超深水完井修井船作業(yè)能力評(píng)估

董 璐,祖 巍

(1. 國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100095; 2. 中海(石油)有限公司天津分公司,天津 300459)

0 引 言

作為一種多功能海洋工程裝備,完井修井船主要用于海上油井的完井、維修和維護(hù),同時(shí)在集采油樹的安裝、拆卸以及連接井底和油層等方面,可提供相關(guān)技術(shù)支持,是一種高技術(shù)含量、高附加值的海洋工程裝備,同時(shí)也是深水油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備之一[1]。完井和修井兩個(gè)環(huán)節(jié)在海洋油氣開發(fā)過程中至關(guān)重要。作為這兩項(xiàng)重要作業(yè)的專用工程裝備,深水完井修井船隨著油氣開發(fā)逐步向超深水進(jìn)軍,在未來深海油氣開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。

當(dāng)海上油氣開發(fā)作業(yè)者需要租用作業(yè)船舶進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時(shí),應(yīng)提前掌握目標(biāo)作業(yè)船在目標(biāo)海域的作業(yè)能力,以保證相關(guān)作業(yè)能夠順利實(shí)施,降低船舶資源租用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)良好的總體效費(fèi)比。完井修井船是一種新興裝備,工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的相關(guān)研究主要集中在深水鉆完井操作[2、 3]以及相關(guān)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模擬方面[4];國內(nèi)學(xué)者在其他類型海上工程作業(yè)船舶的作業(yè)能力評(píng)估領(lǐng)域做出了較多的研究。易叢、李達(dá)等[5]針對浮托船舶的作業(yè)能力進(jìn)行評(píng)估,唐坤、陸家尉等[6]針對圓筒形FPSO的外輸作業(yè)概率進(jìn)行了研究分析,高巍、周華[7]對海上風(fēng)電運(yùn)維船的登靠作業(yè)概率進(jìn)行了研究。目前,尚未有相關(guān)研究公布針對完井修井船的作業(yè)概率評(píng)估。

本文以一艘超深水完井修井船為研究目標(biāo),評(píng)估其在世界各主要油氣產(chǎn)區(qū)典型海域的作業(yè)能力,提出相關(guān)作業(yè)能力評(píng)估準(zhǔn)則,為作業(yè)方在超深水完井修井船舶資源選擇方面提供評(píng)估方法與參考依據(jù)。

1 基本信息

1.1 船體信息

目標(biāo)超深水完井修井船具備自航能力,最大作業(yè)水深為2500m。該船采用6立柱帶底部船體的半潛型式,作業(yè)吃水為16m,總體排水量為52000t,如圖1所示。其主尺度與主要特征信息如表1所示。

圖1 超深水完井修井船F(xiàn)ig.1 Ultra-deep water well completion and workover vessel

表1 完井修井船主尺度信息Tab.1 Principal dimensions of the vessel

(續(xù)表)

1.2 立管信息

參照API RP 16Q[8]選取立管及張緊器,相關(guān)輸入數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 立管參數(shù)Tab.2 Data of Risers

表3 張緊器數(shù)據(jù)Tab.3 Data of Tensioner

2 環(huán)境條件數(shù)據(jù)及處理方法

本文針對目標(biāo)超深水鉆井修井船在北海挪威沿岸、設(shè)得蘭島外海、西非幾內(nèi)亞灣及安哥拉沿岸、墨西哥灣、巴西沿岸、中國南海,以及西北澳大利亞沿岸等海域的作業(yè)能力進(jìn)行評(píng)估。相關(guān)海域分布如圖2所示。

圖2 世界主要海區(qū)分布[9]Fig.2 Distribution of major sea areas in the world[9]

根據(jù)DNVGL-RP-C205,單獨(dú)考慮有義波高Hs長期分布時(shí),Hs的累計(jì)概率分布函數(shù)可以表達(dá)為[9]

(1)

式中,αHs為威布爾分布尺度參數(shù);βHs為威布爾分布形狀參數(shù);γHs為威布爾分布形狀參數(shù)。

當(dāng)考慮有義波高Hs與平均跨零周期Tz聯(lián)合分布時(shí),有義波高Hs概率分布函數(shù)以3參數(shù)威布爾分布,表示為

為了有效推行此種模式，在法律政策修改方面，筆者認(rèn)為可以統(tǒng)一制定農(nóng)村法人法。一方面，現(xiàn)有涉及農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織的法律過于繁雜，容易產(chǎn)生混亂與沖突;另一方面，構(gòu)建新法能夠更為清晰、統(tǒng)一地確定相關(guān)事項(xiàng)，將相關(guān)政策落到實(shí)處。新法需明確該模式的法律性質(zhì)和運(yùn)行方式，內(nèi)容包括對農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織的名稱、轉(zhuǎn)換條件、機(jī)構(gòu)設(shè)立等規(guī)定，并最大限度根據(jù)實(shí)際情況確定相對統(tǒng)一穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，以保證可操作性;還需規(guī)定集體經(jīng)濟(jì)組織的具體設(shè)立程序，如產(chǎn)生、登記、村民戶口變更等相關(guān)問題。

(2)

平均跨零周期Tz以Hs為條件的條件概率分布函數(shù)[9]可以表示為

(3)

μ=E[lnTz]=a0+a1ha2

(4)

σ=std[lnTz]=b0+b1eb2h

(5)

DNVGL-RP-C205規(guī)范給出了圖3各個(gè)海域?qū)?yīng)參數(shù)αHs、βHs、a1、a2、b1、b2的推薦值。當(dāng)有義波高Hs使用雙參數(shù)威布爾分布來估計(jì)時(shí),γHs=0,此時(shí)a1=0.7、a2=0.07。

圖3 分析流程圖Fig.3 Analysis Flow Chart

根據(jù)式(1)～(5)可以建立各個(gè)海區(qū)的有義波高Hs與平均跨零周期Tz的聯(lián)合分布。

考慮到各個(gè)海區(qū)的差異,最終得到的結(jié)果可能與實(shí)際存在偏差。此時(shí),可提供各主要油氣田海域典型一年一遇有義波高極值,對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,使得最終得出的有義波高結(jié)果符合實(shí)際。

當(dāng)?shù)玫椒蠈?shí)際的有義波高分布后,譜峰周期Tp的計(jì)算可參照DNVGL-RP-C205對于波陡SP的限制條件:

(6)

其中,波陡SP的限制條件如下:

SP=1/15,TP≤8s

SP=1/25,TP≥15s

(7)

根據(jù)DNVGL-OS-E301中各海區(qū)Hs與一小時(shí)平均風(fēng)速比值,選取對應(yīng)波高下的平均風(fēng)速;可近似取對應(yīng)風(fēng)速的3%,作為表面流速[10]。

3 分析方法

3.1 分析流程

本文采用AQWA軟件建立目標(biāo)船水動(dòng)力分析模型并進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析。隨后將AQWA計(jì)算的水動(dòng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Orcaflex軟件中,建立船體-立管-張緊器的時(shí)域耦合分析模型,在Orcaflex中定義環(huán)境條件并進(jìn)行時(shí)域分析。具體分析流程為:

(1) 依據(jù)完井修井船主尺度及重量信息等,通過AQWA-Line建立水動(dòng)力分析模型,并完成水動(dòng)力計(jì)算。

(2) 使用Orcaflex建立船體-立管耦合分析模型。該模型主要包含3部分:船體以及月池模型;立管模型,采用三維桿單元模擬;張緊器、張力環(huán)、底部立管總成、BOP等模型;

(3) 將AQWA-Line計(jì)算的水動(dòng)力數(shù)據(jù)輸入Orcaflex中進(jìn)行時(shí)域分析。分析中將模擬波浪、風(fēng)、流載荷的交互影響。波浪為Jonswap譜,風(fēng)為NPD風(fēng)譜,流為剖面流。

(4) 選取5個(gè)不同隨機(jī)波浪種子對每個(gè)海域的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行時(shí)域模擬計(jì)算,最終計(jì)算結(jié)果為5個(gè)時(shí)域分析結(jié)果的均值。

(5) 根據(jù)時(shí)域計(jì)算結(jié)果校核立管響應(yīng)情況,求出極限限制波高。根據(jù)極限限制波高以及對應(yīng)海域波高累計(jì)概率分布,最終得到完井修井船在各目標(biāo)海域的作業(yè)概率,以供海上作業(yè)者參考。

3.2 校核準(zhǔn)則

超深水完井修井船在鉆井修井作業(yè)過程中的立管響應(yīng)是主要校核內(nèi)容,具體的分析校核準(zhǔn)則如表4所示。

表4 校核準(zhǔn)則Tab.4 Criteria of calibration

(續(xù)表)

3.3 分析工況

研究海區(qū)包括挪威外海(1)、設(shè)得蘭群島外海(2)、墨西哥灣(3)、中國南海北部(4)、中國南海南部(5)、西北澳大利亞(6)、幾內(nèi)亞灣(7)、安哥拉沿岸(8)、巴西沿岸(9)共9個(gè)海區(qū),每個(gè)海區(qū)的環(huán)境條件按照有義波高1.0～4.0m分成7個(gè)分析海況。

針對完井修井船的作業(yè)特點(diǎn),分成鉆井以及完井兩個(gè)作業(yè)條件,即立管充滿鉆井液或海水。每個(gè)海況進(jìn)行5個(gè)不同波浪種子模擬,總計(jì)算工況數(shù)目為9×7×2×5=630個(gè)。

4 分析模型

4.1 分析模型

使用AQWA建立的完井修井船在作業(yè)吃水下的水動(dòng)力計(jì)算模型,如圖4所示。

圖4 完井修井船水動(dòng)力計(jì)算模型Fig.4 Model of Completion and Workover Vessel for Hydrodynamic Analysis

使用Orcaflex建立的完井修井船船體-立管耦合計(jì)算模型如圖5所示。

(a) 全局圖

(b) 細(xì)節(jié)圖圖5 完井修井船船體-立管耦合分析模型Fig.5 Coupled analysis model of hull-riser of completion and workover vessel

5 分析結(jié)果

5.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

通過AQWA計(jì)算的目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO如圖6、圖7所示。計(jì)算結(jié)果顯示,該船升沉運(yùn)動(dòng)固有周期為10.5s,橫搖運(yùn)動(dòng)固有周期為42s,縱搖運(yùn)動(dòng)固有周期為31s。

(a) 縱蕩

(b) 升沉圖6 縱蕩和升沉運(yùn)動(dòng)RAOFig.6 Surge and heave motion RAOs

(a) 橫搖

(b) 縱搖圖7 橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)RAOFig.7 Roll and pitch motion RAOs

5.2 船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

分析耦合分析模型在各海區(qū)不同海況及作業(yè)狀態(tài)下的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。其中,3～4m有義波高下的船體運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果如表5所示。由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著波高、譜峰周期逐漸增大,船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)逐漸增大。綜合各個(gè)海區(qū)的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),1(北海)、4(南中國海北部)、7(尼日利亞)、8(安哥拉)4個(gè)海區(qū)環(huán)境條件作用下船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大。

表5 時(shí)域運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果Tab.5 Motion Results of Time Domain

(續(xù)表)

5.3 立管響應(yīng)

分析了耦合分析模型在各海區(qū)不同海況及作業(yè)狀態(tài)下的立管響應(yīng)。其中,3～4m有義波高下的立管分析結(jié)果如表6所示。

表6 立管分析結(jié)果Tab.6 Analysis Results of Risers

(續(xù)表)

由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著波高、譜峰周期逐漸增大,立管響應(yīng)逐漸增大;當(dāng)有義波高為4m時(shí),立管最小張力不滿足要求。綜合各個(gè)海區(qū)的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),1(北海)、4(南中國海北部)、7(尼日利亞)、8(安哥拉)4個(gè)海區(qū)環(huán)境條件作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大。

5.4 目標(biāo)海域作業(yè)概率

根據(jù)立管分析結(jié)果,結(jié)合海區(qū)波高累計(jì)概率,得出目標(biāo)船在9個(gè)海區(qū)的作業(yè)概率,如表7所示。

表7 完井修井船在各目標(biāo)海區(qū)的作業(yè)概率Tab.7 Operation probability of the vessel in various sea areas

整體而言,目標(biāo)船在墨西哥灣、南中國海南部、西北澳大利亞、尼日利亞以及巴西等相關(guān)海域作業(yè)概率在80%以上,能夠較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。在挪威外海、設(shè)得蘭外海、南中國海北部作業(yè)概率較低,其中,設(shè)得蘭海外作業(yè)概率不足70%,如圖8所示。該目標(biāo)船在這些海域的作業(yè)能力有限,進(jìn)行相關(guān)作業(yè)需謹(jǐn)慎評(píng)估。

圖8 完井修井船在各目標(biāo)海域的作業(yè)概率情況Fig.8 Operation probabilities of the vessel in various sea areas

6 結(jié) 論

本文評(píng)估了某超深水完井修井船在9個(gè)潛在目標(biāo)海域相關(guān)作業(yè)的作業(yè)能力與作業(yè)概率。目標(biāo)船在南中國海南部、西非、巴西的作業(yè)概率較高,較適宜在這些海區(qū)作業(yè);由于北海、南中國海北部環(huán)境條件較為惡劣,該目標(biāo)船在這些海域作業(yè)需要有充足的分析與氣象支持,以保證足夠的氣候窗完成作業(yè)。

整體而言,該目標(biāo)船已經(jīng)基本具備全球作業(yè)能力,主尺度設(shè)計(jì)較為出色,后續(xù)的工作可在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行小幅度的優(yōu)化,以提高惡劣海區(qū)作業(yè)能力。

本文的相關(guān)分析方法可用于同類型以及其他海上工程作業(yè)船舶的作業(yè)能力評(píng)估。