李曉東， 屈 衍， 劉大輝， 張大剛， 滕 瑤

(1. 青島迪瑪爾海洋工程有限公司， 山東 青島 266000；2. 華南理工大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院； 廣東 廣州 511442；3. 中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264670)

0 引 言

北極地區(qū)擁有全球剩余的30%油氣儲量。開發(fā)該地區(qū)油氣資源是滿足未來人類社會油氣需求的重要選擇。但是北極地區(qū)環(huán)境條件極其惡劣，尤其是低溫和海冰的存在對海上油氣勘探提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。目前，工程中缺少專門針對北極地區(qū)的海洋石油勘探開發(fā)裝備?，F(xiàn)有勘探裝備主要由常規(guī)油氣裝備改造而成：在喀拉海采用West Alpha半潛式鉆井平臺進(jìn)行鉆井[2]，在Chukchi海采用Arctic Pioneer號半潛式鉆井平臺鉆井，俄羅斯油氣公司雇傭中海油田服務(wù)股份有限公司的南海8號、南海9號在北極圈開展鉆井。由于這些平臺沒有抗冰能力，因此作業(yè)窗口只有1～2個月，經(jīng)常無法完成一個區(qū)塊的鉆井業(yè)務(wù)，因此對一個油氣田的鉆井勘探需用2 a或者更長的時間。超長的動復(fù)員距離和周期大幅增加了勘探成本。

為了降低勘探成本，工程中迫切需要設(shè)計(jì)專門針對北極有冰海域的鉆井平臺，平臺需要具有一定的抗冰能力，可適當(dāng)延長作業(yè)窗口期。從北極的冰情來看，部分地區(qū)多年冰可能達(dá)10～20 m厚度，易對平臺施加105t級別的水平載荷，而目前的系泊定位產(chǎn)品幾乎很難保證系泊系統(tǒng)有足夠的定位能力。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，這種極地冰區(qū)鉆井平臺可以設(shè)計(jì)成具有抵御初年冰的能力。具體來說，設(shè)定平臺在0.5 m厚平整冰作用下可進(jìn)行鉆井作業(yè)，1.0 m厚平整冰作用下可以生存。

本文對一種新型極地半潛式鉆井平臺的系泊系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證其在夏季及秋冬季弱冰期的系泊定位能力。采用時域方法進(jìn)行系泊分析，以考慮系泊線和浮體的動態(tài)效應(yīng)?？紤]到平臺實(shí)際作業(yè)時可能會遭遇浮冰的情況，在傳統(tǒng)的風(fēng)、浪、流以外引入浮冰載荷作為外部環(huán)境載荷。由于浮冰的存在使波浪難以傳遞，因此浮冰工況僅考慮風(fēng)、流、冰載荷對浮體的影響。

1 基本信息

1.1 平臺信息

新型極地半潛式鉆井平臺(簡稱“平臺”)概念由中集海洋工程研究院有限公司提出，平臺概念模型如圖1所示。該平臺為4立柱，雙浮筒結(jié)構(gòu)形式。平臺主要形式與常規(guī)半潛式鉆井平臺基本一致，為了提升平臺的抗冰能力，對平臺水線面附近的立柱結(jié)構(gòu)上加裝抗冰錐，達(dá)到減小浮冰載荷的目的。

圖1 新型極地半潛式鉆井平臺概念模型

平臺主尺度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新型極地半潛式鉆井平臺主尺度參數(shù)

1.2 海況條件

將平臺的目標(biāo)作業(yè)區(qū)域定位為巴倫支海與喀拉海，如圖2所示。巴倫支海位于挪威與俄羅斯的北方，最大水深為450 m。巴倫支海雖然處于極圈以內(nèi)，但是受大西洋暖流的影響其西南部分海域全年無冰[3]?？Ｎ挥谖鞑麃喴员?，最大水深可達(dá)620 m(最北端)，氣候嚴(yán)寒，冰期很長，部分區(qū)域終年冰封。

圖2 北極鉆井平臺目標(biāo)作業(yè)海域

平臺目標(biāo)作業(yè)區(qū)域的環(huán)境條件如表2所示。

表2 不同重現(xiàn)周期的環(huán)境條件

1.3 控制因素

一般而言，系泊系統(tǒng)主要受以下條件控制：

(1) 由立管系統(tǒng)帶來的平臺水平方向漂移量的限制；

(2) 由系泊線強(qiáng)度、疲勞等因素帶來的限制。

考慮到平臺位移對鉆井立管的影響，選取新型極地半潛式鉆井平臺在環(huán)境載荷下的漂移量如表3所示。

表3 新型極地半潛式鉆井平臺漂移量限制

由于平臺作業(yè)區(qū)域不定，在服役周期中頻繁移位，一般不對其系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞分析，而采用探傷的方法進(jìn)行處理。因此，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)僅在系泊線強(qiáng)度方面受到如表4所示的限制[4]。

表4 系泊線強(qiáng)度限制

2 系泊設(shè)計(jì)

為了考察平臺在不同水深條件下的作業(yè)性能，選取100 m、300 m、500 m共3個典型水深進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)。在不同水深范圍內(nèi)，均采用表2的環(huán)境條件。在500 m水深以內(nèi)，鉆井的系泊線形式可以是純錨鏈或鏈-纜-鏈的形式?？紤]到浮冰的存在以及纖維纜和鋼絲繩均不耐磨，并且由于鋼絲繩和纖維纜柔性較大在淺水區(qū)域很難將平臺限制在規(guī)定范圍(在100 m水深位置，平臺漂移量限制為5 m)之內(nèi)，因此對于3個典型水深均采用純錨鏈系泊。由于該平臺排水量較大(在工作工況下為62 000 t)且北極地區(qū)環(huán)境條件極端惡劣，最終選取3×4系泊系統(tǒng)作為該平臺的系泊系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)境組合

為了保證平臺在北極夏季無冰期和春秋季弱冰期都具備鉆井作業(yè)能力，選取夏季無冰海況和春秋季節(jié)有冰海況進(jìn)行驗(yàn)證。確定鉆井、停鉆、自存等3種鉆井平臺的工作狀態(tài)進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)。在無冰條件下，選取常規(guī)的風(fēng)、浪、流載荷作為外部載荷。在有冰條件下，由于浮冰的存在波浪難以傳遞，因此選取風(fēng)、流、冰載荷作為外部載荷。更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件如表5所示。

表5 不同工作狀態(tài)對應(yīng)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件

2.2 模型建立

利用AQWA-line軟件開展該平臺的頻域水動力分析工作，如圖3所示。

圖3 新型極地半潛式鉆井平臺濕表面模型

之后將得到的水動力特性數(shù)據(jù)和根據(jù)規(guī)范[4-5]推薦的方法計(jì)算得到的風(fēng)、流載荷系數(shù)輸入OrcaFlex中，建立平臺時域系泊分析模型，如圖4所示。平臺所受的冰載荷由文獻(xiàn)[6]推薦方法計(jì)算，并以定常力的形式施加至模型。

圖4 OrcaFlex時域計(jì)算模型

為增加平臺的破冰能力，平臺在水面位置增加破冰錐體以改變平臺水線面形狀，同時錐體側(cè)向投影面積的增加也會增加平臺受到的波浪力。半潛式平臺垂蕩運(yùn)動的固有周期對其水線面積極敏感，小幅增加水線面積即可大幅降低其垂蕩運(yùn)動固有周期，使其易與波浪發(fā)生共振。針對此問題，將錐體設(shè)計(jì)為表面帶有較多開孔的形式。這些開孔保留了錐體的破冰能力，不僅不會對平臺產(chǎn)生額外的浮力，而且會降低作用在錐體上的波浪載荷。由于這些消浪孔的存在，加錐體后的平臺水動力性能不會發(fā)生顯著改變。封閉式與開孔式破冰錐體對平臺垂蕩運(yùn)動的影響如圖5所示。由圖5可知，封閉式破冰錐體明顯降低平臺垂蕩運(yùn)動的固有周期。

圖5 封閉式、開孔式、無破冰錐體平臺的垂蕩運(yùn)動RAO曲線(0°、45°、90°等3個方向)

破冰錐體的開孔式設(shè)計(jì)使錐體的存在對平臺的水線面積幾乎沒有影響，保證了平臺所需的垂蕩固有周期。但是，這種設(shè)計(jì)為平臺的水動力模擬帶來一定的困難，增加了平臺受到的波浪激勵、阻尼力和平臺運(yùn)動的附連質(zhì)量。由于其不屬傳統(tǒng)意義的濕表面，現(xiàn)有的水動力軟件無法考慮這些因素對平臺運(yùn)動造成的影響?？紤]到加錐體部分占平臺濕表面積比例不到10%，僅對平臺的黏性阻尼加以修正，對于開孔式破冰錐體帶來的其他影響需要在后續(xù)的模型試驗(yàn)中加以深入研究。

2.3 系泊配置

選取R4錨鏈作為系泊系統(tǒng)組成部分。經(jīng)循環(huán)優(yōu)化[7-8]，得到的系泊線布置如圖6所示，系泊線關(guān)于x軸和y軸鏡像對稱，在第1象限中，系泊線與平臺x軸夾角分別為37°、40°和45°。詳細(xì)的系泊線配置參數(shù)如表6所示。

圖6 系泊布置圖

表6 系泊線配置參數(shù)

2.4 計(jì)算結(jié)果

針對目標(biāo)海域選取100 m、300 m、500 m等3個典型水深進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)，在無冰條件下對每個水深均開展鉆井、停鉆、自存等3種作業(yè)狀態(tài)下的系泊分析。在有冰條件下，由于浮冰易對立管系統(tǒng)造成破壞，因此不再設(shè)計(jì)停鉆工況，當(dāng)海況條件超過一年一遇時需要解脫自存。此外，對于所有的工況，考慮艏向和舷向(見圖6)兩個受力方向(風(fēng)、浪、流或風(fēng)、流、冰載荷同向)。

詳細(xì)的工況分類及計(jì)算結(jié)果如表7和表8所示。

表7 無冰工況計(jì)算結(jié)果

表8 浮冰工況計(jì)算結(jié)果

由表7和表8可知：

(1) 在所有工況中，平臺的漂移量均未超過表5中的限制條件，系泊線的安全因數(shù)均高于表4給出的最小安全因數(shù)，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)滿足平臺在目標(biāo)海域的定位需求。

(2) 系泊線最大張力出現(xiàn)在工況3。在工況3中，平臺的漂移量限制僅10 m，為了在惡劣海況下將平臺漂移量限制在10 m以內(nèi)，系泊系統(tǒng)采用了較高的預(yù)張力以提升其剛度，這直接導(dǎo)致系泊系統(tǒng)張力極值躥升。據(jù)此，建議針對浮式平臺淺水鉆井的方案適當(dāng)降低作業(yè)海況設(shè)計(jì)要求。

(3) 在百年一遇海況(自存工況)下，無冰工況系泊線張力極值均明顯高于浮冰工況，其原因如下：浮冰工況波浪難以傳遞，外部載荷變化緩慢，平臺和系泊線自身的動態(tài)效應(yīng)不明顯。據(jù)此，建議針對極地作業(yè)的浮式平臺，系泊系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)海況仍舊以無冰條件為主。

3 結(jié) 論

針對擬應(yīng)用于北極地區(qū)的抗冰半潛式鉆井平臺開展系泊設(shè)計(jì)的研究，對該平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)全錨鏈結(jié)構(gòu)和3×4共12根錨鏈的系泊方案。針對該地區(qū)有冰和無冰兩種海況，分別確定需要分析的作業(yè)狀態(tài)及各作業(yè)狀態(tài)下的限制條件。分別對100 m、300 m、500 m等3個典型水深進(jìn)行系泊性能驗(yàn)證。

(1) 所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)能滿足目標(biāo)平臺的定位需求。針對浮式鉆井平臺淺水鉆井時系泊線張力極值躥升明顯的問題，建議適當(dāng)降低作業(yè)海況的設(shè)計(jì)要求。對比自存工況無冰、浮冰兩種工況下的系泊線張力極值，建議針對極地作業(yè)的浮式平臺，仍以無冰工況的環(huán)境條件作為系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

(2) 所提出的系泊方案采用市場上常用的錨鏈形式，分析結(jié)果表明，利用現(xiàn)有市場產(chǎn)品對鉆井平臺進(jìn)行適當(dāng)改造可保證平臺具有在北極弱冰季節(jié)進(jìn)行鉆井作業(yè)的能力。