深水半潛式平臺內波應急解脫最大偏移量的研究與控制

姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

深水半潛式平臺內波應急解脫最大偏移量的研究與控制

姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

在南海鉆井作業中，深水半潛式鉆井平臺屢遭內波干擾，對于平臺設備、作業安全造成了重大影響。結合目前半潛式鉆井平臺在南海遇到的內波以及半潛式鉆井平臺隔水導管系統的實際情況，研究分析了隔水導管系統的極限運動狀態條件，提出了在遭遇內波平臺漂移的情況下，應急解脫隔水導管的漂移極限條件。通過實例計算，對半潛式平臺在遭遇內波極限情況下的應急解脫條件進行了探討。這對于我們在南海的內波海域合理處置內波應急情況、確保深水鉆井作業安全具有重要意義。

深水鉆井；半潛式平臺；內波流；平臺漂移；應急解脫；極限條件

0 引 言

在“十二五”期間，中海油的深水船隊在南海成功地開展一系列的深水鉆探工作，同時也經受了南海的內波流帶來的問題和挑戰。

內波是由于海水的密度、質量差異而形成的一種復雜的海洋流。流體內部密度垂直分布呈現層化構造時，流體層化界面受到擾動時會出現波動，由于這種波發生在流體內部，因此稱為內波流。內波的產生應具備兩個條件： 一是海水密度穩定分層，二是要有擾動能源，兩者缺一不可。在深水作業中，當海水因溫度、鹽度的變化出現了密度分層后，再經大氣壓力變化、地震影響以及船舶運動等外力擾動，就可能在海水內部引發內波。

據不完全統計，僅在2014年4—8月，中海油NHX號錨鏈定位半潛式鉆井平臺遭遇內波流襲擾就達47次之多，其中最為嚴重的一次使得平臺漂移距離達123m，測量到的內波流速達5～6kn。由此可見，內波流是中國南海經常遇到的、十分頻繁的海洋自然現象，據文獻報道[1，2]，我國南海內波流最快的速度可達2m/s，其流動起來的能量非常大，幾分鐘或幾十分鐘內產生的巨大推動力，可將一座大型的海上作業船舶移位到幾十公里以外，同時會對海上作業安全產生巨大影響。

半潛式鉆井平臺在海上正常作業時，其定位方式有錨鏈定位和動力定位兩種。一般來說，錨鏈定位適用于1500m水深以內而動力定位適用于水深超過1500m的海域。

平臺鉆井和錨泊定位如圖1所示。半潛式鉆井平臺通過在伸縮節上安放的張力環，對于鉆井隔水導管施加一定的張力(通常情況是隔水導管重量的1.2～1.5倍)，以保持鉆井隔水導管始終處于垂直狀態。當作業海域海況發生變化，如風、浪、流的改變可能影響半潛式平臺井口的定位時，在鉆井錨鏈定位的平臺只能依靠錨泊的錨抓力和錨泊定位系統的恢復力來控制和保持。隔水導管底部有一個鉸接頭，允許隔水導管在漂移時有一定的轉動角度，當這個角度過大或者偏移量過大時，就需要應急解脫下部隔水管總成(LMRP)，以便在平臺漂移情況下，不至于拉斷隔水導管或者對水下防噴器(BOP)造成損壞。錨鏈式定位的半潛式平臺保持井口穩定這個過程耗時比較長，并且定位的方式比較被動。而如果采用動力定位方式，一旦發現海況在改變井口定位時，可以及時通過調整推進器的推動力來及時保持平臺的定位，這種方式耗時短并且相對比較主動。但是操作的費用比錨鏈定位平臺要昂貴得多。

由此可見當海況發生變化時，對于半潛式平臺定位影響最大的當屬錨鏈定位方式。特別是當內波流發生時，由于流向的不確定性、流速增加的突然性，對于平臺的定位和鉆井作業安全以及平臺安全帶來了巨大的潛在威脅和隱患。中海油進入南海深水鉆井以來,屢屢遭遇內波且對鉆井作業效率和鉆井平臺設備以及作業安全造成了極大的困擾和影響。NHX半潛式鉆井平臺在XXBI-4-1井曾因內波流的襲擾，內波流最大流速達到4Rn，造成平臺最大偏移量101m；在解脫LMRP以后，還遭遇到的內波流最大流速達到6Rn，造成平臺最大偏移量137m。累計影響作業時間186h，按照當時鉆井平臺的日費用計算，7.75天直接由于鉆井平臺日租金費用的經濟損失就達約280萬美元。其間還發生了張力器鋼絲繩拉斷、球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°、伸縮節盤根損壞發生泄漏，隔水管經檢驗確認受損等問題。

綜上所述，研究內波流條件下張力器鋼絲繩拉斷、伸縮節泄漏、隔水管受損的極限條件，隔水導管系統在內波流條件下的極限工況以及應急解脫的極限條件，對于提高作業效率、保障作業安全和深水鉆井平臺設備安全運行，都具有十分重要的現實意義。本文結合實例，研究了半潛式平臺在內波流條件下的應急解脫條件，給出了平臺漂移的情況下應急解脫隔水導管的漂移極限條件。

1 隔水導管漂移力學方程和計算方法

圖1 鉆井隔水導管漂移示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling riser offset

為研究問題方便起見，首先以深水鉆井隔水導管為研究對象，并且沿隔水導管軸線建立坐標，如圖1所示，隔水導管長度為l，其鉸接頭為球鉸支承A，鉆井隔水導管懸掛在半潛式鉆井平臺的張力環上，受到張力P的作用。該張力P由隔水導管浮力塊產生的浮力f和張力環的張力P1組成。由于受到內波流的作用隔水導管頂部產生漂移距離δ1，頂端位置由A1漂移到A3，底部產生轉角α。設此時鉆井平臺的吃水并沒有發生改變，因此隔水導管在漂移過程中必然要產生伸長變形。這個伸長變形在小于伸縮節行程范圍時，是隔水導管既有的伸長變形；伸長變形大于伸縮節行程范圍時，隔水導管就要產生伸長變形δ，其長度由原來的l伸長為l1。

為了研究問題方便起見，首先做如下假定：

(1) 將環境載荷作用(風、浪、流)的效果，視為平臺及隔水導管的運動和漂移。同時由于球鉸接頭允許的轉角α很小，因此不再單獨考慮環境橫向載荷對隔水導管的影響。

(2) 隔水導管上安裝伸縮節，超出伸縮節行程后隔水導管有軸向變形。

(3) 隔水導管視為一端鉸支，一端可以漂移并且受到軸向張力P的作用。通常情況下，由于球鉸接頭傾角控制在3°以內，故隔水導管頂張力的水平分力很小，為討論問題方便在此忽略不計。

至此就可得到鉆井隔水導管上受力情況，就是一個典型的拉伸條件下桿件的變形問題。根據應力、應變的關系，可推出應變伸長量δ的表達式[3-4]：

(1)

式中：E為材料的楊氏模量，MPa；A為隔水導管截面面積，m2；δ和l單位為m；P單位為kN。

由圖2的幾何關系可知

(2)

(3)

式中：α為球接頭傾角，°；l1單位為m。

將式(3)代入式(1)可得

(4)

通常情況下，配置浮力塊的浮力為隔水導管重量的80%左右，即f=0.8ql，q為單位長度隔水導管所呈重力，N/m。同時，上部鉆井隔水導管受到的張力P是按照隔水導管重量的120%設定的，即P=1.2ql;而隔水導管的張力P由張力環上提張力P1和隔水導管浮力塊的浮力f組成，為

P=P1+f，

(5)

于是有

1.2ql=P1+0.8ql，

(6)

可得張力環上提張力為

P1=0.4ql.

(7)

當α≠0°時，將式(5)代入式(4)，得

(8)

可得

即

(9)

特殊地，當α=0°時,由式(6)可知

P1=(1.2-0.8)ql.

(10)

2 NHX半潛式鉆井平臺隔水導管漂移計算實例

采用錨鏈方式定位NHX號半潛式鉆井平臺，在2014年4—8月遭遇內波流襲擾達47次之多，在未能解脫隔水導管LMRP的情況下平臺漂移距離達112m，其中最為嚴重的一次是在解脫隔水導管LMRP后，平臺漂移距離達132m，當時測量到的內波流速達到5～6Rn。造成的后果是： (1)球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°；(2)隔水管張力繩拉斷；(3)伸縮節盤根損壞；(4)隔水管經檢驗確認受損；(5)2#錨走錨。

已知隔水導管的強度條件[5]： 采用Cameron公司的lodking 4型隔水導管，鋼級X80，屈服強度為551.6MPa，隔水導管系統(法蘭、伸縮節、張力環等)能夠承受張緊載荷18000kN，伸縮節行程為15～20m(按照最大行程20m計算)。試計算隔水導管受力情況及分析系統受損原因，并提出合理的解脫條件。

計算和分析的前提條件為： 按照隔水導管重量的80%配置浮力塊的浮力，即f=0.8ql。鉆井隔水導管的張力P按照隔水導管重量的120%設定，即P=1.2ql。

按照本文推導的計算方法，由式(3)可以求得拉伸變形量δ，按照式(4)可以求得拉伸載荷P，按照式(9)可以求得張力器的拉伸載荷P1。

按照NHX遭遇嚴重內波襲擾的實際情況，當時作業水深為624m。隔水導管的具體計算結果如表1～3所示。

觀察表1可以發現：

(1) 在不考慮伸縮接頭行程和升沉的作用的前提條件下，當球鉸接頭傾角α=4°時，隔水導管管柱伸長δ=1.5m，作業水深為624m，平臺漂移δ1=43m，偏移量為水深的6.8%。此時產生的軸向拉伸力P=18000kN(1800t),達到X80隔水導管的拉力極限值。

(2) 同樣，在不考慮伸縮接頭和升沉作用的前提條件下，當球鉸接頭傾角α=4.15°時，隔水導管管柱伸長δ=1.64m，作業水深為624m，平臺漂移δ1=45.23m，偏移量為水深的7.2%。此時產生的軸向拉伸應力σ=551MPa，剛剛超過X80隔水導管的應力極限值550MPa。

(3) 按照NHX操船手冊要求，當偏移量達到水深的6%，即表中球鉸接頭α=3.4°時，就應解脫隔水導管。由計算可以看出： 此時產生的軸向拉伸力P=13450kN，距離極限拉力18000kN還有25%的余量。因此這項要求對于軸向拉力而言是偏于保守和安全的，此時解脫更主要的是對于井筒作業的考慮和要求。

(4) 在考慮伸縮接頭行程Lst=20m，平臺最大升沉H=5m的情況下，當球鉸接頭傾角α=8.1°～8.26°時，隔水導管管柱伸長δ=1.3～1.54m，作業水深為624m，平臺漂移δ1=88～90m，偏移量為水深的14%左右。此時隔水導管產生的軸向拉伸力值和應力值將達到或超過18035kN和550MPa的極限值。因此在平臺升沉5m的條件下，應急解脫臨界角度應該控制在8°以內為宜。

觀察表2可以發現：

(1) 在考慮伸縮接頭行程Lst=20m，平臺最大升沉H=3m的情況下，當球鉸接頭傾角α=9.3°～9.4°時，隔水導管管柱伸長δ=1.3～1.55m，作業水深為624m，平臺漂移δ1=102.6～103m，偏移量為水深的16.5%左右。此時隔水導管產生軸的向拉伸力值和應力值將達到或超過18000kN和550MPa的極限值。

(2) 實際情況是在未解脫LMRP情況下，NHX平臺最大漂移達到δ1=112m，平臺在遇到內波襲擊后，球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°；伸縮節盤根損壞；隔水管經檢驗確認受損。從表2計算可以看出，當球接頭傾角α≥9.3°以后，隔水導管產生軸的向拉伸力值和應力值將達到或超過18000kN和550MPa的極限值。必然會導致隔水管受損、伸縮節盤根損壞的結果。可見在平臺最大升沉3m條件下，應急解脫臨界角度應該控制在9°以內才是安全的。

觀察表3可以發現：

當平臺升沉為1m時，NHX平臺的球接頭傾角為10.3°～10.5°時，隔水導管產生軸的向拉伸力值和應力值將達到或超過18000kN和550MPa的極限值。因此在這種條件下必然會導致隔水管受損、伸縮節盤根損壞的結果。換言之，在平臺最大升沉1m條件下，應急解脫臨界角度應該控制在10°以內才是安全的。

由表1～3的計算結果可以發現：

在本實例水深624m不變的條件下，隨著升沉H從5m到1m的逐步減少，最后的安全應急解脫控制點的傾角從α=8.1°到α=9.3°再到α=10.5°逐步增加。說明在水深不變的條件下，應急解脫的傾角是隨著平臺升沉的減小而增加的。換句話說，NHX平臺實際情況是，在球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°時，NHX平臺未解脫LMRP，由于應力超過安全極限導致伸縮節盤根損壞，隔水管受損。

3 結 語

南海內波對于深水半潛式鉆井平臺安全作業具有極大的影響，我們無論是在內波的形成機理、運動特點、災害預防、安全應對等各方面，都需要開展認真的研究。

在突然遭遇內波流襲擊的情況下，操船手冊規定的應急解脫條件是第一道安全防線，它偏于保守但是絕對安全。若無法按照第一道防線解脫，如果條件允許，就應提前進行嚴格的計算和分析，分別將最大拉力P、最大應力σ、伸縮節行程力Lst、平臺最大升沉H、球鉸接頭傾角α、隔水導管管柱伸長δ、平臺漂移量δ1等多個因素綜合考慮和分析。得出在安全行程Lsafe以內的臨界應急解脫控制點，這是安全控制的第二道防線，也是最后一道防線。控制最后一道防線的關鍵是控制最大拉力負荷P和最大應力值σ，它只與隔水導管本身的材料性能有關。而漂移量與水深的比值則是與水深相關的間接表達式，它是與水深有關的一個變量。

在有內波的海域作業，需要提前制訂應急解脫程序，并且需要根據作業區域的海況條件及時加以修訂。在這里平臺的升沉參數特別重要，應予以高度重視和合理應用。

由于在南海內部環境條件下，平臺漂移及隔水導管傾角瞬間就會發生很大的變化，因此開發和研制高鋼級材質的鉆井隔水導管具有重要的實際意義。例如目前X100、X120等新型高強度材料的研究和應用，將鉆井隔水導管強度再度提高，這樣有助于在內波流等復雜條件下提高適應能力，保證作業安全。

針對海域環境研究并制訂科學合理的應急解脫程序，不僅需要考慮平臺設備安全、井的安全，同時還要兼顧作業效率、程序的可操作性等相關問題。就目前我們遇到的問題來看，需要盡快完善制訂最后一道安全應急解脫程序，以盡量減少由于未能及時解脫而對深水鉆井平臺設備造成損壞，減少或避免由此產生的經濟損失。

建議在目前平臺的操船手冊的基礎上，進一步開展對于內波的研究以及內波條件下對于鉆井平臺安全作業影響的研究，進一步完善平臺應急解脫管理程序、完善鉆井隔水導管的技術管理和應對措施。這對于我們保障深水作業安全和設備安全具有重大的意義。

[1] 謝波濤，雷方輝.南海流花海域內孤立波特征分析[J].中國造船，2013(a02)： 210.

[2] 楊美志.“內波流”對動力定位船安全作業的影響及對策[J].航海技術，2013(3)： 18.

[3] 孫訓方，方孝淑，陸耀洪.材料力學(上冊)[M].北京： 人民教育出版社，1978： 21-22.

[4] S.鐵摩辛柯，J.蓋爾.材料力學[M].胡人禮譯.北京： 科學出版社1978： 8—13.

[5] 暢元江，陳國明，鞠少棟.國外深水鉆井隔水管系統產品技術現狀與進展[J].石油機械，2008，36(9)： 205.

MaximumOffsetfortheEmergencyDisengagementandControloftheDeepwaterSemi-SubmersiblePlatforminInternalWave

JIANG Wei

(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

In the South China Sea drilling operation, deepwater semi-submersible drilling platform experiences repeated wave interference, which causes a significant impact on equipment safety and platform operation. Considering the actual situation of internal waves acting on the semi-submersible drilling platform in the South China Sea as well as the semi-submersible drilling platform riser system used at present, the extreme motion condition of riser system is studied and analyzed. The maximum offset for the emergency disengagement of riser system, when the platform drifts as a result of internal wave, is put forward. Through the calculation example, the emergency disengagement conditions of semi-submersible platform under extreme conditions of internal waves are discussed. This research has important significance to the internal wave emergency management and the safety of deepwater drilling operation in the specific internal wave environment in the South China Sea.

deepwater drilling; semi-submersible platform; internal wave current; platform offset; emergency disengagement; extreme conditions

U674.38+1

A

2095-7297(2017)01-0029-08

2017-01-15

姜偉(1956—)，男，教授級高級工程師，主要從事深水鉆井方面的研究。《海洋工程裝備與技術》編委。