半潛式鉆井平臺內波工況瞬態系泊分析

趙晶瑞，謝 彬，粟 京，王世圣，李 博

(中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

海洋內波是一種由于海水密度不均勻所引發的一種波動。當內波發生時，密度分層界面上下的水質點運動方向相反，并在界面處發生最大速度剪切，形成速度可達 1.5 m/s 以上的剪切流[1 - 2]。由于內波作用時間短，載荷強度大，對半潛式鉆井平臺等浮式結構產生巨大沖量，極端情況下引起隔水管井口系統或錨泊系統破壞，危及作業安全[3 - 4]。我國南海北部海底地形復雜，內波易于產生，鉆井平臺作業時也多次遭遇，為此平臺作業方希望建立合理的分析模型，能夠反映內波作用全過程中平臺與系泊纜系統整體響應，從而提前確定薄弱環節，并做出正確應急預判。

目前工業界通常采用等效海流流速的方法模擬內波。常規方法模擬內波環境條件時，只是簡單將內波與已有的背景環境載荷相疊加[5 - 6]，此外對于單根纜繩失效工況，在時域模擬之初即假定該根纜繩已經失效。這種做法有2個不足：1）不能反映內波突然作用于平臺船體所導致的瞬時沖擊現象；2）不能模擬真實海況下由于1根系泊纜失效所引發的系統連鎖反映，也無法區分導致系泊失效的具體原因（如發生走錨還是系泊纜繩出現斷裂），不利于直接工程應用。為此近年來越來越多的浮體系泊分析采用瞬態模擬技術，有針對性的解決以上問題。

本文以1座現役深水半潛式鉆井平臺為研究對象，假設其采用多點系泊進行定位，在作業時突然遭遇海洋內波，采用瞬態分析方法模擬平臺與系泊系統在內波作用全過程的動力響應，并和常規方法所得結果進行對比；之后通過逐漸增加內波流速，直至系泊系統出現失效，從而預測原系泊方案的內波流速極限承載能力；最后給出工程改善建議并進行計算驗證。

1 模型建立

1.1 目標船與系泊系統簡介

以1座現役的深水半潛式鉆井平臺為研究對象，其船體為雙浮箱、四立柱結構，平臺總長114.070 m，型寬 78.680 m，浮箱寬度 20.120 m，浮箱型深 8.540 m，立柱長度15.860 m，立柱寬度17.385 m，立柱橫向、縱向間距58.560 m，主甲板高度38.600 m，平臺在鉆井作業時吃水為17.000 m，此時重心距離平臺基線垂直高度為 21.000 m。

半潛式鉆井平臺擬作業的油田水深為300.0 m，采用12根系泊纜繩進行定位，每根纜繩為錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式，其中船體錨鏈與海底錨鏈均為R5級，直徑 84.0 mm，破斷拉力 8 418.0 kN，空氣中單位重量143.0 kg/m，海底錨鏈長度為900.0 m，鋼纜為帶有保護套的螺旋纜，直徑為90.0 mm，破斷拉力8706.0 kN，空氣中單位重量33.6 kg/m，長度為300.0 m。錨點至導纜器水平距離為 1 200.0 m。每根纜繩采用 200.0 t預張力進行收緊，此時船體錨鏈長度為100.0 m。每組纜繩與船體首尾向夾角為45°。采用拖曳錨作為錨基礎，單個錨所能承受的最大水平拉力為600.0 t。

1.2 環境條件

假定平臺作業時的環境條件為有義波高Hs=5.0 m，波浪譜峰周期Tp=9.0 s，波浪譜為Jonswap譜，譜峰因子為 2.0，風速為 20.0 m/s，流速為 0.5 m/s。內波流最大流速為 1.5 m/s，作用時間為 200.0 s。

1.3 計算模型

平臺與錨泊系統的耦合計算模型如圖1所示。系泊纜繩布置與環境載荷作用方向如圖2所示。

圖1 平臺與錨泊系統的耦合分析模型Fig.1 Coupled model of semi hull and mooring system

圖2 系泊纜繩布置與環境載荷作用方向定義Fig.2 Layout of mooring lines and environment direction

在模擬計算中，對傳統分析模型進行2項改進：

1）分別在每根纜繩最上端的導纜孔位置和錨點位置設置虛擬的傳感器，其中在導纜孔位置的傳感器將記錄每一時刻該位置處船體錨鏈的軸向拉力并判別其是否大于錨鏈的破斷載荷，一旦船體錨鏈的軸向拉力大于其破斷載荷，表明船體錨鏈發生破斷，此時傳感器發出指令，整根系泊纜繩自動變為失效模式；在錨點位置的傳感器則記錄每一時刻該位置處海底錨鏈軸向拉力的水平分量并判別其是否大于錨所能承受的載荷極限，以及錨點是否產生垂向載荷，一旦軸向拉力的水平分量大于錨所能承受的載荷極限，或錨點垂向載荷大于0，則表明此時發生走錨，傳感器發出指令，整根系泊纜繩自動失效。

2）環境條件的分布作用。在初始時刻采用鉆井作業工況環境條件，當內波剛作用于船體時，將內波與已有的環境載荷相疊加，而當內波作用之后，環境條件恢復至鉆井作業工況環境條件。

2 常規分析與瞬態分析結果對比

假定風浪流與內波同時沿45°方向入射，圖3與圖4分別為平臺水平偏移與迎浪向典型纜繩張力的時間歷程對比。

圖3 平臺水平偏移時間歷程Fig.3 Time history of horizontal offset for semi platform

圖4 典型系泊纜繩張力時間歷程Fig.4 Time history of tension in typical mooring line

通過對比發現，在內波作用于平臺階段，采用瞬態分析方法計算獲得的平臺水平偏移最大值將比采用常規分析得到的結果大15%左右，而在系泊纜繩張力方面，采用瞬態分析方法所得結果比常規方法所得結果大10%左右，這體現了內波對平臺系統的沖擊作用。此外圖3與圖4也表明當內波經過平臺船體之后平臺可以恢復到原來位置，這表明系泊系統可以抵御該流速的內波載荷。圖5與圖6是內波作用于平臺船體階段平臺偏移與系泊纜繩張力的頻譜。

圖5 平臺水平偏移時間頻譜Fig.5 Spectrum of horizontal offset for semi platform

圖5 與圖6顯示，瞬態分析結果中的低頻響應成分大于常規分析結果中的低頻響應成分。由于系泊系統載荷及平臺偏移主要以低頻成分為主[3]，因此采用常規方法進行響應預報時將導致結果偏于危險。

圖6 典型系泊纜繩張力時間頻譜Fig.6 Spectrum of tension in typical mooring line

3 系泊方案內波極限承載能力預測

接下來采用瞬態分析方法預測系泊系統對內波流速的極限承載能力。通過不斷增加內波流速發現，系泊系統能夠承受的最大內波流速為3.0 m/s，當內波流速達到3.5 m/s時，系泊系統將失效。圖7和圖8記錄了當內波流速達到3.5 m/s時平臺系泊系統整體的響應。圖9反映了錨點垂向載荷時間歷程，圖10為平臺水平面內運動軌跡的變化。

圖7 平臺水平偏移時間歷程Fig.7 Time history of horizontal offset for semi platform

圖8 全部系泊纜繩張力時間歷程Fig.8 Time history of tension in all mooring lines

圖9 錨點垂向載荷時間歷程Fig.9 Time history of vertical load at anchor points

圖10 平臺運動軌跡的變化歷程Fig.10 Time history of trajectory of semi platform

張力傳感器數據顯示，當3.5 m/s的內波作用于平臺船體時，3號系泊纜首先發生走錨，其原因是由于錨點處纜繩張力的水平分量大于錨所能承受的載荷極限，但錨點并未產生垂向載荷（見圖8與圖9）。之后2，4，1，12，5，11，6號纜繩依次發生走錨，最后僅剩7，8，9，10四根系泊纜保持完好，平臺船體也將發生大偏移及首向的扭轉，如圖7與圖10所示，最后其首尾向將與環境載荷入射方向相一致。在整個過程中，沒有發生系泊纜繩斷裂狀況。這也說明錨基礎承載力不足是目前系泊方案的主要短板。

4 改善措施與檢驗結果

為提升系泊系統對內波流的承受能力，對以上系泊方案提出改善建議：

1）改變系泊纜布置方向，使環境載荷沿平臺船體的首尾向入射；

2）提升錨基礎承載能力至800 t；

3）放松全部系泊纜繩，降低靜態預張力至100 t；

4）僅放松上風向的系泊纜繩預張力至100 t。

通過不斷提升內波流速，直至系泊系統出現失效，得到不同改善措施之后系泊系統能夠承受的最大內波流速和對應失效后果如表1所示。

表1 不同改善措施內波承載能力與極端后果Tab.1 Tolerance capacity of internal wave velocity and extreme results under different improvement plan

為了對比不同改善措施的具體效果，選定內波流速為4.0 m/s，圖11～圖14是該流速內波作用下4種改善措施之后系泊纜繩張力的時間歷程。

圖11 改善措施1的全部系泊纜繩張力時間歷程Fig.11 Time history of tension in all mooring lines for plan 1

圖12 改善措施2的全部系泊纜繩張力時間歷程Fig.12 Time history of tension in all mooring lines for plan 2

圖13 改善措施3的全部系泊纜繩張力時間歷程Fig.13 Time history of tension in all mooring lines for plan3

圖14 改善措施4的全部系泊纜繩張力時間歷程Fig.14 Time history of tension in all mooring lines for plan 4

通過對比圖11～圖14發現，4.0 m/s的內波流速下，調整系泊纜布置方向由于降低了船體受到的內波載荷，因此纜繩張力最小，改善效果最為明顯；提升錨基礎承載能力將使系泊系統力學特性最為均衡，也將提升系統整體的承載能力，但將增加系泊纜斷裂的風險；以上2種方案下系泊系統均未發生纜繩斷裂或走錨；放松全部系泊纜繩會使系泊系統能夠承受的最大內波流速從3.0 m/s提升至3.8 m/s，當內波流速達到4.0 m/s時部分錨鏈將出現走錨，但仍有4根錨鏈完好；僅放松部分纜繩的方法由于增加了系泊系統整體內部載荷的不均衡性，加之當內波作用后平臺船體發生偏轉，因此對于提升系泊系統承載力沒有太大幫助。

5 結 語

本文以1座現役半潛式鉆井平臺為研究對象，分別采用常規方法和瞬態分析方法模擬平臺與系泊系統內波工況下全過程的動力響應，并進行結果對比分析。通過增加內波流速，確定整體系統的薄弱環節，提出工程改善建議并進行結果驗證，得到主要結論如下：

1）瞬態分析方法由于能夠模擬內波對平臺的瞬時沖擊載荷，使得在內波作用平臺階段，計算結果大于常規時域分析結果。

2）在原布拋錨方案下，平臺系泊系統對內波的承載能力主要受到錨基礎承載力的制約，當內波流速達到3.5 m/s時，系泊纜繩將接連發生走錨，平臺偏移也將迅速提升，但在整個過程中，不會發生系泊纜斷裂狀況。

3）針對原布拋錨方案，為提升系統對內波的承載能力，最有效的方法是調整系泊布置方向，使環境載荷盡量沿船體首尾向入射；提升錨基礎承載能力可以使平臺各項性能更加均衡，但增加系泊纜斷裂風險；由于平臺船體的非對稱特性，松弛部分系泊纜繩會增加系統內各條纜繩受力的差異性，對提升系統抗內波能力沒有明顯幫助。