钻井平台运动响应分析
摘 要
半潜式海洋平台由于具有抗风浪能力强、甲板面积和可变载荷 大、适应水深范围广、钻机能力强和具有多种作业功能等特点，在世 界范围上的深海油气开发中得到了广泛的应用。由于所处海洋环境和 地质条件恶劣，深海浮式生产系统技术复杂、投资巨大、风险极高。 因此，如何比较正确地获得其在严酷海洋环境下的运动、受力以及甲 板是否上浪等技术性能十分重要，这些性能参数是决定和设计海洋平 台结构及其系泊、立管等相关系统的重要依据。
论文通过理论分析、数值计算和模型试验相结合的研究方法，对 一座预想工作海域为我国南海、工作水深 1500m 的深海半潜式钻井 平台的运动响应和锚系受力情况进行分析研究：一方面，对此深海半 潜式钻井平台及其全水深锚泊系统进行数学建模，考虑到深海锚泊系 统与平台船体相互作用显著的特点，数值计算中采用非线性时域耦合 分析方法，对平台的运动响应及锚泊系统的受力情况进行耦合分析； 另一方面，采用混合模型试验方法对半潜平台进行水池模型试验。分 析比较数值计算和模型试验的结果后，本文认为：
1. 该深海半潜式钻井平台在南海一年一遇海洋环境下表现出了 较好的运动性能。就选取的工况来看，平台的水平运动控制 在了工作水深的 7%以内。垂荡运动最大幅值为 1.65m，横摇
和纵摇控制在 ±4o 以内。生存海洋环境下钻井平台运动响应较
大，最大水平位移达到了工作水深的 18%。垂荡运动超过
±10 m，横摇和纵摇运动超过 ±7o 。根据试验监测，基本没有甲
板上浪现象。
2. 深海半潜式钻井平台的 8 个锚链导缆孔设计在立柱的外侧， 每个立柱外侧两个。在作业海洋环境条件下，锚链拉力最大 值为 260.91t，可以保证安全工作。
3. 恶劣的海洋环境导致生存海况下锚泊系统会产生较强烈的动 态响应。目前混合模型试验方法由于在动力模拟方面存在的 技术不足，致使截断水深锚泊系统与全水深锚泊系统在锚链 力标准差和最大值上存在一定的差异。从对全水深锚泊系统 的数值计算来看，此套锚泊系统在南海百年一遇的海洋环境 下，可以保证在安全系数 1.5 以上工作。
关键词：深水半潜式平台，水动力性能，混合模型试验，耦合计算
第一章 绪论
1.1 引言
近年来，我国石油消费持续增长。2003 年，我国石油消费达到 2.74 亿吨， 超过日本，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。2005 年我国石油消费 3.27 亿吨，预计 2020 年我国石油消费将达到 4.5 亿吨。据国土资源部资料显示，过 去 10 年，我国石油消费量年均增长 6.66%，而同期国内石油产量年均增速仅为
1.75%。同时，我国陆上含油气盆地主力油田大部分已有 30 多年的开采历史，多 数油田原油采出程度高达 70%，进一步扩大产量的空间十分有限。
海洋石油天然气资源的开发是海洋资源开发的重要组成部分。近年来，世界 范围内能源需求的持续增长，国际石油价格的持续上扬，使海洋油气开发的热潮 方兴未艾。目前，世界上已探明的海洋石油储量 80%以上在水深 500m 以内，而 全部海洋面积中 90％以上的水深在 200m 至 6000m 之间，大量的海域面积还有 待探明。此外，世界上除了少数海域以外，大部分地区的近海油气资源已日趋减 少，向深海发展已成必然趋势[1]。目前，世界上已发现的海上油气田有 1600 多 个，已有 200 多个油气田投产，年产量达到 12 亿吨，占世界总产量的 1/3。据估 计，2001 年-2007 年全世界投入的海洋油气开发项目将达到 434 个，其中水深大 于 500m 的深水项目占到了 48%，水深大于 1200m 的超深水项目达到了 22%。
陆上油田的日渐萎缩，令海洋石油开发成为我国能源战略的重中之重，对国 民经济建设、国家安全战略有着重要的意义。我国拥有 300 万平方公里海疆，深 海油气资源十分丰富。然而，目前油气资源开发主要是在 200m 水深以浅的近海 海域。与发达国家相比，我国的海洋资源开发利用程度不高。统计数据表明，我 国近海油气探明储量仅占资源量的 1％，累计开采量仅占探明储量的 5％[2]。我 国政府已经意识到深海油田勘探开发的重要性和紧迫性。中国海洋石油总公司 (CNOOC) 在对中国南海 1.9 万平方公里的深海海域进行大量的勘探作业的基础 上[3]，经过大量的前期研究，正在着手建设我国第一艘深海 (工作水深 3000m) 采 油钻井平台，采用半潜式船体形式。CNOOC 拟采用与国外海洋平台设计公司共 同研发设计的思路，一方面加紧对此深海半潜式钻井平台的设计制造，使我国早
日真正向深海进军；一方面培养我国自己的深海平台研发队伍，缩小我国在深海
领域同国际先进水平的差距。此深海半潜式海洋平台预计在 2009 年交付使用。 可以预见，深海油气资源开发必将成为未来我国海洋石油开发的主战场，对保证 我国经济的可持续发展具有重要的战略意义。
1.2 深海海洋平台的发展与应用
1.2.1 深海海洋平台的发展
早期的海上石油开发主要是面向近海。随着深海油田的不断发展，传统的导 管架平台和重力式平台由于其自重和工程造价随水深增加而大幅度增加，已经不 适应深海油气开发，取而代之的是浮式生产系统。由于深海环境相对更为恶劣以 及投资成本加剧，近二十多年来，海洋工程界在降低投资及减少海上结构物的受 力方面不断进行开发研究和技术创新，卓有成效地开发出许多类型的浮式生产系 统，包括以油轮为基础的 FPSO (Floating Production, Storage and Offloading System，简称 FPSO)、半潜式平台 (Semi-submersible）、TLP (Tension Leg Platform， 简称 TLP)、Spar、浮式塔 (Floating Tower) 及 FPDSO (Floating Production, Drilling, Storage and Offloading System，简称 FPDSO) 等等。其中，实际应用于深海油田 工程并获得巨大成功的主要是 FPSO、Semi-submersible、TLP、Spar 四种型式。
FPSO 由于集储油、卸油及生产为一体的优点，自 1977 年首次在 Castellor 油田投入使用以来，已迅速成为当今海洋石油开发的主流设施[4]。由于 FPSO 可 变载荷大，又具有风标效应，因此在环境恶劣的深海海域也有广泛应用。但 FPSO 在水面处水线面面积较大，在风浪流作用下的动力响应亦较大，不适于钻井作业， 加之所选用的水下完井系统及柔性立管等技术问题以及对生产处理设备的要求 较高等原因，使得 FPSO 的投资成本增加，致使其在深海海域的应用受到一定的 限制。
张力腿平台是利用浮力让联系平台船体及海底锚固基础的张力腿受到预张 力，使平台主要处于受拉状态，从而保证了平台本体与海底井口的相对位置在允 许的工作范围内，其工作水深为 457m ~ 1828m。其主要特点是垂向运动在张力 缆索的系泊下得到了很大的改善。与 FPSO 相比，TLP 最大的优点是可以采用刚
性立管，进口可以安装在甲板上，操作起来犹如固定式平台。总体而言。
虽然 TLP 的垂向运动在张力索的作用下得到改善，但是水平方向的运动还不尽 人意。而且锚泊系统的投资成本也相当的高。因此，人们开始寻求一种锚系投资 成本低、运动响应小的平台，这就是近几年来发展的单柱式 (Spar) 平台。Spar 的设计要点是重心低于浮心以保持 Spar 的稳定。由于浮心和重心在垂直方向是 分开的，SPAR 有着良好的漂浮稳性，即使在极端破坏的情况下也不会倾覆。其 工作水深 457m ~ 1828m。与 TLP 和 FPSO 相比，Spar 锚系的投资成本相对较低， 只有一半左右，而且便于安装，可以重复使用，因而对边际油田比较适用。
半潜式海洋平台由沉箱 (pontoon)、立柱(column)和上层结构所组成，立柱截 面形状一般为圆形或方形。由于半潜式海洋平台具有较小的水线面面积，使其在 对波浪和海流的响应方面有着良好的性能，抗风能力可达100knot ~ 120knot，抗 波浪能力可达16m ~ 32m。同时，具有甲板面积和可变载荷大(可达10000t)、适应 水深范围广(3000m)、 钻机能力强(钻井深度6000m ~ 10000m)、具有多种作业功 能(钻井、生产、起重、铺管等)等特点。
半潜式海洋平台在深海领域得到了广泛的应用，技术相对成熟。目前国际上 的半潜式海洋平台已经发展到了第五代，有些国外的设计公司已经推出了半潜平 台的系列产品。1996 年以来国外新建了一批适用于深海作业的移动式钻井装置, 其中19艘新建的半潜式平台中有18艘的工作水深超过了1500m , 半数以上水深 超过2000m。
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