深水半潜式钻井平台内波流海域艏向确定方法研究与应用

姜 伟

(中国海洋石油总公司，北京 100010)

深水半潜式钻井平台内波流海域艏向确定方法研究与应用

姜 伟

(中国海洋石油总公司，北京 100010)

结合采用锚链定位的半潜式钻井平台，对南海半潜式平台的环境力进行了分析和研究。在有内波流的海域作业确定平台艏向时，考虑内波作用对于平台定位的影响是十分重要的一点。通过实例计算和分析，得出确定平台艏向的原则就是要使得平台受到环境力最小的明确结论。应将内波来袭的方向确定为平台的艏向，以最大限度地减少平台承受的海流力，保障定位的稳定和作业的安全。建议对于在南海有内波海域的作业，进一步制定合理的标准和规范，尽量避免由于内波导致的平台漂移，确保深水钻井作业安全。

深水半潜式平台；内波流；平台漂移；波浪流风载荷；艏向选择方法

0 引 言

内波也叫孤立内波，是一种非线性、高能量的海洋波，在密度稳定层化的海洋中发生。高频孤立内波具有振幅大、周期短、能产生强烈的波致剪切流的特性[1-2]。孤立内波在深度较浅的密度跃层传播时，可使表层流场产生较大的改变。孤立内波所引发的波致强流将对各种海上结构物、设备、船只产生强的冲击载荷，对其安全性造成威胁。当跃层深度较深时，海洋内波引起的波致强流将直接对海底油气管道、深水立管等的安全造成威胁。

我国南海一直以来有着世界海洋中最强的孤立内波，是孤立内波出现最为频繁的海域，是海洋学家研究的热点区域。中海油“海洋石油981”深水钻井平台进入南海海域开展海洋深水勘探工作，标志着我国海洋石油勘探正向深水进军。与此同时，我国在深水海域进行勘探工作，遇到了内波在海洋技术上带来的挑战。

南海海域是世界上内波流多发的海域之一，中海油NHX号锚链定位半潜式钻井平台，仅在2014年4—8月就遭遇内波流袭扰达47次之多，对于平台目标系统和水下系统造成极大的威胁[3-4]。内波流是中国南海所经常遇到的、十分频繁的海洋自然现象，应当视作一种海洋自然灾害。开展对于内波的对策研究，对于我们保障深水钻井作业安全和深水钻井装备的安全，具有十分重要的意义。

针对南海内波频发的环境条件，本文重点研究了深水半潜式平台的艏向确定方法，研究结果有助于保证南海深水钻井作业的安全。

1 半潜式钻井平台漂移问题的提出

锚泊定位的深水半潜式钻井平台工作状态如图1所示。半潜式钻井平台通过在平台四个角上的八台锚机，使用八个锚和八条锚链抵御海洋风、浪和流的环境力的作用，在海面上保持平台位置的相对稳定，这样才能保证水下井口、防喷器(BOP)、钻井隔水导管等设备的安全以及钻井作业的安全。

图1 深水半潜式钻井平台作业示意图Fig.1 Schematic diagram of deepwater semi-submersible drilling platform operation

当钻井平台在海上作业时，如果作业海域海况(如风、浪、流)发生变化，可能会影响到半潜式平台井口的稳定和定位。采用锚链定位的平台是依靠锚泊力和锚泊定位系统的恢复力来控制平台的定位和稳定的。深水钻井平台在钻井隔水导管底部有一个铰接头，允许隔水导管在漂移时有一定的转动角度。当这个角度过大或者偏移量过大时，就需要应急解脱底部隔水管总成(LMRP)，以便使得平台在漂移过大的情况下，不至于拉断隔水导管或者对水下防喷器造成损坏。

在南海进行深水钻井和海上其他作业时，经常会遇到内波流的困扰。内波流对于钻井作业效率和钻井平台设备以及作业安全造成了极大的威胁和影响。进入到深水以后，内波的问题越来越突出，其中近年来的突出例子之一，就是中海油NHX半潜式钻井平台曾经在XXBI-4-1井遭遇内波流的袭扰，内波流最大流速达到2 m/s，造成平台最大偏移量101 m；在解脱LMRP以后，还遭遇到的内波流最大流速达到2.5～3.1 m/s，平台最大偏移量达到137 m。累计影响作业时间186 h，按照当时钻井平台的日费用计算，相当于直接由于钻井平台日租金费用的经济损失就约达280万美元。同时在此期间还发生了张力器钢丝绳拉断、球接头和挠性接头倾斜角度超过10°、伸缩节盘根损坏发生泄漏、隔水管经检验确认受损等问题。

由此可见：只有尽可能减少深水半潜式钻井平台受到的海洋环境力的影响，才能较为可靠地保证平台位置的稳定和定位。而我们在海上遇到的海域环境条件是不可控制和改变的，那么只能考虑如何合理地利用海洋环境条件，尽可能减少环境力对于平台漂移产生的影响。对此，风向和海流的流向是非常重要的影响因素。半潜式钻井平台作业时平台艏向的选择和确定，就要考虑如何才能使钻井平台在作业时承受较为合理的环境载荷，尽量避免平台在遭遇内波流袭击时发生过大漂移，尽量避免由于平台漂移对钻井作业安全以及平台安全带来的巨大的潜在威胁。因此，开展深水半潜式钻井平台艏向确定方法及其影响定位因素的研究，对于我们提高作业效率、保障作业安全和深水钻井平台设备安全运行，具有非常重要的意义。

2 半潜式钻井平台海洋环境力的计算

考虑到海上钻井作业现场可用的针对内波流的测量仪器和方法有限，同时为了在环境力的总体上判明情况，并考虑到目前业内最常用的和公认的权威计算方法，仍然按照美国船级社(ABS)[5]计算环境载荷的方法进行平台海洋环境力的计算。

海面结构物受风力的计算公式为

(1)

式中：Fw为海洋水面结构物所受风力，lb(1 lb≈4.536 N)；A为海洋水面结构物所受风力的投影面积，平方英尺(1平方英尺≈0.092 9 m2)；Vk为风速，kn；Ch为高度系数；Cn为形状系数。

海面结构物受浪力的计算，对于300英尺(1英尺≈30.48 cm)以上水深的浮船型，分4种情况。

(1) 船艏受浪，当T≥0.332L0.5(T为波浪周期，s；L为船长，英尺)时，

FSB=(0.273H2B2L)/T4,

(2)

式中：FSB为船艏受浪的海浪作用力，lb；H为沉没高度，英尺；B为船横向宽，英尺。

(2) 船艏受浪，当T<0.332L0.5时，

FSB=(0.273H2B2L)/(0.664L0.5-T)4.

(3)

(3) 船横向受浪，当T≥0.642(B+2D)0.5(D为船吃水，英尺)时，

Fsb=(2.10H2B2L)/T4,

(4)

式中：Fsb为船横向受浪的海浪作用力，lb。

(4) 船横向受浪，当T<0.642(B+2D)0.5时，

Fsb=(2.10H2B2L)/(1.28(B+2D)0.5-T)4.

(5)

海洋结构物受海流力的计算，对于半潜式平台，船横向或艏向受流时，作用于船体上的海流力为

(6)

式中：Fr为作用于半潜式平台船体的海流力，lb；Ac为水线以下的所有圆形或矩形立柱的总投影面积，平方英尺；Af为水线以下其余的总投影面积，平方英尺；Vc为海流速度，kn。

3 NHX号半潜式钻井平台漂移计算分析

下面通过实例说明半潜式钻井平台漂移的计算分析。

采用锚链定位方式的NHX号半潜式钻井平台的基本情况如下：具有6个立柱、2个浮箱，尺寸90 m×69 m×35 m；最大作业水深1 400 m，最大钻井深度7 620 m；Φ476 mm 105 MPa水下防喷器和Φ553 mm隔水管；最大可变载荷45×103kN；3台National-1600泥浆泵；105 MPa井控系统。

该平台曾在2014年4月2日至5月3日在XXBI-4-1井作业，当时平台艏向60°，遭遇内波流袭扰达30次之多(内波流向270°～350°，风速5～20 m/s)，其中一次在未能解脱隔水导管LMRP的情况下平台漂移距离达到112 m，最为严重的一次是在解脱隔水导管LMRP后，平台漂移距离达到132 m，当时测量到的内波流速达到2.57～3.08 m/s(5～6 kn)。

在南海深水钻井采用的环境参数为：十年一遇风、浪结合内波流环境参数。取风速(1 min平均风速)Vk=19.5 m/s，流速Vc=1.54 m/s(3 kn)，谱峰周期Tp=10.53 s，有义波高Hs=5.9 m。

按照NHX的平台参数和式(1)，首先计算平台受到的风力载荷，计算结果如表1和表2所示。

表1 艏向受风载荷

表2 横向受风载荷

按照NHX的平台参数和式(2)～(5)，计算平台受到的浪力载荷，结果如表3所示。

表3 NHX受浪力计算

按照NHX的平台参数和式(6)，计算平台的流力载荷，结果如表4和表5所示。

表4 艏向受流载荷

观察表1～2风力载荷计算结果发现：由于NHX平台结构基本对称，只是生活楼面积在艏向方向要大于横向方向的2倍，主甲板上其他结构在横向方向要大于艏向方向1倍以上。艏向风力载荷(427 kN)略大于横向风力载荷(409 kN)，风力载荷基本一致，因此在考虑风力载荷时，受风方向影响不大。

表5 横向受流载荷

观察表3浪力载荷计算结果发现：由于NHX平台结构在横向船舷左右两侧对称分布各3个立柱，因此艏向浪力载荷(409 kN )远小于横向浪力载荷(1 471 kN)，仅约为横向浪力载荷的28%。

观察表4～5流力载荷计算结果发现：由于NHX平台结构基本为在艏向左右对称分布，在左右船舷各有3个立柱和1个船型浮筒，因此艏向流力载荷(1 238 kN)远小于横向流力载荷(2 146 kN)，约为横向流力载荷的57.7%。由此可见，在考虑流力载荷时，海流方向其影响很大。

通过观察表1～5，我们不难发现：影响锚链式深水半潜式平台定位的海洋环境力，有风力载荷、海浪力和海流力。由于风载荷对于平台的艏向或横向影响差别不大，而海浪方向难以确定，因此环境力影响最大的就是海流力。换言之：选择好的船艏方向，就是受海流力小的方向，也就是船艏应该布置在来流的方向上，或者是对着海流的方向上。

为了说明海流方向影响半潜式平台的定位和所受的环境力，假设在南海深水钻井采用的环境参数条件下，内波流流向为270°(NHX平台遇到的实际情况)，当平台艏向与流向夹角在0°～180°之间变化时，通过对流力的计算，来考察艏向引起流力的变化的情况及其规律。计算结果如表6所示。根据计算数据绘制出图2。

表6 海流力在平台艏向0°～180°时的变化情况

图2 内波流流向270°时，流力载荷随平台艏向的变化Fig.2 Current force versus platform heading when the direction of internal wave current is 270°

观察图2和表 6，可以得出如下结果。

(1) 当平台艏向在0°～90°之间变化时，其受到的内波流载荷是逐步减小的。其中平台艏向在0°时，与内波流方向恰好呈90°角，此时流力载荷为最大值。例如当内波流流速为1.54 m/s(3 kn)时，平台艏向在0°时流力载荷为2 146 kN，平台艏向在90°时流力载荷为1 238 kN，后者仅为前者的58%。

(2) 内波流流速越大则平台流力载荷也越大，如平台艏向同样在0°条件下，流速为0.514 m/s(1 kn)时，流力载荷为238 kN；流速为1.54 m/s(3 kn)时，流力载荷为2 146 kN；流流速为2.57 m/s(5 kn)时，流力载荷为5 962 kN。流力载荷基本与流速的平方成正比。

(3) NHX在遭遇内波时，其艏向为60°，而此时流向为270°，来流方向与船艏方向夹角为30°。由表6可以看出：当流速为2.57 m/s(5 kn)时，受到的内波流载荷为4 758 kN，占横向流载荷(即最大流载荷)5 962 kN的80%；当流速为1.54 m/s(3 kn)时，受到的内波流载荷为1 712 kN，仍然占横向流载荷(即最大流载荷)2 146 kN的80%。同时我们可以发现：当流速为2.57 m/s(5 kn)时其最大流力是1.54 m/s(3 kn)时的2.78倍。

(4) 当船艏对着来流方向(艏向为90°)，也就是船艏受流力时，由表6可见，由于平台艏向投影面积仅占横向投影面积的58%，流力载荷大为减少，艏向受到的流载荷仅占横流载荷的58%。换言之，如果NHX在遭遇内波流的时候平台艏向在90°方向上，其流力载荷必将大为减小，减小幅度达40%以上，这样一来其走锚的风险必然大为降低。

由此可见：平台艏向是决定平台定位安全的主要因素，只要平台艏向对准来流的流向，必然会大幅度降低平台受到的海流力，并且对于NHX平台，大约可以减少40%的海流力，这对于平台锚泊系统和定位安全是至关重要的。

在现行标准SY/T 10035—2010《钻井平台拖航与就位作业规范》[6]5.4.2“平台艏向确定”中明确规定：平台艏向的选择，应以占优势的主导风、流为依据。通常半潜式平台应采用偏顶风或偏顶流，自升式平台应采用横风或横流的方向作为平台艏向。根据NHX半潜式平台的实际情况，对于该标准提出下述思考和建议。

(1) 对于半潜式平台艏向的选择，不宜仅以主导的风、流为依据，而应该将计算得到的风载荷和流载荷中较大者作为半潜式平台艏向选择的依据。

(2) 对于主甲板上部结构对称分布的半潜式平台，本文表1、表2计算结果表明风向对其风载荷没有影响。鉴于风向已经无法改变风载荷的大小了，因此应该以流向作为艏向选择的依据。同时，本文表4、表5计算结果说明：顶流方向平台受力大约为横流方向的50%。因此，应以顶流方向作为平台艏向(与流向夹角为零)，而不是偏顶流方向。

根据NHX平台在南海作业频繁遭遇内波的情况来看，在原来的规范和标准方面，应考虑进行必要的调整和细化。建议在现行标准中关于半潜式平台艏向选择的依据中，进一步明确三点：

(1) 应以占优势的主导风载荷或是流载荷，即两者中较大者，作为平台艏向选择的依据。

(2) 在流载荷为最大环境载荷条件下或者风载荷与风向无关的条件下，半潜式平台应选择顶流方向为平台艏向。

(3) 对于有内波流的海域，半潜式平台的艏向选择要充分考虑内波流条件下的载荷和影响，并且要把内波作为环境载荷影响的重要因素来校核艏向选择是否合理。

4 结 语

长期以来，南海海域的内波流问题对于海上钻完井作业和生产作业已经带来了极大的影响。NHX平台作业期间遇到一次内波袭扰，造成锚泊系统走锚、平台发生漂移。本文以该平台为例，对南海半潜式平台的环境力进行了分析和研究。

根据NHX半潜式钻井平台的情况来看，由于两个重要因素才引起了问题的发生：一是内波流的流速超过了十年一遇的环境条件；二是没有完全掌握南海内波流的主要流向，因此在锚链定位的半潜式平台艏向选择欠妥。

钻井平台船艏向的选择，通常情况下需要兼顾平台两舷靠拖轮方便，为此通常考虑的是常年流的方向。就NHX漂移情况来看，半潜式平台的漂移和走锚后果更为严重，因此在考虑平台就位和布锚方案时，应该首先考虑半潜式钻井平台艏向要对流向，才能抓大放小，尽可能避免钻井平台设备损坏。如果拖轮停靠与平台艏向对流向发生冲突，首先应该满足钻井平台艏向对流向；拖轮由于推进器操作灵活，即使遇到内波流袭击，其调整也远比锚链定位的半潜式钻井平台方便有效。

随着我国油气开发逐步走向深水，为了保证作业安全，对于参照国外海洋平台钻井作业标准和规范制定的操作规程，建议根据实际情况进行必要的修订。宜根据南海内波的情况，对于目前的平台就位艏向确定的规范进行必要和适当的修改。选择半潜式平台艏向考虑的要素应为：风载荷、流载荷，谁大谁就是艏向选择的依据；风载荷与风向无关时，应选择顶流方向为平台艏向；内波是环境载荷的重要因素，必须加以考虑，并且应当用于校核艏向选择的合理性。

我们还需要深入开展对于南海内波规律及应对内波流措施的研究，进一步完善锚链定位半潜式钻井平台艏向选择及其定位的设计规范和管理程序，进一步强化锚链定位半潜式钻井平台应对平台漂移的措施，确保深水钻井平台及其相关设备的安全和钻井作业的安全。这对于保障南海深水钻井作业安全和设备安全具有极其重要的现实意义。

[1] 谢波涛, 雷方辉. 南海流花海域内孤立波特征分析[C]. 中国海洋工程技术年会论文集, 2013: 210.

[2] 杨美志. “内波流”对动力定位船安全作业的影响及对策[J]. 航海技术, 2013(3): 18.

[3] 陈彬, 韦红术, 刘正礼, 等. 南海内波对深水钻井的影响及对策研究[C]. 深水钻完井理论与技术实践专集, 2015: 772.

[4] 杨秀夫, 姜伟, 华成刚, 等. 深水钻井船漂移分析及应对措施[C]. 深水钻完井理论与技术实践专集, 2015: 758.

[5] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units 2012. Part 3. Hull construction and equipment [S]. 2012.

[6] 国家能源局. SY/T 10035—2010. 钻井平台拖航与就位作业规范[S]. 2010.

ResearchandApplicationoftheHeadingDeterminationMethodforSemi-SubmersibleDrillingPlatforminInternalWaveCurrent

JIANG Wei

(ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

The environmental force acting on the South China Sea semi-submersible platform is analyzed and studied through the example of a semi-submersible drilling platform with anchor location. For the heading determination of a platform operating in the internal wave flow waters, it is very important to consider the influence of wave function on the platform positioning. Through calculation and analysis, it is definitely concluded that the principle for determining platform heading is to minimize the environmental force acting on the platform. The heading of the platform should be set to the direction of incoming waves, so as to reduce the current force on the platform, and to ensure stable and safe operation of positioning. For operations in the South China Sea where internal waves are frequently found, we need reasonable standards and guidelines to avoid the drift and damage of the platform caused by the internal waves and to ensure the safety of deepwater operation.

deepwater semi-submersible platform; internal wave current; platform drift; load of the wave, flow, and wind; heading determination method

2016-09-18

姜伟(1956—)，男，教授级高级工程师，主要从事深水钻井方面的研究。《海洋工程装备与技术》编委。

TE52

A

2095-7297(2016)06-0331-07