深水半潛式鉆井平臺錨泊系統技術概述

中國船級社 北京 100007

為了滿足在深海的惡劣環境條件下進行鉆探等工程作業的需要，必須在較長一段時間內精確地保持半潛式平臺在海面上的位置，但是半潛式平臺對于水平面內的運動不具有回復力，這就需要安裝定位系統,平衡作用在浮體的外力，減小浮體的水平運動，使其不致發生位移。近年來，為了適應深海鉆探的要求，出現了不采用錨的自動動力定位系統(dynamic position)以保持井位。它可以在錨泊有極大困難的海域作業，如極深海域、海底土質不利于拋錨的區域等等；另外動力定位機動性好，一旦到達作業海域，立即可以開始工作；遇有惡劣環境突襲時，又能迅速撤離躲避。但是全動力定位系統初始投資和營運成本都比較高。海上的定位，最普遍的還是錨泊系統(mooring systems)，這種方法很早就在船舶上應用，具有結構簡單、可靠、經濟性好等優點。由于開采石油向深海的發展趨勢，這對深水錨泊裝置提出了更高、更嚴格的要求，并使得其設計、建造、使用操作等方面都增加了困難，因此對深海半潛式平臺的錨泊系統的研究具有重要的意義，也具有很大的發展空間和研究價值。為了滿足深水錨泊的要求，對錨泊系統方面的改進主要從錨索材料、錨的設備、設計研究方法等方面進行[1-2]。

1 錨泊線狀態

錨泊系統可以分為柔性和剛性兩種形式。柔性系統包括懸鏈線錨泊(SMS)(見圖1)和張緊式錨泊(TMS)(見圖2)。這兩種錨泊系統的工作機理都與彈簧類似，分別用錨泊線的垂向懸鏈線效應或錨泊線伸長的彈性效應引起的恢復力，使作用在浮體水平面內的外力傳遞到海床上，使平臺保持允許的位移。

圖1 懸鏈線錨泊示意圖

圖2 張緊錨泊示意

懸鏈線錨泊系統即傳統展開式錨泊系統，具有悠久的使用歷史，能適應較惡劣的海洋環境，在當前的深水海洋油氣浮式生產結構定位技術中仍然占有重要的地位[3]。懸鏈線錨泊由標準的懸鏈線方程定義，它與錨纜的淹沒重量、水平錨泊載荷、錨泊線張力、導向孔處錨泊線的角度等因素有關。懸鏈線錨泊系統的受力由錨泊線的幾何變形和軸向彈性變形一起來確定。錨泊線的幾何變形使橫向拖曳力對錨泊系統產生的影響較大。

由于水深的增加導致了傳統的鋼質錨鏈和鋼筋束系統的自重增加，水平剛度減小，造成了錨泊的有效性變差。另外在深水中懸鏈線形狀的錨泊系統覆蓋著相當大的區域，嚴重地影響到當地管線與纜線的敷設和其它船舶在該水域的錨泊。為了解決這一問題，傳統的呈懸鏈線形狀的錨鏈已逐漸為張緊或半張緊形狀的錨泊線所代替，錨泊線質量相對較小，在錨和導纜孔之間呈張緊狀態，從而減小了錨纜覆蓋的區域。張緊錨泊系統沒有經歷大的橫向幾何改變，恢復力完全由錨泊線的軸向彈力來提供。但是受力方式的改變，使錨基受到了會隨著錨泊線的長度的增加而減少的垂向力作用，因此張緊或半張緊形狀的錨泊系統對錨基要求更高。

2 錨泊線材料

錨泊線材料的成分選取除了考慮錨泊線狀態的要求外，還要考慮磨損破壞、老化和疲勞壽命等因素。不同類型的錨泊線，如錨鏈、合成纖維繩、鋼絲繩等或它們之間的組合都已有應用。

錨泊線一般由鋼絲繩和錨鏈組成，有時由于布置形式的需要，還要加上重塊和浮筒。錨鏈耐磨損、不易破壞，但一般較重，造價也高。對于懸鏈錨泊系統而言，錨泊線的長度與水深成一定的比例關系。水越深，錨鏈越粗重，船體需要承擔錨泊線懸鏈部分的重量。深水半潛式平臺的錨泊系統需要的錨泊線長、尺寸大，因而深海錨泊系統設計面臨著垂向載荷增加、水平恢復力降低、漂移增大和錨泊半徑大等問題。

在深水錨泊系統中，為了降低重量和成本，一般不采用全鏈系統。由于同樣的斷裂強度，鋼絲繩比錨鏈輕得多，懸浮部分常常采用鋼絲繩代替錨鏈，增加系泊鏈的強度，減少上部張力。但鋼絲繩的抗磨損能力差，與錨連接并觸底的一段依然采用錨鏈。金屬索通常多根纏繞在一起，形成復雜的結構，有螺旋形、6股或多股等纏繞形式。隨著水深的增加，錨鏈-鋼絲繩組合系統的優越性越來越明顯。當產生相同的位移時，錨鏈-鋼絲繩這樣的多成分系統的回復力明顯大于全索鏈系統[4]。

在超深水的惡劣環境條件中，平臺的錨泊系統的設計與以往的平臺有很大的不同。由于自重大，水平剛度小，錨鏈-鋼絲繩系統無法承擔外載荷，這些傳統的懸鏈線形狀的布置形式被張緊式的布置形式所代替。材料和構成都不同的合成纖維繩由于具有強度/重量比大、彈性好、成本低等優點，已經廣泛代替錨鏈和鋼絲繩。合成纖維繩的材料包括尼龍、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等。這些新的錨泊材料的使用給工程提供了更多的選擇，但是與錨鏈和鋼絲繩相比，合成纖維繩顯示出來更加復雜的非線性作用，這使得其相關的機理特性、動力因素的模擬等方面需要進行更深入的研究，為深水錨泊系統中的使用提供更有效和精確的理論支撐。

3 錨設備的型式

錨是保持平臺固定在一定位置的關鍵設備。隨著錨的移動，傳統的拖曳嵌入式錨的錨泊線張力能夠在錨鏈之間進行相互調整，即使在惡劣的環境下，錨產生一定運動后還能具有相當大的維持能力。

但是隨著水深的增加，平臺的錨泊定位系統有時要求考慮垂直方向的載荷，傳統的拖曳嵌入式錨只能產生水平方向的抓力，難以在深海的工作環境中發揮效用。另外錨泊線材料、狀態，海床狀況的改變也需要在不增加錨重的條件下提高抓力，這都導致了可以抵御垂直載荷的錨泊設備及其基礎出現新的形式[5]。國內外陸續開發了一些不同于傳統的拖曳嵌入式錨的其他形式的深海錨泊，以滿足深水域內對大抓力深海錨泊的設計需求和發展趨勢。

4 模型試驗

模型試驗是研究新形式、復雜結構的平臺運動和錨泊受力等水動力性能最重要的方法，可以幫助了解影響錨泊系統的因素，比數值模型更能反映平臺在海中的性能。數值模擬的驗證以及數學模型中眾多的水動力系數的校準也主要依賴于平臺及其錨泊系統在給定的海洋環境中的模型試驗結果，因此，平臺及其錨泊系統的模型試驗是推進數值模擬的基礎。

比例尺的影響在物理模型試驗中扮演了重要的角色。尤其是帶有擴展式錨泊系統的平臺要求實驗時所占的海底面積的半徑約是水深的五倍，這對縮尺比的要求更加高，更加難處理。一般認為縮尺比在1∶50～1∶100之間取值是比較合理的。當采用縮尺比大于100的超小比例模型試驗時，毛細現象(表面張力)、粘性等因素所產生的影響都不可忽略，再加上造波能力的限制，水域的加深對于傳統的模型比例的要求已超過現有的試驗水池的能力[6]。目前，實驗室中可以采用的最大的比例尺為1∶170。

在實際工程中，許多深海平臺的工作水深已達到3 000 m，并仍有向更深海域進軍的趨勢。所以國際海洋工程界的學者們面對由于尺度上的限制，無法完成全深水錨泊系統模型的現狀，提出了幾種解決的途徑。其中用截斷錨泊線的混合試驗方法(hybrid model testing technique)成為最有效的解決辦法。在實驗后需要對模型試驗中截斷的部分進行數值重構，因此這是將理論數值計算模型和物理試驗模型結合起來的試驗方法，是一種強有力的深水平臺研究工具。

5 數值模擬

隨著水深的增加，由于模型大小、水池尺度、水池造波機的能力等因素的限制，深海中的錨泊系統很難進行整體結構的模型試驗。而且錨泊系統的實際工作環境十分復雜多變，難以在實驗室中進行全面的模擬。因此盡管模型試驗是一種相當有效的研究手段，但僅有這種手段不能確保得到令人滿意的設計。這意味著模型試驗應和理論分析方法與計算機模擬應同時進行，使得錨泊系統的數值模擬變得越來越重要。而且，復雜的浮體/錨泊線/立管系統響應的理論對于發展混合模型試驗也是很必要的。

由于平臺向深海發展，用傳統的計算方法預測幾何形狀、載荷、海底摩擦等原因引起的錨泊線的強非線性和平臺系統的響應不再有效。因此，在深水數值模擬中，動力模型代替了準靜力模型，非線性時域方法代替了頻域線性方法，耦合分析代替了非耦合分析。這些深水錨泊系統的數值模型對于計算機能力的高要求使許多問題有待解決。

5.1 錨泊系統靜力分析

錨泊系統的設計，在許多情況下要決定錨索在靜止情況下的形狀及張力分布。特別在定位問題中，常需要知道被系泊結構的位移與張力的關系。因此，錨索的靜力學問題在工程上有很大的實際意義。浮動平臺的錨鏈系統一般由多根錨鏈組成，作用在錨鏈上的力有水動力、重力和張力等，具有明顯的非線性特征，但對錨鏈動力分析進行數值計算時需要很長的計算時間，為簡化計算，一般在方案設計階段沒必要進行很詳細的動力分析，這時往往做一些簡化，以快速得到系統的運動和受力特性，供設計參考[7]。準靜力分析方法計算簡便，與各種規范中較大的安全系數相配合后，能夠滿足一定的精度要求，大量的工程實踐已經證明了其安全性。該方法目前仍具有一定的生命力，可以作為初步設計的依據，也可以作為動力分析的基礎。通過錨泊系統的準靜力計算可研究在穩態載荷作用下錨泊線的受力和形狀，對錨泊系統布置形式、錨泊線材料和成分等特征參數進行優化選擇[8]。

準靜力分析中忽略了導索點的垂直運動、錨泊線的變形，以及與錨索質量、阻尼、流體動力有關的動力效應，用2D代替了3D效應。由于假定條件過多，雖然計算簡單并有解析解，但結果精度不足，尤其是當錨鏈上作用的流體作用力較大或錨鏈線有三維運動效應或錨鏈線有彈性變形時，結果更差。對于錨泊線本身的載荷來說，在水深不大的情況下，應用準靜定假設所得到的結果是可以應用的，但是當水深較大時，準靜定分析將低估錨泊線的受力。隨著人們對錨泊系統研究的深入，傳統的準靜力分析方法受到了挑戰。

5.2 錨泊系統動力分析

準確預估半潛式平臺在風、浪、流等環境條件的作用下運動所導致的錨泊線張力變化的動力特性對平臺錨泊系統的設計、安全和操作都有著重要的意義。由于各種原因過去雖然也認識到動力分析的重要性，但是設計時往往忽略動力作用。隨著水深的增加，動力分析越來越重要。

在深水平臺的錨泊系統中，錨泊線長，尺寸大，對應的強度也大；風、浪、流的影響也不同于一般的水深，受力越來越復雜。在同一動力載荷條件下，不同結構的動力反應是不同的，反應的大小與結構的自振頻率有著直接的關系。在不規則波中，差頻分量的頻率很低，與浮體-錨泊系統的水平振蕩頻率相接近，會造成上部浮體在水平方向上做大振幅低頻振蕩，在錨鏈中誘發很大的張力，甚至導致破壞。而和頻波浪力的頻率較高，會與浮體-錨索系統的垂向振動頻率相接近，造成浮體在垂向的持續振蕩，引起錨索的疲勞。在設計和施工中應特別注意錨泊系統的動力特性，以避開與海浪產生共振，從而避免錨索疲勞破壞。

在共振響應下，阻尼對系統的振蕩幅值有重要的影響，波浪阻尼是其中的一項重要部分，有時還會出現負值，使整個系統的阻尼水平有所降低，造成振動幅值的加大。錨泊系統隨結構一起運動，它不僅提供復原力，限制船體的運動，同樣將提供慢蕩阻尼。對于給定的錨泊布置方式，所產生的阻尼的比例將隨水深的增加而增加，最多可以占到所有阻尼的80%。要精確預報系統的運動，正確估算這一阻尼部分，必須考慮由流體載荷、錨泊線的阻尼、慣性質量和回復力的影響。再加上水深的增加，非線性的影響也增加。在這些情況下，都需用動力分析模型用來替代準靜力分析模型來進行分析。過去幾十年來，已建立的一系列計算錨泊線動力問題的模型，總的來說可以將這些方法歸結為時域和頻域兩種解法。

另外，工程中風險的可靠性評價要求的提高，平臺服務壽命的延長，新型系泊系統的出現和新材料的采用也導致錨泊線動力特性與傳統的有較大差別等原因，使動力學分析顯得越來越重要。而計算工具的發展使得非線性、多自由度系統動力分析的成本降低，也使得在設計中可以更精確地計入錨泊線的動力載荷[9]。深水平臺對計算方法的要求使得一些組織對平臺設計規范和規則進行了修改。API規范就建議將準靜力分析方法的應用范圍限制在初步設計階段，而對最終設計階段采用動力分析法。

5.3 錨泊系統與浮體的耦合計算

當前海洋深水開發所用的浮式平臺系統多為平臺與錨泊系統的耦合體，這樣，平臺與錨泊系統之間必將有相互影響及相互作用。但是以往作平臺的波浪響應分析時，錨泊系統的作用一般是忽略不計的或只考慮靜力回復力，而沒有將它們同平臺作為一體進行動力計算。平臺的運動和錨泊系統的載荷影響一般都是先由線性頻域過程的繞/輻射理論計算上部平臺的運動和受力，然后根據非線性時域理論，利用根據得到的平臺運動量來計算錨泊線的動力載荷響應。這種分離的計算用簡化的方法處理了低頻運動的錨泊系統的重要阻尼影響，沒有考慮平臺的波頻運動對錨泊系統的動力響應。隨著水深的增加，錨泊系統與平臺的相互影響越來越顯著，簡化計算的結果其精確性越來越低。

因此，平臺和錨泊系統不能單獨計算，必須作為一個整體來考慮。耦合分析已經成為深水中設計和檢查方式的主要推薦的方法。

耦合分析方法可分為時域和頻域兩種解法。傳統的頻域分析計算簡單、快速，可以直觀地在一定程度上表現平臺的錨泊系統慢蕩運動產生阻尼的機理以及主要的控制因素等系統特征[10]，被廣泛用于實際海洋工程結構的設計中。但是在應用頻域法時，所有的非線性項都要進行線性化，因為頻域法原則上只是用于線性系統，如要正確處理好非線性情況，時域分析方法顯而易見是最為有效的方法[11]。時域解法在模型化時可考慮所有的非線性、漂移力作用與粘性阻尼的影響。這種方法在每一時間步長上，對每一質量項、阻尼項、剛度項和載荷項都必須重新計算，進行結構物與錨系的耦合求解，計算比較復雜費時，但是這種處理方法在工程上有較廣的適用性。

6 結束語

目前，海洋油氣資源開發向深海發展已成為必然趨勢，深水平臺的數量隨之迅速增長。隨著水深的增加，錨泊系統的各個方面的研究方法、設計方法都有所不同，傳統的設計和分析方法不再適用，數值和物理模型的研究也成為巨大的挑戰。在深水平臺錨泊系統中，錨泊線的布置方式發生了改變，合成纖維繩也取代鋼質錨鏈作為錨泊線材料，吸力式沉箱錨等不同錨設備也代替了傳統的拖曳錨。這些改變也促使新材料的機理、各種惡劣的環境條件下系統的動力行為、船體-錨泊系統的耦合計算研究，以及各種物理模型實驗技術的進一步發展。

我國目前已經具備200 m水深內的自主開發能力，最深可達300 m，但與目前國際上公認成熟的作業水深1 500 m相比還存在較大差距，應該積極進行深海技術的儲備，進一步開展深海平臺技術的研究，為深海開發創造條件。

[1] 李潤培，謝永和，舒 志.深海平臺技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國海洋平臺，2003，18(3)：1-5.

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[3] 余 龍，譚家華.深水中懸鏈線錨泊系統設計研究進展[J].中國海洋平臺，2004，19(3)：24-29.

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[6] 張火明，楊建明，肖龍飛，深海平臺混合模型試驗方法應用技術研究[J].中國海洋平臺，2006，21(1):16-19.

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