儲油SPAR平臺與輔助鉆井平臺耦合運動分析

石 云，許 鑫，王 晉，陳國龍

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京，100028； 2. 北京高泰深海技術有限公司，北京，102209)

0 引 言

在20世紀80年代中期，美國首先發明了深吃水立柱浮筒式平臺(SPAR)，用于深水油氣田開發的鉆井和生產。SPAR平臺具有極好的在位總體運動性能與優越的結構可靠性，并具有無條件穩性，Wang等[1]對一個傳統SPAR進行頻域和時域計算，Zhang等[2]也計算了一個新型的概念SPAR平臺的水動力性能，驗證了SPAR良好的運動性能。SPAR平臺已經在國外深水油氣田開發中得到廣泛應用，共有20多座SPAR平臺安裝投產。

SPAR平臺鉆井可以采用平臺自帶鉆機或者專門的鉆井船進行鉆井，也可以采用平臺輔助鉆井。輔助鉆井(tender assisted drilling，TAD)是指不依靠專門的鉆井船，也不需要在生產平臺上設置永久性鉆井設備，而是利用停靠一旁的輔助平臺(tender vessel)上的標準鉆井設備進行鉆井的一種作業模式。當采用TAD技術時，需要將輔助平臺上鉆井模塊起吊至生產平臺上進行鉆井作業，鉆井完畢后再從生產平臺上撤回至輔助平臺，輔助平臺在鉆井過程中提供大部分的支持工作。輔助鉆井減小了生產平臺上部組塊的重量，并將鉆井人員轉移至輔助鉆井平臺上而遠離危險區域。當出現緊急情況時，可以通過松開吊橋(personnel transfer bridge)將輔助鉆井平臺和生產平臺分離，然后調節系泊纜長度使輔助鉆井平臺遠離工作平臺[3]。

輔助鉆井作業根據操作程序一般可以分為4種工況： 輔助平臺待機工況、設備轉移工況、正常鉆井工況以及吊橋脫開工況。在正常鉆井工況時，支持平臺與生產平臺構成了復雜的多浮體系統，浮體間的非線性波浪繞射、輻射現象以及載荷的遮蔽效應等對平臺運動產生復雜影響[4-5]。

輔助鉆井作業的關鍵是在一定的環境條件下控制兩平臺之間的相對運動，保證兩者之間具有適當的間距。如間距過大，則可能超出吊橋的伸縮范圍或造成連接纜的斷裂；如果間距太小，則可能超出吊橋伸縮范圍或發生碰撞[6-7]。

Dong等[8]研究了張力腿平臺和輔助鉆井平臺耦合系統的相對運動響應，發現浮體之間同相位或反相位運動對相對運動和平臺間棧橋運動響應影響顯著，并基于瑞利分布給出了極限作業海況。黃從亮等[5]采用數值計算與模型試驗相結合的方法，對張力腿平臺與半潛式鉆井支持平臺多浮體耦合系統的平臺、棧橋相對運動響應做了相關研究，探討了多浮體水動力相互干擾作用對平臺運動響應的影響，在此基礎上通過數值計算研究了輸入波高與運動響應幅值。

本文以儲油SPAR平臺為對象，設計了一套系泊系統，利用SPAR垂向長度降低了水平系泊纜的剛度，并對儲油SPAR平臺在不同儲油狀態下和輔助鉆井平臺的耦合運動響應進行了分析，得出兩平臺間最小間隙，為平臺間連接棧橋的設計提供參考，并針對輔助鉆井作業對SPAR平臺運動響應的影響進行研究。目前在國內，關于SPAR平臺和輔助鉆井平臺聯合作業的系泊系統設計和分析的研究還比較少。國際上，鮮少對儲油SPAR的輔助鉆井作業進行研究，本文不僅提出了SPAR平臺的一種新的耦合系泊型式，也對可儲油的經典式SPAR平臺進行研究，對輸油管線不發達海域的油田(如西非)開發具有較高的參考意義。

1 基礎參數

本文基于儲油SPAR平臺開展輔助鉆井耦合分析，儲油SPAR平臺主尺度及重量、重心和回轉半徑等基礎數據如表1和表2所示，輔助鉆井平臺基礎數據如表3所示。

表1 SPAR平臺主尺度

表2 平臺重量、重心和回轉半徑

表3 輔助鉆井平臺主要尺寸及參數

2 雙浮體耦合分析

2.1 系泊系統布局

SPAR平臺和輔助鉆井平臺總共有17根系泊纜，包含SPAR平臺自身的9根完全相同的錨腿，輔助鉆井平臺4根固定于海底的錨腿，以及SPAR平臺與輔助鉆井平臺之間連接的4根尼龍纜繩。系泊系統及耦合連接布置如圖1所示。

圖1 系泊系統及耦合連接布置

SPAR平臺與輔助鉆井平臺之間由4根尼龍纜繩連接，其中每根纜繩從輔助鉆井平臺至SPAR平臺上首先到達上部的一個定滑輪，經過導向后垂直向下，直至軟艙外殼處的系纜端。這樣設計的好處是增加了系泊纜整體的長度，從而減小了纜繩單位長度剛度，使纜繩更柔軟，從而減小了因平臺波頻運動產生的張力。尼龍纜繩的屬性參數如表4所示。

表4 尼龍纜繩材料屬性

2.2 設計準則

(1) 系泊線安全系數。

在通常情況下，設計安全系數定義為最小破斷載荷和系泊線最大張力的比值。對于動態分析，采用了API RP-2SK和API RP-2SM規定的安全系數1.67。

(2) SPAR平臺最大偏移。

為了滿足鉆井立管設計需要，本項目SPAR平臺最大偏移限制為水深的5%以內。

(3) SPAR平臺與輔助鉆井平臺的間距。

在輔助鉆井作業工況下，輔助平臺與作業平臺之間的名義間隙一般可以設置為20～30 m。在設計環境條件下，兩平臺之間的最小間隙一般不應小于10.0 m，但間隙也不應過大以免影響到鉆井作業。

2.3 分析方法和理論

SPAR平臺與輔助鉆井平臺的運動耦合包括兩個部分： 首先是平臺之間的水動力耦合，即波浪經過一個浮體后會有遮蔽效應，另外一個浮體運動產生的興波會影響另一個浮體的運動；其次是浮體之間通過系泊纜相互耦合。本文中，多體時域耦合分析采用頻域勢流+時域耦合分析方法，即首先使用三維頻域分析方法計算兩個浮體的頻域水動力系數(包括自身水動力系數和浮體之間相互作用的水動力系數)，此時只考慮平臺之間的水動力耦合；再使用時域耦合分析方法考慮風流力、系泊纜力、時域水動力等進行耦合求解，其中時域水動力可由實時波浪序列和頻域水動力系數得到，此時的分析既考慮了水動力耦合又考慮了系泊纜的耦合作用。

根據頻域勢流理論，流體速度勢可分解為所有浮體不動時的入射勢和繞射勢以及每個浮體沿每個自由度方向振蕩的輻射勢，即

(1)

則多浮體在波浪中的繞射問題和輻射問題的控制方程可描述為

2φD，j=0在整個流體域內

(2)

邊界條件可描述為

(3)

(4)

(5)

(6)

使用三維勢流軟件HydroD可以求解式(2)～式(6)，得到流場速度勢，進而得到浮體的頻域水動力系數。

在時域耦合分析中，使用時域耦合軟件Orcaflex求解多體時域耦合運動方程，方程如下：

(7)

式中：M為6×6的質量矩陣；A為6×6的附加質量矩陣；R為時延函數矩陣；K為恢復力矩陣，其下標11和22分別表示SPAR平臺和輔助鉆井平臺各自的水動力系數，下標12和21表示兩個平臺之間的水動力相互作用系數。方程右邊為平臺受到的外力，包含每個浮體受到的風、浪、流作用力和機械耦合力。SPAR平臺和輔助鉆井平臺系泊分析的時域耦合Orcaflex模型如圖2所示。詳細的計算理論和軟件中的設置細節可參考作者以前的文獻[9]。

圖2 SPAR平臺和輔助鉆井平臺系泊分析模型

2.4 分析工況設置

耦合分析工況如表5所示。由于系泊系統關于X軸對稱，所以在分析中僅僅考慮了風浪流0°～180°的方向。

表5 設計工況

2.5 耦合分析結果

通過耦合分析，得出了不同儲油狀態下輔助鉆井耦合平臺系統各自系泊的最大張力及安全系數、各自最大水平偏移以及兩平臺之間最小間距等分析結果，如表6～表8所示。

表6 耦合分析結果(儲油0%)

表7 耦合分析結果(儲油50%)

由以上分析結果可知： SPAR平臺最大系泊張力為371 t，安全系數為1.83，滿足規范要求的大于1.67；平臺最大水平偏移為30.0 m，對應水深的4.52%，滿足設計標準要求的小于水深的5%。輔助鉆井平臺的最大張力為152 t，安全系數為3.23，最大水平偏移為22.2 m。平臺之間的尼龍纜繩的最大張力為60 t，安全系數為3.38。SPAR平臺與輔助鉆井平臺之間的最小間距為26.8 m，在合理范圍之內。

3 輔助鉆井對SPAR平臺運動的影響

針對SPAR平臺單獨在位時和輔助鉆井狀態下SPAR平臺的六自由度運動進行了分析，分析結果如表9和表10所示。

表9 SPAR平臺單獨在位時的運動響應

(續 表)

表10 輔助鉆井狀態下SPAR平臺的運動響應

由表9～表10可知： 輔助鉆井對SPAR平臺的耐波性能(即橫搖、縱搖和垂蕩運動性能)的影響不大，主要原因是即使輔助鉆井平臺離SPAR平臺較近，但是由于SPAR平臺的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均大于30 s，而波浪繞射和波頻運動干擾帶來的激勵的周期均小于20 s，因此SPAR平臺的運動變化不大。而對SPAR平臺系泊系統的定位性能(即縱蕩、橫蕩和首搖運動性能)不但沒有降低，反而有了較大的優化。原因是SPAR平臺采用三組120°分開的系泊方式，在沿著某組系泊纜方向時系統水平剛度最大，在兩組系泊纜中間時系統水平剛度最小，因此SPAR平臺單獨在位時0°來浪時的最大偏移明顯優于180°來浪。當有輔助鉆井平臺耦合作業時，輔助鉆井平臺自帶的錨鏈加強了SPAR平臺在0°的縱向能力，使SPAR縱蕩運動減小，在180°方向由于環境力增加稍稍增加了水平偏移，從而使得整體系統在不同方向定位性能更均衡。

4 結 語

本文分析了鉆井支持平臺和儲油SPAR平臺耦合系統在不同環境方向、不同儲油狀態下兩平臺的相對運動，得出了兩平臺系泊系統最大張力、平臺最大水平偏移以及兩平臺間隙等關鍵參數，并對SPAR平臺單獨在位時的運動響應和耦合狀態下的響應進行了對比。得出以下結論：

(1) SPAR平臺和輔助鉆井平臺的耦合作業系泊系統設計滿足規范要求，其中最大SPAR系泊纜張力最小安全系數為1.83，耦合系泊纜最小安全系數為3.3，SPAR平臺和輔助鉆井平臺最小間距為26.8 m。采用本文的系泊系統設計，增加了系泊纜整體的長度，從而減小了纜繩單位長度剛度，使得纜繩更柔軟，從而減小因平臺波頻運動產生的張力。

(2) SPAR平臺儲油狀態對平臺自身運動響應以及耦合分析結果影響較小。原因是不同儲油狀態下的SPAR平臺吃水保持不變，回轉半徑和重心高度變化均不是非常顯著。

(3) 輔助鉆井對SPAR平臺的耐波性能(即橫搖、縱搖和垂蕩運動性能)的影響不大，主要原因是即使輔助鉆井平臺離SPAR平臺較近，但是由于SPAR平臺的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均大于30 s，而波浪繞射和波頻運動干擾帶來的激勵的周期均小于20 s，因此SPAR平臺的運動變化不大。

(4) 輔助鉆井對SPAR平臺系泊系統的定位性能(即縱蕩、橫蕩和首搖運動性能)不但沒有降低，反而有了較大的優化。主要原因是SPAR平臺采用三組120°分開的系泊方式，在沿著某組系泊纜方向和在兩組系泊纜中間的方向上的剛度不同，當有輔助鉆井平臺耦合作業時，輔助鉆井平臺自帶的錨鏈加強了薄弱方向的定位能力，從而使得整體系統在不同方向定位性能更均衡。