屈 衍， 尹昊陽(yáng)， 闖振菊， 劉大輝， 季順迎

(1. 華南理工大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 511436； 2. 大連海事大學(xué)， 遼寧 大連 116026；3. 中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264670； 4. 大連理工大學(xué)， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

世界未發(fā)現(xiàn)石油和天然氣儲(chǔ)量約30%位于北極，約5 250億桶油當(dāng)量[1]，其中約75%即3 890億桶油當(dāng)量在北極海底。隨著全球需求的增加和常規(guī)油氣儲(chǔ)量的消耗，開(kāi)發(fā)北極油氣資源是滿(mǎn)足未來(lái)人類(lèi)社會(huì)油氣需求的必然選擇。

從技術(shù)上分析，北極海上油氣勘探目前已不存在無(wú)法克服的困難。在20世紀(jì)70年代—20世紀(jì)90年代初，國(guó)際石油公司已相繼在加拿大和美國(guó)的波弗特海鉆探140多口油井[2]。 在這些極地冰區(qū)海上鉆井過(guò)程中，采用多種鉆井裝備，包括沉箱式鉆井平臺(tái)Molikpaq、圓錐形浮式鉆井平臺(tái)Kulluk、有破冰船值守的鉆井船和單體鋼結(jié)構(gòu)鉆井沉箱SSDC等大型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 20世紀(jì)80年代用于北極海上鉆井作業(yè)的海洋工程裝備

2000年以后，俄羅斯石油、殼牌、?？怂擅梨?、雪佛龍等公司紛紛在俄羅斯、加拿大、美國(guó)等北極海上冰區(qū)開(kāi)展一系列鉆井活動(dòng)。這些鉆井活動(dòng)基本都采用半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，如圖2所示。俄羅斯石油公司與埃克松美孚合作采用West Alpha號(hào)半潛式平臺(tái)在喀拉海鉆探East Prinovozemelsky-1井[3]。殼牌公司采用Polar Pioneer號(hào)鉆井平臺(tái)在美國(guó)楚科奇海域進(jìn)行鉆探活動(dòng)[4-5]。殼牌公司對(duì)圓錐形浮式鉆井平臺(tái)Kulluk進(jìn)行改造，計(jì)劃在美國(guó)的波弗特海進(jìn)行鉆井，然而在拖航過(guò)程中平臺(tái)發(fā)生觸底事故，導(dǎo)致平臺(tái)最終報(bào)廢。俄羅斯天然氣公司和俄羅斯石油公司近幾年利用我國(guó)中海油田服務(wù)股份有限公司的南海8號(hào)和南海9號(hào)在位于喀拉海的Nyarmeyskoye區(qū)塊、Leningradskoye和Skuratovskoye區(qū)塊進(jìn)行鉆井[6]，并且發(fā)現(xiàn)Dinkov油氣田和Nyarmeyskoy油氣田[7]。

圖2 2000年后用于北極海上鉆井作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)

從近年的北極鉆井作業(yè)來(lái)看，所采用的半潛式鉆井平臺(tái)主要由常規(guī)半潛式平臺(tái)進(jìn)行防低溫升級(jí)和結(jié)構(gòu)抗冰加強(qiáng)改造。這些鉆井平臺(tái)只能在北極夏季無(wú)冰海面進(jìn)行鉆井作業(yè)。由于北極夏季較短，且平臺(tái)動(dòng)復(fù)員距離較遠(yuǎn)，因此這些平臺(tái)每次在北極可以進(jìn)行作業(yè)的時(shí)間有限。通常，每年夏天只能鉆1～2口井。如果目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)的鉆井作業(yè)不能在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)完成，動(dòng)復(fù)員和棄置過(guò)程都會(huì)顯著增加鉆井成本[8-9]。文獻(xiàn) [10]指出，為降低鉆井成本，在北極作業(yè)的鉆井平臺(tái)需具備對(duì)海冰載荷的抵抗能力，能夠在有海冰的條件下工作。在春季海冰融化到一定程度時(shí)，可以將鉆井平臺(tái)拖航至目標(biāo)海域，以便更早開(kāi)始作業(yè)。在秋冬季海冰開(kāi)始形成但冰厚低于一定程度時(shí)，平臺(tái)可以繼續(xù)作業(yè)。這樣可將作業(yè)窗口從夏季擴(kuò)展至春季和秋冬季，大幅延長(zhǎng)作業(yè)窗口期，顯著降低鉆井作業(yè)成本。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，在北極作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)需具有抗冰能力，其抗冰能力由以下幾個(gè)方面組成:

(1) 平臺(tái)在移動(dòng)的海冰作用下需有足夠的定位能力；

(2) 船體具有足夠的強(qiáng)度以抵御海冰造成的冰載荷；

(3) 立管應(yīng)避免受到平整海冰和大塊碎冰的直接作用，在碎冰作用下立管可以作業(yè)；

(4) 系泊系統(tǒng)可在海冰作用下正常工作。

根據(jù)上述要求，提出一種可以在北極海上作業(yè)的新型半潛式鉆井平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺(tái)”)概念，并對(duì)其在北極夏季海洋環(huán)境條件和春秋季節(jié)有冰條件下的系泊定位能力進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，平臺(tái)可以滿(mǎn)足典型北極海上區(qū)塊的鉆井作業(yè)要求。

1 平臺(tái)總體性能要求

半潛式鉆井平臺(tái)的偏移是浮式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)中的主要限制條件[7]。平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下的偏移量超過(guò)限值會(huì)使鉆井立管產(chǎn)生較大的傾斜角，從而導(dǎo)致鉆井作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行。對(duì)于北極冰區(qū)鉆井平臺(tái)，通常要求在作業(yè)工況和極端生存工況下平臺(tái)的容許偏移量為作業(yè)水深的5%和10%[9]。由于目前北極冰區(qū)部分目標(biāo)油氣區(qū)塊處于60～150 m水深，因此平臺(tái)的允許偏移量很小，這對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)。

2 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)概念

所提出的北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)概念如圖3所示。

圖3 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)概念圖

平臺(tái)設(shè)計(jì)為6立柱和雙浮筒半潛式船體結(jié)構(gòu)。平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)包括甲板和下部浮體，下部浮體包括2個(gè)平行設(shè)置的浮筒和6個(gè)立柱。平臺(tái)立柱從下至上分成豎直段和傾斜段。平臺(tái)設(shè)計(jì)2種吃水位置：在夏季作業(yè)時(shí)，平臺(tái)吃水位于立柱的豎直段，此時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性與常規(guī)的半潛式平臺(tái)接近；在冬季有冰海況作業(yè)時(shí)，平臺(tái)吃水位于立柱的傾斜段。由于位于上部的立柱傾斜段向平臺(tái)中心傾斜，當(dāng)冰與傾斜立柱作用時(shí)，海冰將發(fā)生彎曲破壞，可有效降低冰載荷。平臺(tái)船首和船尾處的4個(gè)立柱雙向傾斜，即傾斜段在xz和yz平面均向平臺(tái)中心傾斜，可確保海冰從各個(gè)方向與平臺(tái)發(fā)生作用時(shí)均作用在傾斜立柱表面并發(fā)生彎曲破碎。2種吃水位置的設(shè)置可讓新型平臺(tái)在無(wú)冰海域與常規(guī)平臺(tái)一樣作業(yè)，使平臺(tái)具有在全球各個(gè)海域作業(yè)的能力。

平臺(tái)系泊定位系統(tǒng)由4組錨鏈構(gòu)成，分別布置在船首和船尾處的立柱外側(cè)。對(duì)冰區(qū)浮式結(jié)構(gòu)而言，錨鏈一般不暴露在海冰直接作用下，如Kulluk鉆井平臺(tái)[11]和Huisman的JBF圓錐形鉆井平臺(tái)[12]均將系泊布置在平臺(tái)內(nèi)部。如果海冰直接作用在錨鏈上，一方面可能引起錨鏈的磨損，另一方面可能影響錨鏈的收放作業(yè)。因此，建議冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)對(duì)錨鏈進(jìn)行防護(hù)。為了避免海冰與錨鏈的直接作用，在平臺(tái)上設(shè)計(jì)錨鏈防冰裝置，如圖4所示，即在吃水位置附近加裝鋼板防護(hù)罩，將錨鏈蓋住。

圖4 錨鏈防冰裝置

鉆井立管為長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)，其側(cè)向承載能力較低。為了防止海冰直接作用于平臺(tái)立管，設(shè)計(jì)立管防護(hù)裝置。立管防護(hù)裝置利用位于平臺(tái)中部甲板兩側(cè)相對(duì)的2個(gè)立柱，在2個(gè)立柱之間加裝2組鋼質(zhì)水平梁，即在立柱前后兩側(cè)上中下位置各設(shè)置3根鋼質(zhì)水平梁與立柱一起形成圍欄，并采用V形梁加強(qiáng)。這樣在月池下方形成的圍欄可以防止平整冰或大塊碎冰直接與鉆井立管發(fā)生作用。在鉆井作業(yè)過(guò)程中，立管由月池下放，經(jīng)過(guò)立管防護(hù)裝置中間位置入水。當(dāng)海冰與平臺(tái)發(fā)生作用時(shí)，整塊平整冰先作用在平臺(tái)立柱上，發(fā)生彎曲破碎。當(dāng)破碎后的大塊浮冰進(jìn)入月池下方時(shí)，立管防護(hù)裝置可避免大塊碎冰直接作用在鉆井立管上，確保立管不受較大的側(cè)向冰載荷作用，保障鉆井作業(yè)安全進(jìn)行。

表1給出了新型北極冰區(qū)半潛式平臺(tái)的主尺度數(shù)據(jù)。由于主要介紹一種新型平臺(tái)概念，表1主尺度數(shù)據(jù)主要借鑒典型半潛式平臺(tái)數(shù)據(jù)得到。如果針對(duì)特定海域設(shè)計(jì)平臺(tái)，可根據(jù)要求對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)主尺度數(shù)據(jù)

3 平臺(tái)系泊系統(tǒng)

對(duì)于北極鉆井勘探活動(dòng)，研究認(rèn)為自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)水深上限為50～80 m，浮式鉆井平臺(tái)系泊系統(tǒng)的作業(yè)水深上限為300～400 m。若超過(guò)上述水深，則需要采用動(dòng)力定位系統(tǒng)為半潛式鉆井平臺(tái)提供定位能力。目前，北極海上油氣的勘探熱點(diǎn)還沒(méi)有到達(dá)深水區(qū)域。因此，對(duì)北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)的系泊定位能力分析主要針對(duì)系泊系統(tǒng)的定位能力。為確保平臺(tái)有足夠的系泊恢復(fù)力抵御冰載荷的作用，平臺(tái)采用4組系泊錨鏈配置，每組3條 R4錨鏈加鋼絲纜繩，共12條。表2為系泊系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表2 系泊系統(tǒng)參數(shù)

4 平臺(tái)擬作業(yè)地區(qū)海洋環(huán)境

選取喀拉海為目標(biāo)作業(yè)海域，假設(shè)某井位水深為70 m，研究平臺(tái)是否可以滿(mǎn)足有冰條件下作業(yè)要求。由于平臺(tái)不需要在冬季重冰期作業(yè)，因此可不考慮作業(yè)地區(qū)極端冰厚條件，只需考慮春季或秋季的海冰條件。取1.0 m作為作業(yè)冰厚要求，1.5 m 作為極端生存海冰厚度，即：在1.0 m厚海冰作用下，平臺(tái)作業(yè)工況偏移不超過(guò)水深的5%；在1.5 m厚海冰作用下，平臺(tái)極端生存偏移不超過(guò)10%。同時(shí)，由于平臺(tái)需要在夏季開(kāi)展鉆井作業(yè)，因此平臺(tái)在夏季風(fēng)浪流載荷作用下需保持作業(yè)能力。表3為新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)及生存工況的環(huán)境條件要求。

表3 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)和極端條件環(huán)境參數(shù)

當(dāng)平臺(tái)在夏季開(kāi)闊水域作業(yè)時(shí)，環(huán)境載荷是風(fēng)、波浪和海流的組合；在冬季作業(yè)可不考慮波浪的影響，環(huán)境載荷是風(fēng)、冰和海流的組合。環(huán)境載荷可使用法規(guī)和規(guī)范中推薦的方法進(jìn)行估算。采用如下方法對(duì)上述載荷進(jìn)行計(jì)算：

(1) 采用ISO 19906標(biāo)準(zhǔn)[13]對(duì)冰載荷進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中將傾斜的立柱等效為水線直徑等于立柱寬度的圓錐形結(jié)構(gòu)。采用規(guī)范推薦的錐體海洋結(jié)構(gòu)冰載荷計(jì)算方法計(jì)算載荷大小。由于海冰受到風(fēng)和海流拖曳力的聯(lián)合作用，因此其運(yùn)動(dòng)方向由這2種載荷的方向決定，在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，海冰運(yùn)動(dòng)方向與潮流方向一致，但由于風(fēng)向的不確定性，海冰的運(yùn)動(dòng)方向也有不確定性。海冰可以任何方向與結(jié)構(gòu)發(fā)生作用。因此，在分析冰載荷與平臺(tái)作用時(shí)，需考慮多個(gè)作用方向?？紤]到平臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性，主要考慮船首和船側(cè)向的海冰載荷作用。當(dāng)海冰以45°方向與平臺(tái)發(fā)生作用時(shí)，海冰先與單個(gè)立柱作用發(fā)生彎曲破碎，局部破碎后的海冰再與其他立柱發(fā)生作用，這種海冰與立柱作用破碎形成的載荷較低。因此，暫不考慮45°方向冰載荷。

(2) 風(fēng)載荷的估算使用文獻(xiàn)[14]介紹的方法進(jìn)行。在分析中，考慮船首和船側(cè)方向的風(fēng)載荷。根據(jù)風(fēng)向的不同，對(duì)平臺(tái)水上部分的投影區(qū)域分別進(jìn)行評(píng)估。由于平臺(tái)在夏季和冬季結(jié)冰情況下采用不同的吃水深度，因此投影面積計(jì)算需考慮吃水的變化。

(3) 平臺(tái)的波浪載荷由水動(dòng)力分析軟件SESAM計(jì)算得到。

表4為環(huán)境載荷工況組合。

表4 北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)環(huán)境載荷工況組合

5 平臺(tái)系泊定位能力分析

對(duì)計(jì)劃在北極有冰季節(jié)開(kāi)展鉆井作業(yè)的海洋平臺(tái)，需要先解決系泊定位能力問(wèn)題，即保證平臺(tái)在海冰載荷的作用下，位移保持在鉆井作業(yè)允許的范圍之內(nèi)。為驗(yàn)證新型平臺(tái)的系泊定位能力，采用系泊分析軟件對(duì)平臺(tái)的系泊定位能力進(jìn)行分析與驗(yàn)證。平臺(tái)系泊分析模型如圖5所示。

圖5 新型平臺(tái)的船體/系泊系統(tǒng)模型

根據(jù)第1節(jié)所述的平臺(tái)總體性能要求，平臺(tái)在作業(yè)和極端工況下允許位移為5%和10%水深，取目標(biāo)鉆井區(qū)域水深為70.0 m，則平臺(tái)在作業(yè)和極端工況下的位移要求小于3.5 m和7.0 m。在系泊分析軟件中，可以給定平臺(tái)的位移計(jì)算系泊系統(tǒng)恢復(fù)力，若恢復(fù)力大于環(huán)境載荷則說(shuō)明系泊系統(tǒng)具有足夠的恢復(fù)剛度，可以保證在給定的環(huán)境載荷作用下，平臺(tái)的位移小于設(shè)定的位移極限。將風(fēng)、流、冰載荷考慮為方向相同的定常力，其不同工況下的合力計(jì)算結(jié)果與系泊恢復(fù)力比較如圖6所示。

圖6 平臺(tái)系泊恢復(fù)力與環(huán)境載荷之間關(guān)系

分析結(jié)果表明，在作業(yè)工況和極端工況下，平臺(tái)環(huán)境載荷均小于平臺(tái)位移為設(shè)計(jì)極限時(shí)的系泊恢復(fù)力，說(shuō)明現(xiàn)有系泊設(shè)計(jì)結(jié)果具有足夠的系泊剛度，可以保證在作業(yè)及極端工況下平臺(tái)位移小于設(shè)計(jì)要求。

平臺(tái)位移與系泊系統(tǒng)最大系泊張力關(guān)系如圖7所示。結(jié)果顯示，在作業(yè)允許的位移條件下，系泊系統(tǒng)最大張力為5 707.3 kN，約為系泊斷裂強(qiáng)度的40%，安全因數(shù)為2.45，大于規(guī)范要求的安全因數(shù)2.00。在極端情況允許的最大位移條件下，最大張力為8 685.1 kN，安全因數(shù)為1.58，略小于規(guī)范要求的1.67[15]。盡管該結(jié)果略小于規(guī)范要求，但可通過(guò)優(yōu)化船體設(shè)計(jì)、加強(qiáng)系泊系統(tǒng)或降低極端工況環(huán)境條件確保平臺(tái)作業(yè)性能。由系泊定位能力分析結(jié)果可知，所提出的平臺(tái)方案可滿(mǎn)足北極冰區(qū)鉆井作業(yè)的要求。

圖7 平臺(tái)系泊錨鏈?zhǔn)芰εc平臺(tái)位移之間關(guān)系

6 夏季鉆井作業(yè)系泊定位能力分析

夏季無(wú)冰期是平臺(tái)鉆井作業(yè)的主要時(shí)間窗口。夏季平臺(tái)受到風(fēng)浪流載荷的聯(lián)合作用。平臺(tái)系泊系統(tǒng)需要提供足夠的系泊定位能力以抵御這些環(huán)境載荷的作用。采用表2～表4中的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)平臺(tái)開(kāi)展夏季作業(yè)系泊能力分析，分析結(jié)果如表5和表6所示。

表5 北極半開(kāi)闊水域平臺(tái)系泊位移分析結(jié)果

表6 北極半開(kāi)闊水域平臺(tái)系泊張力分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：對(duì)于表4中定義的作業(yè)工況，即環(huán)境載荷條件為一年一遇重現(xiàn)期，作用方向?yàn)?°和90°，新型半潛式平臺(tái)的偏移量均小于水深的5%，系泊張力的安全因數(shù)大于2.00，這意味著平臺(tái)在作業(yè)工況下具有足夠的安全裕度；在極端工況下，平臺(tái)的偏移量稍超出10%水深的設(shè)計(jì)要求，風(fēng)浪流載荷從船側(cè)向作用的時(shí)候，平臺(tái)的系泊張力安全因數(shù)為1.47，稍低于規(guī)范要求。盡管分析結(jié)果顯示在極端工況下平臺(tái)的系泊定位能力不完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化或者加強(qiáng)系泊系統(tǒng)，可以改善平臺(tái)的受力情況、減少平臺(tái)位移。此外，所給出的系泊分析結(jié)果主要基于表4列出的環(huán)境參數(shù)，在實(shí)際鉆井作業(yè)過(guò)程中，可以設(shè)定滿(mǎn)足定位要求的作業(yè)窗口環(huán)境條件。

7 結(jié) 論

在過(guò)去十幾年中，多個(gè)國(guó)際公司在北極海域開(kāi)展了油氣勘探活動(dòng)。目前，俄羅斯仍然積極開(kāi)展北極海上鉆井作業(yè)，并在喀拉海取得了較大的商業(yè)發(fā)現(xiàn)。在這些北極鉆井勘探過(guò)程中，受北極海冰的影響，鉆井作業(yè)都只有較窄的作業(yè)窗口，這顯著增加了鉆井作業(yè)的成本。石油公司迫切需要具有一定抗冰能力的鉆井平臺(tái)加強(qiáng)北極鉆井作業(yè)能力。

提出一種可在北極進(jìn)行鉆井作業(yè)的新型半潛式鉆井平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)計(jì)為雙浮筒6立柱的平臺(tái)型式，立柱分為垂直部分和傾斜部分。在有冰海域作業(yè)時(shí)，平臺(tái)吃水從直立立柱部分下降至傾斜立柱部分，傾斜立柱部分可以使作用在平臺(tái)上的海冰發(fā)生彎曲破碎，進(jìn)而降低作用在平臺(tái)上的總體冰載荷。此外，平臺(tái)設(shè)計(jì)2個(gè)抗冰輔助結(jié)構(gòu)，即月池下方的立管防護(hù)裝置和立柱外側(cè)的錨鏈防護(hù)裝置，以保護(hù)立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)在海冰作用下的安全性能。

對(duì)新型半潛式鉆井平臺(tái)在冰期和夏季的系泊定位能力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：平臺(tái)可以滿(mǎn)足作業(yè)工況下的定位要求；在極端生存工況下，平臺(tái)位移和系泊張力稍超出設(shè)計(jì)要求，但仍然可認(rèn)為平臺(tái)具有較強(qiáng)的北極海冰條件下的定位能力?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化船體設(shè)計(jì)、加強(qiáng)系泊系統(tǒng)或降低極端工況環(huán)境條件確保平臺(tái)作業(yè)窗口。綜上所述，新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)可以滿(mǎn)足北極夏季和有冰季節(jié)鉆井作業(yè)的要求。