考虑内波流影响的南海八号钻井平台锚泊能力分析评估

王俊荣　付英军　韦红术　汪顺文（.中海油研究总院，北京　0008；.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58067）

考虑内波流影响的南海八号钻井平台锚泊能力分析评估

王俊荣1付英军2韦红术2汪顺文2
（1.中海油研究总院，北京100028；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518067）

南海八号钻井平台在我国南海某油田钻井作业时，遭遇了内波流的作用，对平台的锚泊系统和钻井作业产生了一定的影响。结合南海特有的内波流环境条件，分析评估了南海八号钻井平台的锚泊能力。首先对平台的锚泊系统配置、海洋环境进行了介绍，然后就平台原设计环境条件进行了锚泊能力评估，平台水动力计算依据三维势流理论，采用挪威船级社DNV的HydroD和DeepC软件，对南海8号半潜式钻井平台进行了水动力分析，并建立了平台系统耦合运动空间离散有限元模型的动平衡方程。重点评估了内波流作用下平台的定位能力，分析了平台遭遇不同内波流流速下平台的偏移、锚缆张力、锚的水平载荷，提出了可供平台作业方参考的工程建议。

深水钻井；内波流；南海八号钻井平台；锚泊系统；平台偏移；锚缆张力；拖曳锚承载力

我国南海油气资源丰富，南海水深大、台风频发、内波流都给南海油气资源的勘探开发带来了极大的挑战。中海油服于2012年从Transocean公司购置的深水半潜式钻井平台 “JIM CUNNINGHAM”，经过维修改造，正式加入中海油深水钻井平台行列，更名为“南海八号”深水半潜式钻井平台。南海八号钻井平台属于第3代钻井平台，定位系统为锚泊定位系统，通过8根系泊缆实现平台的锚泊定位。在钻井作业工况下，平台在锚泊系统的作用下，以保证平台的偏移不超出一定的范围，确保钻井隔水管的安全；在平台生存工况下，由于隔水管已经解脱，API RP 2SK规范对生产工况下平台的偏移没有特别的限制。在2种工况下，对锚缆张力和拖曳锚的抓持力都有严格的要求，以确保平台的安全。

1　钻井平台及锚泊系统

南海八号半潜式钻井平台主要结构尺寸如表1所示。平台作业工况吃水19.81 m，排水量28 126 t；生存工况吃水15.24 m，排水量25 037 t。

表1　南海八号半潜式钻井平台浮体主尺度参数

南海八号钻井平台钻井作业所处海域水深630 m，平台艏向60.1°，锚链的测试张力1 600 kN，预张力1 250 kN。锚缆布置情况见表2，各锚缆的物理力学特性见表3。

表2　NH8号钻井平台的系泊布置

根据现场调研结果，2#、3#、7#等3根钢缆为旧钢缆，破断张力取4 368 kN，1#、4#、5#、6#、8#钢缆为新钢缆，破断张力取6 300 kN。

根据API RP 2SK（2005）［1］规范的要求，作业工况和生存工况下锚缆的安全系数为1.67，单缆破断工况下的安全系数为1.25。

根据平台操船手册，作业工况下平台的最大偏移不得超过水深的6%［2］。

表3　锚链（缆）力学特性

2　分析方法与模型

2.1分析方法

平台水动力计算依据三维势流理论。软件采用挪威船级社DNV的HydroD和DeepC软件，该软件的方法属于时域耦合分析方法。

平台系统耦合运动空间离散有限元模型的动平衡方程为［3］

式中，RI（r，r''，t）表示惯性力矢量，RD（r，r'，t）表示阻尼力矢量，R?S（r，t）表示结构内力矢量，RE（r，r'，t）表示外力矢量，r、r'、r''分别表示结构的位移、速度和加速度。

该非线性微分方程，表示了惯性力、阻尼力，以及外力矢量与结构位移和速度之间耦合作用的关系。此外，在内部力和位移之间也存在着非线性的关系。所有这些力矢量均由单元和特定离散点作用力构成。

外力主要包括重力、浮力、与平台运动位移相关的力、系泊缆上的水动力载荷（Morison方程中的拖曳力和与波浪水质点加速度相关项）和特定集中力。

惯性力矢量可表示为

式中，M为系统质量矩阵，包括结构质量矩阵MS（r），内流质量矩阵MF（r），考虑Morison公式中结构加速度的水动力质量矩阵MH（r），是局部坐标中附加质量的一部分。

阻尼力矢量可表示为

悬链线分析的目的是计算均质线在均布力作用下的平衡位置曲线。在悬链线计算中，不考虑匀质线的弯曲刚度。图1给出了悬链线单元X-Z平面坐标示意图。

图1　悬链线单元x-z平面坐标

经典悬链线方程用来计算局部坐标系中悬链线单元第二端点的坐标和系泊力成分［4］

其中

式中，T1为端点1的张力；T2为端点2的张力；FX1、FZ1分别为端点1的水平分力和竖直分力；FX2、FZ2分别为端点2的水平分力和竖直分力；l为线长度； H、V为端点2的坐标； q为均布载荷。

2.2分析模型

南海八号半潜式钻井平台的水动力分析模型如图2所示，作业工况排水量2.81×104t。

锚泊系统时域分析模型如图3所示，采用8根锚缆，作业工况锚缆预张力约1 250 kN。

图2　南海八号钻机平台水动力分析模型

图3　南海八号钻机平台锚泊分析模型

3　锚泊能力分析评估

3.1原设计海况下锚泊能力评估

原设计环境条件见表4。1 min平均风速19.5m/s，有效波高5.9 m，流速1.03 m/s。考虑风浪流同向的最不利组合工况来进行锚泊能力校核。

表4　原设计环境条件

通过时域锚泊分析计算，得出最大锚缆张力和锚载荷均出现在横浪向，#2的最大张力为2 280 kN，安全系数为1.92，大于规范要求的1.67；最大锚载荷为1 788 kN，满足锚的承载力要求。平台的最大偏移也出现在横浪向，最大偏移为24.7 m，偏移水深比为3.91%，小于6%，满足设计要求（表5）。

表5　原设计海况下的平台最大偏移

3.2内波流海况下锚泊能力评估

为校核平台抵御内波流的能力，分别分析了3节、4节、5节和6节等内波流的作用。文中另外考虑了一定的波浪和风条件。有效波高为2.8 m，风速9 m/s，方向与内波流方向相同。考虑到平台的左右舷对称性，所有环境力作用在平台及锚泊系统的方向考虑0~180°，角度间隔22.5°。

分析了平台遭遇不同内波流流速下平台的偏移、锚缆张力、锚的水平载荷。从现有平台的能力来看，平台可以全方位抵御4节流速内波流的作用。

对于5节的内波流，在部分角度（–25~25°，155~205°）范围内，平台偏移、锚缆张力和锚的水平承载力能满足规范和设计要求；在遭遇斜浪和横浪向内波流时，不满足规范和设计要求。若将2#、3#、7#更换成新钢缆（MBL6 300 kN），则系泊系统能抵御5节内波流的作用。

对于6节的内波流，偏移基本都超出了水深的6%，锚缆张力和锚的水平载荷都已经超出了设计要求（表6、表7、图4）。故NH8号抵御6节流速的作用时，不满足规范的要求。

表6　内波流作用下的平台偏移 m

表7　平台遭遇内波流的锚缆张力和锚载荷

图4　平台遭遇内波流的平台偏移

4结论

（1）南海八号钻井平台在原设计海况下作业时锚缆张力、锚载荷、最大水平偏移满足设计和规范要求。

（2）分析了平台遭遇不同内波流流速（3节、4节、5节和6节）下平台的偏移、锚缆张力、锚的水平载荷。从现有平台的能力来看，平台可以全方位抵御3节和4节流速内波流的作用。

（3）对于5节的内波流，在部分角度（–25~25°，155~205°）范围内，平台偏移、锚缆张力和锚的水平承载力能满足规范和设计要求；在遭遇大斜浪和横浪向内波流时，不满足规范和设计要求。若对2#、3#、7#进行更新替换，换成MBL为6 300 kN的新钢缆时，可以抵御5节内波流。

（4）南海八号抵御6节流速的作用时，不满足规范要求。对于6节的内波流，偏移基本都超出了水深的6%，锚缆张力和锚的水平载荷都已经超出了设计要求。

［1］API RP 2SK（2005）. Recommended practice for design and analysis of station keeping system for floating structures［S］. 3rd Edition. October 2005.

［2］JIC Marine Operations Manual［R］. REV E, 2003.

［3］DeepC User Manual［R］. DNV Software, 2005.

［4］RIFLEX Theory Manual［R］. SINTEF Report STF70 F95219, 1995.

〔编辑付丽霞〕

Analysis and assessment on anchoring capacity of NANHAI 8 drilling platform with effects of internal solitary wave current are considered

WANG Junrong1, FU Yingjun2, WEI Hongshu2, WANG Shunwen2
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

During the drilling operation of an oil field in the South China Sea, NANHAI 8 drilling platform has encountered the action of internal solitary wave current, and certain effects have been left on the platform mooring system and drilling operation. Pursuant to the unique environmental conditions of internal solitary wave current in the South China Sea, the anchoring capacity of NANHAI 8 drilling platform has been analyzed and assessed. At first, the platform mooring system configuration and marine environment have been introduced. After that, the anchoring capacity assessment has been conducted based on the original design environmental conditions of platform. With regard to the hydrodynamic calculation of platform, according to the three-dimensional potential flow theory, by virtue of HydroD and DeepC software of DNV (Det Norske Veritas), the hydrodynamic analysis has been conducted on No. 8 semi-submersible drilling platform in the South China Sea, and the dynamic balance equation of finite element model of coupling motion spatial dispersion of platform system has been established. The positioning capacity of platform under the action of internal solitary wave current has been assessed in an emphasized manner, the platform deviation, anchor cable tension, and anchor horizontal load under the action of different current speed of internal solitary wave current have been analyzed, and the engineering suggestions which may be referred to by the platform operator have been proposed.

deepwater drilling; internal solitary wave current; NANHAI 8 drilling platform; mooring system; platform offset; mooring line tension; holding capacity of dragging anchor

P751；TE49

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0043 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.010

国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）。

王俊荣，1982年生。2009年毕业于中国海洋大学港口、海岸及近海工程专业，现主要从事深水浮式平台水动力性能与运动性能研究工作，浮体工程师。电话：010-84526284。E-mail：wangjr5@cnooc.com.cn。

2015-01-01）

引用格式：王俊荣，付英军，韦红术，等. 考虑内波流影响的南海八号钻井平台锚泊能力分析评估［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：43-46.