新型北极冰区半潜式钻井平台及其系泊定位能力分析

屈 衍， 尹昊阳， 闯振菊， 刘大辉， 季顺迎

(1. 华南理工大学 海洋科学与工程学院， 广东 广州 511436； 2. 大连海事大学， 辽宁 大连 116026；3. 中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264670； 4. 大连理工大学， 辽宁 大连 116024)

0 引 言

世界未发现石油和天然气储量约30%位于北极，约5 250亿桶油当量[1]，其中约75%即3 890亿桶油当量在北极海底。随着全球需求的增加和常规油气储量的消耗，开发北极油气资源是满足未来人类社会油气需求的必然选择。

从技术上分析，北极海上油气勘探目前已不存在无法克服的困难。在20世纪70年代—20世纪90年代初，国际石油公司已相继在加拿大和美国的波弗特海钻探140多口油井[2]。 在这些极地冰区海上钻井过程中，采用多种钻井装备，包括沉箱式钻井平台Molikpaq、圆锥形浮式钻井平台Kulluk、有破冰船值守的钻井船和单体钢结构钻井沉箱SSDC等大型结构，如图1所示。

图1 20世纪80年代用于北极海上钻井作业的海洋工程装备

2000年以后，俄罗斯石油、壳牌、埃克松美孚、雪佛龙等公司纷纷在俄罗斯、加拿大、美国等北极海上冰区开展一系列钻井活动。这些钻井活动基本都采用半潜式钻井平台进行作业，如图2所示。俄罗斯石油公司与埃克松美孚合作采用West Alpha号半潜式平台在喀拉海钻探East Prinovozemelsky-1井[3]。壳牌公司采用Polar Pioneer号钻井平台在美国楚科奇海域进行钻探活动[4-5]。壳牌公司对圆锥形浮式钻井平台Kulluk进行改造，计划在美国的波弗特海进行钻井，然而在拖航过程中平台发生触底事故，导致平台最终报废。俄罗斯天然气公司和俄罗斯石油公司近几年利用我国中海油田服务股份有限公司的南海8号和南海9号在位于喀拉海的Nyarmeyskoye区块、Leningradskoye和Skuratovskoye区块进行钻井[6]，并且发现Dinkov油气田和Nyarmeyskoy油气田[7]。

图2 2000年后用于北极海上钻井作业的半潜式钻井平台

从近年的北极钻井作业来看，所采用的半潜式钻井平台主要由常规半潜式平台进行防低温升级和结构抗冰加强改造。这些钻井平台只能在北极夏季无冰海面进行钻井作业。由于北极夏季较短，且平台动复员距离较远，因此这些平台每次在北极可以进行作业的时间有限。通常，每年夏天只能钻1～2口井。如果目标区块内的钻井作业不能在一个作业周期内完成，动复员和弃置过程都会显著增加钻井成本[8-9]。文献 [10]指出，为降低钻井成本，在北极作业的钻井平台需具备对海冰载荷的抵抗能力，能够在有海冰的条件下工作。在春季海冰融化到一定程度时，可以将钻井平台拖航至目标海域，以便更早开始作业。在秋冬季海冰开始形成但冰厚低于一定程度时，平台可以继续作业。这样可将作业窗口从夏季扩展至春季和秋冬季，大幅延长作业窗口期，显著降低钻井作业成本。

为了达到上述目标，在北极作业的半潜式钻井平台需具有抗冰能力，其抗冰能力由以下几个方面组成:

(1) 平台在移动的海冰作用下需有足够的定位能力；

(2) 船体具有足够的强度以抵御海冰造成的冰载荷；

(3) 立管应避免受到平整海冰和大块碎冰的直接作用，在碎冰作用下立管可以作业；

(4) 系泊系统可在海冰作用下正常工作。

根据上述要求，提出一种可以在北极海上作业的新型半潜式钻井平台(简称“平台”)概念，并对其在北极夏季海洋环境条件和春秋季节有冰条件下的系泊定位能力进行了分析。分析结果表明，平台可以满足典型北极海上区块的钻井作业要求。

1 平台总体性能要求

半潜式钻井平台的偏移是浮式钻井平台设计中的主要限制条件[7]。平台在环境载荷作用下的偏移量超过限值会使钻井立管产生较大的倾斜角，从而导致钻井作业无法正常进行。对于北极冰区钻井平台，通常要求在作业工况和极端生存工况下平台的容许偏移量为作业水深的5%和10%[9]。由于目前北极冰区部分目标油气区块处于60～150 m水深，因此平台的允许偏移量很小，这对平台的设计提出了较大的挑战。

2 新型北极冰区半潜式钻井平台概念

所提出的北极冰区半潜式钻井平台概念如图3所示。

图3 新型北极冰区半潜式钻井平台概念图

平台设计为6立柱和双浮筒半潜式船体结构。平台主体结构包括甲板和下部浮体，下部浮体包括2个平行设置的浮筒和6个立柱。平台立柱从下至上分成竖直段和倾斜段。平台设计2种吃水位置：在夏季作业时，平台吃水位于立柱的竖直段，此时平台的运动特性与常规的半潜式平台接近；在冬季有冰海况作业时，平台吃水位于立柱的倾斜段。由于位于上部的立柱倾斜段向平台中心倾斜，当冰与倾斜立柱作用时，海冰将发生弯曲破坏，可有效降低冰载荷。平台船首和船尾处的4个立柱双向倾斜，即倾斜段在xz和yz平面均向平台中心倾斜，可确保海冰从各个方向与平台发生作用时均作用在倾斜立柱表面并发生弯曲破碎。2种吃水位置的设置可让新型平台在无冰海域与常规平台一样作业，使平台具有在全球各个海域作业的能力。

平台系泊定位系统由4组锚链构成，分别布置在船首和船尾处的立柱外侧。对冰区浮式结构而言，锚链一般不暴露在海冰直接作用下，如Kulluk钻井平台[11]和Huisman的JBF圆锥形钻井平台[12]均将系泊布置在平台内部。如果海冰直接作用在锚链上，一方面可能引起锚链的磨损，另一方面可能影响锚链的收放作业。因此，建议冰区半潜式钻井平台对锚链进行防护。为了避免海冰与锚链的直接作用，在平台上设计锚链防冰装置，如图4所示，即在吃水位置附近加装钢板防护罩，将锚链盖住。

图4 锚链防冰装置

钻井立管为长细结构，其侧向承载能力较低。为了防止海冰直接作用于平台立管，设计立管防护装置。立管防护装置利用位于平台中部甲板两侧相对的2个立柱，在2个立柱之间加装2组钢质水平梁，即在立柱前后两侧上中下位置各设置3根钢质水平梁与立柱一起形成围栏，并采用V形梁加强。这样在月池下方形成的围栏可以防止平整冰或大块碎冰直接与钻井立管发生作用。在钻井作业过程中，立管由月池下放，经过立管防护装置中间位置入水。当海冰与平台发生作用时，整块平整冰先作用在平台立柱上，发生弯曲破碎。当破碎后的大块浮冰进入月池下方时，立管防护装置可避免大块碎冰直接作用在钻井立管上，确保立管不受较大的侧向冰载荷作用，保障钻井作业安全进行。

表1给出了新型北极冰区半潜式平台的主尺度数据。由于主要介绍一种新型平台概念，表1主尺度数据主要借鉴典型半潜式平台数据得到。如果针对特定海域设计平台，可根据要求对这些数据进行优化。

表1 新型北极冰区半潜式钻井平台主尺度数据

3 平台系泊系统

对于北极钻井勘探活动，研究认为自升式钻井平台的作业水深上限为50～80 m，浮式钻井平台系泊系统的作业水深上限为300～400 m。若超过上述水深，则需要采用动力定位系统为半潜式钻井平台提供定位能力。目前，北极海上油气的勘探热点还没有到达深水区域。因此，对北极冰区半潜式钻井平台的系泊定位能力分析主要针对系泊系统的定位能力。为确保平台有足够的系泊恢复力抵御冰载荷的作用，平台采用4组系泊锚链配置，每组3条 R4锚链加钢丝缆绳，共12条。表2为系泊系统的主要参数。

表2 系泊系统参数

4 平台拟作业地区海洋环境

选取喀拉海为目标作业海域，假设某井位水深为70 m，研究平台是否可以满足有冰条件下作业要求。由于平台不需要在冬季重冰期作业，因此可不考虑作业地区极端冰厚条件，只需考虑春季或秋季的海冰条件。取1.0 m作为作业冰厚要求，1.5 m 作为极端生存海冰厚度，即：在1.0 m厚海冰作用下，平台作业工况偏移不超过水深的5%；在1.5 m厚海冰作用下，平台极端生存偏移不超过10%。同时，由于平台需要在夏季开展钻井作业，因此平台在夏季风浪流载荷作用下需保持作业能力。表3为新型北极冰区半潜式钻井平台作业及生存工况的环境条件要求。

表3 新型北极冰区半潜式钻井平台作业和极端条件环境参数

当平台在夏季开阔水域作业时，环境载荷是风、波浪和海流的组合；在冬季作业可不考虑波浪的影响，环境载荷是风、冰和海流的组合。环境载荷可使用法规和规范中推荐的方法进行估算。采用如下方法对上述载荷进行计算：

(1) 采用ISO 19906标准[13]对冰载荷进行计算。计算中将倾斜的立柱等效为水线直径等于立柱宽度的圆锥形结构。采用规范推荐的锥体海洋结构冰载荷计算方法计算载荷大小。由于海冰受到风和海流拖曳力的联合作用，因此其运动方向由这2种载荷的方向决定，在大多数时间内，海冰运动方向与潮流方向一致，但由于风向的不确定性，海冰的运动方向也有不确定性。海冰可以任何方向与结构发生作用。因此，在分析冰载荷与平台作用时，需考虑多个作用方向。考虑到平台的对称性，主要考虑船首和船侧向的海冰载荷作用。当海冰以45°方向与平台发生作用时，海冰先与单个立柱作用发生弯曲破碎，局部破碎后的海冰再与其他立柱发生作用，这种海冰与立柱作用破碎形成的载荷较低。因此，暂不考虑45°方向冰载荷。

(2) 风载荷的估算使用文献[14]介绍的方法进行。在分析中，考虑船首和船侧方向的风载荷。根据风向的不同，对平台水上部分的投影区域分别进行评估。由于平台在夏季和冬季结冰情况下采用不同的吃水深度，因此投影面积计算需考虑吃水的变化。

(3) 平台的波浪载荷由水动力分析软件SESAM计算得到。

表4为环境载荷工况组合。

表4 北极冰区半潜式钻井平台环境载荷工况组合

5 平台系泊定位能力分析

对计划在北极有冰季节开展钻井作业的海洋平台，需要先解决系泊定位能力问题，即保证平台在海冰载荷的作用下，位移保持在钻井作业允许的范围之内。为验证新型平台的系泊定位能力，采用系泊分析软件对平台的系泊定位能力进行分析与验证。平台系泊分析模型如图5所示。

图5 新型平台的船体/系泊系统模型

根据第1节所述的平台总体性能要求，平台在作业和极端工况下允许位移为5%和10%水深，取目标钻井区域水深为70.0 m，则平台在作业和极端工况下的位移要求小于3.5 m和7.0 m。在系泊分析软件中，可以给定平台的位移计算系泊系统恢复力，若恢复力大于环境载荷则说明系泊系统具有足够的恢复刚度，可以保证在给定的环境载荷作用下，平台的位移小于设定的位移极限。将风、流、冰载荷考虑为方向相同的定常力，其不同工况下的合力计算结果与系泊恢复力比较如图6所示。

图6 平台系泊恢复力与环境载荷之间关系

分析结果表明，在作业工况和极端工况下，平台环境载荷均小于平台位移为设计极限时的系泊恢复力，说明现有系泊设计结果具有足够的系泊刚度，可以保证在作业及极端工况下平台位移小于设计要求。

平台位移与系泊系统最大系泊张力关系如图7所示。结果显示，在作业允许的位移条件下，系泊系统最大张力为5 707.3 kN，约为系泊断裂强度的40%，安全因数为2.45，大于规范要求的安全因数2.00。在极端情况允许的最大位移条件下，最大张力为8 685.1 kN，安全因数为1.58，略小于规范要求的1.67[15]。尽管该结果略小于规范要求，但可通过优化船体设计、加强系泊系统或降低极端工况环境条件确保平台作业性能。由系泊定位能力分析结果可知，所提出的平台方案可满足北极冰区钻井作业的要求。

图7 平台系泊锚链受力与平台位移之间关系

6 夏季钻井作业系泊定位能力分析

夏季无冰期是平台钻井作业的主要时间窗口。夏季平台受到风浪流载荷的联合作用。平台系泊系统需要提供足够的系泊定位能力以抵御这些环境载荷的作用。采用表2～表4中的各项参数对平台开展夏季作业系泊能力分析，分析结果如表5和表6所示。

表5 北极半开阔水域平台系泊位移分析结果

表6 北极半开阔水域平台系泊张力分析结果

分析结果表明：对于表4中定义的作业工况，即环境载荷条件为一年一遇重现期，作用方向为0°和90°，新型半潜式平台的偏移量均小于水深的5%，系泊张力的安全因数大于2.00，这意味着平台在作业工况下具有足够的安全裕度；在极端工况下，平台的偏移量稍超出10%水深的设计要求，风浪流载荷从船侧向作用的时候，平台的系泊张力安全因数为1.47，稍低于规范要求。尽管分析结果显示在极端工况下平台的系泊定位能力不完全满足设计要求，但对平台进行适当的优化或者加强系泊系统，可以改善平台的受力情况、减少平台位移。此外，所给出的系泊分析结果主要基于表4列出的环境参数，在实际钻井作业过程中，可以设定满足定位要求的作业窗口环境条件。

7 结 论

在过去十几年中，多个国际公司在北极海域开展了油气勘探活动。目前，俄罗斯仍然积极开展北极海上钻井作业，并在喀拉海取得了较大的商业发现。在这些北极钻井勘探过程中，受北极海冰的影响，钻井作业都只有较窄的作业窗口，这显著增加了钻井作业的成本。石油公司迫切需要具有一定抗冰能力的钻井平台加强北极钻井作业能力。

提出一种可在北极进行钻井作业的新型半潜式钻井平台。平台设计为双浮筒6立柱的平台型式，立柱分为垂直部分和倾斜部分。在有冰海域作业时，平台吃水从直立立柱部分下降至倾斜立柱部分，倾斜立柱部分可以使作用在平台上的海冰发生弯曲破碎，进而降低作用在平台上的总体冰载荷。此外，平台设计2个抗冰辅助结构，即月池下方的立管防护装置和立柱外侧的锚链防护装置，以保护立管系统和系泊系统在海冰作用下的安全性能。

对新型半潜式钻井平台在冰期和夏季的系泊定位能力进行分析，发现：平台可以满足作业工况下的定位要求；在极端生存工况下，平台位移和系泊张力稍超出设计要求，但仍然可认为平台具有较强的北极海冰条件下的定位能力。可通过优化船体设计、加强系泊系统或降低极端工况环境条件确保平台作业窗口。综上所述，新型北极冰区半潜式钻井平台可以满足北极夏季和有冰季节钻井作业的要求。