西非海域TLP輔助鉆井時的系泊設計及計算分析

紀亨騰，陳國龍，冉志煌，劉團結，葉 偉

（1. 深圳深德海洋工程有限公司，廣東 深圳 518067；2. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引 言

海上鉆井方式主要可分為移動式鉆井和固定式鉆井2種，其中：移動式鉆井指利用自升式鉆井平臺、鉆井船和半潛式鉆井平臺等進行鉆井；固定式鉆井指利用生產平臺自身配置的鉆井設備進行鉆井，生產平臺可以是固定的導管架平臺、重力式平臺和浮式平臺。輔助鉆井是介于移動式鉆井與固定式鉆井之間的一種鉆井方式，這種方式既不依靠專門的鉆井船或鉆井平臺，也不需要在生產平臺上設置永久性鉆井設備，而是利用輔助鉆井平臺上的標準鉆井設備進行鉆井。在采用輔助鉆井技術（Tender Assisted Drilling, TAD）進行鉆井作業時，需將輔助鉆井平臺上的鉆井模塊起吊至生產平臺上，待鉆井完畢之后再將其從生產平臺撤回至輔助平臺上，輔助鉆井平臺在鉆井過程中主要提供鉆井物料和其他支持工作[1]。

輔助鉆井平臺是伴隨現役固定式或浮式生產平臺的修井等需求產生的，能較好地滿足生產平臺短期鉆修井作業的功能需求，并大幅度減輕平臺鉆修井載荷，具有較好的經濟性，在20世紀50年代末到60年代初就開始在墨西哥灣的固定平臺上得到應用。在早期的輔助鉆井作業中，輔助鉆井平臺一般為駁船或常規型船，生產平臺為導管架式平臺，作業水域水深較淺。駁船或常規型船的輔助鉆井平臺易在惡劣海況下發生錨纜斷裂事故，使船身漂至遠處，因此早期的輔助鉆井方法較多應用于海況比較平和的區域，如西非和東南亞海域。20世紀80年代出現了半潛式輔助鉆井平臺，使得輔助鉆井方式發展到了一個新的水平，具備了在深水海域和惡劣海況下應用的能力。1993年，改裝的半潛式輔助鉆井平臺Seahawk TAD投入使用，該平臺具有高效、可靠的特點，顯示出了優越的定位性能和運動性能，適用于某些深水海域[2]。目前，輔助鉆井作業的服務對象已逐漸擴展到單柱式平臺（Spar）和張力腿式平臺（Tension Leg Platform, TLP）[3-4]。

輔助鉆井的主要優勢有：

1) 鉆井設備包體積小，重量輕；

2) 鉆井時不需要其他工作船或浮吊輔助；

3) 支持設備和鉆井液等物料可存放在輔助鉆井平臺上，大大減輕了生產平臺的負載；

4) 輔助鉆井平臺上可安置更多人員，更安全；

5) 有緊急情況發生時，生產平臺上的人員可通過吊橋迅速撤至輔助鉆井平臺上。

TLP負載減小會給上部組塊的設計帶來重大變化，從而影響下部結構的設計，這些都可減小平臺的規模，提高平臺開發的經濟性。此外，當采用一些老舊平臺鉆新井時，其結構往往難以承受標準鉆井設備，此時輔助鉆井方式可得到應用。對于有多個井口平臺的油氣田而言，采用TAD有一定的優勢。與TLP自身的鉆井方式相比，輔助鉆井方式不需要購置鉆井設備，因此在一次性投入方面明顯減少，但后期輔助鉆井平臺的租借費用會隨著鉆井時長的增加而逐漸增加，若需要鉆井的數量很多，則TAD的總投入可能會偏高。

當采用半潛式輔助鉆井平臺對浮式生產平臺進行輔助鉆井時，因2個浮體相距較近，會產生水動力干擾問題。輔助鉆井作業時兩平臺間應保持合適的間距，為避免二者在環境力的作用下相互碰撞或相隔太遠，對兩平臺的系泊和連接纜進行設計尤其重要，這是輔助鉆井應用設計面臨的主要挑戰。本文對TAD在西非海域作業的TLP上的應用進行探索性設計分析，輔助鉆井平臺采用適于在深水海域作業的半潛式輔助平臺。

1 總體性能設計要求

在對輔助鉆井作業狀態進行水動力分析時，應定義和考慮以下因素：

1) 兩平臺間距。在輔助鉆井作業時，輔助鉆井平臺與TLP之間的靜態間距一般可設置為20～30m。在設定的環境條件下，兩平臺之間的最小間距一般不應小于10m。設計環境一般設為一年一遇期，也可根據實際分析結果和作業率要求進行調整。

2) 在輔助鉆井作業時，輔助鉆井平臺的系泊纜、兩平臺之間的連接纜和TLP的回拉纜的最大張力應滿足規范規定的安全系數要求，考慮纜線完整和破斷2種狀態。

3) 連接纜盡量避免出現松弛現象。

4) 在輔助鉆井作業時，兩平臺之間吊橋的相對運動不超過設備自身的伸縮能力范圍。

另外，在實際應用過程中，兩平臺之間的連接纜應能在到達設計環境時順利脫開，并使輔助鉆井平臺撤離作業平臺。輔助鉆井平臺的系泊纜、兩平臺之間的連接纜和TLP的回拉纜的設計使用壽命至少為2a。這些要求涉及到對硬件的細節要求，本文不做考慮。

2 輔助鉆井平臺

根據TLP對鉆井設備能力的要求選取合適的輔助鉆井平臺，通過比較研究，選擇Sapura公司的JAYA半潛式輔助鉆井平臺[5]。圖1為該平臺在馬來西亞海域進行輔助鉆井作業的場景[3]；表1為該平臺的主要尺寸和性能參數。 JAYA平臺自身的系泊纜不滿足西非目標海域的相關要求，須重新設計。

圖1 JAYA平臺在馬來西亞海域進行輔助鉆井作業的場景

表1 JAYA平臺的主要尺寸和性能參數

3 TLP

采用TAD之后，TLP上部組塊的重量和載荷相應減小。根據新的上部組塊的布置和重量數據，以及張緊立管（Top Tensioned Riser, TTR）的有關信息，設計TLP的尺寸及其張力腿參數，結合西非海域的極端海況對TLP的主要性能進行校核。表2為TLP的主尺度和在位時的排水量。該平臺設置8根張力腿，每個立柱下端2根，張力腿外徑為812.8mm，軸向剛度為1.474×1010N，預張力為104kN。該平臺的TTR共20根，包括鉆井立管、生產立管和注水立管等。圖2為TLP浮體部分的輪廓和主要尺寸。

表2 TLP的主尺度和在位時的排水量

圖2 TLP浮體部分的輪廓和主要尺寸

4 西非海域的環境特點

環境條件是輔助鉆井總體運動分析的基本條件，是工程項目的設計基礎。在進行輔助鉆井運動分析時，一般需要水深、風、浪和流等方面的數據。

西非海域的風、浪、流具有較強的方向性，其中波浪的主要成分為涌浪。圖3為目標海域風、浪、表層流20a統計數據的玫瑰圖[6]，其中，風向和浪向為來向，流向為去向，即風和浪主要從西南方向來，流則往西北方向去。從圖3中可看出，3種典型環境要素具有很強的方向性，其中風向與浪向的重疊性高，且浪向范圍更窄，方向性更強。另外，資料顯示該海域經常出現強陣風，其方向為正東。因此，在對輔助鉆井平臺方位進行布置和計算分析時，須考慮這些環境特點。圖4為綜合考慮各種因素之后，TLP和輔助鉆井平臺在輔助鉆井作業時的方位圖。

采用一年一遇的風、浪、流極值（見表3）作為輔助鉆井時的設計環境。波浪中既包含風浪，又包含涌浪，應采用雙峰譜進行模擬，比如Ochi-Hubble譜[7]。

圖3 目標海域風、浪、表層流20 a統計數據玫瑰圖

圖4 輔助鉆井作業時平臺的方位布置圖

表3 輔助鉆井作業時設計海況下的風、浪、流極值

5 雙體耦合運動計算分析

5.1 輔助鉆井系泊系統

輔助鉆井過程一般可分為輔助鉆井平臺待機工況、設備轉移工況、正常鉆井工況和吊橋脫開工況等4個工況。在輔助鉆井平臺待機工況下，輔助鉆井平臺與生產平臺相距約200 m，輔助鉆井平臺等待合適的時間窗口，并進行一些準備工作。通過輔助鉆井平臺上的絞車調整其系泊系統不同纜線的拉力和長度，輔助鉆井平臺向生產平臺靠近，在距離生產平臺適當的位置處釋放連接纜與生產平臺連接，將各纜線調整到設計張力和平衡位置之后轉移鉆井設備。各種鉆井設備轉移完畢之后，適當松開連接纜，增大兩平臺之間的間距，調整其各纜線達到鉆井工況時的設計張力和平衡位置之后，進行鉆井作業。當出現突發事件、遭遇惡劣環境或需進行檢查維護時，吊橋需脫開，根據實際情況決定是否脫開連接纜。吊橋脫開之前應預留足夠的時間保證井口的安全，以及有關人員從生產平臺上撤離。

輔助鉆井時的系泊系統包括輔助鉆井平臺自身的系泊系統、TLP的張力腿、TLP上的回拉纜和兩平臺之間的連接纜，其中TLP的回拉纜給平臺施加一個方向朝外的拉力，防止其與輔助鉆井平臺過于靠近，而連接纜的作用是控制兩平臺之間的距離適當。圖5為輔助鉆井作業時系泊系統布局示意，此時兩平臺的設計靜態間距為22.0m。設計中采用4根連接纜，其中2根為邊纜，另2根為交叉纜，TLP的回拉纜為2根。表4為輔助鉆井平臺系泊纜和TLP回拉纜的組成及材料特性，其中聚酯纜占主要部分，所列剛度為中間剛度。

圖5 輔助鉆井作業時系泊系統布局示意

表4 輔助鉆井平臺系泊纜和TLP回拉纜的組成及材料特性

在輔助鉆井系泊系統設計中，連接纜的選材和設計很關鍵。連接纜主要采用高強度的尼龍纜，該纜具有良好的彈性，可提供足夠的伸縮性，并能吸收突然出現的繃緊載荷。連接纜與操縱絞車相連接的部分采用鋼纜或錨鏈。連接纜的拉力與伸長量之間具有非線性關系，這種特性需在計算分析過程中準確模擬。4根連接纜均采用直徑為168mm的尼龍纜，其最小破斷拉力為603t，干重為17.43kg/m，預張力約為最小破斷拉力的10%。圖6為雙體耦合時的計算模型，顯示了無環境力時，平衡位置狀態下各種纜索和浮體之間的相對位置。

圖6 雙體耦合時的計算模型

5.2 計算方法與計算工況

采用水動力軟件AQWA對輔助鉆井作業時雙浮體的全耦合時域運動和受力情況進行分析。分析時長為標準的3h，并增加40s作為過渡段。分析中的風載荷采用定常載荷，風速選擇每分鐘的平均風速。流載荷根據浮體柱形結構在水中的阻力確定，即通過采用Morison單元模擬平臺的立柱和浮筒，得到這部分非線性力。分析時輔助鉆井平臺的系泊纜、連接纜和TLP的回拉纜的各組成部分的物理特性和水動力參數，TLP的張力腿，以及TTR的物理特性和水動力參數等都需輸入至水動力模型中。在進行頻域分析時，頻率范圍取為0.2～2.0rad/s，個數為40個，浪向角在-180°～180°范圍內每間隔22.5°選取1個。在計算分析過程中，先進行頻域分析，得到有雙體互相干擾之后的RAO（Response Amplitude Operator）曲線和水動力系數，再進行雙體的耦合時域分析。將時域計算完成之后輸出的時歷的極有可能最大值（Most Probable Maximum）作為預報結果。

為檢查兩平臺之間的最小間距，分別在兩平臺上定義最有可能碰觸的4個鄰近位置，選擇輔助鉆井平臺浮筒左右舷的最外緣處和主甲板的最外緣處，對應選取TLP的位置。吊橋由輔助鉆井平臺提供，一端的基座在輔助鉆井平臺上，另一端搭接在TLP上。根據吊橋兩端的位置計算相對運動，得到吊橋處的最大相對運動，由此檢驗是否符合吊橋設備的伸縮范圍要求。

根據圖3所示目標海域的環境特點和圖4所示輔助鉆井作業時平臺的方位定義計算工況。將計算工況分為有強陣風和無強陣風2類，有強陣風時忽略常態風。根據環境特點，將風向和浪向分為3個主方向，流向也分為3個主方向，組合之后每類工況包括9種計算工況，2類工況共計18種計算工況。

5.3 計算分析結果

輔助鉆井作業2個浮式平臺水動力耦合計算分析的主要輸出結果包括兩平臺的六自由度運動、兩平臺的水平偏移運動、吊橋行程、平臺間最小間距、輔助鉆井平臺系泊纜張力、連接纜張力、TLP回拉纜張力、TLP張力腿和TTR頂部張力等。首先在完整狀態下對各纜索進行計算分析，得出相關運動和張力計算結果，然后根據分析得到的各種纜索的最大張力，選擇4種一纜破斷情況進行分析，包括輔助平臺系泊纜一纜破斷、連接纜中的邊纜一纜破斷、連接纜中的交叉纜一纜破斷和回拉纜的一纜破斷等4種情況。

對前述18種計算工況的計算結果進行分析匯總之后，得到設計環境條件下輔助鉆井時平臺的最大運動結果見表5，各纜索的最大張力和安全系數見表6。從表5中可看出：平臺的最小間距大于10.0m，滿足基本要求；吊橋的最大行程為7.91m，滿足一般伸縮范圍為±4.5m的要求；各種纜索的張力安全系數在完整狀態下最小為2.85，一纜破斷之后最小為2.87，滿足美國石油學會（American Petroleum Institute, API）規范的要求[8]。

表5 輔助鉆井時平臺的最大運動結果匯總

表6 輔助鉆井時各種纜索的最大張力和安全系數

6 結 語

本文對輔助鉆井這一鉆井方式進行了簡要介紹，對輔助鉆井平臺和TLP都為浮式平臺時輔助鉆井總體性能的一般設計要求進行了分析。鑒于輔助鉆井方式具有顯著的經濟性，探索性地將其應用于西非海域的TLP上，通過計算分析，主要得到以下結論：

1) 在西非海域這種以涌浪為主、環境要素的方向性較強的海域，通過合理安排平臺的布置方位和精心設計，針對TLP采用輔助鉆井方式是可行的。

2) 在輔助鉆井設計中，應重點關注2個浮式平臺之間的相對運動，包括平臺間最小間距、吊橋的最大行程等關鍵參數，因此對連接纜、輔助鉆井平臺的系泊纜和TLP的回拉纜進行合理設計尤其重要。

3) 輔助鉆井狀態下的雙體耦合水動力分析涉及多根纜索，計算分析輸出的數據量較多，應開發一套合適的后處理程序處理大量的時歷數據。

目前正在對本文的設計和分析結果進行相關水池模型試驗，計算分析結果有待與試驗結果相對比，以驗證其準確性。