基于南海环境条件的半潜式钻井平台设计环境参数分析

童波 金强

（七○八研究所 上海 200011）

基于南海环境条件的半潜式钻井平台设计环境参数分析

童波 金强

（七○八研究所 上海 200011）

南海环境；热带气旋；设计工况；海况参数

南海环境条件复杂多变，深水、高压、低温、波流的不规则性以及内波的存在等使半潜式钻井平台设计面临重大挑战。研究海洋环境条件的意义是在现有的平台设计水平和设备技术水平条件下，确保该海域作业的半潜式钻井平台的作业性、安全性和经济性。研究南海海域的环境特征，可应用于南海半潜式钻井平台设计中不同工况的海况参数选取。

0 引言

随着当今全球气候环境的变化，恶劣风暴条件下平台海损事故不断发生，平台设计采用的环境数据正趋于提高。以海洋环境条件为核心的设计基础对平台方案的船型、尺度、性能等具有重要影响，是决定平台作业性、安全性和经济性的关键因素。

值得注意的是，南海是台风多发海域，每年影响南海的热带气旋有10余个，超强台风平均风速可达60m/s。热带气旋的生成地和发展趋势千变万化，不同时间热带气旋的强度和路径各有不同，这些都增加准确预报强热带风暴和台风的难度，进而影响平台的设计和安全操作。

本文研究南海海域的环境特征，以指导应用于南海半潜式钻井平台设计中不同工况的海况参数选取。针对深海半潜式钻井平台作业海域的环境特征，重点研究热带气旋的生成、强度、路径和预报可靠性；分析海洋环境与平台设计的关系，进而选取不同工况下的海况参数。

1 海洋环境特征

海洋环境条件在工程设计分析中可分为静态环境条件和动态环境条件。其中，静态条件包括水深、海底地形、气温、水温和湿度等；动态条件包括风（季风和热带气旋）、波浪和海流。此外，海洋环境条件还包括内波、海生物等因素。下面以南海为例阐述海洋环境条件的主要特征：

1.1 水深与地形

南海是西北太平洋最大的边缘海，其跨度大约为0°N~23°N、99°E~121°E，面积约达350万平方公里，平均水深在1 800m以上，最深达5 420m。它通过台湾海峡、吕宋海峡、民都洛海峡、巴拉巴克海峡、邦加海峡、加斯伯海峡、卡里马塔海峡、马六甲海峡与外界海域相连。

1.2 气温

利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）1979年~2005年气温资料计算了南海/西非/东南亚/墨西哥湾海域的最高气温和最低气温。南海/东南亚的最高气温可达32℃以上；西非海域的最高气温为30℃；墨西哥湾累年最高气温为30℃～32℃。南海的最低气温为10℃；东南亚海域的最低气温为22℃；西非海域最低气温为8℃；墨西哥湾累年最低气温为8℃～24℃。

1.3 水温

利用OISST（NOAA Optimum Interpolation（OI）Sea Surface Temperature）1981~2005年海面温度资料计算南海/西非/东南亚/墨西哥湾最高水温和最低水温。南海大部分海域的海温最高为31℃；东南亚海域的温度最高为31℃；西非海域的温度最高为30℃；墨西哥湾累年最高水温为22℃~28℃。南海的最低海面温度为23℃；东南亚海域的最低海面温度为26℃；西非海域的最低海温在12℃；墨西哥湾累年最低水温为14℃~18℃。

1.4 湿度

利用NCEP的1979~2005年相对湿度资料计算了南海/西非/东南亚/墨西哥湾最高、最低和平均相对湿度。南海/东南亚/西非的最高相对湿度可达96%以上；墨西哥湾累年最高相对湿度可达99%。南海/东南亚海域最低相对湿度为30%；西非海域的最低相对湿度为40%；墨西哥湾最低相对湿度为40%～60%。南海/东南亚平均相对湿度为78%～86%；西非海域平均相对湿度为80%左右；墨西哥湾平均相对湿度为75%－85%。

1.5 季风

南海地处亚热带和热带区域，属典型的亚洲季风区。受季风性气候影响，南海海域的气候呈现冬半年、夏半年的特征，其转换季节很短。南海海面风力在东北季风时期最强，在夏季风时期较冬季风时期弱，春秋过渡季节的平均风速均比冬夏季时期小，南海海面平均风速的变化呈现明显的季节变化特征。

1.6 波浪

南海海浪的分布和变化主要取决于海区季风风场的分布及其变化，同时也受到风区、风时和地形等的影响。东北季风期间盛行东北浪，西南季风时期盛行南、西南浪。两种季风交替时期浪向多变，盛行浪向不明显。由于冬季东北季风的风速较夏季的西南季风的风速大，所以就气候态的波高（一般称为波候）而言，冬季的波高较夏季的大。

1.7 海流

南海的环流场受多种因素的影响，包括季风、地形、太阳辐射以及降雨等。此外，黑潮通过吕宋海峡至少影响南海北部的流场结构。冬季南海总的环流结构呈一个气旋型，并发育有两个次海盆尺度的气旋型环流；夏季总环流大致呈反气旋型，大部分海区以东北向漂流为主。不论冬、夏季，南海环流的西部边界强化趋势均十分明显，由于南海海流的复杂性，目前对南海海流的特征还没有比较统一的认识。

1.8 南海内波

内波是海洋中普遍存在的现象，在稳定层化的海水中，只要有扰动就有可能激起内波。南海北部海域是海洋内波发生最频繁的海域之一，对于南海北部内波（内潮波和孤立子内波）的发源地，国内外很多学者认为是在巴士和巴林塘海峡或其中的某个局部区域。这是因为在巴士和巴林塘海峡存在急剧变化的底地形，当来自太平洋的潮波或海流穿过海峡时，潮流或海流受海峡内的地形影响会在层化的海水中激发出内潮波或孤立子内波，另一方面，在南海北部海域的陆架陆坡的连接处地形变化剧烈，且海水层化现象常年存在，因此由内潮波的生成机制可知，潮流在这里受到变化剧烈地形的强迫或调制作用后，会在层化的海水中产生扰动并最终发展成强的内潮波。

1.9 南海海洋污损生物情况

海洋附着（污损）生物是指生长在海中一切人工设施（包括船舶、浮标、石油平台等）表面上的动物、植物和微生物。海洋结构物上附着的污损（附着）生物增加了结构物的载荷，从而减少了结构物的寿命，结构物表面的海生物生长情况如表1所示。

表1 海洋附着生物生长情况

2 热带气旋

本文主要分析影响南海的热带气旋次数、路径及强度特征。南海热带气旋包括南海海域（25°N以南、120°E以西）生成的热带气旋或从西太平洋移进以上海域的热带气旋。热带气旋的等级划分采用2006年6月15日正式启用的中国气象局和国家标准化管理委员共同制定的《热带气旋等级》国家标准。

根据1976-2005年台风资料（中国台风年鉴）统计，30年中影响南海的热带气旋共有372个，年平均12.4个。最多年份有18个（1978年），最少年份有6个（1997年）。在南海海域生成的热带气旋有153个，占总数的41.1%，在西太平洋生成后移进南海的热带气旋有219个，占总数的58.9%。

表2 热带气旋等级划分

图1 1976年~2005年影响南海热带气旋月个数变化图

2.1 热带气旋路径

影响南海的热带气旋复杂路径一般分为四类，即：打转类、蛇行类、右折类、左折类。南海生成的热带气旋较西太平洋移进南海的热带气旋路径复杂，这是由于南海受冬、夏季风影响明显，又处于热带、副热带和西风带系统交汇区，因而可使得影响南海的热带气旋路径千变万化。如8616号台风1986年8月16日在南海东部海面生成后，在台湾附近和南海东北部海面回旋打转，先后两出两进南海，至9月6日在越南海防附近登陆，前后共历时22天。该台风是多年来路径最异常、持续时间特长的一个台风。

2.2 热带气旋强度

影响南海的热带气旋中，TD占23.9%、TS占16.7%、STS占27.7%、TY占23.9%、STY占6.7%，Super TY占1.1%。在影响南海的118个台风以上强度的热带气旋中，西太平洋移进的占了83.1%，而南海海域生成的只有16.9%。其中4个超强台风全是从西太平洋移进南海的，其中7908号超强台风移进南海后，中心最大风速最强达60m/s。

2.3 台风预报可靠性

台风预报准确性直接关系到台风造成的人员伤亡及经济损失。台风由热带气旋发展而来，热带气旋的生成地和发展趋势千变万化，不同时间热带气旋的强度和路径各有不同，这些都增加准确预报强热带风暴和台风的难度。台风预报的可靠性一般为24 h（小时），48~72 h内的台风预报（中心强度、路径、风圈半径等）误差较大。一般接到预报后，平台仅有1~2天时间进行撤离准备。

台风预报的主要内容包括热带气旋的发生发展、移动路径、强度变化等。台风强度的影响范围很大，一般台风中心最大风速30~50m/s，台风圈直径300 km以上（对应风圈边缘风速20m/s）。目前24 h和48 h的中心附近最大风速预报的平均误差为4~7m/s和6~10m/s。

若预报热带气旋未来将加强、维持或减弱，而实际情况也是如此，则认为预报趋势与实况一致。用预报趋势与实况一致的次数除以总的预报次数,即可得预测趋势一致率。目前中国的预测趋势一致率为70%～80%。台风预报路径范围的误差在120 km以上，目前中央气象台24、48和72小时台风路径预报误差分别为112、194和318 km，与日本和美国综合预报水平大体相当。

以下以一种典型台风为例介绍预报的可靠性：2006年的台风“珍珠”初始阶段预报其沿西北偏西方向行进，最大风速30m/s，移动速度20 km/h。当台风行进至南海中部时，出现90°转弯，竖直北上，贯穿南海，此次台风路径及登陆地点预报的难度都很高（具体如图4~图7所示）。图中实线为台风实际路径，虚线代表不同气象台的预报路径。

图4 台风“珍珠”路线图

图5 台风“珍珠”路线图

图6 台风“珍珠”路线图

图7 台风“珍珠”路线图

3 海洋环境与平台设计

3.1 海洋环境与平台作业性

半潜式钻井平台能否正常作业与海况密切相关。例如钻井作业时在波浪作用下，半潜式钻井平台会产生周期性的上下垂荡运动，使钻柱随之作上下运动，并造成井底钻压变化，甚至钻头脱离井底，无法钻进。目前主要通过钻柱运动补偿系统解决钻柱的升沉补偿问题。钻柱运动补偿系统能够在浮式钻井装置升沉运动时保持井底钻压，并按岩石性质随时调节钻压。

在风、浪、流作用下，平台产生水平漂移运动，隔水管也会随着平台产生水平漂移运动。作业时，隔水管底部的球形接头允许旋转的角度范围限制了平台的偏移量，平台偏移过大时就应使隔水管下部组件与BOP解脱，而且平台水平偏移增加隔水管的补偿需求长度。目前可以通过隔水管张紧系统的伸缩节为隔水管顶部提供垂向力，以控制隔水管的应力和位移，并能在浮体作垂直和水平运动的情况下，使隔水管柱的张力基本保持恒定，不致使它出现弯曲、扭转等损坏。

作业海况和平台型式决定平台作业工况下的运动响应，平台运动响应最大值影响钻井运动补偿系统的设计能力（例如钻柱运动补偿系统、隔水管张紧系统等），另外作业海况的最大风速也影响钻井平台机械设备的设计（例如起重设备、井架系统），同时该作业海况还应保证足够的全年作业率。

与半潜式钻井平台作业性相关的总体性能有运动性能和定位能力（DP定位与锚泊定位），与这些总体性能相关的主导海况各有不同。

运动性能主要考量半潜平台在作业工况下的横摇、纵摇和垂荡运动响应，与此相关的环境载荷是一阶波浪力，因此作业工况下运动性能的主导海况是波高和波浪周期，平台固有周期应避开波浪能量的集中范围。

作业时定位能力（锚泊定位与DP定位）主要考量半潜平台在多根系泊缆或多个推进器作用下的纵荡、横荡和首摇运动响应，作业时应保证平台的偏移满足隔水管球形接头转角、伸缩节和钻杆等的限制要求，与定位能力相关的环境载荷是二阶波浪力、风载荷和流载荷，相比之下定位能力的主导海况是风速。

半潜式平台要在更恶劣的海洋环境条件下作业，一方面要优化平台的型式使其具备更好的耐波性，另一方面要提高定位技术。其中，动力定位系统能平衡低频的环境载荷，在恶劣的海况下平台需要更高功率的推进器和电站，进而影响设备的布置空间和选型采购。对于锚泊系统，半潜式钻井平台需要到不同海域钻井作业，通常选用起抛锚方便、抓力较大、成本较低的非永久性锚泊系统，且一般采用拖曳埋置锚。此锚不能承受上拔力，因此需要较长的钢链连接海底锚，以保证系泊缆在设计海况下具备躺底部分。恶劣的海况条件下，则要求连接锚的钢链更长，缆绳的强度、刚度也更大，也导致系泊缆绳较长，总重较大，影响到平台的可变载荷。另外，若作业工况下风载荷较大，将影响井架内起升系统、旋转系统以及立根盒等，设计的钻井机械也需要具有在更恶劣海况下工作的能力。

3.2 海洋环境与平台安全性

这里的半潜式钻井平台安全性是指如何克服海洋环境对平台生存的威胁，与平台安全性相关的总体性能包括稳性、气隙和总强度等，与这些总体性能相关的主导海况也各有不同。

稳性主要考量半潜平台的抗倾覆能力，设计分析中倾覆力矩主要来自于定常的风力，平台稳性的主导海况是风速。

气隙主要考量半潜平台在生存工况下波面和上船体底部的相对距离，避免波浪抨击上船体底部甲板的井口区。由于波浪与平台间的绕射效应，波面将沿立柱爬升，上船体底部的立柱附近区域可能出现气隙为负。气隙性能的主导海况是波高和波周期。

总强度主要考量半潜平台在不同吃水工况下波浪载荷对结构强度的影响，平台总强度主要与主尺度、排水量和波浪参数有关。总强度性能的主导海况是波高和周期。

单从提高半潜式平台安全性角度考虑，增大立柱的尺度和间距利于改善平台的稳性和气隙。对于总强度而言，恶劣的海况使得立柱与下浮体、立柱与上船体连接节点的应力集中更加突出，对局部钢板厚度和建造工艺的要求更高。

3.3 海洋环境与平台经济性

海洋环境条件与半潜式钻井平台的经济性密切相关。随着作业水深和钻深的增加，隔水管、套管和钻杆的长度增加。例如，3 000m作业水深需要的隔水管总重达到～2 800 t。另外，为减少供应船的补给频率，平台需要装备更多的消耗品，这些都导致半潜平台承载更大的可变载荷，从而影响平台的主尺度。深水、高压等复杂的海洋环境使得隔水管抗压浮力材料、水下BOP、泥浆循环系统和控制系统等更加复杂；恶劣的风、浪、流环境条件使得平台运动响应更大，对钻井系统、定位系统和动力系统等提出更高的技术要求，也就增加设备的设计和建造成本；另外半潜式钻井平台安全性等级的提高，例如满足DP3要求的动力定位系统增加结构重量，管系的数量和布置等，因此深水恶劣的海洋环境条件显著增加半潜式钻井平台的成本。

4 平台主要设计工况

4.1 作业工况

平台钻井作业工况一般波浪取自南海一年一遇最大海况，流速取自一年一遇最大风速下的条件极值（也有保守取为一年一遇最大极值），风速选取可以不考虑热带气旋、季风的区别，而综合考虑动力定位能力、钻井机械系统设计风速、作业率和平台的经济性等因素。

作业海况的确定与平台性能、设备的正常使用以及该海况能达到的作业率相关，在作业工况下若采用锚泊定位，除了系泊缆的强度具备一定的安全裕度，系泊缆在海底有躺底部分（锚无上拔力）外，锚泊系统要有效地控制平台的水平偏移。如果锚泊系统无法有效控制平台位移，可使用动力定位辅助平台作业，动力定位的精度较高，可满足作业要求，有效提高作业效率。

在动力定位模式下（作业水深＞1 500m），平台定位能力完全由推进器提供，故钻井作业海况（外部环境载荷）和推进器布置决定了推进器功率的大小，根据分析确定的单纯DP系统抗风能力，既要满足平台实际作业率要求，又要合理降低推进器功率。在作业工况下风速的选取不仅要满足动力定位能力，还要考虑通常机械设备的设计作业风速。平台作业海况影响参数如图8所示：

4.2 隔水管最大连接工况

最大连接工况是指水下钻井隔水管保持连接时的最大环境条件，通常连接工况下，平台的偏移应不大于水深的10%，锚泊定位和动力定位都应校核该工况下的定位能力。最大连接工况应低于最大自存工况，但高于最大作业工况。钻井平台负责人应了解连接工况的环境条件，以便做好脱开或回收隔水管的准备。当海况条件超过作业海况，平台管理人员已作出撤离准备决定后，可将钻杆收起放置于立根盒上，环境条件更恶劣时需将钻杆放置于堆场并绑扎，可选择隔水管下部只与BOP应急解脱，隔水管仍悬挂在平台上，随平台一起漂移，这是因为隔水管的连接、下放相对钻杆的连接、下放要复杂、费时得多，隔水管挂在平台上降低平台重心，而且增加漂移时的阻力，但是这样也增加了隔水管碰撞破损的风险。

4.3 锚泊系统最大设计工况

根据APIRP 2SK，对于移动式浮式装置（远离其他结构物作业的MODU）来说，其系泊系统应采用重现期至少5年的最大设计环境条件。应特别注意在热带气旋（tropical cyclones）地区诸如墨西哥湾（hurricane-飓风）和南中国海（typhoon-台风）的作业。对于不在气旋季节作业的装置，确定5年的环境条件应采用除去热带气旋的环境数据。

在某些热带气旋地区，如果满足下述两个条件，在热带气旋季节作业时，重现周期可缩短：

a.实施风险分析，估算出系泊失效的影响。通过这样一种分析去检验系泊失效的各种情况的发生概率及其对安全和环境的影响。风险分析可用以确定合适的重现周期，但应不少于一年。

b.做好作业人员撤离计划，并在热带气旋来到之前予以实施。

图8 平台作业海况影响参数

在锚泊系统最大设计工况下，所有系泊缆完好或一根系泊缆破损时，系泊缆的强度仍具备一定的安全裕度，系泊缆在海底仍有躺底部分（锚无上拔力），此时不限制平台的漂移。锚泊系统的设计能力与人员是否撤离并无实质的联系，钻井平台锚泊系统设计需要考虑是否抗台，可以设置12点锚泊定位，提高锚泊系统的能力抵抗10年一遇的台风；也可以考虑设置8点锚泊定位只抵抗5年一遇的台风，通常生产平台的锚泊系统设计需要抗台，然而钻井平台的锚泊系统要求可以相对降低。锚泊系统最大设计工况下人员已经撤离平台，该工况直接影响锚泊系统走锚的概率，另外对于需要经常移位的平台来说，系泊缆数目越多操作效率越低。

4.4 生存工况

不考虑热带气旋、季风的区别，平台生存工况波浪取自南海100年一遇最大海况，流速取100年一遇最大风速下的条件极值，稳性校核时风速按规范选取为100 kn。风速100 kn已不能达到南海北部区块100年一遇的水平，实际项目中根据船东要求再确定自存工况稳性校核风速。平台遭遇生存海况时，系泊缆已相对松弛，其张力减少，人员已经全部撤离，锚泊系统也可能发生走锚或锚缆断裂，各缆绳上的张力重新分配，平台产生更大范围的水平漂移。如果预报作业区将遭遇超强台风，平台已无法生存，由于受到拖轮能力的限制，应提早在较好海况下将平台撤离至避风区，平台移位之前应将隔水管收起至甲板堆放区，避免隔水管在水下发生碰撞的风险。平台生存海况影响参数如图9所示：

图9 平台生存海况影响参数

5 结语

研究海洋环境条件的意义是在现有的平台设计水平和设备技术水平条件下，确保该海域作业的半潜式钻井平台的作业性、安全性和经济性。南海是台风多发海域，超强台风的平均风速可达60m/s，热带气旋的生成地和发展趋势千变万化，不同时间热带气旋的强度和路径各有不同，这些都增加准确预报强热带风暴和台风的难度，进而影响作业平台的人员撤离决策和应采取的安全措施，为应对极端天气的威胁，需要建立统一、规范、有计划的和科学的台风预警机制和应急撤离程序。

作业海况和平台型式决定平台作业工况下的运动响应，平台运动响应最大值影响钻井运动补偿系统的设计能力（例如钻柱运动补偿系统、隔水管张紧系统等），另外作业海况的最大风速也影响钻井平台机械设备的设计（例如起重设备、井架系统），同时该作业海况还应保证足够的全年作业率。

研究海洋环境时应建立作业区块、水深和风浪流条件的一一对应关系，不能将其互相割裂。例如南海中部区块水深超过1 500m，而海况较好，这种对应关系对于不同水深定位能力的研究很重要。通常生产平台的锚泊系统设计需要抗台，然而钻井平台的锚泊系统要求可以相对降低。锚泊系统最大设计工况下，人员已经撤离平台，人员撤离决策不会因锚泊系统设计条件的提高而有所改变，锚泊系统最大设计工况直接影响系统走锚或锚缆断裂的概率。实际工程领域，关于锚泊系统，业主提出12点和8点都是合理的。不过是有的关注便利性和成本，有的关注个别极端海况。

动力定位系统主要用于控制平台作业工况和隔水管最大连接工况下平台的偏移，不会用于抵御台风。DP系统抗风能力，既要满足平台实际作业率要求，又要合理降低推进器功率。另外锚泊定位时也可以使用动力定位辅助平台作业，动力定位的精度较高，可满足作业要求，有效提高作业效率。

海洋环境条件的变化影响着海上人员活动和平台操作，需要建立海况与不同操作工况的有效对应联系，操作规范、科学才能保障平台的海上作业性和安全性。

［1］水文气象环境动力参数研究技术报告［R］.中科院南海海洋研究所.2009.4.

［2］赵建亭.浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究［J］.船舶，2010，（03）.

［3］API RECOMMEND PRACTICE 2SK（APIRP 2SK）.Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure［Z］.2005.

［4］孙意卿.海洋工程环境条件及其载荷［M］.上海交大出版社，1989.

［5］马志良，罗德涛.近海移动式平台［M］.海洋出版社，1993.

［6］Ronalds B F.Deepwater Facility Selection［A］.Offshore Technology Conference［C］.2002.

Environmental parameter analysis for the design of semi-submersible drilling platform based on South China Sea environment

Tong Bo Jin Qiang

South China Sea environment；tropical cyclone；designed condition；sea condition parameter

The design of the semi-submersible drilling platform faces to great challenges because of the complex and changeable environment of South China Sea，such as deep water，prevailing monsoon，high-frequency tropical cyclone，irregular ocean current，the internal wave and so on.The ocean environment has been studied to insure the operation ality，security and economy for the semi-submersible drilling platform in this area under current platform design ability and equipment technical conditions.The environment features of operation sea area for the deep-sea semi-submersible drilling platform have been analyzed and can be applied to choose the sea condition parameters related to various situations during the platform design.

U674.38

A

1001-9855（2011）02-0008-07

2010-10-15

童波（1983-），男，汉族，助理工程师，主要从事海洋工程总体研究设计工作。

金强（1973-），男，汉族，高级工程师，主要从事船舶总体研究设计工作。