半潛式鉆井平臺(tái)內(nèi)波工況瞬態(tài)系泊分析

趙晶瑞，謝 彬，粟 京，王世圣，李 博

(中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

海洋內(nèi)波是一種由于海水密度不均勻所引發(fā)的一種波動(dòng)。當(dāng)內(nèi)波發(fā)生時(shí)，密度分層界面上下的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，并在界面處發(fā)生最大速度剪切，形成速度可達(dá) 1.5 m/s 以上的剪切流[1 - 2]。由于內(nèi)波作用時(shí)間短，載荷強(qiáng)度大，對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)等浮式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大沖量，極端情況下引起隔水管井口系統(tǒng)或錨泊系統(tǒng)破壞，危及作業(yè)安全[3 - 4]。我國(guó)南海北部海底地形復(fù)雜，內(nèi)波易于產(chǎn)生，鉆井平臺(tái)作業(yè)時(shí)也多次遭遇，為此平臺(tái)作業(yè)方希望建立合理的分析模型，能夠反映內(nèi)波作用全過(guò)程中平臺(tái)與系泊纜系統(tǒng)整體響應(yīng)，從而提前確定薄弱環(huán)節(jié)，并做出正確應(yīng)急預(yù)判。

目前工業(yè)界通常采用等效海流流速的方法模擬內(nèi)波。常規(guī)方法模擬內(nèi)波環(huán)境條件時(shí)，只是簡(jiǎn)單將內(nèi)波與已有的背景環(huán)境載荷相疊加[5 - 6]，此外對(duì)于單根纜繩失效工況，在時(shí)域模擬之初即假定該根纜繩已經(jīng)失效。這種做法有2個(gè)不足：1）不能反映內(nèi)波突然作用于平臺(tái)船體所導(dǎo)致的瞬時(shí)沖擊現(xiàn)象；2）不能模擬真實(shí)海況下由于1根系泊纜失效所引發(fā)的系統(tǒng)連鎖反映，也無(wú)法區(qū)分導(dǎo)致系泊失效的具體原因（如發(fā)生走錨還是系泊纜繩出現(xiàn)斷裂），不利于直接工程應(yīng)用。為此近年來(lái)越來(lái)越多的浮體系泊分析采用瞬態(tài)模擬技術(shù)，有針對(duì)性的解決以上問(wèn)題。

本文以1座現(xiàn)役深水半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，假設(shè)其采用多點(diǎn)系泊進(jìn)行定位，在作業(yè)時(shí)突然遭遇海洋內(nèi)波，采用瞬態(tài)分析方法模擬平臺(tái)與系泊系統(tǒng)在內(nèi)波作用全過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)，并和常規(guī)方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；之后通過(guò)逐漸增加內(nèi)波流速，直至系泊系統(tǒng)出現(xiàn)失效，從而預(yù)測(cè)原系泊方案的內(nèi)波流速極限承載能力；最后給出工程改善建議并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

1 模型建立

1.1 目標(biāo)船與系泊系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以1座現(xiàn)役的深水半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，其船體為雙浮箱、四立柱結(jié)構(gòu)，平臺(tái)總長(zhǎng)114.070 m，型寬 78.680 m，浮箱寬度 20.120 m，浮箱型深 8.540 m，立柱長(zhǎng)度15.860 m，立柱寬度17.385 m，立柱橫向、縱向間距58.560 m，主甲板高度38.600 m，平臺(tái)在鉆井作業(yè)時(shí)吃水為17.000 m，此時(shí)重心距離平臺(tái)基線垂直高度為 21.000 m。

半潛式鉆井平臺(tái)擬作業(yè)的油田水深為300.0 m，采用12根系泊纜繩進(jìn)行定位，每根纜繩為錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式，其中船體錨鏈與海底錨鏈均為R5級(jí)，直徑 84.0 mm，破斷拉力 8 418.0 kN，空氣中單位重量143.0 kg/m，海底錨鏈長(zhǎng)度為900.0 m，鋼纜為帶有保護(hù)套的螺旋纜，直徑為90.0 mm，破斷拉力8706.0 kN，空氣中單位重量33.6 kg/m，長(zhǎng)度為300.0 m。錨點(diǎn)至導(dǎo)纜器水平距離為 1 200.0 m。每根纜繩采用 200.0 t預(yù)張力進(jìn)行收緊，此時(shí)船體錨鏈長(zhǎng)度為100.0 m。每組纜繩與船體首尾向夾角為45°。采用拖曳錨作為錨基礎(chǔ)，單個(gè)錨所能承受的最大水平拉力為600.0 t。

1.2 環(huán)境條件

假定平臺(tái)作業(yè)時(shí)的環(huán)境條件為有義波高Hs=5.0 m，波浪譜峰周期Tp=9.0 s，波浪譜為Jonswap譜，譜峰因子為 2.0，風(fēng)速為 20.0 m/s，流速為 0.5 m/s。內(nèi)波流最大流速為 1.5 m/s，作用時(shí)間為 200.0 s。

1.3 計(jì)算模型

平臺(tái)與錨泊系統(tǒng)的耦合計(jì)算模型如圖1所示。系泊纜繩布置與環(huán)境載荷作用方向如圖2所示。

圖1 平臺(tái)與錨泊系統(tǒng)的耦合分析模型Fig.1 Coupled model of semi hull and mooring system

圖2 系泊纜繩布置與環(huán)境載荷作用方向定義Fig.2 Layout of mooring lines and environment direction

在模擬計(jì)算中，對(duì)傳統(tǒng)分析模型進(jìn)行2項(xiàng)改進(jìn)：

1）分別在每根纜繩最上端的導(dǎo)纜孔位置和錨點(diǎn)位置設(shè)置虛擬的傳感器，其中在導(dǎo)纜孔位置的傳感器將記錄每一時(shí)刻該位置處船體錨鏈的軸向拉力并判別其是否大于錨鏈的破斷載荷，一旦船體錨鏈的軸向拉力大于其破斷載荷，表明船體錨鏈發(fā)生破斷，此時(shí)傳感器發(fā)出指令，整根系泊纜繩自動(dòng)變?yōu)槭Ｊ?；在錨點(diǎn)位置的傳感器則記錄每一時(shí)刻該位置處海底錨鏈軸向拉力的水平分量并判別其是否大于錨所能承受的載荷極限，以及錨點(diǎn)是否產(chǎn)生垂向載荷，一旦軸向拉力的水平分量大于錨所能承受的載荷極限，或錨點(diǎn)垂向載荷大于0，則表明此時(shí)發(fā)生走錨，傳感器發(fā)出指令，整根系泊纜繩自動(dòng)失效。

2）環(huán)境條件的分布作用。在初始時(shí)刻采用鉆井作業(yè)工況環(huán)境條件，當(dāng)內(nèi)波剛作用于船體時(shí)，將內(nèi)波與已有的環(huán)境載荷相疊加，而當(dāng)內(nèi)波作用之后，環(huán)境條件恢復(fù)至鉆井作業(yè)工況環(huán)境條件。

2 常規(guī)分析與瞬態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

假定風(fēng)浪流與內(nèi)波同時(shí)沿45°方向入射，圖3與圖4分別為平臺(tái)水平偏移與迎浪向典型纜繩張力的時(shí)間歷程對(duì)比。

圖3 平臺(tái)水平偏移時(shí)間歷程Fig.3 Time history of horizontal offset for semi platform

圖4 典型系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.4 Time history of tension in typical mooring line

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)波作用于平臺(tái)階段，采用瞬態(tài)分析方法計(jì)算獲得的平臺(tái)水平偏移最大值將比采用常規(guī)分析得到的結(jié)果大15%左右，而在系泊纜繩張力方面，采用瞬態(tài)分析方法所得結(jié)果比常規(guī)方法所得結(jié)果大10%左右，這體現(xiàn)了內(nèi)波對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)的沖擊作用。此外圖3與圖4也表明當(dāng)內(nèi)波經(jīng)過(guò)平臺(tái)船體之后平臺(tái)可以恢復(fù)到原來(lái)位置，這表明系泊系統(tǒng)可以抵御該流速的內(nèi)波載荷。圖5與圖6是內(nèi)波作用于平臺(tái)船體階段平臺(tái)偏移與系泊纜繩張力的頻譜。

圖5 平臺(tái)水平偏移時(shí)間頻譜Fig.5 Spectrum of horizontal offset for semi platform

圖5 與圖6顯示，瞬態(tài)分析結(jié)果中的低頻響應(yīng)成分大于常規(guī)分析結(jié)果中的低頻響應(yīng)成分。由于系泊系統(tǒng)載荷及平臺(tái)偏移主要以低頻成分為主[3]，因此采用常規(guī)方法進(jìn)行響應(yīng)預(yù)報(bào)時(shí)將導(dǎo)致結(jié)果偏于危險(xiǎn)。

圖6 典型系泊纜繩張力時(shí)間頻譜Fig.6 Spectrum of tension in typical mooring line

3 系泊方案內(nèi)波極限承載能力預(yù)測(cè)

接下來(lái)采用瞬態(tài)分析方法預(yù)測(cè)系泊系統(tǒng)對(duì)內(nèi)波流速的極限承載能力。通過(guò)不斷增加內(nèi)波流速發(fā)現(xiàn)，系泊系統(tǒng)能夠承受的最大內(nèi)波流速為3.0 m/s，當(dāng)內(nèi)波流速達(dá)到3.5 m/s時(shí)，系泊系統(tǒng)將失效。圖7和圖8記錄了當(dāng)內(nèi)波流速達(dá)到3.5 m/s時(shí)平臺(tái)系泊系統(tǒng)整體的響應(yīng)。圖9反映了錨點(diǎn)垂向載荷時(shí)間歷程，圖10為平臺(tái)水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。

圖7 平臺(tái)水平偏移時(shí)間歷程Fig.7 Time history of horizontal offset for semi platform

圖8 全部系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.8 Time history of tension in all mooring lines

圖9 錨點(diǎn)垂向載荷時(shí)間歷程Fig.9 Time history of vertical load at anchor points

圖10 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的變化歷程Fig.10 Time history of trajectory of semi platform

張力傳感器數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)3.5 m/s的內(nèi)波作用于平臺(tái)船體時(shí)，3號(hào)系泊纜首先發(fā)生走錨，其原因是由于錨點(diǎn)處纜繩張力的水平分量大于錨所能承受的載荷極限，但錨點(diǎn)并未產(chǎn)生垂向載荷（見(jiàn)圖8與圖9）。之后2，4，1，12，5，11，6號(hào)纜繩依次發(fā)生走錨，最后僅剩7，8，9，10四根系泊纜保持完好，平臺(tái)船體也將發(fā)生大偏移及首向的扭轉(zhuǎn)，如圖7與圖10所示，最后其首尾向?qū)⑴c環(huán)境載荷入射方向相一致。在整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生系泊纜繩斷裂狀況。這也說(shuō)明錨基礎(chǔ)承載力不足是目前系泊方案的主要短板。

4 改善措施與檢驗(yàn)結(jié)果

為提升系泊系統(tǒng)對(duì)內(nèi)波流的承受能力，對(duì)以上系泊方案提出改善建議：

1）改變系泊纜布置方向，使環(huán)境載荷沿平臺(tái)船體的首尾向入射；

2）提升錨基礎(chǔ)承載能力至800 t；

3）放松全部系泊纜繩，降低靜態(tài)預(yù)張力至100 t；

4）僅放松上風(fēng)向的系泊纜繩預(yù)張力至100 t。

通過(guò)不斷提升內(nèi)波流速，直至系泊系統(tǒng)出現(xiàn)失效，得到不同改善措施之后系泊系統(tǒng)能夠承受的最大內(nèi)波流速和對(duì)應(yīng)失效后果如表1所示。

表1 不同改善措施內(nèi)波承載能力與極端后果Tab.1 Tolerance capacity of internal wave velocity and extreme results under different improvement plan

為了對(duì)比不同改善措施的具體效果，選定內(nèi)波流速為4.0 m/s，圖11～圖14是該流速內(nèi)波作用下4種改善措施之后系泊纜繩張力的時(shí)間歷程。

圖11 改善措施1的全部系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.11 Time history of tension in all mooring lines for plan 1

圖12 改善措施2的全部系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.12 Time history of tension in all mooring lines for plan 2

圖13 改善措施3的全部系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.13 Time history of tension in all mooring lines for plan3

圖14 改善措施4的全部系泊纜繩張力時(shí)間歷程Fig.14 Time history of tension in all mooring lines for plan 4

通過(guò)對(duì)比圖11～圖14發(fā)現(xiàn)，4.0 m/s的內(nèi)波流速下，調(diào)整系泊纜布置方向由于降低了船體受到的內(nèi)波載荷，因此纜繩張力最小，改善效果最為明顯；提升錨基礎(chǔ)承載能力將使系泊系統(tǒng)力學(xué)特性最為均衡，也將提升系統(tǒng)整體的承載能力，但將增加系泊纜斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；以上2種方案下系泊系統(tǒng)均未發(fā)生纜繩斷裂或走錨；放松全部系泊纜繩會(huì)使系泊系統(tǒng)能夠承受的最大內(nèi)波流速?gòu)?.0 m/s提升至3.8 m/s，當(dāng)內(nèi)波流速達(dá)到4.0 m/s時(shí)部分錨鏈將出現(xiàn)走錨，但仍有4根錨鏈完好；僅放松部分纜繩的方法由于增加了系泊系統(tǒng)整體內(nèi)部載荷的不均衡性，加之當(dāng)內(nèi)波作用后平臺(tái)船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此對(duì)于提升系泊系統(tǒng)承載力沒(méi)有太大幫助。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以1座現(xiàn)役半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，分別采用常規(guī)方法和瞬態(tài)分析方法模擬平臺(tái)與系泊系統(tǒng)內(nèi)波工況下全過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析。通過(guò)增加內(nèi)波流速，確定整體系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出工程改善建議并進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，得到主要結(jié)論如下：

1）瞬態(tài)分析方法由于能夠模擬內(nèi)波對(duì)平臺(tái)的瞬時(shí)沖擊載荷，使得在內(nèi)波作用平臺(tái)階段，計(jì)算結(jié)果大于常規(guī)時(shí)域分析結(jié)果。

2）在原布拋錨方案下，平臺(tái)系泊系統(tǒng)對(duì)內(nèi)波的承載能力主要受到錨基礎(chǔ)承載力的制約，當(dāng)內(nèi)波流速達(dá)到3.5 m/s時(shí)，系泊纜繩將接連發(fā)生走錨，平臺(tái)偏移也將迅速提升，但在整個(gè)過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生系泊纜斷裂狀況。

3）針對(duì)原布拋錨方案，為提升系統(tǒng)對(duì)內(nèi)波的承載能力，最有效的方法是調(diào)整系泊布置方向，使環(huán)境載荷盡量沿船體首尾向入射；提升錨基礎(chǔ)承載能力可以使平臺(tái)各項(xiàng)性能更加均衡，但增加系泊纜斷裂風(fēng)險(xiǎn)；由于平臺(tái)船體的非對(duì)稱特性，松弛部分系泊纜繩會(huì)增加系統(tǒng)內(nèi)各條纜繩受力的差異性，對(duì)提升系統(tǒng)抗內(nèi)波能力沒(méi)有明顯幫助。