儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)耦合運(yùn)動(dòng)分析

石 云，許 鑫，王 晉，陳國(guó)龍

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京，100028； 2. 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京，102209)

0 引 言

在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)首先發(fā)明了深吃水立柱浮筒式平臺(tái)(SPAR)，用于深水油氣田開發(fā)的鉆井和生產(chǎn)。SPAR平臺(tái)具有極好的在位總體運(yùn)動(dòng)性能與優(yōu)越的結(jié)構(gòu)可靠性，并具有無條件穩(wěn)性，Wang等[1]對(duì)一個(gè)傳統(tǒng)SPAR進(jìn)行頻域和時(shí)域計(jì)算，Zhang等[2]也計(jì)算了一個(gè)新型的概念SPAR平臺(tái)的水動(dòng)力性能，驗(yàn)證了SPAR良好的運(yùn)動(dòng)性能。SPAR平臺(tái)已經(jīng)在國(guó)外深水油氣田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，共有20多座SPAR平臺(tái)安裝投產(chǎn)。

SPAR平臺(tái)鉆井可以采用平臺(tái)自帶鉆機(jī)或者專門的鉆井船進(jìn)行鉆井，也可以采用平臺(tái)輔助鉆井。輔助鉆井(tender assisted drilling，TAD)是指不依靠專門的鉆井船，也不需要在生產(chǎn)平臺(tái)上設(shè)置永久性鉆井設(shè)備，而是利用?？恳慌缘妮o助平臺(tái)(tender vessel)上的標(biāo)準(zhǔn)鉆井設(shè)備進(jìn)行鉆井的一種作業(yè)模式。當(dāng)采用TAD技術(shù)時(shí)，需要將輔助平臺(tái)上鉆井模塊起吊至生產(chǎn)平臺(tái)上進(jìn)行鉆井作業(yè)，鉆井完畢后再?gòu)纳a(chǎn)平臺(tái)上撤回至輔助平臺(tái)，輔助平臺(tái)在鉆井過程中提供大部分的支持工作。輔助鉆井減小了生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊的重量，并將鉆井人員轉(zhuǎn)移至輔助鉆井平臺(tái)上而遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以通過松開吊橋(personnel transfer bridge)將輔助鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)分離，然后調(diào)節(jié)系泊纜長(zhǎng)度使輔助鉆井平臺(tái)遠(yuǎn)離工作平臺(tái)[3]。

輔助鉆井作業(yè)根據(jù)操作程序一般可以分為4種工況： 輔助平臺(tái)待機(jī)工況、設(shè)備轉(zhuǎn)移工況、正常鉆井工況以及吊橋脫開工況。在正常鉆井工況時(shí)，支持平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)構(gòu)成了復(fù)雜的多浮體系統(tǒng)，浮體間的非線性波浪繞射、輻射現(xiàn)象以及載荷的遮蔽效應(yīng)等對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生復(fù)雜影響[4-5]。

輔助鉆井作業(yè)的關(guān)鍵是在一定的環(huán)境條件下控制兩平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證兩者之間具有適當(dāng)?shù)拈g距。如間距過大，則可能超出吊橋的伸縮范圍或造成連接纜的斷裂；如果間距太小，則可能超出吊橋伸縮范圍或發(fā)生碰撞[6-7]。

Dong等[8]研究了張力腿平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)耦合系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)浮體之間同相位或反相位運(yùn)動(dòng)對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)間棧橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響顯著，并基于瑞利分布給出了極限作業(yè)海況。黃從亮等[5]采用數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)張力腿平臺(tái)與半潛式鉆井支持平臺(tái)多浮體耦合系統(tǒng)的平臺(tái)、棧橋相對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)做了相關(guān)研究，探討了多浮體水動(dòng)力相互干擾作用對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值計(jì)算研究了輸入波高與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值。

本文以儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套系泊系統(tǒng)，利用SPAR垂向長(zhǎng)度降低了水平系泊纜的剛度，并對(duì)儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)在不同儲(chǔ)油狀態(tài)下和輔助鉆井平臺(tái)的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出兩平臺(tái)間最小間隙，為平臺(tái)間連接棧橋的設(shè)計(jì)提供參考，并針對(duì)輔助鉆井作業(yè)對(duì)SPAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響進(jìn)行研究。目前在國(guó)內(nèi)，關(guān)于SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)聯(lián)合作業(yè)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的研究還比較少。國(guó)際上，鮮少對(duì)儲(chǔ)油SPAR的輔助鉆井作業(yè)進(jìn)行研究，本文不僅提出了SPAR平臺(tái)的一種新的耦合系泊型式，也對(duì)可儲(chǔ)油的經(jīng)典式SPAR平臺(tái)進(jìn)行研究，對(duì)輸油管線不發(fā)達(dá)海域的油田(如西非)開發(fā)具有較高的參考意義。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

本文基于儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)開展輔助鉆井耦合分析，儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)主尺度及重量、重心和回轉(zhuǎn)半徑等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1和表2所示，輔助鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 SPAR平臺(tái)主尺度

表2 平臺(tái)重量、重心和回轉(zhuǎn)半徑

表3 輔助鉆井平臺(tái)主要尺寸及參數(shù)

2 雙浮體耦合分析

2.1 系泊系統(tǒng)布局

SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)總共有17根系泊纜，包含SPAR平臺(tái)自身的9根完全相同的錨腿，輔助鉆井平臺(tái)4根固定于海底的錨腿，以及SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)之間連接的4根尼龍纜繩。系泊系統(tǒng)及耦合連接布置如圖1所示。

圖1 系泊系統(tǒng)及耦合連接布置

SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)之間由4根尼龍纜繩連接，其中每根纜繩從輔助鉆井平臺(tái)至SPAR平臺(tái)上首先到達(dá)上部的一個(gè)定滑輪，經(jīng)過導(dǎo)向后垂直向下，直至軟艙外殼處的系纜端。這樣設(shè)計(jì)的好處是增加了系泊纜整體的長(zhǎng)度，從而減小了纜繩單位長(zhǎng)度剛度，使纜繩更柔軟，從而減小了因平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的張力。尼龍纜繩的屬性參數(shù)如表4所示。

表4 尼龍纜繩材料屬性

2.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1) 系泊線安全系數(shù)。

在通常情況下，設(shè)計(jì)安全系數(shù)定義為最小破斷載荷和系泊線最大張力的比值。對(duì)于動(dòng)態(tài)分析，采用了API RP-2SK和API RP-2SM規(guī)定的安全系數(shù)1.67。

(2) SPAR平臺(tái)最大偏移。

為了滿足鉆井立管設(shè)計(jì)需要，本項(xiàng)目SPAR平臺(tái)最大偏移限制為水深的5%以內(nèi)。

(3) SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)的間距。

在輔助鉆井作業(yè)工況下，輔助平臺(tái)與作業(yè)平臺(tái)之間的名義間隙一般可以設(shè)置為20～30 m。在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，兩平臺(tái)之間的最小間隙一般不應(yīng)小于10.0 m，但間隙也不應(yīng)過大以免影響到鉆井作業(yè)。

2.3 分析方法和理論

SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)耦合包括兩個(gè)部分： 首先是平臺(tái)之間的水動(dòng)力耦合，即波浪經(jīng)過一個(gè)浮體后會(huì)有遮蔽效應(yīng)，另外一個(gè)浮體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的興波會(huì)影響另一個(gè)浮體的運(yùn)動(dòng)；其次是浮體之間通過系泊纜相互耦合。本文中，多體時(shí)域耦合分析采用頻域勢(shì)流+時(shí)域耦合分析方法，即首先使用三維頻域分析方法計(jì)算兩個(gè)浮體的頻域水動(dòng)力系數(shù)(包括自身水動(dòng)力系數(shù)和浮體之間相互作用的水動(dòng)力系數(shù))，此時(shí)只考慮平臺(tái)之間的水動(dòng)力耦合；再使用時(shí)域耦合分析方法考慮風(fēng)流力、系泊纜力、時(shí)域水動(dòng)力等進(jìn)行耦合求解，其中時(shí)域水動(dòng)力可由實(shí)時(shí)波浪序列和頻域水動(dòng)力系數(shù)得到，此時(shí)的分析既考慮了水動(dòng)力耦合又考慮了系泊纜的耦合作用。

根據(jù)頻域勢(shì)流理論，流體速度勢(shì)可分解為所有浮體不動(dòng)時(shí)的入射勢(shì)和繞射勢(shì)以及每個(gè)浮體沿每個(gè)自由度方向振蕩的輻射勢(shì)，即

(1)

則多浮體在波浪中的繞射問題和輻射問題的控制方程可描述為

2φD，j=0在整個(gè)流體域內(nèi)

(2)

邊界條件可描述為

(3)

(4)

(5)

(6)

使用三維勢(shì)流軟件HydroD可以求解式(2)～式(6)，得到流場(chǎng)速度勢(shì)，進(jìn)而得到浮體的頻域水動(dòng)力系數(shù)。

在時(shí)域耦合分析中，使用時(shí)域耦合軟件Orcaflex求解多體時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程，方程如下：

(7)

式中：M為6×6的質(zhì)量矩陣；A為6×6的附加質(zhì)量矩陣；R為時(shí)延函數(shù)矩陣；K為恢復(fù)力矩陣，其下標(biāo)11和22分別表示SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)各自的水動(dòng)力系數(shù)，下標(biāo)12和21表示兩個(gè)平臺(tái)之間的水動(dòng)力相互作用系數(shù)。方程右邊為平臺(tái)受到的外力，包含每個(gè)浮體受到的風(fēng)、浪、流作用力和機(jī)械耦合力。SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)系泊分析的時(shí)域耦合Orcaflex模型如圖2所示。詳細(xì)的計(jì)算理論和軟件中的設(shè)置細(xì)節(jié)可參考作者以前的文獻(xiàn)[9]。

圖2 SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)系泊分析模型

2.4 分析工況設(shè)置

耦合分析工況如表5所示。由于系泊系統(tǒng)關(guān)于X軸對(duì)稱，所以在分析中僅僅考慮了風(fēng)浪流0°～180°的方向。

表5 設(shè)計(jì)工況

2.5 耦合分析結(jié)果

通過耦合分析，得出了不同儲(chǔ)油狀態(tài)下輔助鉆井耦合平臺(tái)系統(tǒng)各自系泊的最大張力及安全系數(shù)、各自最大水平偏移以及兩平臺(tái)之間最小間距等分析結(jié)果，如表6～表8所示。

表6 耦合分析結(jié)果(儲(chǔ)油0%)

表7 耦合分析結(jié)果(儲(chǔ)油50%)

由以上分析結(jié)果可知： SPAR平臺(tái)最大系泊張力為371 t，安全系數(shù)為1.83，滿足規(guī)范要求的大于1.67；平臺(tái)最大水平偏移為30.0 m，對(duì)應(yīng)水深的4.52%，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的小于水深的5%。輔助鉆井平臺(tái)的最大張力為152 t，安全系數(shù)為3.23，最大水平偏移為22.2 m。平臺(tái)之間的尼龍纜繩的最大張力為60 t，安全系數(shù)為3.38。SPAR平臺(tái)與輔助鉆井平臺(tái)之間的最小間距為26.8 m，在合理范圍之內(nèi)。

3 輔助鉆井對(duì)SPAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響

針對(duì)SPAR平臺(tái)單獨(dú)在位時(shí)和輔助鉆井狀態(tài)下SPAR平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如表9和表10所示。

表9 SPAR平臺(tái)單獨(dú)在位時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

(續(xù) 表)

表10 輔助鉆井狀態(tài)下SPAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由表9～表10可知： 輔助鉆井對(duì)SPAR平臺(tái)的耐波性能(即橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)性能)的影響不大，主要原因是即使輔助鉆井平臺(tái)離SPAR平臺(tái)較近，但是由于SPAR平臺(tái)的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均大于30 s，而波浪繞射和波頻運(yùn)動(dòng)干擾帶來的激勵(lì)的周期均小于20 s，因此SPAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)變化不大。而對(duì)SPAR平臺(tái)系泊系統(tǒng)的定位性能(即縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)性能)不但沒有降低，反而有了較大的優(yōu)化。原因是SPAR平臺(tái)采用三組120°分開的系泊方式，在沿著某組系泊纜方向時(shí)系統(tǒng)水平剛度最大，在兩組系泊纜中間時(shí)系統(tǒng)水平剛度最小，因此SPAR平臺(tái)單獨(dú)在位時(shí)0°來浪時(shí)的最大偏移明顯優(yōu)于180°來浪。當(dāng)有輔助鉆井平臺(tái)耦合作業(yè)時(shí)，輔助鉆井平臺(tái)自帶的錨鏈加強(qiáng)了SPAR平臺(tái)在0°的縱向能力，使SPAR縱蕩運(yùn)動(dòng)減小，在180°方向由于環(huán)境力增加稍稍增加了水平偏移，從而使得整體系統(tǒng)在不同方向定位性能更均衡。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了鉆井支持平臺(tái)和儲(chǔ)油SPAR平臺(tái)耦合系統(tǒng)在不同環(huán)境方向、不同儲(chǔ)油狀態(tài)下兩平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得出了兩平臺(tái)系泊系統(tǒng)最大張力、平臺(tái)最大水平偏移以及兩平臺(tái)間隙等關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)SPAR平臺(tái)單獨(dú)在位時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和耦合狀態(tài)下的響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。得出以下結(jié)論：

(1) SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)的耦合作業(yè)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，其中最大SPAR系泊纜張力最小安全系數(shù)為1.83，耦合系泊纜最小安全系數(shù)為3.3，SPAR平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)最小間距為26.8 m。采用本文的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了系泊纜整體的長(zhǎng)度，從而減小了纜繩單位長(zhǎng)度剛度，使得纜繩更柔軟，從而減小因平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的張力。

(2) SPAR平臺(tái)儲(chǔ)油狀態(tài)對(duì)平臺(tái)自身運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及耦合分析結(jié)果影響較小。原因是不同儲(chǔ)油狀態(tài)下的SPAR平臺(tái)吃水保持不變，回轉(zhuǎn)半徑和重心高度變化均不是非常顯著。

(3) 輔助鉆井對(duì)SPAR平臺(tái)的耐波性能(即橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)性能)的影響不大，主要原因是即使輔助鉆井平臺(tái)離SPAR平臺(tái)較近，但是由于SPAR平臺(tái)的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期均大于30 s，而波浪繞射和波頻運(yùn)動(dòng)干擾帶來的激勵(lì)的周期均小于20 s，因此SPAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)變化不大。

(4) 輔助鉆井對(duì)SPAR平臺(tái)系泊系統(tǒng)的定位性能(即縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)性能)不但沒有降低，反而有了較大的優(yōu)化。主要原因是SPAR平臺(tái)采用三組120°分開的系泊方式，在沿著某組系泊纜方向和在兩組系泊纜中間的方向上的剛度不同，當(dāng)有輔助鉆井平臺(tái)耦合作業(yè)時(shí)，輔助鉆井平臺(tái)自帶的錨鏈加強(qiáng)了薄弱方向的定位能力，從而使得整體系統(tǒng)在不同方向定位性能更均衡。