深水钻井平台与分段组合锚泊系统耦合分析.pdf

2 0 1 5年第4 3卷第 1 期 石 油机械 CHI NA P ET ROLEUM MACHI NERY 一59 一 海洋石油装备 深水钻 井平 台与分段组合锚泊 系统耦 合分析 冯 定 方 勇 王 鹏 长江大学机械工程学院 夏成 宇 摘要 由于水深 的增加，在风浪流载荷作用下，采用分 段组合锚泊系统定位 ，平 台移动范 围 可能超过安全作业区域 范围，极 易导致钻井隔水管破坏 ，从 而影响钻 井平 台正常作业。采用分段 组合锚泊设计系统，考虑 了钻井平 台与锚泊的耦合作用，应用 A Q WA软件建立 了9 8 1深水半潜式 平台三维水动力模型。在此基础上 ，以南海风、浪、流载荷为背景，在不同锚泊系统顶部倾 角情 况下 ，分析锚泊线的张力和平 台的偏移量。分析结果表明，在百年 一遇 的极端载荷下，半潜式钻 井装置的锚泊线安全系数为 1 。 7 3 ，大于 A P I 标准 1 ． 6 7且锚泊线张力值小于破断载荷 ，平 台在水平 面的最大偏移值超过 了正常作业区域 ，但还在最大连接工况 1 0 ％ 范围及 最大 自存工况范围内。在 此锚泊系统的作用下，钻井装置在 1 5 0 0 m水深 时能在百年一遇 的极端天气中生存，其锚 泊系统 的设计组合合理 ，满足锚泊线强度及平 台定位安全 的要求。 关键词 深水；半潜平 台；锚泊系统 ； 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A Ana l y s e s f o r Co up l i n g Pl a t f o r m a nd 耦合分析；顶部倾角 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 2 be t we e n De e p-- wa t e r Se mi - s ub m e r s i b l e Dr i l l i ng Se c t i O na l Co mbi n e d An c ho r i ng S y s t e m F e n g Di n g F a n g Yo n g W a n g Pe ng Xi a Ch e n g y u S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g of Y a n g t z e U n i v e r s i t y Abs t r a c t W i t h i n c r e a s e o f wa t e r de p t h， p l a t f o r ms p o s i t i o ne d b y u s i n g s e c t i o n a l c o mb i n e d a nc h o rin g s y s t e m ma y mo v e b e y o n d l i mi t f o r s a f e叩 e r a t i o ns u n d e r l o a d s o f wi nd s ， wa v e s a nd c u r r e n t s ．S u c h mo v e me n t s ma y d a ma g e r i s e r a n d c o n s e q u e n t l y i mp a c t n o r ma l o p e r a t i o n o f t h e d ri l l i n g p l a t f o r m． T h e s e c t i o n a l c o mb i n e d a n c h o rin g s y s t e m i s d e s i g n e d w i t h c o n s i d e r a t i o n o f c o u p l i n g b e t we e n t h e d ri l l i n g p l a t f o r m a n d t h e a n c h o ri n g s y s t e m． A 3 D h y d r o d y n a mi c m o d e l h a s b e e n e s t a b l i s h e d for t h e 9 8 1 D e e p - w a t e r S e m i - s u b me r s i b l e P l a t f o rm b y u s i n g s o f t w a r e A Q WA ． Wi t h t h e mo d e l ， t e n s i o n o f t h e a n c ho r i ng l i n e a n d o f f s e t s o f t he p l a t f o r m c a n b e a n a l y z e d for d i f f e r e n t t o p i n c l i n a t i o n s o f t he a n c ho r i ng s y s t e m wi t h wi n ds ， wa v e s a n d c u r r e n t s o f t h e S o u t h Ch i n a S e e a s t h e b a c kg r o u n d． An a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t s a f e t y f a c t o r for a n c ho rin g l i n e s o f s e mi s u b me r s i b l e d r i l l i n g f a c i l i t i e s i s 1 ． 73 u n d e r e x t r e me l o a d i ng c o n d i t i o ns ． Th e s afe t y f a c t o r i s hi g h e r t h a n t he 1 ． 6 7 o f API ．I n a d d i t i o n． t e n s i o n s o f a nc h o r i n g l i ne s a r e l o we r t h a n t h e f a i l u r e l o a d s ． Un de r s u c h c i r c u ms t a n c e s， ma x i mum ho r i z o n t a l o f f s e t s o f t he p l a t f o r m ma y g o b e y o n d n o r ma l wo r k i n g a r e a． b u t s t i l l wi t h i n 1 0％a r o u n d t he ma x i mu m c o n ne c t i o n e x t e n t a n d t h e ma x i mum s u r v i v a l e x t e n t ． W i t h t h e a n- c h o rin g s y s t e m ， d r i l l i n g f a c i l i t i e s ma y s u rvi v e r o ug h we a t h e r c o n d i t i o ns e x p e c t e d o n c e for e v e r y 1 0 0 y e a r s a t t h e wa t e r d e p t h o f 1 5 0 0 m．W i t h r a t i o n a l d e s i g n a nd c o mb i na t i o n． t h e a n c h o r i ng s y s t e m ma y s a t i s f y r e q u i r e me n t s r e l a t e d t o s t r e n g t h o f t h e mo o rin g l i n e a n d p o s i t i o n i n g o f t he p l a t f o rm ． Ke y wo r ds de e p wa t e r ； s e mi s u b me r s i b l e p l a t f o r m ； a nc h o r i n g s y s t e m ； c o u pl i ng a na l y s e s ； t o p i n c l i n a t i o n 基金项 目国家科技重大专项 “ 深水钻井装置安全作业 与深水 弃井工程应用技术及测试分析” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 60 0 1 0 4一O 5 ；国家 自 然科学基金项目 “ 深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究” 5 1 4 0 5 0 3 2 。 一 6 0一 石 油机械 2 0 1 5年第4 3卷第 1期 0 引 言 随着海洋石油工业的发展 ，钻井装置的作业范 围和研究方向逐渐向深海海域发展。我 国南海海域 有丰富的油气资源 ，为提升我国深海油气资源的开 发水平 ，研制 了深水 9 8 1 半潜式钻井平 台 。由于 水深 的增加 ，传统锚链组成的悬链线式锚泊系统 自 身质量增加很快 ，故而采用合成纤维材料的多成分 悬链线式锚泊系统设计 。 文献 [ 2 ]推导了单成分悬链 线方程 ，得 到了 全索链悬链线参数关系 ，并制成 了图谱 ，适用于悬 链线下端与海底相切 的情形 。文献 [ 3 ]考虑锚泊 线的重力 、张力、海流力及锚泊线的弹性伸长 ，采 用分段外推法 ，对复合锚 自 线进行 了静力分析 ，并 对深水悬链锚泊 系统进行 了设计计算 。文献 [ 4 ] 推导了无弹多成分锚泊线悬链线方程。笔者在文献 [ 4 ]推导的悬链线方程 的基础上 ，使 用 Ma t l a b数 学软件计算 ，结合环境载荷和锚泊 系统顶部倾角 ， 在 已知锚泊线材料成分、深海水深和预张力的情形 下 ，确定 出深水 9 8 1 半潜式钻井平 台锚泊系统 3成 分分段组合设计 ，在平衡稳定状态下设计锚泊系统 的几何形状 ，确定分段长度 。 现场预抛锚过程中 ，往往根据经验选取顶部倾 角 ，笔者在 1 5 0 0 IT I 水深不同顶部倾角情形下研究 锚泊系统的张力响应以及平 台的偏移量 ，对比分析 锚泊系统顶部倾角对其的影响，通过优化分析其建 议最佳值 ，并在极端环境载荷条件下对锚泊线 的张 力和钻井装置的偏移进行评估与校核。 1 深水 9 8 1 半潜式平 台三维水动力模 型建 立 1 ． 1 时域耦合分析相关理论 考虑锚泊系统与半潜式平台的耦合，即半潜式 平台与锚泊系统相互影响过程 ，求解是复杂的非线 性问题 ，需要综合考虑锚泊系统的回复力 、阻尼及 惯性力对 半潜式 平 台位 置及 动力 响应 的影 响 ] 。 半潜式钻井平台时域运动方程为_ 6 ] r t [ m ] { t } J [ L t r ] { x t } d r J一∞ [ c] { t } { F i t F i t } 1 式中，[ ]为平台的广义质量阵；[ m]为平 台的 附加质量 阵； [ t ]为平 台的延迟 函数 阵； [ C ]为平台的静水恢复力系数阵 ； { F j t }为流 体作用在平台上的广义力阵 ， { F i t }为锚泊系 统作用在平台上的广义力阵。 耦合求解时首先考虑动态时域积分 ，求解动力 平衡方程 ，采 用 N e w t o n - R a p h s o n法 在每个 时间步 中采用内、外力平衡迭代 ，最终求得半潜式平台运 动状态下 的力学特征 。 1 ． 2 锚泊系统分段组合设计 深水 9 8 1 半潜式平 台采用 1 2锚方式布锚 ，布 锚方式及载荷示意 图如图 1 所示 。 删 风 浪 流 7 8 9 l Ulll Z 图 1 9 8 1半潜式平 台系泊 系统布置方式 F i g ． 1 L a y o u t o f a n c h o r i n g s y s t e m f o r t h e 9 8 1 S e mi s u b me r s i b l e P l a t f o r m 多成分锚泊线静力分析图如图 2所示。由文献 [ 4 ]研究得单根 n成分锚泊线悬链线方程为 t a n 0 I 7 , 1一 ∑ ⋯1 ／ Q 、 i1 耻 W k[1n ] 毫 毫 一 1 T 2 式中，k1 ，2 ，3 ，⋯，n 。 图 2 多成分锚泊线静 力分析 图 F i g ． 2 S t a t i c f o r c e s o n mu l t i c o mp o n e n t a n c h o r i n g l i n e 深水 9 8 1半潜式平台锚泊系统采用 3成分分段 组合设计 取第 1 段 远海底端锚泊线长度为 f 一 6 2一 石 油机械 2 0 1 5年第 4 3卷第 1期 求得物体表面的压力分布，最终求得作用于物体上 的波浪力及力矩 [ 1 3 ] 。 3 计算分析 3 ． 1 半潜式平台正常作业海况锚泊 系统安全评估 在 1 5 0 0 m水 深正常作业条件 下 ，波浪为 J O N S WA P谱 ，有义 波高 6 m，波 峰周 期 1 1 ． 2 S ， 风谱为 A P I ，1 m i n 平均风速为2 3 ． 1 5 m ／ s ，表面流 速 0 ． 9 3 m ／ s 。时域分析时间设置为 1 0 8 0 0 s ，步长 设置为 0 ． 5 S 。其锚泊系统不同顶部倾角对应不同 锚泊线分段组合设计结果如表 1所示 ，带入 A Q WA 软件中计算，不同锚泊线顶部倾角情况下锚泊线受 力分析如图 5所示。 Z 迪 略 畿 擐 图 5锚 泊 线 张 力 最 大值 以及 簧 全 系 数随锚泊线顶部倾角的 变化 F i g ． 5 C h a n g e s i n ma x i mn m t e n s i o n a n d s a f e t y f a c t o r o f a n c h o ri n g l i n e wi t h c h a n g e s i n t o p i nc l i na t i o ns o f t h e mo o r i n g l i ne 根据分析结果统计 ，不 同环境载荷方向下 ，锚 泊线安全系数均大于 A P I R P 2 S K标准 最小系数 1 ． 6 7 ，随着顶部倾角的增加 ，锚泊线的张力最大值 减小 ，安全系数增大。 如图 6所示 ，随着顶部倾角增大 ，钻井装置的 最大偏移量 占水深比值逐步增大 ，但均在最大连接 工况 水下钻井隔水管保持连接时最大环境条 件 1 0 ％范围内，倾角在 3 0 。 、3 5 。 和 4 0 。 时漂移量 与水深 比值逐步增大。顶部倾角在 4 0 。 时，比值 已 基本接近最大作业工况 5 ％极 限范围 为保证正常 钻井作业的进行 ，平 台的偏移应约为水深 的 3 ％ ， 但不超过 5 ％ 1 7 ] 。经综合考虑，建议锚泊系统顶 端倾角取 4 0 。 比较合适 。 3 ． 2 极端条件下 9 8 1半潜式平台锚泊系统评估 锚泊系统最大设计条件需满足百年一遇风浪流 组合工况 引，即在百年一遇海况条件下确保 每根 锚泊线都 能有 足够强度抵抗外部 环境载荷。根据 A P I R P 2 S K规范对锚泊线的张力和钻井装置 的偏 移进行评估 。4 0 。 顶部倾角时 ，1 5 0 0 m水深百年一 遇海况极值 条件 为 波浪 为 J O N S WA P谱 ，有 义波高 1 5 ． 0 m，波峰周期 1 5 ． 1 s ，风谱为 A P I ，1 m i n平均 风速为 4 9 ． 5 0 m ／ s ，表 面流速 2 ． 0 0 m ／ s ， 且风浪流 同向。将南海海域百年一遇的风、浪 、流 极值带人进行计算 ，得到锚泊线的最大张力响应为 4 6 1 6 ． 8 k N，安 全系数 1 ． 7 3 ；平 台最大偏 移量 为 1 2 5 ． 3 6 m，漂移量 占水深 比 8 ． 3 6 ％ 。 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 锚泊线顶部倾角 1 图 6半 潜 式 平 台漂 移 量 随 锚 泊 线 顶 部 倾 角的 变化 F i g ． 6 C h a n g e s i n o f f s e t s o f s e mi s u b me r s i b l e p l a t f o r m wi t h c h a n g e s i n t o p i n c l i n a t i o n s o f t h e a n c h o ri n g l i n e 由分析结果可知 ，在百年一遇的极端载荷下 ， 钻井装置的锚泊线最大张力值为 4 6 1 6 ． 8 k N，安全 系数 为 1 ． 7 3 ，大 于 A P I R P 2 S K 标 准 所 规 定 的 1 ． 6 7 ，锚泊线张力值小于破断载荷 ，平台在水平面 的最 大 偏 移 值 为 1 2 5 ． 3 6 m，占水 深 比达 到 了 8 ． 3 6 ％ ，低于最大连接工况偏移量 1 0 ％ 范 围及最 大 自存工况。因此 ，锚泊系统的设计组合合理，满 足锚泊线强度及平台定位安全的要求 。 4 结 论 1 在分段组合锚 泊系统静力 学分析 中，主 要是在平衡稳定状态下预计锚泊线的几何形状 、受 力和确定各分段长度 ，采用 Ma t l a b求解 可顺利解 决其分段组合设计。 2 通过有 限元分析 A Q WA软件可精确得 出 半潜平台所受波浪载荷 ，从锚泊系统张力和深水钻 井装置偏移量的角度 出发 ，分析锚泊线的顶部倾角 对其的影响，并得出 1 5 0 0 m水深下 9 8 1 半潜式平 台锚泊系统所采用 的顶部倾角 ，建议 顶部倾角取 4 0。。 3 在百年一 遇 的极端 载荷 下，半潜式钻井 装置的锚 泊线 安 全 系数 为 1 ． 7 3 ，大 于 A P I标 准 7 6 5 4 3 2 1 0 忸醛簧 删按鹰 軎