挪威北海恶劣海况下半潜式钻井平台工作性能分析

韩荣贵，时　磊，杨　楠，崔　娜，李　磊，肖　元，张健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山东 烟台 264000)

挪威北海恶劣海况下半潜式钻井平台工作性能分析

韩荣贵，时磊，杨楠，崔娜，李磊，肖元，张健效

(中集海洋工程研究院有限公司，山东 烟台 264000)

摘要：针对半潜式钻井平台运动性能量化评估问题，采用工作性能分析方法。对3座半潜式钻井平台，考虑挪威北海恶劣海况条件，进行工作性能分析。结果表明，目标平台在3座平台中工作性能最佳。工作性能分析方法可以作为评估半潜钻井平台运动性能的分析工具之一。

关键词：半潜式钻井平台；工作性能分析；势流理论；水动力分析

挪威北海作为油气开采比较活跃的几个重要油区之一，以其海洋环境恶劣著称，尤其是波浪条件十分恶劣，最大波高超过30 m[1]。由于恶劣的波浪条件，使得在挪威北海工作的半潜式钻井平台承受较大的波浪力和产生较大的平台位移，对平台的作业安全性是巨大挑战。因此，在进行工作于挪威北海海域的半潜式钻井平台设计过程中，平台的运动性能是一项重要的设计指标。为获得量化的平台运动性能评估指标，采用工作性能分析方法开展3座半潜式钻井平台运动性能研究。工作性能分析结果体现在平台在指定海域和工况下的作业天窗期。作业天窗期是指平台在指定海域和操作工况运动限制条件下，每年可工作的时间百分比，可以量化地反映平台的运动性能。

1工作性能分析介绍

工作性能分析主要是在水动力系数计算基础上，根据半潜式钻井平台具体操作工况的运动限制条件，结合实际工作海域的波浪信息，应用短期预报方法，统计某项操作每年可以工作的时间百分比。

1.1势流理论

采用三维势流理论求解半潜式钻井平台附加质量、势流阻尼等水动力系数，在微幅波假设下，浮体线性运动方程为[2-3]

(1)

式中：Mij——平台质量矩阵；

Aij——平台附加质量矩阵；

Bij——平台势流阻尼矩阵；

BZij——平台粘性阻尼矩阵；

Cij——平台回复力刚度矩阵；

Xi——平台收到的波浪激励力；

ξj——平台运动幅值。

数值计算中，所用面元采用常数元，在面元上均匀分布源汇强度，采用源汇表征流场速度势的分布。通过求解源汇强度，获得平台在单位波幅波浪作用下的频域运动响应算子(RAO)。目前采用SESAM/HydroD[4-5]软件进行相关势流理论求解，获得相关运动响应算子(RAO)。

1.2短期预报

在工作性能计算过程中，短期预报采用的波浪谱类型为PM谱，PM波浪谱密度Sξ(w)如下式[5]。

(2)

式中：Tp——谱峰周期；

HS——有义波高；

p——波浪圆频率。

通过水动力分析软件获得平台RAO，结合实际海域的波浪谱，即可获得平台运动响应谱SR(w)[6]。

(3)

通过响应谱，可以获得响应谱各阶谱矩。

(4)

运动响应有义值为

(5)

1.3工作性能分析

工作性能分析是指根据特定操作工况的相关运动响应幅值限制条件，如下放防喷器操作，平台升沉运动不超过1.0 m，横摇和纵摇角度不超过2.0°，通过对波浪散布图(见图1)中所用采集的各海况条件进行3 h短期预报，判断各海况下平台的最大运动幅值是否超过限制值(如表2示例)，如果没有超过，则表明在该海况下可以进行相关作业。最终，统计所有可作业海况出现数量占所有海况数量的百分比。用该百分比表征平台每年可以工作的时间百分比，作为评价平台运动性能优劣的参考。百分比越高说明平台可操作的时间越多，平台工作性能越好。

2算例分析

将中集来福士正在建造的某半潜式钻井平台与已建的两座工作于同一海域的半潜式钻井平台(记为1#平台和2#平台)进行工作性能方面的对比分析。该平台在运动性能优化方面做了进一步的优化设计。3座半潜式钻井平台的设计时间先后顺序依次是1#平台、2#平台和本平台。

图1　波浪散布表(Statfjord油田)

在该平台设计过程中，为了获取更佳的平台运动性能，进行了多个方案性能分析，考虑因素包括平台浮筒长宽比、浮筒间距、浮筒倒角大小、立柱长宽比、立柱间距、立柱倒角大小、横撑直径和高度以及平台吃水等。最终，综合考虑平台总重量、稳性要求等综合因素，确定相关平台主尺度。

2.1水动力模型

对1#平台、2#平台和本平台进行相关水动力分析。主要参数见表1，水动力网格模型见图2～4。

2.2海况参数

具体分析所有海域波浪散布图见图1，该散布图是挪威北海Statfjord油田的典型波浪散布图。计算过程中假设各浪向波浪出现的概率相等，取0～360°，15°间隔，共计24个浪向。

表1　平台主要参数

图2　1#平台水动力网格模型

图3　2#平台水动力网格模型

图4　本平台水动力网格模型

2.3操作工况运动限制条件

典型操作工况运动限制条件见表2。

表2　典型操作工况运动限制条件

平台运动限制条件的设定主要是为保证平台在进行相关操作时保证设备和人员的安全，防止重大事故出现。平台的典型操作工况限制条件除了表2中的升沉、横摇和纵摇运动外，还可以定义某些位置的速度、加速度值等作为相关操作的限制条件。

2.4计算结果

各项目工作性能计算结果见表3。

表3　工作性能计算结果对比　%

表3中数据表示各平台在不同操作类型工况下每年可以工作的时间百分比。本平台与1#平台和2#平台相比，各工况全年可增加的作业天数可以根据本平台与1#平台或2#平台工作时间百分比的差值乘以365 d获得，具体数据见表4。

表4　本平台全年可增加工作天数及经济效益对比　%

由表1可见，本平台在主尺度上面进行较大的调整，从而来获取较好的平台运动性能。本平台号与1#平台运动性能的改善相比1#平台到2#平台的改善并没有明显量级上的变化。其原因在于，从图1可以看出，波浪散布图中的海况分布呈一个倒金字塔形，高海况对应的海况出现次数变小。从而导致工作天窗期达到一定量级时，提高平台的作业天窗期越来越困难。

2.5结果分析

由表3可见，3个项目的工作性能依次变好，表明该系列平台设计过程中运动性能方面是不断优化的。3座半潜式钻井平台中目标平台工作性能最佳，与目标平台操作吃水大，有利于改善垂荡运动性能响应有直接关系，符合理论分析的变化趋势。

由表4可见，平台运动性能的优化带来的平台可工作天数的增加是比较可观的，可有利地提高台的作业效率。表4中以中等水深半潜式钻井平台平均日费率36.06万美元计算了相关操作工况的经济效益，计算结果可以看出运动性能的优化，可节约平台使用方的大量资金，有利于提高平台的市场认可度。

3结束语

3座半潜式钻井平台的算例结果表明，目标平台工作性能最佳，符合理论分析的变化趋势。工作性能分析的优势在于可以直接给出量化的平台可工作时间百分比，进而反映出平台运动性能情况。在平台方案设计过程中，可以为量化评估平台运动性能提供数据支持。本文分析过程中只考虑了平台升沉、横摇和纵摇对工作性能的影响，后续研究中可以进一步考虑加速度、速度等影响因素，更全面地衡量平台作业性能等。

参考文献

[1] FALTINSEN O M.船舶与海洋工程环境载荷[M].杨建民，肖龙飞，葛春花,译.上海：上海交通大学出版社，2008.

[2] 戴遗山，段文洋.舰船在波浪中运动的势流理论[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3] 戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4] 王世圣，谢彬.3 000 m深水半潜式钻井平台运动性能研究[J].中国海上油气，2007，19(4):278-284.

[5] DNV-RP-C205, Environmental conditions and environmental loads[S].DNV， 2014.

[6] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS， 2014.

Workability Analysis for Semi-Submersible Drilling Unit under Harsh Environment at Norwegian Sea

HAN Rong-gui, SHI Lei, YANG Nan, CUI Na, LI Lei, XIAO Yuan, ZHANG Jian-xiao

(CIMC Offshore Engineering Institute Ltd., Yantai Shandong 264000, China)

Abstract:For quantitative assessment of motion performance of semi-submersible drilling unit, the workability analysis method is applied to investigate the workability for three semi-submersible drilling units under harsh environment at Norwegian Sea. According to analysis results, the target project had the best workability performance. It is proved that the workability analysis can be used as a tool to evaluate the performance of semi-submersible drilling unit.

Key words:semi-submersible drilling unit; workability analysis; potential flow theory; hydrodynamic analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.029

收稿日期：2015-11-06

基金项目：山东省自主专项(2014CGZH1202)；泰山学者蓝色产业领军专家专项

第一作者简介：韩荣贵(1982—)，男，硕士，工程师 E-mail:ronggui.han@cimc-raffles.com

中图分类号：U674.38；P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0127-04

修回日期：2015-12-08

研究方向:船舶与海洋工程水动力分析