基于南海環境條件的半潛式鉆井平臺設計環境參數分析

童波 金強

（七○八研究所 上海 200011）

基于南海環境條件的半潛式鉆井平臺設計環境參數分析

童波 金強

（七○八研究所 上海 200011）

南海環境；熱帶氣旋；設計工況；海況參數

南海環境條件復雜多變，深水、高壓、低溫、波流的不規則性以及內波的存在等使半潛式鉆井平臺設計面臨重大挑戰。研究海洋環境條件的意義是在現有的平臺設計水平和設備技術水平條件下，確保該海域作業的半潛式鉆井平臺的作業性、安全性和經濟性。研究南海海域的環境特征，可應用于南海半潛式鉆井平臺設計中不同工況的海況參數選取。

0 引言

隨著當今全球氣候環境的變化，惡劣風暴條件下平臺海損事故不斷發生，平臺設計采用的環境數據正趨于提高。以海洋環境條件為核心的設計基礎對平臺方案的船型、尺度、性能等具有重要影響，是決定平臺作業性、安全性和經濟性的關鍵因素。

值得注意的是，南海是臺風多發海域，每年影響南海的熱帶氣旋有10余個，超強臺風平均風速可達60m/s。熱帶氣旋的生成地和發展趨勢千變萬化，不同時間熱帶氣旋的強度和路徑各有不同，這些都增加準確預報強熱帶風暴和臺風的難度，進而影響平臺的設計和安全操作。

本文研究南海海域的環境特征，以指導應用于南海半潛式鉆井平臺設計中不同工況的海況參數選取。針對深海半潛式鉆井平臺作業海域的環境特征，重點研究熱帶氣旋的生成、強度、路徑和預報可靠性；分析海洋環境與平臺設計的關系，進而選取不同工況下的海況參數。

1 海洋環境特征

海洋環境條件在工程設計分析中可分為靜態環境條件和動態環境條件。其中，靜態條件包括水深、海底地形、氣溫、水溫和濕度等；動態條件包括風（季風和熱帶氣旋）、波浪和海流。此外，海洋環境條件還包括內波、海生物等因素。下面以南海為例闡述海洋環境條件的主要特征：

1.1 水深與地形

南海是西北太平洋最大的邊緣海，其跨度大約為0°N~23°N、99°E~121°E，面積約達350萬平方公里，平均水深在1 800m以上，最深達5 420m。它通過臺灣海峽、呂宋海峽、民都洛海峽、巴拉巴克海峽、邦加海峽、加斯伯海峽、卡里馬塔海峽、馬六甲海峽與外界海域相連。

1.2 氣溫

利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）1979年~2005年氣溫資料計算了南海/西非/東南亞/墨西哥灣海域的最高氣溫和最低氣溫。南海/東南亞的最高氣溫可達32℃以上；西非海域的最高氣溫為30℃；墨西哥灣累年最高氣溫為30℃～32℃。南海的最低氣溫為10℃；東南亞海域的最低氣溫為22℃；西非海域最低氣溫為8℃；墨西哥灣累年最低氣溫為8℃～24℃。

1.3 水溫

利用OISST（NOAA Optimum Interpolation（OI）Sea Surface Temperature）1981~2005年海面溫度資料計算南海/西非/東南亞/墨西哥灣最高水溫和最低水溫。南海大部分海域的海溫最高為31℃；東南亞海域的溫度最高為31℃；西非海域的溫度最高為30℃；墨西哥灣累年最高水溫為22℃~28℃。南海的最低海面溫度為23℃；東南亞海域的最低海面溫度為26℃；西非海域的最低海溫在12℃；墨西哥灣累年最低水溫為14℃~18℃。

1.4 濕度

利用NCEP的1979~2005年相對濕度資料計算了南海/西非/東南亞/墨西哥灣最高、最低和平均相對濕度。南海/東南亞/西非的最高相對濕度可達96%以上；墨西哥灣累年最高相對濕度可達99%。南海/東南亞海域最低相對濕度為30%；西非海域的最低相對濕度為40%；墨西哥灣最低相對濕度為40%～60%。南海/東南亞平均相對濕度為78%～86%；西非海域平均相對濕度為80%左右；墨西哥灣平均相對濕度為75%－85%。

1.5 季風

南海地處亞熱帶和熱帶區域，屬典型的亞洲季風區。受季風性氣候影響，南海海域的氣候呈現冬半年、夏半年的特征，其轉換季節很短。南海海面風力在東北季風時期最強，在夏季風時期較冬季風時期弱，春秋過渡季節的平均風速均比冬夏季時期小，南海海面平均風速的變化呈現明顯的季節變化特征。

1.6 波浪

南海海浪的分布和變化主要取決于海區季風風場的分布及其變化，同時也受到風區、風時和地形等的影響。東北季風期間盛行東北浪，西南季風時期盛行南、西南浪。兩種季風交替時期浪向多變，盛行浪向不明顯。由于冬季東北季風的風速較夏季的西南季風的風速大，所以就氣候態的波高（一般稱為波候）而言，冬季的波高較夏季的大。

1.7 海流

南海的環流場受多種因素的影響，包括季風、地形、太陽輻射以及降雨等。此外，黑潮通過呂宋海峽至少影響南海北部的流場結構。冬季南?？偟沫h流結構呈一個氣旋型，并發育有兩個次海盆尺度的氣旋型環流；夏季總環流大致呈反氣旋型，大部分海區以東北向漂流為主。不論冬、夏季，南海環流的西部邊界強化趨勢均十分明顯，由于南海海流的復雜性，目前對南海海流的特征還沒有比較統一的認識。

1.8 南海內波

內波是海洋中普遍存在的現象，在穩定層化的海水中，只要有擾動就有可能激起內波。南海北部海域是海洋內波發生最頻繁的海域之一，對于南海北部內波（內潮波和孤立子內波）的發源地，國內外很多學者認為是在巴士和巴林塘海峽或其中的某個局部區域。這是因為在巴士和巴林塘海峽存在急劇變化的底地形，當來自太平洋的潮波或海流穿過海峽時，潮流或海流受海峽內的地形影響會在層化的海水中激發出內潮波或孤立子內波，另一方面，在南海北部海域的陸架陸坡的連接處地形變化劇烈，且海水層化現象常年存在，因此由內潮波的生成機制可知，潮流在這里受到變化劇烈地形的強迫或調制作用后，會在層化的海水中產生擾動并最終發展成強的內潮波。

1.9 南海海洋污損生物情況

海洋附著（污損）生物是指生長在海中一切人工設施（包括船舶、浮標、石油平臺等）表面上的動物、植物和微生物。海洋結構物上附著的污損（附著）生物增加了結構物的載荷，從而減少了結構物的壽命，結構物表面的海生物生長情況如表1所示。

表1 海洋附著生物生長情況

2 熱帶氣旋

本文主要分析影響南海的熱帶氣旋次數、路徑及強度特征。南海熱帶氣旋包括南海海域（25°N以南、120°E以西）生成的熱帶氣旋或從西太平洋移進以上海域的熱帶氣旋。熱帶氣旋的等級劃分采用2006年6月15日正式啟用的中國氣象局和國家標準化管理委員共同制定的《熱帶氣旋等級》國家標準。

根據1976-2005年臺風資料（中國臺風年鑒）統計，30年中影響南海的熱帶氣旋共有372個，年平均12.4個。最多年份有18個（1978年），最少年份有6個（1997年）。在南海海域生成的熱帶氣旋有153個，占總數的41.1%，在西太平洋生成后移進南海的熱帶氣旋有219個，占總數的58.9%。

表2 熱帶氣旋等級劃分

圖1 1976年~2005年影響南海熱帶氣旋月個數變化圖

2.1 熱帶氣旋路徑

影響南海的熱帶氣旋復雜路徑一般分為四類，即：打轉類、蛇行類、右折類、左折類。南海生成的熱帶氣旋較西太平洋移進南海的熱帶氣旋路徑復雜，這是由于南海受冬、夏季風影響明顯，又處于熱帶、副熱帶和西風帶系統交匯區，因而可使得影響南海的熱帶氣旋路徑千變萬化。如8616號臺風1986年8月16日在南海東部海面生成后，在臺灣附近和南海東北部海面回旋打轉，先后兩出兩進南海，至9月6日在越南海防附近登陸，前后共歷時22天。該臺風是多年來路徑最異常、持續時間特長的一個臺風。

2.2 熱帶氣旋強度

影響南海的熱帶氣旋中，TD占23.9%、TS占16.7%、STS占27.7%、TY占23.9%、STY占6.7%，Super TY占1.1%。在影響南海的118個臺風以上強度的熱帶氣旋中，西太平洋移進的占了83.1%，而南海海域生成的只有16.9%。其中4個超強臺風全是從西太平洋移進南海的，其中7908號超強臺風移進南海后，中心最大風速最強達60m/s。

2.3 臺風預報可靠性

臺風預報準確性直接關系到臺風造成的人員傷亡及經濟損失。臺風由熱帶氣旋發展而來，熱帶氣旋的生成地和發展趨勢千變萬化，不同時間熱帶氣旋的強度和路徑各有不同，這些都增加準確預報強熱帶風暴和臺風的難度。臺風預報的可靠性一般為24 h（小時），48~72 h內的臺風預報（中心強度、路徑、風圈半徑等）誤差較大。一般接到預報后，平臺僅有1~2天時間進行撤離準備。

臺風預報的主要內容包括熱帶氣旋的發生發展、移動路徑、強度變化等。臺風強度的影響范圍很大，一般臺風中心最大風速30~50m/s，臺風圈直徑300 km以上（對應風圈邊緣風速20m/s）。目前24 h和48 h的中心附近最大風速預報的平均誤差為4~7m/s和6~10m/s。

若預報熱帶氣旋未來將加強、維持或減弱，而實際情況也是如此，則認為預報趨勢與實況一致。用預報趨勢與實況一致的次數除以總的預報次數,即可得預測趨勢一致率。目前中國的預測趨勢一致率為70%～80%。臺風預報路徑范圍的誤差在120 km以上，目前中央氣象臺24、48和72小時臺風路徑預報誤差分別為112、194和318 km，與日本和美國綜合預報水平大體相當。

以下以一種典型臺風為例介紹預報的可靠性：2006年的臺風“珍珠”初始階段預報其沿西北偏西方向行進，最大風速30m/s，移動速度20 km/h。當臺風行進至南海中部時，出現90°轉彎，豎直北上，貫穿南海，此次臺風路徑及登陸地點預報的難度都很高（具體如圖4~圖7所示）。圖中實線為臺風實際路徑，虛線代表不同氣象臺的預報路徑。

圖4 臺風“珍珠”路線圖

圖5 臺風“珍珠”路線圖

圖6 臺風“珍珠”路線圖

圖7 臺風“珍珠”路線圖

3 海洋環境與平臺設計

3.1 海洋環境與平臺作業性

半潛式鉆井平臺能否正常作業與海況密切相關。例如鉆井作業時在波浪作用下，半潛式鉆井平臺會產生周期性的上下垂蕩運動，使鉆柱隨之作上下運動，并造成井底鉆壓變化，甚至鉆頭脫離井底，無法鉆進。目前主要通過鉆柱運動補償系統解決鉆柱的升沉補償問題。鉆柱運動補償系統能夠在浮式鉆井裝置升沉運動時保持井底鉆壓，并按巖石性質隨時調節鉆壓。

在風、浪、流作用下，平臺產生水平漂移運動，隔水管也會隨著平臺產生水平漂移運動。作業時，隔水管底部的球形接頭允許旋轉的角度范圍限制了平臺的偏移量，平臺偏移過大時就應使隔水管下部組件與BOP解脫，而且平臺水平偏移增加隔水管的補償需求長度。目前可以通過隔水管張緊系統的伸縮節為隔水管頂部提供垂向力，以控制隔水管的應力和位移，并能在浮體作垂直和水平運動的情況下，使隔水管柱的張力基本保持恒定，不致使它出現彎曲、扭轉等損壞。

作業海況和平臺型式決定平臺作業工況下的運動響應，平臺運動響應最大值影響鉆井運動補償系統的設計能力（例如鉆柱運動補償系統、隔水管張緊系統等），另外作業海況的最大風速也影響鉆井平臺機械設備的設計（例如起重設備、井架系統），同時該作業海況還應保證足夠的全年作業率。

與半潛式鉆井平臺作業性相關的總體性能有運動性能和定位能力（DP定位與錨泊定位），與這些總體性能相關的主導海況各有不同。

運動性能主要考量半潛平臺在作業工況下的橫搖、縱搖和垂蕩運動響應，與此相關的環境載荷是一階波浪力，因此作業工況下運動性能的主導海況是波高和波浪周期，平臺固有周期應避開波浪能量的集中范圍。

作業時定位能力（錨泊定位與DP定位）主要考量半潛平臺在多根系泊纜或多個推進器作用下的縱蕩、橫蕩和首搖運動響應，作業時應保證平臺的偏移滿足隔水管球形接頭轉角、伸縮節和鉆桿等的限制要求，與定位能力相關的環境載荷是二階波浪力、風載荷和流載荷，相比之下定位能力的主導海況是風速。

半潛式平臺要在更惡劣的海洋環境條件下作業，一方面要優化平臺的型式使其具備更好的耐波性，另一方面要提高定位技術。其中，動力定位系統能平衡低頻的環境載荷，在惡劣的海況下平臺需要更高功率的推進器和電站，進而影響設備的布置空間和選型采購。對于錨泊系統，半潛式鉆井平臺需要到不同海域鉆井作業，通常選用起拋錨方便、抓力較大、成本較低的非永久性錨泊系統，且一般采用拖曳埋置錨。此錨不能承受上拔力，因此需要較長的鋼鏈連接海底錨，以保證系泊纜在設計海況下具備躺底部分。惡劣的海況條件下，則要求連接錨的鋼鏈更長，纜繩的強度、剛度也更大，也導致系泊纜繩較長，總重較大，影響到平臺的可變載荷。另外，若作業工況下風載荷較大，將影響井架內起升系統、旋轉系統以及立根盒等，設計的鉆井機械也需要具有在更惡劣海況下工作的能力。

3.2 海洋環境與平臺安全性

這里的半潛式鉆井平臺安全性是指如何克服海洋環境對平臺生存的威脅，與平臺安全性相關的總體性能包括穩性、氣隙和總強度等，與這些總體性能相關的主導海況也各有不同。

穩性主要考量半潛平臺的抗傾覆能力，設計分析中傾覆力矩主要來自于定常的風力，平臺穩性的主導海況是風速。

氣隙主要考量半潛平臺在生存工況下波面和上船體底部的相對距離，避免波浪抨擊上船體底部甲板的井口區。由于波浪與平臺間的繞射效應，波面將沿立柱爬升，上船體底部的立柱附近區域可能出現氣隙為負。氣隙性能的主導海況是波高和波周期。

總強度主要考量半潛平臺在不同吃水工況下波浪載荷對結構強度的影響，平臺總強度主要與主尺度、排水量和波浪參數有關。總強度性能的主導海況是波高和周期。

單從提高半潛式平臺安全性角度考慮，增大立柱的尺度和間距利于改善平臺的穩性和氣隙。對于總強度而言，惡劣的海況使得立柱與下浮體、立柱與上船體連接節點的應力集中更加突出，對局部鋼板厚度和建造工藝的要求更高。

3.3 海洋環境與平臺經濟性

海洋環境條件與半潛式鉆井平臺的經濟性密切相關。隨著作業水深和鉆深的增加，隔水管、套管和鉆桿的長度增加。例如，3 000m作業水深需要的隔水管總重達到～2 800 t。另外，為減少供應船的補給頻率，平臺需要裝備更多的消耗品，這些都導致半潛平臺承載更大的可變載荷，從而影響平臺的主尺度。深水、高壓等復雜的海洋環境使得隔水管抗壓浮力材料、水下BOP、泥漿循環系統和控制系統等更加復雜；惡劣的風、浪、流環境條件使得平臺運動響應更大，對鉆井系統、定位系統和動力系統等提出更高的技術要求，也就增加設備的設計和建造成本；另外半潛式鉆井平臺安全性等級的提高，例如滿足DP3要求的動力定位系統增加結構重量，管系的數量和布置等，因此深水惡劣的海洋環境條件顯著增加半潛式鉆井平臺的成本。

4 平臺主要設計工況

4.1 作業工況

平臺鉆井作業工況一般波浪取自南海一年一遇最大海況，流速取自一年一遇最大風速下的條件極值（也有保守取為一年一遇最大極值），風速選取可以不考慮熱帶氣旋、季風的區別，而綜合考慮動力定位能力、鉆井機械系統設計風速、作業率和平臺的經濟性等因素。

作業海況的確定與平臺性能、設備的正常使用以及該海況能達到的作業率相關，在作業工況下若采用錨泊定位，除了系泊纜的強度具備一定的安全裕度，系泊纜在海底有躺底部分（錨無上拔力）外，錨泊系統要有效地控制平臺的水平偏移。如果錨泊系統無法有效控制平臺位移，可使用動力定位輔助平臺作業，動力定位的精度較高，可滿足作業要求，有效提高作業效率。

在動力定位模式下（作業水深＞1 500m），平臺定位能力完全由推進器提供，故鉆井作業海況（外部環境載荷）和推進器布置決定了推進器功率的大小，根據分析確定的單純DP系統抗風能力，既要滿足平臺實際作業率要求，又要合理降低推進器功率。在作業工況下風速的選取不僅要滿足動力定位能力，還要考慮通常機械設備的設計作業風速。平臺作業海況影響參數如圖8所示：

4.2 隔水管最大連接工況

最大連接工況是指水下鉆井隔水管保持連接時的最大環境條件，通常連接工況下，平臺的偏移應不大于水深的10%，錨泊定位和動力定位都應校核該工況下的定位能力。最大連接工況應低于最大自存工況，但高于最大作業工況。鉆井平臺負責人應了解連接工況的環境條件，以便做好脫開或回收隔水管的準備。當海況條件超過作業海況，平臺管理人員已作出撤離準備決定后，可將鉆桿收起放置于立根盒上，環境條件更惡劣時需將鉆桿放置于堆場并綁扎，可選擇隔水管下部只與BOP應急解脫，隔水管仍懸掛在平臺上，隨平臺一起漂移，這是因為隔水管的連接、下放相對鉆桿的連接、下放要復雜、費時得多，隔水管掛在平臺上降低平臺重心，而且增加漂移時的阻力，但是這樣也增加了隔水管碰撞破損的風險。

4.3 錨泊系統最大設計工況

根據APIRP 2SK，對于移動式浮式裝置（遠離其他結構物作業的MODU）來說，其系泊系統應采用重現期至少5年的最大設計環境條件。應特別注意在熱帶氣旋（tropical cyclones）地區諸如墨西哥灣（hurricane-颶風）和南中國海（typhoon-臺風）的作業。對于不在氣旋季節作業的裝置，確定5年的環境條件應采用除去熱帶氣旋的環境數據。

在某些熱帶氣旋地區，如果滿足下述兩個條件，在熱帶氣旋季節作業時，重現周期可縮短：

a.實施風險分析，估算出系泊失效的影響。通過這樣一種分析去檢驗系泊失效的各種情況的發生概率及其對安全和環境的影響。風險分析可用以確定合適的重現周期，但應不少于一年。

b.做好作業人員撤離計劃，并在熱帶氣旋來到之前予以實施。

圖8 平臺作業海況影響參數

在錨泊系統最大設計工況下，所有系泊纜完好或一根系泊纜破損時，系泊纜的強度仍具備一定的安全裕度，系泊纜在海底仍有躺底部分（錨無上拔力），此時不限制平臺的漂移。錨泊系統的設計能力與人員是否撤離并無實質的聯系，鉆井平臺錨泊系統設計需要考慮是否抗臺，可以設置12點錨泊定位，提高錨泊系統的能力抵抗10年一遇的臺風；也可以考慮設置8點錨泊定位只抵抗5年一遇的臺風，通常生產平臺的錨泊系統設計需要抗臺，然而鉆井平臺的錨泊系統要求可以相對降低。錨泊系統最大設計工況下人員已經撤離平臺，該工況直接影響錨泊系統走錨的概率，另外對于需要經常移位的平臺來說，系泊纜數目越多操作效率越低。

4.4 生存工況

不考慮熱帶氣旋、季風的區別，平臺生存工況波浪取自南海100年一遇最大海況，流速取100年一遇最大風速下的條件極值，穩性校核時風速按規范選取為100 kn。風速100 kn已不能達到南海北部區塊100年一遇的水平，實際項目中根據船東要求再確定自存工況穩性校核風速。平臺遭遇生存海況時，系泊纜已相對松弛，其張力減少，人員已經全部撤離，錨泊系統也可能發生走錨或錨纜斷裂，各纜繩上的張力重新分配，平臺產生更大范圍的水平漂移。如果預報作業區將遭遇超強臺風，平臺已無法生存，由于受到拖輪能力的限制，應提早在較好海況下將平臺撤離至避風區，平臺移位之前應將隔水管收起至甲板堆放區，避免隔水管在水下發生碰撞的風險。平臺生存海況影響參數如圖9所示：

圖9 平臺生存海況影響參數

5 結語

研究海洋環境條件的意義是在現有的平臺設計水平和設備技術水平條件下，確保該海域作業的半潛式鉆井平臺的作業性、安全性和經濟性。南海是臺風多發海域，超強臺風的平均風速可達60m/s，熱帶氣旋的生成地和發展趨勢千變萬化，不同時間熱帶氣旋的強度和路徑各有不同，這些都增加準確預報強熱帶風暴和臺風的難度，進而影響作業平臺的人員撤離決策和應采取的安全措施，為應對極端天氣的威脅，需要建立統一、規范、有計劃的和科學的臺風預警機制和應急撤離程序。

作業海況和平臺型式決定平臺作業工況下的運動響應，平臺運動響應最大值影響鉆井運動補償系統的設計能力（例如鉆柱運動補償系統、隔水管張緊系統等），另外作業海況的最大風速也影響鉆井平臺機械設備的設計（例如起重設備、井架系統），同時該作業海況還應保證足夠的全年作業率。

研究海洋環境時應建立作業區塊、水深和風浪流條件的一一對應關系，不能將其互相割裂。例如南海中部區塊水深超過1 500m，而海況較好，這種對應關系對于不同水深定位能力的研究很重要。通常生產平臺的錨泊系統設計需要抗臺，然而鉆井平臺的錨泊系統要求可以相對降低。錨泊系統最大設計工況下，人員已經撤離平臺，人員撤離決策不會因錨泊系統設計條件的提高而有所改變，錨泊系統最大設計工況直接影響系統走錨或錨纜斷裂的概率。實際工程領域，關于錨泊系統，業主提出12點和8點都是合理的。不過是有的關注便利性和成本，有的關注個別極端海況。

動力定位系統主要用于控制平臺作業工況和隔水管最大連接工況下平臺的偏移，不會用于抵御臺風。DP系統抗風能力，既要滿足平臺實際作業率要求，又要合理降低推進器功率。另外錨泊定位時也可以使用動力定位輔助平臺作業，動力定位的精度較高，可滿足作業要求，有效提高作業效率。

海洋環境條件的變化影響著海上人員活動和平臺操作，需要建立海況與不同操作工況的有效對應聯系，操作規范、科學才能保障平臺的海上作業性和安全性。

［1］水文氣象環境動力參數研究技術報告［R］.中科院南海海洋研究所.2009.4.

［2］趙建亭.浮式鉆井裝置鉆柱運動補償系統研究［J］.船舶，2010，（03）.

［3］API RECOMMEND PRACTICE 2SK（APIRP 2SK）.Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure［Z］.2005.

［4］孫意卿.海洋工程環境條件及其載荷［M］.上海交大出版社，1989.

［5］馬志良，羅德濤.近海移動式平臺［M］.海洋出版社，1993.

［6］Ronalds B F.Deepwater Facility Selection［A］.Offshore Technology Conference［C］.2002.

Environmental parameter analysis for the design of semi-submersible drilling platform based on South China Sea environment

Tong Bo Jin Qiang

South China Sea environment；tropical cyclone；designed condition；sea condition parameter

The design of the semi-submersible drilling platform faces to great challenges because of the complex and changeable environment of South China Sea，such as deep water，prevailing monsoon，high-frequency tropical cyclone，irregular ocean current，the internal wave and so on.The ocean environment has been studied to insure the operation ality，security and economy for the semi-submersible drilling platform in this area under current platform design ability and equipment technical conditions.The environment features of operation sea area for the deep-sea semi-submersible drilling platform have been analyzed and can be applied to choose the sea condition parameters related to various situations during the platform design.

U674.38

A

1001-9855（2011）02-0008-07

2010-10-15

童波（1983-），男，漢族，助理工程師，主要從事海洋工程總體研究設計工作。

金強（1973-），男，漢族，高級工程師，主要從事船舶總體研究設計工作。