超深水完井修井船作業能力評估

董 璐,祖 巍

(1. 國核電力規劃設計研究院有限公司,北京 100095; 2. 中海(石油)有限公司天津分公司,天津 300459)

0 引 言

作為一種多功能海洋工程裝備,完井修井船主要用于海上油井的完井、維修和維護,同時在集采油樹的安裝、拆卸以及連接井底和油層等方面,可提供相關技術支持,是一種高技術含量、高附加值的海洋工程裝備,同時也是深水油氣開發的關鍵裝備之一[1]。完井和修井兩個環節在海洋油氣開發過程中至關重要。作為這兩項重要作業的專用工程裝備,深水完井修井船隨著油氣開發逐步向超深水進軍,在未來深海油氣開發中將發揮重要的作用。

當海上油氣開發作業者需要租用作業船舶進行相關作業時,應提前掌握目標作業船在目標海域的作業能力,以保證相關作業能夠順利實施,降低船舶資源租用時間,實現良好的總體效費比。完井修井船是一種新興裝備,工業界和學術界的相關研究主要集中在深水鉆完井操作[2、 3]以及相關系統的動力學模擬方面[4];國內學者在其他類型海上工程作業船舶的作業能力評估領域做出了較多的研究。易叢、李達等[5]針對浮托船舶的作業能力進行評估,唐坤、陸家尉等[6]針對圓筒形FPSO的外輸作業概率進行了研究分析,高巍、周華[7]對海上風電運維船的登靠作業概率進行了研究。目前,尚未有相關研究公布針對完井修井船的作業概率評估。

本文以一艘超深水完井修井船為研究目標,評估其在世界各主要油氣產區典型海域的作業能力,提出相關作業能力評估準則,為作業方在超深水完井修井船舶資源選擇方面提供評估方法與參考依據。

1 基本信息

1.1 船體信息

目標超深水完井修井船具備自航能力,最大作業水深為2500m。該船采用6立柱帶底部船體的半潛型式,作業吃水為16m,總體排水量為52000t,如圖1所示。其主尺度與主要特征信息如表1所示。

圖1 超深水完井修井船Fig.1 Ultra-deep water well completion and workover vessel

表1 完井修井船主尺度信息Tab.1 Principal dimensions of the vessel

(續表)

1.2 立管信息

參照API RP 16Q[8]選取立管及張緊器,相關輸入數據如表2、表3所示。

表2 立管參數Tab.2 Data of Risers

表3 張緊器數據Tab.3 Data of Tensioner

2 環境條件數據及處理方法

本文針對目標超深水鉆井修井船在北海挪威沿岸、設得蘭島外海、西非幾內亞灣及安哥拉沿岸、墨西哥灣、巴西沿岸、中國南海,以及西北澳大利亞沿岸等海域的作業能力進行評估。相關海域分布如圖2所示。

圖2 世界主要海區分布[9]Fig.2 Distribution of major sea areas in the world[9]

根據DNVGL-RP-C205,單獨考慮有義波高Hs長期分布時,Hs的累計概率分布函數可以表達為[9]

(1)

式中,αHs為威布爾分布尺度參數;βHs為威布爾分布形狀參數;γHs為威布爾分布形狀參數。

當考慮有義波高Hs與平均跨零周期Tz聯合分布時,有義波高Hs概率分布函數以3參數威布爾分布,表示為

為了有效推行此種模式，在法律政策修改方面，筆者認為可以統一制定農村法人法。一方面，現有涉及農村集體經濟組織的法律過于繁雜，容易產生混亂與沖突;另一方面，構建新法能夠更為清晰、統一地確定相關事項，將相關政策落到實處。新法需明確該模式的法律性質和運行方式，內容包括對農村集體經濟組織的名稱、轉換條件、機構設立等規定，并最大限度根據實際情況確定相對統一穩定的標準，以保證可操作性;還需規定集體經濟組織的具體設立程序，如產生、登記、村民戶口變更等相關問題。

(2)

平均跨零周期Tz以Hs為條件的條件概率分布函數[9]可以表示為

(3)

μ=E[lnTz]=a0+a1ha2

(4)

σ=std[lnTz]=b0+b1eb2h

(5)

DNVGL-RP-C205規范給出了圖3各個海域對應參數αHs、βHs、a1、a2、b1、b2的推薦值。當有義波高Hs使用雙參數威布爾分布來估計時,γHs=0,此時a1=0.7、a2=0.07。

圖3 分析流程圖Fig.3 Analysis Flow Chart

根據式(1)～(5)可以建立各個海區的有義波高Hs與平均跨零周期Tz的聯合分布。

考慮到各個海區的差異,最終得到的結果可能與實際存在偏差。此時,可提供各主要油氣田海域典型一年一遇有義波高極值,對相關結果進行校驗并進行參數調整,使得最終得出的有義波高結果符合實際。

當得到符合實際的有義波高分布后,譜峰周期Tp的計算可參照DNVGL-RP-C205對于波陡SP的限制條件:

(6)

其中,波陡SP的限制條件如下:

SP=1/15,TP≤8s

SP=1/25,TP≥15s

(7)

根據DNVGL-OS-E301中各海區Hs與一小時平均風速比值,選取對應波高下的平均風速;可近似取對應風速的3%,作為表面流速[10]。

3 分析方法

3.1 分析流程

本文采用AQWA軟件建立目標船水動力分析模型并進行頻域水動力分析。隨后將AQWA計算的水動力數據導入到Orcaflex軟件中,建立船體-立管-張緊器的時域耦合分析模型,在Orcaflex中定義環境條件并進行時域分析。具體分析流程為:

(1) 依據完井修井船主尺度及重量信息等,通過AQWA-Line建立水動力分析模型,并完成水動力計算。

(2) 使用Orcaflex建立船體-立管耦合分析模型。該模型主要包含3部分:船體以及月池模型;立管模型,采用三維桿單元模擬;張緊器、張力環、底部立管總成、BOP等模型;

(3) 將AQWA-Line計算的水動力數據輸入Orcaflex中進行時域分析。分析中將模擬波浪、風、流載荷的交互影響。波浪為Jonswap譜,風為NPD風譜,流為剖面流。

(4) 選取5個不同隨機波浪種子對每個海域的設計工況進行時域模擬計算,最終計算結果為5個時域分析結果的均值。

(5) 根據時域計算結果校核立管響應情況,求出極限限制波高。根據極限限制波高以及對應海域波高累計概率分布,最終得到完井修井船在各目標海域的作業概率,以供海上作業者參考。

3.2 校核準則

超深水完井修井船在鉆井修井作業過程中的立管響應是主要校核內容,具體的分析校核準則如表4所示。

表4 校核準則Tab.4 Criteria of calibration

(續表)

3.3 分析工況

研究海區包括挪威外海(1)、設得蘭群島外海(2)、墨西哥灣(3)、中國南海北部(4)、中國南海南部(5)、西北澳大利亞(6)、幾內亞灣(7)、安哥拉沿岸(8)、巴西沿岸(9)共9個海區,每個海區的環境條件按照有義波高1.0～4.0m分成7個分析海況。

針對完井修井船的作業特點,分成鉆井以及完井兩個作業條件,即立管充滿鉆井液或海水。每個海況進行5個不同波浪種子模擬,總計算工況數目為9×7×2×5=630個。

4 分析模型

4.1 分析模型

使用AQWA建立的完井修井船在作業吃水下的水動力計算模型,如圖4所示。

圖4 完井修井船水動力計算模型Fig.4 Model of Completion and Workover Vessel for Hydrodynamic Analysis

使用Orcaflex建立的完井修井船船體-立管耦合計算模型如圖5所示。

(a) 全局圖

(b) 細節圖圖5 完井修井船船體-立管耦合分析模型Fig.5 Coupled analysis model of hull-riser of completion and workover vessel

5 分析結果

5.1 運動響應RAO

通過AQWA計算的目標船運動響應RAO如圖6、圖7所示。計算結果顯示,該船升沉運動固有周期為10.5s,橫搖運動固有周期為42s,縱搖運動固有周期為31s。

(a) 縱蕩

(b) 升沉圖6 縱蕩和升沉運動RAOFig.6 Surge and heave motion RAOs

(a) 橫搖

(b) 縱搖圖7 橫搖和縱搖運動RAOFig.7 Roll and pitch motion RAOs

5.2 船體運動響應

分析耦合分析模型在各海區不同海況及作業狀態下的船體運動響應。其中,3～4m有義波高下的船體運動計算結果如表5所示。由計算結果可以發現,隨著波高、譜峰周期逐漸增大,船體運動響應逐漸增大。綜合各個海區的計算結果可以發現,1(北海)、4(南中國海北部)、7(尼日利亞)、8(安哥拉)4個海區環境條件作用下船體運動響應較大。

表5 時域運動分析結果Tab.5 Motion Results of Time Domain

(續表)

5.3 立管響應

分析了耦合分析模型在各海區不同海況及作業狀態下的立管響應。其中,3～4m有義波高下的立管分析結果如表6所示。

表6 立管分析結果Tab.6 Analysis Results of Risers

(續表)

由計算結果可以發現,隨著波高、譜峰周期逐漸增大,立管響應逐漸增大;當有義波高為4m時,立管最小張力不滿足要求。綜合各個海區的計算結果可以發現,1(北海)、4(南中國海北部)、7(尼日利亞)、8(安哥拉)4個海區環境條件作用下平臺運動響應較大。

5.4 目標海域作業概率

根據立管分析結果,結合海區波高累計概率,得出目標船在9個海區的作業概率,如表7所示。

表7 完井修井船在各目標海區的作業概率Tab.7 Operation probability of the vessel in various sea areas

整體而言,目標船在墨西哥灣、南中國海南部、西北澳大利亞、尼日利亞以及巴西等相關海域作業概率在80%以上,能夠較好地適應當地環境。在挪威外海、設得蘭外海、南中國海北部作業概率較低,其中,設得蘭海外作業概率不足70%,如圖8所示。該目標船在這些海域的作業能力有限,進行相關作業需謹慎評估。

圖8 完井修井船在各目標海域的作業概率情況Fig.8 Operation probabilities of the vessel in various sea areas

6 結 論

本文評估了某超深水完井修井船在9個潛在目標海域相關作業的作業能力與作業概率。目標船在南中國海南部、西非、巴西的作業概率較高,較適宜在這些海區作業;由于北海、南中國海北部環境條件較為惡劣,該目標船在這些海域作業需要有充足的分析與氣象支持,以保證足夠的氣候窗完成作業。

整體而言,該目標船已經基本具備全球作業能力,主尺度設計較為出色,后續的工作可在原設計基礎上進行小幅度的優化,以提高惡劣海區作業能力。

本文的相關分析方法可用于同類型以及其他海上工程作業船舶的作業能力評估。