張曉宇胡開業(yè)周雯雯

（1.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤錦124010； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

帶月池深海鉆井船搖蕩運動性能分析

張曉宇1胡開業(yè)2周雯雯2

（1.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤錦124010； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

海上鉆井作業(yè)過程要求鉆井船具備良好的穩(wěn)定性能，而月池內(nèi)流體柱的不規(guī)則振蕩以及鉆井船細長的船體外形都將對船體運動性能造成不利影響，從而限制其在惡劣海域的作業(yè)適應(yīng)性。文章基于三維勢流理論對帶月池鉆井船的搖蕩運動進行預(yù)報，并通過船模試驗對預(yù)報結(jié)果進行有效性驗證。在此基礎(chǔ)上，提出鉆井船搖蕩運動衡準(zhǔn)值，對鉆井船海上作業(yè)適應(yīng)性進行研究，分析月池尺度和形狀對鉆井船運動性能的影響。

深水鉆井船；運動預(yù)報；月池

引言

與其他鉆井平臺相比，鉆井船的機動性好、自持力強、具有自航遷移能力，更能適應(yīng)深水及超深水作業(yè)。截止2013年10月，全球現(xiàn)役鉆井船總量為91艘，另外還有88艘正在建造中。在91艘鉆井船中，83艘鉆井船具備在4 000 ft（約合1 219 m）以上深水作業(yè)的能力，比例為91.2%，68艘鉆井船適應(yīng)于10 000 ft（約3 048 m）以上的超深水海域作業(yè)，比例達74.7%［1］。與國外蓬勃的發(fā)展現(xiàn)狀相比，國內(nèi)鉆井船技術(shù)僅處于起步階段。由于鉆井船高附加值的特點，其相關(guān)技術(shù)壟斷嚴(yán)重，研究成果為商業(yè)秘密，增加了國內(nèi)鉆井船技術(shù)的發(fā)展難度［2］。本文從運動性能的角度對鉆井船技術(shù)進行研究，為國內(nèi)自主船型的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

海上鉆井作業(yè)對平臺運動性能要求苛刻，過大的運動幅度不僅影響鉆井精度與作業(yè)效率，而且將縮短鉆桿、隔水管等鉆井設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)致皸裂、脫扣等安全事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。然而，鉆井船具有細長的船體外型，受波浪的常態(tài)影響，對運動性能造成不良影響。另外，鉆井船中部布置有貫穿船底的月池結(jié)構(gòu)，月池內(nèi)流體振蕩規(guī)律復(fù)雜、產(chǎn)生漩渦等非線性現(xiàn)象，影響流體域的壓力分布及鉆井船搖蕩運動幅度，限制了鉆井船在惡劣海域的作業(yè)適應(yīng)性［3］。因此，鉆井船在波浪中的搖蕩運動預(yù)報與分析研究，對鉆井船的船型論證具有實際意義。

本文應(yīng)用基于三維零航速勢流理論的AQWA海洋工程水動力分析工具，進行鉆井船搖蕩運動預(yù)報，并完成鉆井船搖蕩運動模型試驗。在此基礎(chǔ)上，提出鉆井船搖蕩運動衡準(zhǔn)，結(jié)合短期預(yù)報理論，對相應(yīng)海況下的作業(yè)適應(yīng)性進行分析。通過計算對比無月池及不同尺度月池下的鉆井船搖蕩運動響應(yīng)，分析月池對鉆井船運動性能的影響。

1　鉆井船搖蕩運動預(yù)報分析理論

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維勢流理論日臻完善，在海洋工程結(jié)構(gòu)物水動力分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［4］。

1.1 三維勢流理論基礎(chǔ)

對于無航速浮體，流場擾動速度勢為：

式中：、、分別為入射勢、繞射勢和輻射勢。根據(jù)線性波浪理論，波浪入射勢可表示為：式中：A為波幅，m；k為波數(shù)，rad/m；h為水深，m；g為重力加速度，m/s2；β為浪向與x軸正方向的夾角，°，規(guī)定β=180°為迎浪。

入射勢、繞射勢根據(jù)Green函數(shù)法求取：式中：S為物體邊界，為分布于濕表面上的源強，為物面S上的動點，為場點。

根據(jù)速度勢與Lagrange積分式（2）-式（4），即可獲得流場壓力分布。

流體壓力沿結(jié)構(gòu)物表面積分，得到結(jié)構(gòu)物所受到的總體流體作用力，包括波浪激勵力、輻射力以及流體靜回復(fù)力，其中輻射力通常用附加質(zhì)量系數(shù)和輻射阻尼系數(shù)表征。因此，船體在頻域下的一階搖蕩方程表達式為：式中：J和k為運動模態(tài) （j=1～6，k=1～6）；xj為船體運動位移；mkj為船體質(zhì)量；μkj為船體附加質(zhì)量；λkj為船體阻尼系數(shù)；ckj為船體回復(fù)系數(shù)；Fwk為船體的波浪干擾力。

1.2 鉆井船頻域運動計算模型

將鉆井船與月池內(nèi)的流體視為一個體系中2個獨立又相互影響的組成部分［5］。相對于鉆井船而言，船體運動受到月池內(nèi)流體運動的影響，如以月池內(nèi)流體垂向運動為影響因素，建立鉆井船運動方程為：式中：x8為月池內(nèi)流體垂向運動位移；ak8、bk8分別為月池垂向運動引起的附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)。

鉆井船以及月池內(nèi)流體體系的運動示意如下頁圖1所示。

圖1 體系運動示意圖

月池內(nèi)流體的絕對運動可分解為：式中：x3為月池內(nèi)流體與船體一致的運動；x′為月池內(nèi)流體與船體的相對運動。

鉆井船運動預(yù)報過程中，由于月池運動x8未知且量級較小，因此視x8≈x3，式（6）可表示為：同理，計入月池六自由度運動影響的鉆井船搖蕩運動方程為：式中：akj、bkj分別為月池k自由度上的運動對鉆井船j自由度上的附加質(zhì)量影響系數(shù)、附加阻尼影響系數(shù)。

據(jù)A·B·Aalbers研究成果顯示，ω＜0.3 rad/s范圍內(nèi)，附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)均可視為常數(shù)。因此，為簡化預(yù)報過程且提高預(yù)報精度，AQWA數(shù)值計算過程中，將結(jié)合附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)、鉆井船粘性阻尼系數(shù)進行水動力系數(shù)修正［6-8］。

1.3 搖蕩運動短期預(yù)報理論

為了獲得鉆井船在隨機波中的搖蕩運動統(tǒng)計值，根據(jù)譜分析理論對鉆井船搖蕩運動幅度進行短期預(yù)報。主要過程為：

（1）搖蕩運動幅頻響應(yīng)函數(shù)（RAO）。

（2）波能譜密度函數(shù)：式中：ω0為譜峰頻率；γ為譜峰升高因子；σ為譜峰形狀參數(shù)；α為無因次常數(shù)。

（4）搖蕩運動位移單幅有義值：

1.4 鉆井船搖蕩運動衡準(zhǔn)

鉆井船具有細長的船體外形且水線面積較大，在波浪中運動幅值較大，將可能影響海上正常鉆井作業(yè)。因此，在船型設(shè)計階段，需要結(jié)合搖蕩運動衡準(zhǔn)及運動幅值預(yù)報結(jié)果，對不同海況下的鉆井船作業(yè)適應(yīng)性進行分析。然而，目前尚無權(quán)威機構(gòu)規(guī)定明確的鉆井船搖蕩運動衡準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)，這是鉆井船作業(yè)適應(yīng)性分析的技術(shù)瓶頸。

然而，鉆井船是具有船體外形的海上鉆井平臺，本文在結(jié)合常規(guī)船舶耐波性要求及海洋平臺作業(yè)特點基礎(chǔ)上，提出鉆井船作業(yè)過程中（安裝防噴器）的搖動運動衡準(zhǔn)如表1所示［9］。

表1 鉆井船搖蕩運動衡準(zhǔn)值

1.5 月池特性分析方法

由于月池結(jié)構(gòu)貫穿船底，池內(nèi)流體柱與外部海水相連，在波浪作用下，流體柱將產(chǎn)生“活塞”和“晃蕩”兩種不規(guī)則的振蕩，影響流場壓力分布。目前，關(guān)于月池的研究均停留在以模型試驗和理論研究為主的自身特性研究。Faltinsen、Fukuda、Molin等人給出的月池流體振蕩固有頻率經(jīng)驗計算模型，Aalbers、Knott 和 Flower等人通過模型試驗對月池的共振頻率下的附加阻尼或附加質(zhì)量進行研究。English、Park J J等人以減小航行阻力提高遷移速度為目標(biāo)，對月池尺度進行優(yōu)化設(shè)計［10］。

Molin通過推導(dǎo)月池內(nèi)流體做活塞運動和晃蕩運動時的速度勢得到其固有頻率計算公式如式（13）和式（14）所示。式中：d為月池吃水，m；l為月池長度，m；b 為月池寬度，m；g為重力加速度，m/s2。

2　實例計算與分析

本文以1艘科研鉆井船型為例，對該鉆井船的運動響應(yīng)進行預(yù)報并開展船模搖蕩運動試驗，在此基礎(chǔ)上，分析指定海況下的搖蕩運動適應(yīng)性以及月池尺度對鉆井船搖蕩運動的影響。

2.1 數(shù)值計算模型

實例鉆井船主要參數(shù)見表3。

表3 鉆井船主要參數(shù)

數(shù)值計算幾何模型如圖2所示。式中：h為船體吃水，m；S為月池剖面面積，m2；λ=π/l，r=b/l，tanθ0=r-1。

由Molin經(jīng)驗公式估算目標(biāo)船型月池固有頻率：活塞運動固有頻率ωpiston=0.815 rad/s晃蕩運動固有頻率ωsloshing=1.147 rad/s

為分析月池的存在及其尺度對鉆井船搖蕩運動的影響，對不同尺度下的鉆井船搖蕩運動響應(yīng)進行計算分析，月池尺度如表2所示［11］。

表2 月池尺度m

圖2 鉆井船幾何模型

2.2 搖蕩運動數(shù)值預(yù)報與船模試驗

基于三維零航速勢流理論，應(yīng)用水動力分析工具AQWA，獲得鉆井船在規(guī)則波中的搖蕩運動幅頻響應(yīng)。

下頁圖3表示不同浪向下的垂蕩幅頻響應(yīng)，縱坐標(biāo)為單位波幅的垂蕩位移。

下頁圖4和圖5分別表示不同浪向下的橫搖、縱搖幅頻響應(yīng)，縱坐標(biāo)表示單位波傾角的傾斜弧度。

圖3 垂蕩運動幅頻響應(yīng)

圖4 橫搖運動幅頻響應(yīng)

圖5 縱搖運動幅頻響應(yīng)

圖6 船模試驗截圖

圖7 垂蕩運動響應(yīng)（β=90°）

為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的有效性，開展該鉆井船作業(yè)裝載工況（作業(yè)吃水見表3）與典型浪向下的搖蕩運動模型試驗，浪向角β=180°時為正迎浪。圖6為船模試驗過程截圖。

鉆井船搖蕩運動數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果如圖7 -圖9所示。數(shù)值計算值與模型試驗值吻合度較好，驗證了數(shù)值計算結(jié)果的有效性及數(shù)值計算方法的可靠性。

圖8 橫搖運動響應(yīng)（β=165°）

圖9 縱搖運動響應(yīng)（β=180°）

2.3 鉆井船作業(yè)適應(yīng)性分析

根據(jù)譜分析理論，對不規(guī)則波中的搖蕩運動進行短期預(yù)報，并結(jié)合表1中的搖蕩運動衡準(zhǔn)值，分析該鉆井船在相應(yīng)海況下的作業(yè)適應(yīng)性。

圖10 -圖12分別表示不同海況下的垂蕩、橫搖、縱搖位移以及對應(yīng)的衡準(zhǔn)限界線玫瑰圖。

圖10 垂蕩運動位移玫瑰圖

圖11 橫搖運動位移玫瑰圖

圖12 縱搖運動位移玫瑰圖

圖13 -圖15分別表示不同海況下的垂蕩、橫搖、縱搖速度以及對應(yīng)的衡準(zhǔn)限界線玫瑰圖。

圖13 垂蕩運動速度玫瑰圖

圖14 橫搖運動速度玫瑰圖

圖15 縱搖運動速度玫瑰圖

由圖可知：若該鉆井船采用錨泊定位系統(tǒng)，迎浪方向隨機分布，則只有在有義波高h1/3=1.25 m的低海況下才能滿足衡準(zhǔn)值要求，具備良好的作業(yè)適應(yīng)性。若鉆井船采用動力定位系統(tǒng)，船首可控制在迎浪β=180°至首斜浪β=150°的范圍內(nèi)，則在有義波高上h1/3=5.0 m的高海況下，也能基本滿足衡準(zhǔn)要求，保持較好的作業(yè)適應(yīng)性。由于該鉆井船橫搖固有周期T=21 s，波浪周期范圍大多在15 s以下，因此，橫搖頻率響應(yīng)與波浪能量譜存在峰值偏移，鉆井船橫搖運動緩慢且搖蕩幅度小，不影響正常鉆井作業(yè)。

2.4 月池對鉆井船搖蕩運動影響分析

建立不同尺度月池的鉆井船幾何模型，基于三維勢流理論得到不同尺度月池下的鉆井船垂蕩、橫搖、縱搖運動響應(yīng)（β=135°）如圖16 -圖18所示。

圖16 垂蕩運動響應(yīng)

圖17 橫搖運動響應(yīng)

由圖16可知，在月池的“活塞”運動固有頻率附近，鉆井船垂向運動與月池內(nèi)流體的活塞運動發(fā)生共振，鉆井船垂蕩運動曲線出現(xiàn)強烈振蕩，且矩形月池和圓形月池的振蕩現(xiàn)象最為劇烈。

由圖17可知，月池的存在減小了鉆井船的橫搖固有周期，導(dǎo)致橫搖更加劇烈，且明顯增大橫搖峰值，矩形月池的增大幅度最為顯著。

由圖18可知，月池的存在對縱搖響應(yīng)無影響。

基于以上分析可知，月池結(jié)構(gòu)對鉆井船垂蕩和橫搖兩個方向上的運動造成影響，垂蕩方向上易于發(fā)生共振現(xiàn)象，橫搖方向上表現(xiàn)為增大橫搖幅度?；谧V分析原理，對不同尺度下鉆井船橫搖運動進行短期預(yù)報如圖19所示。

圖19 橫搖運動短期預(yù)報值（h1/3=9.0 m）

3　結(jié)　論

圖18 縱搖運動響應(yīng)

通過以上計算與分析，得出如下結(jié)論：

（1）基于AQWA的鉆井船搖蕩運動數(shù)值預(yù)報方法較為可靠，鑒于月池存在引起型值和水動力系數(shù)的修正，獲得的鉆井船在波浪中的運動響應(yīng)與模型試驗結(jié)果相吻合，從而驗證了預(yù)報方法的可靠性。

（2）保持船首處于迎浪方向有利于鉆井船在惡劣海況下也能保持良好作業(yè)適應(yīng)性，且鉆井船橫搖方向運動緩慢、幅度又小，對正常作業(yè)并無不良影響。

（3）月池對鉆井船垂蕩和橫搖兩個方向的運動造成不良影響。由于月池內(nèi)流體柱的“活塞”振蕩，鉆井船垂蕩方向上易于發(fā)生共振現(xiàn)象，橫搖方向上表現(xiàn)為橫搖幅度增大，并且矩形月池的增大效果最為明顯，其次為方形月池和圓形月池。

［ 1 ］ Anon. Floating into Ultra-Deepwater［EB/OL］.［2014-03-20］. http://www.hellenicshippingnews.com/07be9lal-7e63-4b44-9807-b4e4b26a8573/.

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Motion performance of drillship with moonpool

ZHANG Xiao-yu1HU Kai-ye2ZHOU Wen-wen2
(1. Ocean Engineering Equipment Research Institute of CNPC Bohai Equipment Research Institute, Panjin 124010, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Great stability is demanded for a dillship during the off shore drilling operation. However， the irregular oscillation of the fl uid cylinder of the moonpool and the elongated hull shape have adverse eff ect on the motion performance of the drillship， which may limit the drillship operation adaptability in rough sea states. The oscillation of a drillship with a moonpool is predicted by the three-dimension potential theory， and the results are validated by the ship model tests in order to put forward the criterion value of the drillship oscillation. On this basis， it analyzes the drillship operation adaptability in deep sea and the infl uence of the scale and shape of the moonpool on the motion performance of the drillship.

drillship； motion prediction； moonpool

U661.1

A

1001-9855（2016）01-0029-08

中國石油天然氣集團公司攻關(guān)課題（2011B-1064）

2015-01-30；

2015-11-18

張曉宇（1972-），男，碩士，高級工程師，研究方向：海工裝備。胡開業(yè)（1980-），男，博士，講師，研究方向：水動力性能分析。周雯雯（1989-），女，碩士，研究方向：船舶工程。