深水半潛式鉆井平臺內波流海域艏向確定方法研究與應用

姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

深水半潛式鉆井平臺內波流海域艏向確定方法研究與應用

姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

結合采用錨鏈定位的半潛式鉆井平臺，對南海半潛式平臺的環境力進行了分析和研究。在有內波流的海域作業確定平臺艏向時，考慮內波作用對于平臺定位的影響是十分重要的一點。通過實例計算和分析，得出確定平臺艏向的原則就是要使得平臺受到環境力最小的明確結論。應將內波來襲的方向確定為平臺的艏向，以最大限度地減少平臺承受的海流力，保障定位的穩定和作業的安全。建議對于在南海有內波海域的作業，進一步制定合理的標準和規范，盡量避免由于內波導致的平臺漂移，確保深水鉆井作業安全。

深水半潛式平臺；內波流；平臺漂移；波浪流風載荷；艏向選擇方法

0 引 言

內波也叫孤立內波，是一種非線性、高能量的海洋波，在密度穩定層化的海洋中發生。高頻孤立內波具有振幅大、周期短、能產生強烈的波致剪切流的特性[1-2]。孤立內波在深度較淺的密度躍層傳播時，可使表層流場產生較大的改變。孤立內波所引發的波致強流將對各種海上結構物、設備、船只產生強的沖擊載荷，對其安全性造成威脅。當躍層深度較深時，海洋內波引起的波致強流將直接對海底油氣管道、深水立管等的安全造成威脅。

我國南海一直以來有著世界海洋中最強的孤立內波，是孤立內波出現最為頻繁的海域，是海洋學家研究的熱點區域。中海油“海洋石油981”深水鉆井平臺進入南海海域開展海洋深水勘探工作，標志著我國海洋石油勘探正向深水進軍。與此同時，我國在深水海域進行勘探工作，遇到了內波在海洋技術上帶來的挑戰。

南海海域是世界上內波流多發的海域之一，中海油NHX號錨鏈定位半潛式鉆井平臺，僅在2014年4—8月就遭遇內波流襲擾達47次之多，對于平臺目標系統和水下系統造成極大的威脅[3-4]。內波流是中國南海所經常遇到的、十分頻繁的海洋自然現象，應當視作一種海洋自然災害。開展對于內波的對策研究，對于我們保障深水鉆井作業安全和深水鉆井裝備的安全，具有十分重要的意義。

針對南海內波頻發的環境條件，本文重點研究了深水半潛式平臺的艏向確定方法，研究結果有助于保證南海深水鉆井作業的安全。

1 半潛式鉆井平臺漂移問題的提出

錨泊定位的深水半潛式鉆井平臺工作狀態如圖1所示。半潛式鉆井平臺通過在平臺四個角上的八臺錨機，使用八個錨和八條錨鏈抵御海洋風、浪和流的環境力的作用，在海面上保持平臺位置的相對穩定，這樣才能保證水下井口、防噴器(BOP)、鉆井隔水導管等設備的安全以及鉆井作業的安全。

圖1 深水半潛式鉆井平臺作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of deepwater semi-submersible drilling platform operation

當鉆井平臺在海上作業時，如果作業海域海況(如風、浪、流)發生變化，可能會影響到半潛式平臺井口的穩定和定位。采用錨鏈定位的平臺是依靠錨泊力和錨泊定位系統的恢復力來控制平臺的定位和穩定的。深水鉆井平臺在鉆井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，就需要應急解脫底部隔水管總成(LMRP)，以便使得平臺在漂移過大的情況下，不至于拉斷隔水導管或者對水下防噴器造成損壞。

在南海進行深水鉆井和海上其他作業時，經常會遇到內波流的困擾。內波流對于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威脅和影響。進入到深水以后，內波的問題越來越突出，其中近年來的突出例子之一，就是中海油NHX半潛式鉆井平臺曾經在XXBI-4-1井遭遇內波流的襲擾，內波流最大流速達到2 m/s，造成平臺最大偏移量101 m；在解脫LMRP以后，還遭遇到的內波流最大流速達到2.5～3.1 m/s，平臺最大偏移量達到137 m。累計影響作業時間186 h，按照當時鉆井平臺的日費用計算，相當于直接由于鉆井平臺日租金費用的經濟損失就約達280萬美元。同時在此期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。

由此可見：只有盡可能減少深水半潛式鉆井平臺受到的海洋環境力的影響，才能較為可靠地保證平臺位置的穩定和定位。而我們在海上遇到的海域環境條件是不可控制和改變的，那么只能考慮如何合理地利用海洋環境條件，盡可能減少環境力對于平臺漂移產生的影響。對此，風向和海流的流向是非常重要的影響因素。半潛式鉆井平臺作業時平臺艏向的選擇和確定，就要考慮如何才能使鉆井平臺在作業時承受較為合理的環境載荷，盡量避免平臺在遭遇內波流襲擊時發生過大漂移，盡量避免由于平臺漂移對鉆井作業安全以及平臺安全帶來的巨大的潛在威脅。因此，開展深水半潛式鉆井平臺艏向確定方法及其影響定位因素的研究，對于我們提高作業效率、保障作業安全和深水鉆井平臺設備安全運行，具有非常重要的意義。

2 半潛式鉆井平臺海洋環境力的計算

考慮到海上鉆井作業現場可用的針對內波流的測量儀器和方法有限，同時為了在環境力的總體上判明情況，并考慮到目前業內最常用的和公認的權威計算方法，仍然按照美國船級社(ABS)[5]計算環境載荷的方法進行平臺海洋環境力的計算。

海面結構物受風力的計算公式為

(1)

式中：Fw為海洋水面結構物所受風力，lb(1 lb≈4.536 N)；A為海洋水面結構物所受風力的投影面積，平方英尺(1平方英尺≈0.092 9 m2)；Vk為風速，kn；Ch為高度系數；Cn為形狀系數。

海面結構物受浪力的計算，對于300英尺(1英尺≈30.48 cm)以上水深的浮船型，分4種情況。

(1) 船艏受浪，當T≥0.332L0.5(T為波浪周期，s；L為船長，英尺)時，

FSB=(0.273H2B2L)/T4,

(2)

式中：FSB為船艏受浪的海浪作用力，lb；H為沉沒高度，英尺；B為船橫向寬，英尺。

(2) 船艏受浪，當T<0.332L0.5時，

FSB=(0.273H2B2L)/(0.664L0.5-T)4.

(3)

(3) 船橫向受浪，當T≥0.642(B+2D)0.5(D為船吃水，英尺)時，

Fsb=(2.10H2B2L)/T4,

(4)

式中：Fsb為船橫向受浪的海浪作用力，lb。

(4) 船橫向受浪，當T<0.642(B+2D)0.5時，

Fsb=(2.10H2B2L)/(1.28(B+2D)0.5-T)4.

(5)

海洋結構物受海流力的計算，對于半潛式平臺，船橫向或艏向受流時，作用于船體上的海流力為

(6)

式中：Fr為作用于半潛式平臺船體的海流力，lb；Ac為水線以下的所有圓形或矩形立柱的總投影面積，平方英尺；Af為水線以下其余的總投影面積，平方英尺；Vc為海流速度，kn。

3 NHX號半潛式鉆井平臺漂移計算分析

下面通過實例說明半潛式鉆井平臺漂移的計算分析。

采用錨鏈定位方式的NHX號半潛式鉆井平臺的基本情況如下：具有6個立柱、2個浮箱，尺寸90 m×69 m×35 m；最大作業水深1 400 m，最大鉆井深度7 620 m；Φ476 mm 105 MPa水下防噴器和Φ553 mm隔水管；最大可變載荷45×103kN；3臺National-1600泥漿泵；105 MPa井控系統。

該平臺曾在2014年4月2日至5月3日在XXBI-4-1井作業，當時平臺艏向60°，遭遇內波流襲擾達30次之多(內波流向270°～350°，風速5～20 m/s)，其中一次在未能解脫隔水導管LMRP的情況下平臺漂移距離達到112 m，最為嚴重的一次是在解脫隔水導管LMRP后，平臺漂移距離達到132 m，當時測量到的內波流速達到2.57～3.08 m/s(5～6 kn)。

在南海深水鉆井采用的環境參數為：十年一遇風、浪結合內波流環境參數。取風速(1 min平均風速)Vk=19.5 m/s，流速Vc=1.54 m/s(3 kn)，譜峰周期Tp=10.53 s，有義波高Hs=5.9 m。

按照NHX的平臺參數和式(1)，首先計算平臺受到的風力載荷，計算結果如表1和表2所示。

表1 艏向受風載荷

表2 橫向受風載荷

按照NHX的平臺參數和式(2)～(5)，計算平臺受到的浪力載荷，結果如表3所示。

表3 NHX受浪力計算

按照NHX的平臺參數和式(6)，計算平臺的流力載荷，結果如表4和表5所示。

表4 艏向受流載荷

觀察表1～2風力載荷計算結果發現：由于NHX平臺結構基本對稱，只是生活樓面積在艏向方向要大于橫向方向的2倍，主甲板上其他結構在橫向方向要大于艏向方向1倍以上。艏向風力載荷(427 kN)略大于橫向風力載荷(409 kN)，風力載荷基本一致，因此在考慮風力載荷時，受風方向影響不大。

表5 橫向受流載荷

觀察表3浪力載荷計算結果發現：由于NHX平臺結構在橫向船舷左右兩側對稱分布各3個立柱，因此艏向浪力載荷(409 kN )遠小于橫向浪力載荷(1 471 kN)，僅約為橫向浪力載荷的28%。

觀察表4～5流力載荷計算結果發現：由于NHX平臺結構基本為在艏向左右對稱分布，在左右船舷各有3個立柱和1個船型浮筒，因此艏向流力載荷(1 238 kN)遠小于橫向流力載荷(2 146 kN)，約為橫向流力載荷的57.7%。由此可見，在考慮流力載荷時，海流方向其影響很大。

通過觀察表1～5，我們不難發現：影響錨鏈式深水半潛式平臺定位的海洋環境力，有風力載荷、海浪力和海流力。由于風載荷對于平臺的艏向或橫向影響差別不大，而海浪方向難以確定，因此環境力影響最大的就是海流力。換言之：選擇好的船艏方向，就是受海流力小的方向，也就是船艏應該布置在來流的方向上，或者是對著海流的方向上。

為了說明海流方向影響半潛式平臺的定位和所受的環境力，假設在南海深水鉆井采用的環境參數條件下，內波流流向為270°(NHX平臺遇到的實際情況)，當平臺艏向與流向夾角在0°～180°之間變化時，通過對流力的計算，來考察艏向引起流力的變化的情況及其規律。計算結果如表6所示。根據計算數據繪制出圖2。

表6 海流力在平臺艏向0°～180°時的變化情況

圖2 內波流流向270°時，流力載荷隨平臺艏向的變化Fig.2 Current force versus platform heading when the direction of internal wave current is 270°

觀察圖2和表 6，可以得出如下結果。

(1) 當平臺艏向在0°～90°之間變化時，其受到的內波流載荷是逐步減小的。其中平臺艏向在0°時，與內波流方向恰好呈90°角，此時流力載荷為最大值。例如當內波流流速為1.54 m/s(3 kn)時，平臺艏向在0°時流力載荷為2 146 kN，平臺艏向在90°時流力載荷為1 238 kN，后者僅為前者的58%。

(2) 內波流流速越大則平臺流力載荷也越大，如平臺艏向同樣在0°條件下，流速為0.514 m/s(1 kn)時，流力載荷為238 kN；流速為1.54 m/s(3 kn)時，流力載荷為2 146 kN；流流速為2.57 m/s(5 kn)時，流力載荷為5 962 kN。流力載荷基本與流速的平方成正比。

(3) NHX在遭遇內波時，其艏向為60°，而此時流向為270°，來流方向與船艏方向夾角為30°。由表6可以看出：當流速為2.57 m/s(5 kn)時，受到的內波流載荷為4 758 kN，占橫向流載荷(即最大流載荷)5 962 kN的80%；當流速為1.54 m/s(3 kn)時，受到的內波流載荷為1 712 kN，仍然占橫向流載荷(即最大流載荷)2 146 kN的80%。同時我們可以發現：當流速為2.57 m/s(5 kn)時其最大流力是1.54 m/s(3 kn)時的2.78倍。

(4) 當船艏對著來流方向(艏向為90°)，也就是船艏受流力時，由表6可見，由于平臺艏向投影面積僅占橫向投影面積的58%，流力載荷大為減少，艏向受到的流載荷僅占橫流載荷的58%。換言之，如果NHX在遭遇內波流的時候平臺艏向在90°方向上，其流力載荷必將大為減小，減小幅度達40%以上，這樣一來其走錨的風險必然大為降低。

由此可見：平臺艏向是決定平臺定位安全的主要因素，只要平臺艏向對準來流的流向，必然會大幅度降低平臺受到的海流力，并且對于NHX平臺，大約可以減少40%的海流力，這對于平臺錨泊系統和定位安全是至關重要的。

在現行標準SY/T 10035—2010《鉆井平臺拖航與就位作業規范》[6]5.4.2“平臺艏向確定”中明確規定：平臺艏向的選擇，應以占優勢的主導風、流為依據。通常半潛式平臺應采用偏頂風或偏頂流，自升式平臺應采用橫風或橫流的方向作為平臺艏向。根據NHX半潛式平臺的實際情況，對于該標準提出下述思考和建議。

(1) 對于半潛式平臺艏向的選擇，不宜僅以主導的風、流為依據，而應該將計算得到的風載荷和流載荷中較大者作為半潛式平臺艏向選擇的依據。

(2) 對于主甲板上部結構對稱分布的半潛式平臺，本文表1、表2計算結果表明風向對其風載荷沒有影響。鑒于風向已經無法改變風載荷的大小了，因此應該以流向作為艏向選擇的依據。同時，本文表4、表5計算結果說明：頂流方向平臺受力大約為橫流方向的50%。因此，應以頂流方向作為平臺艏向(與流向夾角為零)，而不是偏頂流方向。

根據NHX平臺在南海作業頻繁遭遇內波的情況來看，在原來的規范和標準方面，應考慮進行必要的調整和細化。建議在現行標準中關于半潛式平臺艏向選擇的依據中，進一步明確三點：

(1) 應以占優勢的主導風載荷或是流載荷，即兩者中較大者，作為平臺艏向選擇的依據。

(2) 在流載荷為最大環境載荷條件下或者風載荷與風向無關的條件下，半潛式平臺應選擇頂流方向為平臺艏向。

(3) 對于有內波流的海域，半潛式平臺的艏向選擇要充分考慮內波流條件下的載荷和影響，并且要把內波作為環境載荷影響的重要因素來校核艏向選擇是否合理。

4 結 語

長期以來，南海海域的內波流問題對于海上鉆完井作業和生產作業已經帶來了極大的影響。NHX平臺作業期間遇到一次內波襲擾，造成錨泊系統走錨、平臺發生漂移。本文以該平臺為例，對南海半潛式平臺的環境力進行了分析和研究。

根據NHX半潛式鉆井平臺的情況來看，由于兩個重要因素才引起了問題的發生：一是內波流的流速超過了十年一遇的環境條件；二是沒有完全掌握南海內波流的主要流向，因此在錨鏈定位的半潛式平臺艏向選擇欠妥。

鉆井平臺船艏向的選擇，通常情況下需要兼顧平臺兩舷靠拖輪方便，為此通?？紤]的是常年流的方向。就NHX漂移情況來看，半潛式平臺的漂移和走錨后果更為嚴重，因此在考慮平臺就位和布錨方案時，應該首先考慮半潛式鉆井平臺艏向要對流向，才能抓大放小，盡可能避免鉆井平臺設備損壞。如果拖輪?？颗c平臺艏向對流向發生沖突，首先應該滿足鉆井平臺艏向對流向；拖輪由于推進器操作靈活，即使遇到內波流襲擊，其調整也遠比錨鏈定位的半潛式鉆井平臺方便有效。

隨著我國油氣開發逐步走向深水，為了保證作業安全，對于參照國外海洋平臺鉆井作業標準和規范制定的操作規程，建議根據實際情況進行必要的修訂。宜根據南海內波的情況，對于目前的平臺就位艏向確定的規范進行必要和適當的修改。選擇半潛式平臺艏向考慮的要素應為：風載荷、流載荷，誰大誰就是艏向選擇的依據；風載荷與風向無關時，應選擇頂流方向為平臺艏向；內波是環境載荷的重要因素，必須加以考慮，并且應當用于校核艏向選擇的合理性。

我們還需要深入開展對于南海內波規律及應對內波流措施的研究，進一步完善錨鏈定位半潛式鉆井平臺艏向選擇及其定位的設計規范和管理程序，進一步強化錨鏈定位半潛式鉆井平臺應對平臺漂移的措施，確保深水鉆井平臺及其相關設備的安全和鉆井作業的安全。這對于保障南海深水鉆井作業安全和設備安全具有極其重要的現實意義。

[1] 謝波濤, 雷方輝. 南海流花海域內孤立波特征分析[C]. 中國海洋工程技術年會論文集, 2013: 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] 陳彬, 韋紅術, 劉正禮, 等. 南海內波對深水鉆井的影響及對策研究[C]. 深水鉆完井理論與技術實踐專集, 2015: 772.

[4] 楊秀夫, 姜偉, 華成剛, 等. 深水鉆井船漂移分析及應對措施[C]. 深水鉆完井理論與技術實踐專集, 2015: 758.

[5] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units 2012. Part 3. Hull construction and equipment [S]. 2012.

[6] 國家能源局. SY/T 10035—2010. 鉆井平臺拖航與就位作業規范[S]. 2010.

ResearchandApplicationoftheHeadingDeterminationMethodforSemi-SubmersibleDrillingPlatforminInternalWaveCurrent

JIANG Wei

(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

The environmental force acting on the South China Sea semi-submersible platform is analyzed and studied through the example of a semi-submersible drilling platform with anchor location. For the heading determination of a platform operating in the internal wave flow waters, it is very important to consider the influence of wave function on the platform positioning. Through calculation and analysis, it is definitely concluded that the principle for determining platform heading is to minimize the environmental force acting on the platform. The heading of the platform should be set to the direction of incoming waves, so as to reduce the current force on the platform, and to ensure stable and safe operation of positioning. For operations in the South China Sea where internal waves are frequently found, we need reasonable standards and guidelines to avoid the drift and damage of the platform caused by the internal waves and to ensure the safety of deepwater operation.

deepwater semi-submersible platform; internal wave current; platform drift; load of the wave, flow, and wind; heading determination method

2016-09-18

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?！逗Ｑ蠊こ萄b備與技術》編委。

TE52

A

2095-7297(2016)06-0331-07