半潛式鉆井平臺復合錨泊系統組分配比優化設計

羅 寧，張 浩, 2，宋 強, 2，陳國明，劉正禮，盛積良

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580; 2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082; 3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067)

半潛式鉆井平臺復合錨泊系統組分配比優化設計

羅 寧1，張 浩1, 2，宋 強1, 2，陳國明1，劉正禮3，盛積良1

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580; 2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082; 3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067)

從提高錨泊系統收放時效性入手，提出了一種半潛式鉆井平臺復合式錨泊系統組分配比優化設計方法，旨在盡可能降低復合式錨泊系統的鋼鏈配比長度，提高收放效率。結合錨泊系統設計參數，制定優化設計準則，建立優化分析流程，采用ANSYS-AQWA建立錨泊定位半潛式平臺水動力分析模型，獲得平臺運動參數和錨鏈動力參數，對平臺漂移量、錨鏈最小安全系數、走錨臨界張力、錨鏈最小臥底長度和起錨力進行無量綱指標分析，并綜合考慮張力傾角與預張力對優化結果的影響，獲得復合式錨泊系統鋼鏈與鋼纜的最優配比關系，確定最優鋼鏈長度為395 m，較原鋼鏈長度縮短225 m，鋼鏈收放時間降低36%，進一步提高錨泊系統收放時效性,并降低平臺可變荷載。

復合式錨泊系統；優化設計；半潛式鉆井平臺

隨著國際油價的迅速回落，降本增效已成為石油行業的重中之重。然而深水油氣勘探一直都是高投入工程[1]，如何合理地降低海洋石油的開發成本，已成為當下石油行業最關注的問題。目前錨泊定位的深水半潛式鉆井平臺所使用的鋼鏈長度較大，與鋼纜相比，鋼鏈的下放與回收效率極低。因此，從降低海洋石油勘探開發的能耗成本與時間成本出發，在保證原有錨泊性能的前提下，盡可能降低鋼鏈的配比長度，既能夠提高錨泊系統的收放效率，又可以緩解海洋鉆井平臺可變荷載冗余量小的問題。

Matthias Brommundt[2]對海上半潛式風力發電設備的懸鏈線系泊系統進行優化設計，使用Nelder-Mead單一算法優化錨鏈系泊線長度，使成本達到最低。Mir Emad Mousavid等[3-4]從完整性管理角度出發提出了一種簡單的工程分析方法，針對完整性和設計極限分別提出了優化算法，將該方法應用到錨泊系統設計與優化分析上，并對錨泊系統的不同組分進行了可靠性分析。Ayhan Mentes等[5]采用模糊層次分析法建立數學模型，針對錨泊系統的選型提出了一種設計方法，并結合該方法對不同選型方案進行案例敏感性分析。Mehdi Shafieefar等[6]采用遺傳算法，在考慮環境荷載傳遞情況下，對平臺朝向和錨泊系統選型進行優化，并考慮錨鏈材料屬性和尺寸，對單根錨鏈進行線長和預張力的優化分析。Aline Aparecidade Pina等[7]采用人工神經網絡方法對浮式結構的錨泊系統進行分析，通過考慮水深、平臺與立管參數等，建立錨泊定位平臺的設計方法，并說明其方法對任意懸鏈線系泊系統均具有普適性。Klingan K E[8]以經濟性與可變性為目標，考慮實際環境參數，基于非單調線性搜索的二次序列規劃法，采用Marintek開發的SIMA軟件對錨泊系統進行優化分析。

余龍等[9-10]利用準靜定法推導多組分錨泊懸鏈線方程，并采用遺傳算法對“南海2號”鉆井平臺錨泊系統進行優化分析。周洋[11]對多組分懸鏈線錨泊系統進行設計與優化，結合準靜定分析，形成錨泊系統響應的時域計算方法。樊磊，孫麗萍等[12]以滿足安全要求，確保良好水動力性能為目標，采用時域方法對半潛式起重平臺的錨泊系統進行優化研究。李亞男等[13]采用AQWA-iSight聯合計算，以平臺的垂蕩、縱蕩及橫搖響應為約束，得到最優系泊纜長度。王寬[14]將錨鏈方位角和拋錨距離作為變量，以考慮各浪向發生概率的加權平動位移為優化目標，采用遺傳算法對該優化問題進行求解。石建峰等[15]采用非線性規劃算法進行錨鏈張力優化，并對981鉆井平臺進行仿真分析，結果符合安全作業要求。

按照深水半潛式鉆井平臺的起拋錨作業流程，本文對現役平臺的復合式錨泊系統進行二次優化設計，提出一種深水半潛式鉆井平臺復合式錨鏈長度配比優化設計方法，并結合工程實例建立復合式錨泊系統動力分析模型，對錨鏈長度的配比進行優化設計，旨在縮短起拋錨作業時間，減少作業租金，增大平臺可變載荷余量，降低作業成本，提高作業效率。

1 復合式錨泊系統動力分析模型

錨泊定位半潛式平臺由平臺本體和復合式錨泊系統兩部分組成，圖1為錨泊狀態下深水半潛式鉆井平臺的示意圖。這兩部分之間存在耦合作用，并在風、浪、流的作用下產生運動。錨鏈作為約束條件，為平臺提供回復力，使其在外界環境作用下不產生大的位移，以保證整個鉆井系統的安全性。在產生回復力的同時，錨鏈自身會存在軸向張力，當張力過大時，會導致走錨、起錨或者錨鏈的破壞。

圖1 錨泊狀態下深水半潛式鉆井平臺示意Fig.1 Moored semi-submersible platform

在對錨鏈長度配比優化設計時，需要對錨泊狀態下的半潛式平臺進行動力分析，確定平臺對錨泊系統施加的動邊界條件。在風、浪、流共同作用下，平臺的運動方程[16]：

式中：M為平臺質量，C為阻尼系數，K為平臺系泊剛度，Fwind為風力，Fcurrent為海流力，Fwave為波浪力，Fmoor為系泊力。

在確定平臺運動后，以錨鏈為研究對象，對其進行動力分析，圖2為錨鏈受力分析示意圖。隨著平臺的運動，錨鏈線的張力傾角不斷發生變化，導致錨泊系統回復力隨時間變化[14]。

圖2 復合式錨鏈受力示意Fig.2 Force of composite mooring system

式中：Q(t)為錨鏈的回復力，Wk為錨鏈第k組分的重度，Lk為錨鏈第k組分的長度，θk(t)為錨鏈第k段的水平傾角。

由于平臺動邊界條件影響，錨鏈在軸向上會產生動張力，動張力水平分量即為回復力，錨鏈的動張力與回復力的關系如下所示[14]：

式中：T(t)為錨鏈的動張力。

錨鏈回復力由錨抓力和臥底鋼鏈的摩擦力組成，懸鏈線臥底長度既影響錨鏈的回復力大小，也決定錨泊系統與海底摩擦段的長度。根據懸鏈線方程可以得到懸鏈線長度計算公式，通過懸鏈線長度與錨鏈的拋出長度，可以確定錨鏈的臥底長度[14]：

式中：Lc(t)為懸鏈線長度，L為錨鏈總長度，Ld(t)為臥底鏈長度。

當錨鏈所承受水平拉力大于其臨界回復力時，即發生走錨[17-18]。綜合考慮錨抓力和臥底錨鏈的摩擦力，可計算得到走錨臨界力[19]：

式中：Prmax(t)為走錨臨界張力，Hr為錨在空氣中質量為10 000磅時的抓力，Wa為錨在空氣中的質量，b為基于底質的系數，λc為臥底鏈抓力系數，ωc為臥底鏈單位長度重量，Ld(t)為臥底鏈長度。

如圖3所示，當平臺運動位移過大時，迎流向錨鏈的臥底部分將被拉起，與海底泥面成一定夾角，進而對拖曳錨產生斜向起錨力，為簡化分析模型，忽略入泥鋼鏈與土體的摩擦作用，將受力分析點確定在泥線處，可得到拖曳錨所受斜向起錨力：

式中：θ0為錨鏈與泥線夾角，Fup(t)為垂向上拔力，Fu為斜向起錨力。

圖3 拖曳錨起錨力示意Fig.3 Uplift force of anchor

2 復合式錨鏈長度優化配比準則與優化分析流程

深水半潛式鉆井平臺錨鏈長度配比優化的目標為：在保證原有系泊能力的前提下，最大限度地降低復合式錨泊系統中的鋼鏈長度，以提高起拋錨作業效率。考慮到平臺的作業安全性以及錨鏈自身的安全性，分別從平臺的漂移量，錨鏈的動張力、錨鏈的走錨臨界力、錨鏈的臥底長度和錨的起錨極限承載力五個方面進行分析，并制定優化設計準則。

圖4 復合式錨鏈長度配比優化分析流程Fig.4 Flow chart of optimization analysis for composite mooring system components

優化設計準則具體內容如下：

a) 縮短鋼鏈長度后，錨泊系統對平臺漂移量的控制能力不降低，即漂移量仍滿足API規范要求[20]；

b) 縮短鋼鏈長度后，錨泊系統的安全性符合規范要求，即完整狀態下錨鏈最小安全系數不小于1.67[20]；

c) 縮短鋼鏈長度后，錨泊系統的臥底長度小于鋼鏈總長度，確保纜繩不與海床發生直體磨損(粘著磨損)[21-23]，降低纜繩與海底摩擦引起的失效概率；

d) 縮短鋼鏈長度后，錨泊系統在作業工況下不發生走錨，避免因走錨造成海損事故[24-25]；

e) 縮短鋼鏈長度后，拖曳錨所受斜向起錨力仍小于所用拖曳錨的極限承載力。

為快速得到最優的錨鏈長度配比關系，設計了錨鏈長度配比優化分析方法。在確定平臺的最大作業窗口后，基于二分法原理，不斷縮小滿足準則的長度配比范圍，以確定最優的錨鏈長度配比關系，具體分析流程如圖4所示。

3 復合式錨鏈長度配比優化分析實例

3.1分析模型基本參數

以某深水半潛式平臺的復合式錨泊系統為研究對象，采用ANSYS-AQWA建立耦合動力學分析模型，平臺及錨泊系統基本參數見表1～表3。針對最大設計工作水深進行錨鏈長度配比優化，故優化后的錨泊系統同樣適用于較淺海域。

表1 平臺基本參數Tab.1 Parameter of platform

表2 錨鏈材料屬性Tab.2 Material properties of mooring system

表3 復合錨鏈初始組合形式Tab.3 Initial parameter of composite mooring system

3.2復合式錨鏈長度配比優化分析

通過對原有平臺-錨泊系統耦合模型進行動力分析，確定其最大作業工況，工況參數見表4，并以此為基礎，進行錨鏈長度配比優化設計。

表4 最大作業工況Tab.4 Maximum operating environment

由表3可知，該錨泊系統的鋼鏈原長度為620 m，根據既定分析方法和分析流程，對復合式錨鏈長度配比進行優化設計，得到各無量綱參數隨鋼鏈減少量的變化關系，并將無量綱參數與標準值1相比較，如圖5所示，其中參數無量綱化見式(8)～(13)所示。

無量綱平均漂移量系數=平臺平均漂移量/4%平臺作業水深

(8)

無量綱最大漂移量系數=平臺最大漂移量/ 8%平臺作業水深

(9)

無量綱安全系數=錨鏈安全系數最小值/1.67

(10)

錨鏈臥底長度無量綱參數=錨鏈臥底長度/優化后所剩鋼鏈總長度

(11)

走錨無量綱參數=最大動張力/臨界錨泊力

(12)

起錨力無量綱參數=最大起錨力/拖曳錨極限承載力

(13)

圖5 各無量綱參數對鋼鏈減少量的影響Fig.5 Effect of dimensionless parameters on steel chain reduction

由圖5可知，隨著錨泊系統鋼鏈長度減少量的增加，走錨無量綱參數成為控制鋼鏈配比長度的關鍵因素。當鋼鏈減少量達到300 m時，走錨無量綱系數超過標準值1，說明在該種條件下，錨泊系統發生走錨，不符合優化設計要求，最終鋼鏈減少量應保證在300 m以下。

4 不同參數對鋼鏈減少量的影響

考慮到錨泊系統的張力傾角與預張力不是一成不變的，其變化量對錨泊系統的懸鏈線形狀影響較大，因此，在原優化配比結果的基礎上，結合張力傾角與預張力的變化適當增大鋼鏈冗余量。

通過控制變量，分別獲得不同張力傾角和預張力條件下鋼鏈的最大減少量，可以看出，當張力傾角增大后，鋼鏈的減少量呈先增大后減小的非線性趨勢，而鋼鏈減少量隨錨鏈預張力增大呈線性減小趨勢，具體結果如圖6和圖7所示。

圖6 張力傾角對鋼鏈減少量的影響Fig.6 Effect of pretension angle on steel chain reduction

圖7 預張力對鋼鏈減少量的影響Fig.7 Effect of pretension on steel chain reduction

錨泊系統原有設計預張力為1 264.2 kN，張力傾角為27.8°，考慮錨鏈張力傾角實際誤差為±1°，預張力實際誤差為±100 kN，為保證錨泊系統具有充足的鋼鏈長度，在原有優化結果基礎上，增加25%的安全冗余，綜合考慮二者對鋼鏈減少量的影響，鋼鏈最優減少量確定為225 m。根據上述計算結果，確定錨鏈長度配比的最終值，具體參數見表5所示。

表5 最終錨鏈長度配比Tab.5 Optimization results of composite mooring system

5 結 語

1) 結合現場實際作業要求提出錨鏈長度配比優化問題，并針對該問題提出五項優化設計準則及分析流程。通過實例計算，確定該分析方法與流程的可行性。

2) 根據分析實例可知，現有半潛式鉆井平臺錨泊系統的鋼鏈長度具有較大的調整彈性。該模型可以在原有錨鏈基礎上將鋼鏈長度縮短255 m，占原有鋼鏈長度的36%，同時錨鏈總重量降低約189 t，有效降低了錨泊系統對平臺可變載荷的影響，說明優化結果具有較好的工程意義。

3) 進行優化結果對張力傾角和預張力的敏感性分析，分析結果表明，錨鏈長度配比優化結果對張力傾角和錨鏈預張力的變化十分敏感，應結合二者的影響對優化結果進行二次修正。

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Optimum design for composite mooring system components of semi-submersible drilling platform

LUO Ning1,ZHANG Hao1,2,SONG Qiang1,2,CHEN Guoming1,LIU Zhengli3,SHENG Jiliang1

(1.China University of Petroleum Centre for Offshore Engineering and Safety Technology,Qingdao 266580,China; 2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China; 3.Shenzhen Branch of CNOOC,Shenzhen 518067,China)

An optimum design method for composite mooring system components of semi-submersible drilling platform is proposed to decrease the chain length in mooring system in order to increase deploying and retracting efficiency of mooring line.Optimum design criterion and process are developed,combined with design parameters of mooring system.Hydrodynamic model of moored semi-submersible platform is established,and results of platform and mooring system are obtained based on ANSYS-AQWA.The optimum length of chain is 395m,by analyzing dimensionless parameters for offset of platform,minimum safety factor of mooring system,anchor dragging,grounding length of mooring line and uplift force of anchor,and considering the effect of pretension angle and pretension on steel chain reduction.The efficiency of deploying and retracting of mooring line is improved,and the variable load of platform is decreased.

composite mooring system; optimization design; semi-submersible platform

TE52

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.011

1005-9865(2017)05-0095-08

2016-10-17

國家自然科學基金資助項目(51239008)；國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)資助項目(2015CB251203)；中海油深海開發有限公司資助項目(YXKY-ZY-2014-SHENHAI-03)

羅 寧(1992-),男，湖南長沙人，碩士研究生，從事深水鉆井技術與裝備及錨泊安全方面的研究工作。E-mail:woshiluoning@vip.qq.com

陳國明。E-mail: offshore@126.com