姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

深水半潛式平臺內(nèi)波應(yīng)急解脫最大偏移量的研究與控制

姜 偉

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

在南海鉆井作業(yè)中，深水半潛式鉆井平臺屢遭內(nèi)波干擾，對于平臺設(shè)備、作業(yè)安全造成了重大影響。結(jié)合目前半潛式鉆井平臺在南海遇到的內(nèi)波以及半潛式鉆井平臺隔水導(dǎo)管系統(tǒng)的實(shí)際情況，研究分析了隔水導(dǎo)管系統(tǒng)的極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)條件，提出了在遭遇內(nèi)波平臺漂移的情況下，應(yīng)急解脫隔水導(dǎo)管的漂移極限條件。通過實(shí)例計(jì)算，對半潛式平臺在遭遇內(nèi)波極限情況下的應(yīng)急解脫條件進(jìn)行了探討。這對于我們在南海的內(nèi)波海域合理處置內(nèi)波應(yīng)急情況、確保深水鉆井作業(yè)安全具有重要意義。

深水鉆井；半潛式平臺；內(nèi)波流；平臺漂移；應(yīng)急解脫；極限條件

0 引 言

在“十二五”期間，中海油的深水船隊(duì)在南海成功地開展一系列的深水鉆探工作，同時(shí)也經(jīng)受了南海的內(nèi)波流帶來的問題和挑戰(zhàn)。

內(nèi)波是由于海水的密度、質(zhì)量差異而形成的一種復(fù)雜的海洋流。流體內(nèi)部密度垂直分布呈現(xiàn)層化構(gòu)造時(shí)，流體層化界面受到擾動(dòng)時(shí)會出現(xiàn)波動(dòng)，由于這種波發(fā)生在流體內(nèi)部，因此稱為內(nèi)波流。內(nèi)波的產(chǎn)生應(yīng)具備兩個(gè)條件： 一是海水密度穩(wěn)定分層，二是要有擾動(dòng)能源，兩者缺一不可。在深水作業(yè)中，當(dāng)海水因溫度、鹽度的變化出現(xiàn)了密度分層后，再經(jīng)大氣壓力變化、地震影響以及船舶運(yùn)動(dòng)等外力擾動(dòng)，就可能在海水內(nèi)部引發(fā)內(nèi)波。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在2014年4—8月，中海油NHX號錨鏈定位半潛式鉆井平臺遭遇內(nèi)波流襲擾就達(dá)47次之多，其中最為嚴(yán)重的一次使得平臺漂移距離達(dá)123m，測量到的內(nèi)波流速達(dá)5～6kn。由此可見，內(nèi)波流是中國南海經(jīng)常遇到的、十分頻繁的海洋自然現(xiàn)象，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1，2]，我國南海內(nèi)波流最快的速度可達(dá)2m/s，其流動(dòng)起來的能量非常大，幾分鐘或幾十分鐘內(nèi)產(chǎn)生的巨大推動(dòng)力，可將一座大型的海上作業(yè)船舶移位到幾十公里以外，同時(shí)會對海上作業(yè)安全產(chǎn)生巨大影響。

半潛式鉆井平臺在海上正常作業(yè)時(shí)，其定位方式有錨鏈定位和動(dòng)力定位兩種。一般來說，錨鏈定位適用于1500m水深以內(nèi)而動(dòng)力定位適用于水深超過1500m的海域。

平臺鉆井和錨泊定位如圖1所示。半潛式鉆井平臺通過在伸縮節(jié)上安放的張力環(huán)，對于鉆井隔水導(dǎo)管施加一定的張力(通常情況是隔水導(dǎo)管重量的1.2～1.5倍)，以保持鉆井隔水導(dǎo)管始終處于垂直狀態(tài)。當(dāng)作業(yè)海域海況發(fā)生變化，如風(fēng)、浪、流的改變可能影響半潛式平臺井口的定位時(shí)，在鉆井錨鏈定位的平臺只能依靠錨泊的錨抓力和錨泊定位系統(tǒng)的恢復(fù)力來控制和保持。隔水導(dǎo)管底部有一個(gè)鉸接頭，允許隔水導(dǎo)管在漂移時(shí)有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)這個(gè)角度過大或者偏移量過大時(shí)，就需要應(yīng)急解脫下部隔水管總成(LMRP)，以便在平臺漂移情況下，不至于拉斷隔水導(dǎo)管或者對水下防噴器(BOP)造成損壞。錨鏈?zhǔn)蕉ㄎ坏陌霛撌狡脚_保持井口穩(wěn)定這個(gè)過程耗時(shí)比較長，并且定位的方式比較被動(dòng)。而如果采用動(dòng)力定位方式，一旦發(fā)現(xiàn)海況在改變井口定位時(shí)，可以及時(shí)通過調(diào)整推進(jìn)器的推動(dòng)力來及時(shí)保持平臺的定位，這種方式耗時(shí)短并且相對比較主動(dòng)。但是操作的費(fèi)用比錨鏈定位平臺要昂貴得多。

由此可見當(dāng)海況發(fā)生變化時(shí)，對于半潛式平臺定位影響最大的當(dāng)屬錨鏈定位方式。特別是當(dāng)內(nèi)波流發(fā)生時(shí)，由于流向的不確定性、流速增加的突然性，對于平臺的定位和鉆井作業(yè)安全以及平臺安全帶來了巨大的潛在威脅和隱患。中海油進(jìn)入南海深水鉆井以來,屢屢遭遇內(nèi)波且對鉆井作業(yè)效率和鉆井平臺設(shè)備以及作業(yè)安全造成了極大的困擾和影響。NHX半潛式鉆井平臺在XXBI-4-1井曾因內(nèi)波流的襲擾，內(nèi)波流最大流速達(dá)到4Rn，造成平臺最大偏移量101m；在解脫LMRP以后，還遭遇到的內(nèi)波流最大流速達(dá)到6Rn，造成平臺最大偏移量137m。累計(jì)影響作業(yè)時(shí)間186h，按照當(dāng)時(shí)鉆井平臺的日費(fèi)用計(jì)算，7.75天直接由于鉆井平臺日租金費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)約280萬美元。其間還發(fā)生了張力器鋼絲繩拉斷、球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°、伸縮節(jié)盤根損壞發(fā)生泄漏，隔水管經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)受損等問題。

綜上所述，研究內(nèi)波流條件下張力器鋼絲繩拉斷、伸縮節(jié)泄漏、隔水管受損的極限條件，隔水導(dǎo)管系統(tǒng)在內(nèi)波流條件下的極限工況以及應(yīng)急解脫的極限條件，對于提高作業(yè)效率、保障作業(yè)安全和深水鉆井平臺設(shè)備安全運(yùn)行，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合實(shí)例，研究了半潛式平臺在內(nèi)波流條件下的應(yīng)急解脫條件，給出了平臺漂移的情況下應(yīng)急解脫隔水導(dǎo)管的漂移極限條件。

1 隔水導(dǎo)管漂移力學(xué)方程和計(jì)算方法

圖1 鉆井隔水導(dǎo)管漂移示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling riser offset

為研究問題方便起見，首先以深水鉆井隔水導(dǎo)管為研究對象，并且沿隔水導(dǎo)管軸線建立坐標(biāo)，如圖1所示，隔水導(dǎo)管長度為l，其鉸接頭為球鉸支承A，鉆井隔水導(dǎo)管懸掛在半潛式鉆井平臺的張力環(huán)上，受到張力P的作用。該張力P由隔水導(dǎo)管浮力塊產(chǎn)生的浮力f和張力環(huán)的張力P1組成。由于受到內(nèi)波流的作用隔水導(dǎo)管頂部產(chǎn)生漂移距離δ1，頂端位置由A1漂移到A3，底部產(chǎn)生轉(zhuǎn)角α。設(shè)此時(shí)鉆井平臺的吃水并沒有發(fā)生改變，因此隔水導(dǎo)管在漂移過程中必然要產(chǎn)生伸長變形。這個(gè)伸長變形在小于伸縮節(jié)行程范圍時(shí)，是隔水導(dǎo)管既有的伸長變形；伸長變形大于伸縮節(jié)行程范圍時(shí)，隔水導(dǎo)管就要產(chǎn)生伸長變形δ，其長度由原來的l伸長為l1。

為了研究問題方便起見，首先做如下假定：

(1) 將環(huán)境載荷作用(風(fēng)、浪、流)的效果，視為平臺及隔水導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)和漂移。同時(shí)由于球鉸接頭允許的轉(zhuǎn)角α很小，因此不再單獨(dú)考慮環(huán)境橫向載荷對隔水導(dǎo)管的影響。

(2) 隔水導(dǎo)管上安裝伸縮節(jié)，超出伸縮節(jié)行程后隔水導(dǎo)管有軸向變形。

(3) 隔水導(dǎo)管視為一端鉸支，一端可以漂移并且受到軸向張力P的作用。通常情況下，由于球鉸接頭傾角控制在3°以內(nèi)，故隔水導(dǎo)管頂張力的水平分力很小，為討論問題方便在此忽略不計(jì)。

至此就可得到鉆井隔水導(dǎo)管上受力情況，就是一個(gè)典型的拉伸條件下桿件的變形問題。根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，可推出應(yīng)變伸長量δ的表達(dá)式[3-4]：

(1)

式中：E為材料的楊氏模量，MPa；A為隔水導(dǎo)管截面面積，m2；δ和l單位為m；P單位為kN。

由圖2的幾何關(guān)系可知

(2)

(3)

式中：α為球接頭傾角，°；l1單位為m。

將式(3)代入式(1)可得

(4)

通常情況下，配置浮力塊的浮力為隔水導(dǎo)管重量的80%左右，即f=0.8ql，q為單位長度隔水導(dǎo)管所呈重力，N/m。同時(shí)，上部鉆井隔水導(dǎo)管受到的張力P是按照隔水導(dǎo)管重量的120%設(shè)定的，即P=1.2ql;而隔水導(dǎo)管的張力P由張力環(huán)上提張力P1和隔水導(dǎo)管浮力塊的浮力f組成，為

P=P1+f，

(5)

于是有

1.2ql=P1+0.8ql，

(6)

可得張力環(huán)上提張力為

P1=0.4ql.

(7)

當(dāng)α≠0°時(shí)，將式(5)代入式(4)，得

(8)

可得

即

(9)

特殊地，當(dāng)α=0°時(shí),由式(6)可知

P1=(1.2-0.8)ql.

(10)

2 NHX半潛式鉆井平臺隔水導(dǎo)管漂移計(jì)算實(shí)例

采用錨鏈方式定位NHX號半潛式鉆井平臺，在2014年4—8月遭遇內(nèi)波流襲擾達(dá)47次之多，在未能解脫隔水導(dǎo)管LMRP的情況下平臺漂移距離達(dá)112m，其中最為嚴(yán)重的一次是在解脫隔水導(dǎo)管LMRP后，平臺漂移距離達(dá)132m，當(dāng)時(shí)測量到的內(nèi)波流速達(dá)到5～6Rn。造成的后果是： (1)球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°；(2)隔水管張力繩拉斷；(3)伸縮節(jié)盤根損壞；(4)隔水管經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)受損；(5)2#錨走錨。

已知隔水導(dǎo)管的強(qiáng)度條件[5]： 采用Cameron公司的lodking 4型隔水導(dǎo)管，鋼級X80，屈服強(qiáng)度為551.6MPa，隔水導(dǎo)管系統(tǒng)(法蘭、伸縮節(jié)、張力環(huán)等)能夠承受張緊載荷18000kN，伸縮節(jié)行程為15～20m(按照最大行程20m計(jì)算)。試計(jì)算隔水導(dǎo)管受力情況及分析系統(tǒng)受損原因，并提出合理的解脫條件。

計(jì)算和分析的前提條件為： 按照隔水導(dǎo)管重量的80%配置浮力塊的浮力，即f=0.8ql。鉆井隔水導(dǎo)管的張力P按照隔水導(dǎo)管重量的120%設(shè)定，即P=1.2ql。

按照本文推導(dǎo)的計(jì)算方法，由式(3)可以求得拉伸變形量δ，按照式(4)可以求得拉伸載荷P，按照式(9)可以求得張力器的拉伸載荷P1。

按照NHX遭遇嚴(yán)重內(nèi)波襲擾的實(shí)際情況，當(dāng)時(shí)作業(yè)水深為624m。隔水導(dǎo)管的具體計(jì)算結(jié)果如表1～3所示。

觀察表1可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在不考慮伸縮接頭行程和升沉的作用的前提條件下，當(dāng)球鉸接頭傾角α=4°時(shí)，隔水導(dǎo)管管柱伸長δ=1.5m，作業(yè)水深為624m，平臺漂移δ1=43m，偏移量為水深的6.8%。此時(shí)產(chǎn)生的軸向拉伸力P=18000kN(1800t),達(dá)到X80隔水導(dǎo)管的拉力極限值。

(2) 同樣，在不考慮伸縮接頭和升沉作用的前提條件下，當(dāng)球鉸接頭傾角α=4.15°時(shí)，隔水導(dǎo)管管柱伸長δ=1.64m，作業(yè)水深為624m，平臺漂移δ1=45.23m，偏移量為水深的7.2%。此時(shí)產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)力σ=551MPa，剛剛超過X80隔水導(dǎo)管的應(yīng)力極限值550MPa。

(3) 按照NHX操船手冊要求，當(dāng)偏移量達(dá)到水深的6%，即表中球鉸接頭α=3.4°時(shí)，就應(yīng)解脫隔水導(dǎo)管。由計(jì)算可以看出： 此時(shí)產(chǎn)生的軸向拉伸力P=13450kN，距離極限拉力18000kN還有25%的余量。因此這項(xiàng)要求對于軸向拉力而言是偏于保守和安全的，此時(shí)解脫更主要的是對于井筒作業(yè)的考慮和要求。

(4) 在考慮伸縮接頭行程Lst=20m，平臺最大升沉H=5m的情況下，當(dāng)球鉸接頭傾角α=8.1°～8.26°時(shí)，隔水導(dǎo)管管柱伸長δ=1.3～1.54m，作業(yè)水深為624m，平臺漂移δ1=88～90m，偏移量為水深的14%左右。此時(shí)隔水導(dǎo)管產(chǎn)生的軸向拉伸力值和應(yīng)力值將達(dá)到或超過18035kN和550MPa的極限值。因此在平臺升沉5m的條件下，應(yīng)急解脫臨界角度應(yīng)該控制在8°以內(nèi)為宜。

觀察表2可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在考慮伸縮接頭行程Lst=20m，平臺最大升沉H=3m的情況下，當(dāng)球鉸接頭傾角α=9.3°～9.4°時(shí)，隔水導(dǎo)管管柱伸長δ=1.3～1.55m，作業(yè)水深為624m，平臺漂移δ1=102.6～103m，偏移量為水深的16.5%左右。此時(shí)隔水導(dǎo)管產(chǎn)生軸的向拉伸力值和應(yīng)力值將達(dá)到或超過18000kN和550MPa的極限值。

(2) 實(shí)際情況是在未解脫LMRP情況下，NHX平臺最大漂移達(dá)到δ1=112m，平臺在遇到內(nèi)波襲擊后，球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°；伸縮節(jié)盤根損壞；隔水管經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)受損。從表2計(jì)算可以看出，當(dāng)球接頭傾角α≥9.3°以后，隔水導(dǎo)管產(chǎn)生軸的向拉伸力值和應(yīng)力值將達(dá)到或超過18000kN和550MPa的極限值。必然會導(dǎo)致隔水管受損、伸縮節(jié)盤根損壞的結(jié)果。可見在平臺最大升沉3m條件下，應(yīng)急解脫臨界角度應(yīng)該控制在9°以內(nèi)才是安全的。

觀察表3可以發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)平臺升沉為1m時(shí)，NHX平臺的球接頭傾角為10.3°～10.5°時(shí)，隔水導(dǎo)管產(chǎn)生軸的向拉伸力值和應(yīng)力值將達(dá)到或超過18000kN和550MPa的極限值。因此在這種條件下必然會導(dǎo)致隔水管受損、伸縮節(jié)盤根損壞的結(jié)果。換言之，在平臺最大升沉1m條件下，應(yīng)急解脫臨界角度應(yīng)該控制在10°以內(nèi)才是安全的。

由表1～3的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

在本實(shí)例水深624m不變的條件下，隨著升沉H從5m到1m的逐步減少，最后的安全應(yīng)急解脫控制點(diǎn)的傾角從α=8.1°到α=9.3°再到α=10.5°逐步增加。說明在水深不變的條件下，應(yīng)急解脫的傾角是隨著平臺升沉的減小而增加的。換句話說，NHX平臺實(shí)際情況是，在球接頭和撓性接頭傾斜角度超過10°時(shí)，NHX平臺未解脫LMRP，由于應(yīng)力超過安全極限導(dǎo)致伸縮節(jié)盤根損壞，隔水管受損。

3 結(jié) 語

南海內(nèi)波對于深水半潛式鉆井平臺安全作業(yè)具有極大的影響，我們無論是在內(nèi)波的形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、災(zāi)害預(yù)防、安全應(yīng)對等各方面，都需要開展認(rèn)真的研究。

在突然遭遇內(nèi)波流襲擊的情況下，操船手冊規(guī)定的應(yīng)急解脫條件是第一道安全防線，它偏于保守但是絕對安全。若無法按照第一道防線解脫，如果條件允許，就應(yīng)提前進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和分析，分別將最大拉力P、最大應(yīng)力σ、伸縮節(jié)行程力Lst、平臺最大升沉H、球鉸接頭傾角α、隔水導(dǎo)管管柱伸長δ、平臺漂移量δ1等多個(gè)因素綜合考慮和分析。得出在安全行程Lsafe以內(nèi)的臨界應(yīng)急解脫控制點(diǎn)，這是安全控制的第二道防線，也是最后一道防線?？刂谱詈笠坏婪谰€的關(guān)鍵是控制最大拉力負(fù)荷P和最大應(yīng)力值σ，它只與隔水導(dǎo)管本身的材料性能有關(guān)。而漂移量與水深的比值則是與水深相關(guān)的間接表達(dá)式，它是與水深有關(guān)的一個(gè)變量。

在有內(nèi)波的海域作業(yè)，需要提前制訂應(yīng)急解脫程序，并且需要根據(jù)作業(yè)區(qū)域的海況條件及時(shí)加以修訂。在這里平臺的升沉參數(shù)特別重要，應(yīng)予以高度重視和合理應(yīng)用。

由于在南海內(nèi)部環(huán)境條件下，平臺漂移及隔水導(dǎo)管傾角瞬間就會發(fā)生很大的變化，因此開發(fā)和研制高鋼級材質(zhì)的鉆井隔水導(dǎo)管具有重要的實(shí)際意義。例如目前X100、X120等新型高強(qiáng)度材料的研究和應(yīng)用，將鉆井隔水導(dǎo)管強(qiáng)度再度提高，這樣有助于在內(nèi)波流等復(fù)雜條件下提高適應(yīng)能力，保證作業(yè)安全。

針對海域環(huán)境研究并制訂科學(xué)合理的應(yīng)急解脫程序，不僅需要考慮平臺設(shè)備安全、井的安全，同時(shí)還要兼顧作業(yè)效率、程序的可操作性等相關(guān)問題。就目前我們遇到的問題來看，需要盡快完善制訂最后一道安全應(yīng)急解脫程序，以盡量減少由于未能及時(shí)解脫而對深水鉆井平臺設(shè)備造成損壞，減少或避免由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。

建議在目前平臺的操船手冊的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展對于內(nèi)波的研究以及內(nèi)波條件下對于鉆井平臺安全作業(yè)影響的研究，進(jìn)一步完善平臺應(yīng)急解脫管理程序、完善鉆井隔水導(dǎo)管的技術(shù)管理和應(yīng)對措施。這對于我們保障深水作業(yè)安全和設(shè)備安全具有重大的意義。

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MaximumOffsetfortheEmergencyDisengagementandControloftheDeepwaterSemi-SubmersiblePlatforminInternalWave

JIANG Wei

(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

In the South China Sea drilling operation, deepwater semi-submersible drilling platform experiences repeated wave interference, which causes a significant impact on equipment safety and platform operation. Considering the actual situation of internal waves acting on the semi-submersible drilling platform in the South China Sea as well as the semi-submersible drilling platform riser system used at present, the extreme motion condition of riser system is studied and analyzed. The maximum offset for the emergency disengagement of riser system, when the platform drifts as a result of internal wave, is put forward. Through the calculation example, the emergency disengagement conditions of semi-submersible platform under extreme conditions of internal waves are discussed. This research has important significance to the internal wave emergency management and the safety of deepwater drilling operation in the specific internal wave environment in the South China Sea.

deepwater drilling; semi-submersible platform; internal wave current; platform offset; emergency disengagement; extreme conditions

U674.38+1

A

2095-7297(2017)01-0029-08

2017-01-15

姜偉(1956—)，男，教授級高級工程師，主要從事深水鉆井方面的研究?！逗Ｑ蠊こ萄b備與技術(shù)》編委。