新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺及其系泊定位能力分析

屈 衍， 尹昊陽， 闖振菊， 劉大輝， 季順迎

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

0 引 言

世界未發(fā)現(xiàn)石油和天然氣儲量約30%位于北極，約5 250億桶油當量[1]，其中約75%即3 890億桶油當量在北極海底。隨著全球需求的增加和常規(guī)油氣儲量的消耗，開發(fā)北極油氣資源是滿足未來人類社會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法克服的困難。在20世紀70年代—20世紀90年代初，國際石油公司已相繼在加拿大和美國的波弗特海鉆探140多口油井[2]。 在這些極地冰區(qū)海上鉆井過程中，采用多種鉆井裝備，包括沉箱式鉆井平臺Molikpaq、圓錐形浮式鉆井平臺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、?？怂擅梨凇⒀┓瘕埖裙炯娂娫诙砹_斯、加拿大、美國等北極海上冰區(qū)開展一系列鉆井活動。這些鉆井活動基本都采用半潛式鉆井平臺進行作業(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號半潛式平臺在喀拉海鉆探East Prinovozemelsky-1井[3]。殼牌公司采用Polar Pioneer號鉆井平臺在美國楚科奇海域進行鉆探活動[4-5]。殼牌公司對圓錐形浮式鉆井平臺Kulluk進行改造，計劃在美國的波弗特海進行鉆井，然而在拖航過程中平臺發(fā)生觸底事故，導致平臺最終報廢。俄羅斯天然氣公司和俄羅斯石油公司近幾年利用我國中海油田服務(wù)股份有限公司的南海8號和南海9號在位于喀拉海的Nyarmeyskoye區(qū)塊、Leningradskoye和Skuratovskoye區(qū)塊進行鉆井[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

從近年的北極鉆井作業(yè)來看，所采用的半潛式鉆井平臺主要由常規(guī)半潛式平臺進行防低溫升級和結(jié)構(gòu)抗冰加強改造。這些鉆井平臺只能在北極夏季無冰海面進行鉆井作業(yè)。由于北極夏季較短，且平臺動復員距離較遠，因此這些平臺每次在北極可以進行作業(yè)的時間有限。通常，每年夏天只能鉆1～2口井。如果目標區(qū)塊內(nèi)的鉆井作業(yè)不能在一個作業(yè)周期內(nèi)完成，動復員和棄置過程都會顯著增加鉆井成本[8-9]。文獻 [10]指出，為降低鉆井成本，在北極作業(yè)的鉆井平臺需具備對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，可以將鉆井平臺拖航至目標海域，以便更早開始作業(yè)。在秋冬季海冰開始形成但冰厚低于一定程度時，平臺可以繼續(xù)作業(yè)。這樣可將作業(yè)窗口從夏季擴展至春季和秋冬季，大幅延長作業(yè)窗口期，顯著降低鉆井作業(yè)成本。

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

(1) 平臺在移動的海冰作用下需有足夠的定位能力；

(2) 船體具有足夠的強度以抵御海冰造成的冰載荷；

(3) 立管應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(簡稱“平臺”)概念，并對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行了分析。分析結(jié)果表明，平臺可以滿足典型北極海上區(qū)塊的鉆井作業(yè)要求。

1 平臺總體性能要求

半潛式鉆井平臺的偏移是浮式鉆井平臺設(shè)計中的主要限制條件[7]。平臺在環(huán)境載荷作用下的偏移量超過限值會使鉆井立管產(chǎn)生較大的傾斜角，從而導致鉆井作業(yè)無法正常進行。對于北極冰區(qū)鉆井平臺，通常要求在作業(yè)工況和極端生存工況下平臺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)部分目標油氣區(qū)塊處于60～150 m水深，因此平臺的允許偏移量很小，這對平臺的設(shè)計提出了較大的挑戰(zhàn)。

2 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺概念

所提出的北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺概念如圖3所示。

圖3 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺概念圖

平臺設(shè)計為6立柱和雙浮筒半潛式船體結(jié)構(gòu)。平臺主體結(jié)構(gòu)包括甲板和下部浮體，下部浮體包括2個平行設(shè)置的浮筒和6個立柱。平臺立柱從下至上分成豎直段和傾斜段。平臺設(shè)計2種吃水位置：在夏季作業(yè)時，平臺吃水位于立柱的豎直段，此時平臺的運動特性與常規(guī)的半潛式平臺接近；在冬季有冰海況作業(yè)時，平臺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中心傾斜，當冰與傾斜立柱作用時，海冰將發(fā)生彎曲破壞，可有效降低冰載荷。平臺船首和船尾處的4個立柱雙向傾斜，即傾斜段在xz和yz平面均向平臺中心傾斜，可確保海冰從各個方向與平臺發(fā)生作用時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)置可讓新型平臺在無冰海域與常規(guī)平臺一樣作業(yè)，使平臺具有在全球各個海域作業(yè)的能力。

平臺系泊定位系統(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[11]和Huisman的JBF圓錐形鉆井平臺[12]均將系泊布置在平臺內(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)半潛式鉆井平臺對錨鏈進行防護。為了避免海冰與錨鏈的直接作用，在平臺上設(shè)計錨鏈防冰裝置，如圖4所示，即在吃水位置附近加裝鋼板防護罩，將錨鏈蓋住。

圖4 錨鏈防冰裝置

鉆井立管為長細結(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立管，設(shè)計立管防護裝置。立管防護裝置利用位于平臺中部甲板兩側(cè)相對的2個立柱，在2個立柱之間加裝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。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)過程中，立管由月池下放，經(jīng)過立管防護裝置中間位置入水。當海冰與平臺發(fā)生作用時，整塊平整冰先作用在平臺立柱上，發(fā)生彎曲破碎。當破碎后的大塊浮冰進入月池下方時，立管防護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)安全進行。

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

表1 新型北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺主尺度數(shù)據(jù)

3 平臺系泊系統(tǒng)

對于北極鉆井勘探活動，研究認為自升式鉆井平臺的作業(yè)水深上限為50～80 m，浮式鉆井平臺系泊系統(tǒng)的作業(yè)水深上限為300～400 m。若超過上述水深，則需要采用動力定位系統(tǒng)為半潛式鉆井平臺提供定位能力。目前，北極海上油氣的勘探熱點還沒有到達深水區(qū)域。因此，對北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺的系泊定位能力分析主要針對系泊系統(tǒng)的定位能力。為確保平臺有足夠的系泊恢復力抵御冰載荷的作用，平臺采用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 平臺擬作業(yè)地區(qū)海洋環(huán)境

選取喀拉海為目標作業(yè)海域，假設(shè)某井位水深為70 m，研究平臺是否可以滿足有冰條件下作業(yè)要求。由于平臺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，平臺作業(yè)工況偏移不超過水深的5%；在1.5 m厚海冰作用下，平臺極端生存偏移不超過10%。同時，由于平臺需要在夏季開展鉆井作業(yè)，因此平臺在夏季風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)半潛式鉆井平臺作業(yè)和極端條件環(huán)境參數(shù)

當平臺在夏季開闊水域作業(yè)時，環(huán)境載荷是風、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、冰和海流的組合。環(huán)境載荷可使用法規(guī)和規(guī)范中推薦的方法進行估算。采用如下方法對上述載荷進行計算：

(1) 采用ISO 19906標準[13]對冰載荷進行計算。計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)冰載荷計算方法計算載荷大小。由于海冰受到風和海流拖曳力的聯(lián)合作用，因此其運動方向由這2種載荷的方向決定，在大多數(shù)時間內(nèi)，海冰運動方向與潮流方向一致，但由于風向的不確定性，海冰的運動方向也有不確定性。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作用時，需考慮多個作用方向?？紤]到平臺的對稱性，主要考慮船首和船側(cè)向的海冰載荷作用。當海冰以45°方向與平臺發(fā)生作用時，海冰先與單個立柱作用發(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) 風載荷的估算使用文獻[14]介紹的方法進行。在分析中，考慮船首和船側(cè)方向的風載荷。根據(jù)風向的不同，對平臺水上部分的投影區(qū)域分別進行評估。由于平臺在夏季和冬季結(jié)冰情況下采用不同的吃水深度，因此投影面積計算需考慮吃水的變化。

(3) 平臺的波浪載荷由水動力分析軟件SESAM計算得到。

表4為環(huán)境載荷工況組合。

表4 北極冰區(qū)半潛式鉆井平臺環(huán)境載荷工況組合

5 平臺系泊定位能力分析

對計劃在北極有冰季節(jié)開展鉆井作業(yè)的海洋平臺，需要先解決系泊定位能力問題，即保證平臺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)。為驗證新型平臺的系泊定位能力，采用系泊分析軟件對平臺的系泊定位能力進行分析與驗證。平臺系泊分析模型如圖5所示。

圖5 新型平臺的船體/系泊系統(tǒng)模型

根據(jù)第1節(jié)所述的平臺總體性能要求，平臺在作業(yè)和極端工況下允許位移為5%和10%水深，取目標鉆井區(qū)域水深為70.0 m，則平臺在作業(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，可以給定平臺的位移計算系泊系統(tǒng)恢復力，若恢復力大于環(huán)境載荷則說明系泊系統(tǒng)具有足夠的恢復剛度，可以保證在給定的環(huán)境載荷作用下，平臺的位移小于設(shè)定的位移極限。將風、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算結(jié)果與系泊恢復力比較如圖6所示。

圖6 平臺系泊恢復力與環(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，平臺環(huán)境載荷均小于平臺位移為設(shè)計極限時的系泊恢復力，說明現(xiàn)有系泊設(shè)計結(jié)果具有足夠的系泊剛度，可以保證在作業(yè)及極端工況下平臺位移小于設(shè)計要求。

平臺位移與系泊系統(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，但可通過優(yōu)化船體設(shè)計、加強系泊系統(tǒng)或降低極端工況環(huán)境條件確保平臺作業(yè)性能。由系泊定位能力分析結(jié)果可知，所提出的平臺方案可滿足北極冰區(qū)鉆井作業(yè)的要求。

圖7 平臺系泊錨鏈受力與平臺位移之間關(guān)系

6 夏季鉆井作業(yè)系泊定位能力分析

夏季無冰期是平臺鉆井作業(yè)的主要時間窗口。夏季平臺受到風浪流載荷的聯(lián)合作用。平臺系泊系統(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中的各項參數(shù)對平臺開展夏季作業(yè)系泊能力分析，分析結(jié)果如表5和表6所示。

表5 北極半開闊水域平臺系泊位移分析結(jié)果

表6 北極半開闊水域平臺系泊張力分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：對于表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，作用方向為0°和90°，新型半潛式平臺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，這意味著平臺在作業(yè)工況下具有足夠的安全裕度；在極端工況下，平臺的偏移量稍超出10%水深的設(shè)計要求，風浪流載荷從船側(cè)向作用的時候，平臺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的系泊定位能力不完全滿足設(shè)計要求，但對平臺進行適當?shù)膬?yōu)化或者加強系泊系統(tǒng)，可以改善平臺的受力情況、減少平臺位移。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)，在實際鉆井作業(yè)過程中，可以設(shè)定滿足定位要求的作業(yè)窗口環(huán)境條件。

7 結(jié) 論

在過去十幾年中，多個國際公司在北極海域開展了油氣勘探活動。目前，俄羅斯仍然積極開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加強北極鉆井作業(yè)能力。

提出一種可在北極進行鉆井作業(yè)的新型半潛式鉆井平臺。平臺設(shè)計為雙浮筒6立柱的平臺型式，立柱分為垂直部分和傾斜部分。在有冰海域作業(yè)時，平臺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上的海冰發(fā)生彎曲破碎，進而降低作用在平臺上的總體冰載荷。此外，平臺設(shè)計2個抗冰輔助結(jié)構(gòu)，即月池下方的立管防護裝置和立柱外側(cè)的錨鏈防護裝置，以保護立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)在海冰作用下的安全性能。

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