荷

在不規則波浪作用下，假如結構物中心處波面的瞬時高度為η(t)，那么在整個物體上的瞬時波浪作用力和力矩在二階波陡近似下可寫為[6]

(16)

(17)

i=1,2,…,6,

(18)

2.1.2 風載荷

平臺的風載荷Fwind的計算公式為

(19)

式中：vh為h高度處風與平臺的相對速度；ρ=1.29 kg/m3為空氣密度；Ah是無傾斜平臺在風速方向的投影面積；Cd,h為h高度處平臺的無傾斜風力系數，從半潛式平臺風洞實驗測量得出；而μ則為平臺傾斜所導致的對風力系數的放大因子，計算中取μ=1.1。

2.2 調整平臺艏向對環境荷載受力效果

一般情況下應根據臺風預報，啟動撤臺應急響應，臺風條件下平臺應該撤離。但南海海域往往可能遭遇臺風預報不準確、不及時的情況，導致平臺來不及撤離。因此，需要研究在半潛式鉆井平臺來不及撤離時如何進行有效的應對，以使得平臺安全并且遭受的損失最小。下面討論通過調整平臺艏向來應對突發的臺風環境條件的影響。

臺風來臨時，超深水半潛式鉆井平臺可通過動力定位系統調整平臺艏向與臺風入射方向，如圖9所示。

本文舉例入射方向與浮箱夾角0°，θ，90°。根據經驗及風力流力計算公式可得，當平臺浮箱與波浪、風力入射方向夾角越小時，平臺所受外力越小，進而平臺產生的橫向漂移距離也越小。

因此，當臺風突襲平臺、無法及時撤臺時，平臺應盡量調整艏向，使平臺艏向與波浪、臺風入射方向夾角盡可能地小。

圖9 半潛式平臺艏向與波浪入射方向夾角示意圖Fig.9 Included angle between the semi-submersible platform bow direction and wave direction

3 深水半潛式鉆井平臺避臺原則及防臺措施

3.1 南中國海臺風預警系統

根據在南中國海作業的經驗，按風險等級劃分深水防臺警戒區域，主要考慮臺風與平臺的空間距離或臺風到達平臺的時間，以井場為中心、適當的半徑來劃分綠色、黃色、橙色和紅色范圍形成防臺警戒區域。

(1) 以空間距離為依據的防臺警戒區域是：根據平臺與臺風的距離確定所處的警戒區域。

(2) 以時間為依據的防臺警戒區域是：根據實時的臺風移動速度和與平臺的距離測算臺風到達平臺位置的時間，確定所處的警戒區域。

考慮到臺風移動速度具有實時性，根據經驗以空間距離為依據，確定的警戒區可能與實際情況有誤差，因此深水防臺程序的啟動同時也考慮以時間為依據的警戒區，如圖10所示。由兩種依據同時對平臺所處的警戒區域進行判斷，取保守情況啟動相應的響應程序。

圖10 臺風應急決策方法Fig.10 Typhoon emergency decision method

以空間距離為依據的防臺警戒區域劃分如下。防臺區域警戒等級主要用來指導臺風來臨時相應行為的啟動。在實踐中，警戒等級的設定標準可能需要實時修正。如圖11所示，荔灣深水區塊防臺警戒區由內向外劃分為4個區域。

(1) 紅色警戒區是以平臺為中心，半徑R1為250 n mile(463 km)的海區。

(2) 橙色警戒區是以平臺為中心，半徑R2為450 n mile(833 km)的海區。

(3) 黃色警戒區是以平臺為中心，半徑R3為600 n mile(1 111 km)的海區。

(4) 綠色警戒區是以平臺為中心，半徑R4為750 n mile(1 389 km)的海區。

圖11 荔灣深水區塊防臺警戒區Fig.11 Typhoon resistance warning area of Liwan deepwater block

3.2 不同警戒區域的應急反應程序

以空間距離為依據和以時間為依據的防臺警戒區等級均表示為綠色、黃色、橙色、紅色四個區域。南海不同等級警戒區的應急反應程序如下。

(1) 綠色區域(第一階段——預警報)。在作業區域內確認存在臺風或熱帶風暴的潛在危險，就要開始著手監測風暴動態，陸地和海上組織者就要開始做初步的準備(包括氣象跟蹤、后勤準備等)，根據以往統計數據初步判斷到達該范圍的時間。

(2) 黃色區域(第二階段——開始準備停止當前作業、移動鉆井平臺)。當臺風或強熱帶風暴朝著作業區域移動，將實施臺風緊急撤離階段I的應急措施。撤離1類非必要作業人員。做好解脫下部隔水管總成(LMRP)的準備工作，準備隔水管回收工具，根據相應的時間計算結果，隨時準備啟動回收隔水管程序。

(3) 橙色區域(第三階段——警告區)。當臺風以特定路徑朝著作業區域移動，危及作業，處于橙色區域并在紅色區域外時，實施臺風緊急撤離階段Ⅱ的應急措施。撤離2類非必要作業人員。開始進行隔水管和LMRP回收作業，并將LMRP固定在平臺上。

(4) 紅色區域(第四階段——危險區)。當臺風移動至紅色區域邊緣時，實施臺風緊急撤離階段Ⅳ的應急措施，動力定位鉆井平臺開始駛離臺風路徑。

3.3 對臺風強度和軌跡不確定性的考慮

眾所周知，熱帶氣旋的強度和軌跡很難準確預計。面對這樣的不確定性，海上作業者應對熱帶氣旋的影響，典型的都是基于預報中熱帶氣旋的監控圈，而沒有考慮其他量化的因素，例如不確定性和置信區間，以及表面風速和波浪高度的歷史數據。因此經常會導致不必要的誤報，從而帶來損失(不必要的撤離導致的撤臺費用)。另外，簡單地以離作業現場距離作為判斷嚴重性的依據，會導致某些時候產生另外一種誤判(應該撤離而沒有撤離)：通常是由于沒有考慮一個距離很遠但是強度很高的臺風產生的風和波浪，或者對一個不規則運動的風暴產生誤判——例如有些時候臺風和季風合成導致風暴加強。

當一個臺風來臨時，決策“撤離”或者“不撤離”通常不是那么清晰的，即使得到了最好的天氣預報數據也是如此。經驗和操作要求以及對可靠數據的解釋，對做出合理的管理決策起了主要作用。在風暴軌跡的不同階段，需要計算所需直升機的數量和時間；需要考慮速度、位置、可用的白天航行時間；需要加強對所有員工的臺風應急培訓。在季風季節的一些情況下，并不是所有的天氣預報都考慮了季風導致的風和波浪條件。

4 結 語

一般情況下，應根據臺風預報啟動撤臺應急響應，臺風條件下平臺應該撤離。但南海海域往往可能遭遇臺風預報不準確、不及時的情況，導致平臺來不及撤離。因此，在半潛式鉆井平臺來不及撤離時如何進行有效應對，使得平臺安全并且遭受的損失最小非常重要。通常情況下，改變吃水、調整錨鏈預張力、調整平臺方位等均能起到一定的防臺作用。本文針對典型深水半潛式鉆井平臺的避臺原則及防臺措施進行探討，并通過比較典型半潛式鉆井平臺吃水的改變，分析對平臺系泊張力及運動性能的影響，最終得到可指導平臺操作的結論。

當平臺無法有效撤臺時，采用三維勢流理論和時域耦合動力分析方法，計算了典型深水半潛式鉆井平臺在一系列吃水下(16～19 m)的總體性能，探討通過改變吃水達到降低系泊系統受載的可行性，結論如下：

(1) 不同吃水下，平臺平均位移在27.35～27.72 m之間變化，標準差僅為0.13 m，變化很小。

(2) 不同吃水下，平臺最大位移在45.91～52.13 m之間變化。

(3) 不同吃水下，錨鏈預張力在140.5～135.4 t之間變化，標準差僅為1.7 t，變化很小。

(4) 不同吃水下，錨鏈平均張力在298.57～297.31 t之間變化，標準差僅為0.77 t，變化很小。

(5) 吃水由16 m增至19 m時，最大錨鏈張力由474.16 t降至437.34 t，降低了36.82 t。

綜上所述，以典型深水半潛式鉆井平臺為例，計算可通過改變吃水而降低系泊系統的最大受載。改變吃水的同時需考慮對平臺穩性的影響。平臺調壓載的效率與壓載泵的能力密切相關。

當臺風突襲并且平臺無法及時撤臺時，平臺應盡量調整艏向，使平臺艏向與波浪、臺風入射方向的夾角盡量小。

根據在南中國海作業的經驗，根據風險等級劃分深水防臺警戒區域，主要考慮臺風與平臺的空間距離或臺風到達平臺的時間，以井場為中心、適當的半徑來劃分綠色、黃色、橙色和紅色范圍形成防臺警戒區域。不同防臺警戒區域需要根據臺風來臨時間等多重因素采取不同的預警系統及預警程序。當一個臺風來臨時，決策“撤離”或者“不撤離”通常不是那么清晰的，即使得到了最好的天氣預報數據也是如此。考慮到臺風強度和軌跡的不確定性，經驗和操作要求以及對可靠數據的解釋，對做出合理的管理決策起了主要作用。

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StudyonTyphoonResistanceMeasuresofDeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LI Yang, ZHANG Wei, XIE Bin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The frequent occurrence of typhoon in the South China Sea has brought so many challenges to the safety and efficiency of marine oil and gas resources development. One of the main working areas for the deep water of the South China Sea in the future is how to effectively avoid or reduce loss when emergency withdrawal is not attainable. Deepwater semi-submersible drilling platform is an important drilling equipment in the South China Sea. Taking a deepwater semi-submersible drilling platform as the research object, a detailed analysis on the principles and measures for the deepwater semi-submersible drilling platform to avoid typhoon is carried out. For example, we can adjust the platform bow direction to reduce overall impact force on the platform. Three-dimensional potential flow theory and time domain coupled analysis method are used to calculate the overall performance of platform under different drafts. By changing the platform draft and thus reducing the mooring system load, it is possible to avoid the destruction of the mooring system. The draft adjustment of the typical semi-submersible drilling platform and the influence of platform mooring tension and motor performance are discussed. Finally, the conclusion for guiding the operation of the semi-submersible drilling platform against typhoon is obtained.

deepwater semi-submersible drilling platform; typhoon; mooring system; typhoon resistance

2015-11-23

李陽(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事深水浮式平臺結構及水動力分析方面的研究。

U674.38+1；U698.91

A

2095-7297(2015)06-0396-09