深水半潜式钻井平台防台措施探讨

李 阳，张 威，谢 彬

(中海油研究总院，北京 100028)

深水半潜式钻井平台防台措施探讨

李 阳，张 威，谢 彬

(中海油研究总院，北京 100028)

中国南海台风频发，给海洋油气资源安全高效的开发带来了一定的挑战。随着近海石油资源的日益减少，未来海洋石油开发将逐渐聚焦深水区。深水半潜式钻井平台是南海深远海重要的钻井装备。因中国南海台风强度大且其产生经常出人预料，在某些平台无法紧急撤台的情况下，如何有效避台或减小台风对平台造成的损失是工程设计人员必须面对的问题。以某座深水半潜式钻井平台为研究对象，详细分析了深水半潜式钻井平台避台原则及防台措施，并讨论了调整平台艏向对减小平台整体受力的影响。采用三维势流理论和时域耦合分析方法计算平台在不同吃水下的总体性能，分析对平台系泊张力及运动性能的影响，探讨通过改变平台吃水而降低系泊系统的受载，从而避免系泊系统破坏的可行性，最终得到可指导平台操作的结论。

深水半潜式钻井平台；台风；系泊系统；防台

0 引 言

台风①是产生于热带洋面上的一种强烈的热带气旋，其经过时常伴随着大风和暴雨。2004—2005年，墨西哥湾先后经历了3次罕见的4级以上飓风②：Ivan，Katrina和Rita，造成了大量的海洋平台、管线等生产设施的损坏，历时6个月90%的油田才恢复到灾前的生产水平，给墨西哥湾的海洋石油工业带来了巨大的经济损失。南海属于台风频发的海域，据不完全统计，2006—2008年间，影响南海地区的12～13级台风③和热带气旋不少于30个。近年来频发的台风等灾害性气候已给海上油气的开发带来了严重的影响。

进入21世纪，世界范围内的气候复杂多变，常常超出人们之前的认识。南海台风突发性强，强度较大，路径变化多端，而我国对于南海的海洋环境监测和认识还有待加强。确保海上生产设施安全高效的作业和海上人员的人身安全是我们必须面对的问题。一般情况下，应根据台风预报，启动撤台应急响应，台风条件下，平台应该撤离。但南海海域往往可能遭遇台风预报不准确、不及时的情况，导致平台来不及撤离。因此，在半潜式钻井平台来不及撤离时如何进行有效的应对，以使得平台安全并且遭受的损失最小，显得尤为重要。通常情况下，改变吃水、调整锚链预张力、调整平台方位等均能起到一定的防台作用。然而，根据美国石油学会(API)的调研结果④，平台船体部分在飓风中表现出了较高的安全性[仅有一座张力腿(TLP)平台Typhoon倾覆]，但有23座移动式钻井平台(MODU)的系泊系统部分失效或者完全失效[1](这也是Typhoon倾覆的原因)。虽然系泊系统失效仅导致移动式钻井平台产生较大的水平位移，对平台船体本身的安全威胁不大，但在油田开发区域有着复杂的水下生产系统(如复杂交错的锚链与立管、外输管线等，复杂水下井口等)，系泊系统的移位或破坏将给水下生产系统的安全造成巨大的潜在威胁，尤其是多个油气田密集集中在某一海域的情形，涉及多系统之间的相互影响，情况更加复杂。本文讨论的是第六代半潜式平台，最大工作水深3 000 m，主要的目标作业海域为南海的深水区。平台的稳性满足200年一遇南海环境条件，运动性能及结构强度满足100年一遇环境条件。考虑到平台为钻井平台，属于非永久性系泊的浮式平台，故平台的系泊系统满足10年一遇南海环境条件[2]。

①台风和飓风都是产生于热带洋面上的强烈的热带气旋，只是发生地点不同，名称不同。在北太平洋西部、国际日期变更线以西，包括中国南海范围内发生的热带气旋称为台风。而在大西洋或北太平洋东部的热带气旋则称为飓风，也就是说在美国一带称为飓风，在菲律宾、中国、日本、东亚一带称为台风；在南半球称为旋风。

②4级飓风最高持续风速为59～69 m/s。

③根据国家标准GB/T 19201—2006《热带气旋等级》，热带气旋分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风六个等级，其中台风等级对应风力12～13级(风速32.7～41.4 m/s)。

④2004—2005年墨西哥湾飓风过后，API组织美国各大石油公司、设计公司、研究机构和高校联合攻关，一方面探索更加完善的海洋环境数据预报方法，另一方面研究现行海洋结构物设计方法的优劣。

本文采用三维势流理论和时域耦合分析方法计算平台在不同吃水下的总体性能，探索通过改变平台吃水而降低锚链受载，从而避免系泊系统破坏的可行性，对半潜式钻井平台的避台原则及防台措施进行探讨，最终得到可指导平台操作的结论。

1 改变吃水对深水半潜式钻井平台系泊张力及运动性能的影响分析

1.1 平台主尺度及环境条件

本文研究对象为某超深水半潜式钻井平台，该半潜式钻井平台由下浮体、横撑、立柱和上船体组成。作业排水量51 624 t，主要作业海域为我国南海。图1为超深水半潜式钻井平台的示意图。平台工作于南海环境条件，载荷包括风载荷、波浪载荷以及流载荷。本节以典型计算生存工况为例，计算的环境方向与平台艏成30°夹角。

图1 超深水半潜式钻井平台Fig.1 Ultra-deepwater semi-submersible drilling platform

1.2 装载工况

平台作业工况吃水19 m，生存工况吃水16 m。生存工况的装载工况如表1所示。

以表1所示装载工况为基础，在16～19 m的范围内，选取步长0.5 m，通过调节压载水改变平台吃水，其他各项的重量和重心位置不变。表2～4分别给出平台吃水在17 m、18 m和19 m时的装载工况。

表1 平台生存工况装载工况(16 m吃水)Table 1 Platform survival loading condition (16 m draft)

表2 平台生存工况装载工况(17 m吃水)Table 2 Platform survival loading condition (17 m draft)

表3 平台生存工况装载工况(18 m吃水)Table 3 Platform survival loading condition (18 m draft)

表4 平台生存工况装载工况(19 m吃水)Table 4 Platform survival loading condition (19 m draft)

1.3 系泊系统配置

平台采用12点系泊，系泊缆分为4组，每组3根，对称布置,如图2所示。每根系泊缆采用锚链-聚酯纤维缆-锚链的复合式缆绳结构，具体配置如表5所示。

图2 系泊系统布置Fig.2 Configuration of mooring system

表5 系泊系统配置参数Table 5 Mooring system configuration parameters

1.4 计算分析方法

浮式平台总体性能的计算方法有频域法、时域法、非耦合分析法、耦合分析法等多种[3]，每种方法在计算精度和计算效率上有各自的特点，适用于设计分析中的不同阶段。本文首先应用三维势流理论求解平台的水动力参数，随后利用时域分析法，对平台以及系泊系统进行耦合计算分析。

根据三维势流理论，在笛卡儿坐标系中，对于角频率为ω的长波来说，自由面平移量、速度和势函数之间的关系可以表示如下：

(1)

式中:u(x,y,z)=(x,y,z);ω表示长波的角频率;q为速度;ζ为自由表面起伏;Φ(x,y,z,t)为不定常速度势。

当浮体在静水自由面上做摇荡运动时，流场中一阶不定常速度势Φ(x,y,z,t)的定解满足拉普拉斯方程

2Φ(x,y,z,t)=0,

(2)

自由面条件：

(3)

物面条件：

(4)

海底条件：

(5)

辐射条件：远离物体的自由面上有波外传。

以上公式中，拉普拉斯方程和边界条件都是线性的，应用迭加原理把速度势加以分解，令不定常速度势分解为

Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+ΦR(x,y,z,t),

(6)

式中：ΦI为入射波速度势;ΦD为绕射势;ΦR为辐射势。它们符合

ΦD+ΦR=ΦP，

又合称为扰动势。

现设船体在平衡位置周围做微幅的简谐摇荡运动，船体摇荡的速度势Φ(x,y,z,t)可设为

(7)

(8)

(9)

2D(x,y,z)=0，

(10)

在流场内自由面条件：

(11)

(12)

(13)

辐射条件与无航速船舶辐射势的定解条件类似。

(14)

(15)

首先将船体湿表面划分成网格状，分成N个四边形小面元，在每个面元上分布等强度面源，其强度未知，在每个面元上分布控制点并在该点满足边界条件，从而决定面源强度。面源强度确定后，则物面上的各物理量便可根据有关公式计算得出，即可求解不同运动模态时的源强分布，从而可确定场内各点的辐射速度势和绕射速度势，进而根据三维势流理论，求得各水动力学参数及波浪载荷。具体过程文中不再赘述。

在半潜式平台船体各水动力参数及外载荷确定的情况下，应用Cummins脉冲理论，便可对目标平台船体进行时域分析，其中风、流载荷的计算以平台的风洞试验报告为依据[4-5]。考虑到深海平台锚泊系统的动力响应较为显著，与平台的耦合作用较强，此次分析中对目标平台船体及锚系进行时域耦合分析。

处理这类问题，已有较为成熟的专业软件可以应用。本文计算采用挪威船级社(DNV)船舶与海洋结构物分析专用软件SESAM，其中HydroD模块以三维势流理论为基础，计算平台的水动力学参数；DeepC模块对平台和系泊系统进行耦合时域求解。图3所示为平台三维湿表面模型，图4所示为平台时域耦合分析模型。

图3 平台三维湿表面模型Fig.3 Platform 3D wet surface model

图4 平台时域耦合分析模型Fig.4 Platform time domain coupling model

1.5 分析结果

根据计算可知，在不同吃水下，单根锚链的形状和刚度曲线变化很小。图5为单根锚链在不同吃水下的悬链线形状示意图，图6为单根锚链在不同吃水下的刚度曲线图。

根据前述分析方法计算不同吃水下的平台位移与锚链受载情况，吃水变化步长为0.5 m。计算结果如表6所示。

由表6可知，平台吃水在16～19 m变化时，平台平均位移在27.35～27.72 m之间变化，平均位移标准差仅为0.13 m，变化很小；最大位移在45.91～52.13 m之间变化；锚链预张力在140.5～135.4 t之间变化；锚链平均张力在298.57～297.31 t之间变化；最大锚链张力在474.16～437.34 t之间变化，且随着吃水的增加而降低。

图5 单根锚链悬链线形状图Fig.5 Single chain catenary shape graph

图6 单根锚链刚度曲线图Fig.6 Single chain stiffness curve

表6 不同吃水下平台位移与锚链张力计算结果Table 6 Calculation results of platform displacement and chain tension under different drafts

根据计算结果可知，通过增加3 m的吃水，可使最大锚链张力降低36.82 t，降幅达7.8%。但平台的平均位移、最大位移、预张力和平均锚链张力变化均不大。图7更直观地比较了不同吃水下的锚链张力。

图8为6号锚链顶端张力响应谱密度曲线图。由图可知，虽然不同吃水下锚链的悬链线形状改变不大，且锚链的预张力和平均锚链张力仅有微小的改变，但19 m吃水时锚链的低频和波频响应均明显低于16 m吃水时的响应，说明吃水的变化影响了锚链的动态响应特性。

图7 锚链张力随平台吃水变化图Fig.7 Chain tension exchange with platform drafts

图8 锚链顶端张力响应谱密度曲线Fig.8 Chain top tension response spectrum curve

2 改变平台艏向对深水半潜式钻井平台抗台效果的影响

由于所研究半潜式平台的工作地点为我国南海海域，该海域极限海况为热带季风所引起的台风海况，因此，风对半潜式平台运动响应的影响以及半潜式平台在风浪联合作用下的运动响应，对于平台的钻井工作和自身安全极为重要。

2.1 风浪联合作用下半潜式平台运动响应的数值计算方法

平台运动响应的数值计算过程中考虑了风、浪和锚泊系统对平台主体的作用力，以及它们与平台运动响应的耦合作用。下面简单介绍风、浪载荷的计算方法。

2.2.1 波浪载荷

在不规则波浪作用下，假如结构物中心处波面的瞬时高度为η(t)，那么在整个物体上的瞬时波浪作用力和力矩在二阶波陡近似下可写为[6]

(16)

(17)

i=1,2,…,6,

(18)

2.1.2 风载荷

平台的风载荷Fwind的计算公式为

(19)

式中：vh为h高度处风与平台的相对速度；ρ=1.29 kg/m3为空气密度；Ah是无倾斜平台在风速方向的投影面积；Cd,h为h高度处平台的无倾斜风力系数，从半潜式平台风洞实验测量得出；而μ则为平台倾斜所导致的对风力系数的放大因子，计算中取μ=1.1。

2.2 调整平台艏向对环境荷载受力效果

一般情况下应根据台风预报，启动撤台应急响应，台风条件下平台应该撤离。但南海海域往往可能遭遇台风预报不准确、不及时的情况，导致平台来不及撤离。因此，需要研究在半潜式钻井平台来不及撤离时如何进行有效的应对，以使得平台安全并且遭受的损失最小。下面讨论通过调整平台艏向来应对突发的台风环境条件的影响。

台风来临时，超深水半潜式钻井平台可通过动力定位系统调整平台艏向与台风入射方向，如图9所示。

本文举例入射方向与浮箱夹角0°，θ，90°。根据经验及风力流力计算公式可得，当平台浮箱与波浪、风力入射方向夹角越小时，平台所受外力越小，进而平台产生的横向漂移距离也越小。

因此，当台风突袭平台、无法及时撤台时，平台应尽量调整艏向，使平台艏向与波浪、台风入射方向夹角尽可能地小。

图9 半潜式平台艏向与波浪入射方向夹角示意图Fig.9 Included angle between the semi-submersible platform bow direction and wave direction

3 深水半潜式钻井平台避台原则及防台措施

3.1 南中国海台风预警系统

根据在南中国海作业的经验，按风险等级划分深水防台警戒区域，主要考虑台风与平台的空间距离或台风到达平台的时间，以井场为中心、适当的半径来划分绿色、黄色、橙色和红色范围形成防台警戒区域。

(1) 以空间距离为依据的防台警戒区域是：根据平台与台风的距离确定所处的警戒区域。

(2) 以时间为依据的防台警戒区域是：根据实时的台风移动速度和与平台的距离测算台风到达平台位置的时间，确定所处的警戒区域。

考虑到台风移动速度具有实时性，根据经验以空间距离为依据，确定的警戒区可能与实际情况有误差，因此深水防台程序的启动同时也考虑以时间为依据的警戒区，如图10所示。由两种依据同时对平台所处的警戒区域进行判断，取保守情况启动相应的响应程序。

图10 台风应急决策方法Fig.10 Typhoon emergency decision method

以空间距离为依据的防台警戒区域划分如下。防台区域警戒等级主要用来指导台风来临时相应行为的启动。在实践中，警戒等级的设定标准可能需要实时修正。如图11所示，荔湾深水区块防台警戒区由内向外划分为4个区域。

(1) 红色警戒区是以平台为中心，半径R1为250 n mile(463 km)的海区。

(2) 橙色警戒区是以平台为中心，半径R2为450 n mile(833 km)的海区。

(3) 黄色警戒区是以平台为中心，半径R3为600 n mile(1 111 km)的海区。

(4) 绿色警戒区是以平台为中心，半径R4为750 n mile(1 389 km)的海区。

图11 荔湾深水区块防台警戒区Fig.11 Typhoon resistance warning area of Liwan deepwater block

3.2 不同警戒区域的应急反应程序

以空间距离为依据和以时间为依据的防台警戒区等级均表示为绿色、黄色、橙色、红色四个区域。南海不同等级警戒区的应急反应程序如下。

(1) 绿色区域(第一阶段——预警报)。在作业区域内确认存在台风或热带风暴的潜在危险，就要开始着手监测风暴动态，陆地和海上组织者就要开始做初步的准备(包括气象跟踪、后勤准备等)，根据以往统计数据初步判断到达该范围的时间。

(2) 黄色区域(第二阶段——开始准备停止当前作业、移动钻井平台)。当台风或强热带风暴朝着作业区域移动，将实施台风紧急撤离阶段I的应急措施。撤离1类非必要作业人员。做好解脱下部隔水管总成(LMRP)的准备工作，准备隔水管回收工具，根据相应的时间计算结果，随时准备启动回收隔水管程序。

(3) 橙色区域(第三阶段——警告区)。当台风以特定路径朝着作业区域移动，危及作业，处于橙色区域并在红色区域外时，实施台风紧急撤离阶段Ⅱ的应急措施。撤离2类非必要作业人员。开始进行隔水管和LMRP回收作业，并将LMRP固定在平台上。

(4) 红色区域(第四阶段——危险区)。当台风移动至红色区域边缘时，实施台风紧急撤离阶段Ⅳ的应急措施，动力定位钻井平台开始驶离台风路径。

3.3 对台风强度和轨迹不确定性的考虑

众所周知，热带气旋的强度和轨迹很难准确预计。面对这样的不确定性，海上作业者应对热带气旋的影响，典型的都是基于预报中热带气旋的监控圈，而没有考虑其他量化的因素，例如不确定性和置信区间，以及表面风速和波浪高度的历史数据。因此经常会导致不必要的误报，从而带来损失(不必要的撤离导致的撤台费用)。另外，简单地以离作业现场距离作为判断严重性的依据，会导致某些时候产生另外一种误判(应该撤离而没有撤离)：通常是由于没有考虑一个距离很远但是强度很高的台风产生的风和波浪，或者对一个不规则运动的风暴产生误判——例如有些时候台风和季风合成导致风暴加强。

当一个台风来临时，决策“撤离”或者“不撤离”通常不是那么清晰的，即使得到了最好的天气预报数据也是如此。经验和操作要求以及对可靠数据的解释，对做出合理的管理决策起了主要作用。在风暴轨迹的不同阶段，需要计算所需直升机的数量和时间；需要考虑速度、位置、可用的白天航行时间；需要加强对所有员工的台风应急培训。在季风季节的一些情况下，并不是所有的天气预报都考虑了季风导致的风和波浪条件。

4 结 语

一般情况下，应根据台风预报启动撤台应急响应，台风条件下平台应该撤离。但南海海域往往可能遭遇台风预报不准确、不及时的情况，导致平台来不及撤离。因此，在半潜式钻井平台来不及撤离时如何进行有效应对，使得平台安全并且遭受的损失最小非常重要。通常情况下，改变吃水、调整锚链预张力、调整平台方位等均能起到一定的防台作用。本文针对典型深水半潜式钻井平台的避台原则及防台措施进行探讨，并通过比较典型半潜式钻井平台吃水的改变，分析对平台系泊张力及运动性能的影响，最终得到可指导平台操作的结论。

当平台无法有效撤台时，采用三维势流理论和时域耦合动力分析方法，计算了典型深水半潜式钻井平台在一系列吃水下(16～19 m)的总体性能，探讨通过改变吃水达到降低系泊系统受载的可行性，结论如下：

(1) 不同吃水下，平台平均位移在27.35～27.72 m之间变化，标准差仅为0.13 m，变化很小。

(2) 不同吃水下，平台最大位移在45.91～52.13 m之间变化。

(3) 不同吃水下，锚链预张力在140.5～135.4 t之间变化，标准差仅为1.7 t，变化很小。

(4) 不同吃水下，锚链平均张力在298.57～297.31 t之间变化，标准差仅为0.77 t，变化很小。

(5) 吃水由16 m增至19 m时，最大锚链张力由474.16 t降至437.34 t，降低了36.82 t。

综上所述，以典型深水半潜式钻井平台为例，计算可通过改变吃水而降低系泊系统的最大受载。改变吃水的同时需考虑对平台稳性的影响。平台调压载的效率与压载泵的能力密切相关。

当台风突袭并且平台无法及时撤台时，平台应尽量调整艏向，使平台艏向与波浪、台风入射方向的夹角尽量小。

根据在南中国海作业的经验，根据风险等级划分深水防台警戒区域，主要考虑台风与平台的空间距离或台风到达平台的时间，以井场为中心、适当的半径来划分绿色、黄色、橙色和红色范围形成防台警戒区域。不同防台警戒区域需要根据台风来临时间等多重因素采取不同的预警系统及预警程序。当一个台风来临时，决策“撤离”或者“不撤离”通常不是那么清晰的，即使得到了最好的天气预报数据也是如此。考虑到台风强度和轨迹的不确定性，经验和操作要求以及对可靠数据的解释，对做出合理的管理决策起了主要作用。

[1] American Petroleum Institure. API RP 2SK 2005. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures [S]. 2005.

[2] Petruska D J, Castille, Colby C A. API RP 2SK:Stationkeeping—an emerging practice[S]. OTC, 2008:19607.

[3] NA-7529-001 CNOOC design loading conditions Rev I [R]. 2009.

[4] 王献孚.船舶计算流体力学[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[5] 戴遗山，段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论[M].北京:国防工业出版社,2008:92-176.

[6] Cummins W E. The impulse response function and ship motions[J]. Schiffstechnik, 1962,9:101.

StudyonTyphoonResistanceMeasuresofDeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LI Yang, ZHANG Wei, XIE Bin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The frequent occurrence of typhoon in the South China Sea has brought so many challenges to the safety and efficiency of marine oil and gas resources development. One of the main working areas for the deep water of the South China Sea in the future is how to effectively avoid or reduce loss when emergency withdrawal is not attainable. Deepwater semi-submersible drilling platform is an important drilling equipment in the South China Sea. Taking a deepwater semi-submersible drilling platform as the research object, a detailed analysis on the principles and measures for the deepwater semi-submersible drilling platform to avoid typhoon is carried out. For example, we can adjust the platform bow direction to reduce overall impact force on the platform. Three-dimensional potential flow theory and time domain coupled analysis method are used to calculate the overall performance of platform under different drafts. By changing the platform draft and thus reducing the mooring system load, it is possible to avoid the destruction of the mooring system. The draft adjustment of the typical semi-submersible drilling platform and the influence of platform mooring tension and motor performance are discussed. Finally, the conclusion for guiding the operation of the semi-submersible drilling platform against typhoon is obtained.

deepwater semi-submersible drilling platform; typhoon; mooring system; typhoon resistance

2015-11-23

李阳(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事深水浮式平台结构及水动力分析方面的研究。

U674.38+1；U698.91

A

2095-7297(2015)06-0396-09