超深水半潜式钻井平台设计技术创新与应用.pdf

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第2卷第6期海洋工程装备与技术V01．2，No．60超深水半潜式钻井平台设计技术创新与应用谢彬，李阳，张威，谢文会，王俊荣(中海油研究总院，北京100028)摘要中国南海环境条件恶劣，夏季强台风频发，冬季突发性风暴不断，内波时隐时现，对深远海作业的半潜式钻井平台的安全性、总体性能、作业效率等方面均提出了非常高的要求，南海超深水半潜式钻井平台的设计面临多项世界级的技术挑战。结合南海超深水半潜式钻井平台的研发过程，重点叙述在南海内波流载荷、甲板可变载荷、慢漂运动预测、简化疲劳分析等方面取得的创新性成果，并对南海超深水半潜式钻井平台的总体方案加以介绍。通过多项重大技术创新攻关，最终研发出世界首次针对南海特殊环境条件、具有自主知识产权的超深水半潜式钻井平台新船型。平台作业水深3000m、钻井深度10000m、可变载荷9000t，稳性和结构强度满足南海200年一遇环境条件要求。与世界先进的同类平台相比，其运动性能和作业性能优良，平均钻井作业时效较国际同类平台提高lO％，综合技术指标世界领先。关键词超深水半潜式钻井平台；内波流；慢漂；简化疲劳；总体方案中图分类号U674．38+1文献标志码A文章编号：2095—7297(2015)06—0353—08InnovationandApplicationonDesignTechnologyofUltra．DeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatformXIEBin，LIYang，ZHANGWei，(CNOOCResearchInstitute，XIEWen-hui，WANGJun·rongBeijing100028，China)AbstractTheenvironmentalconditionofSouthChinaSeaiSextremelysevere．Strongtyphoonsinsummer，stormandsolitonoccurfrequently．Thisraisesveryhighdemandsforsafetyandoverallperformance，operationefficiencyandotheraspectsforsemi．submersibledrillingplatform．Thedesignofsemi-submersibledrillingplatformintheSouthChinaSeafacesanumberofworld．classtechnicalchallenges．Wewillfocusontheresearchanddevelopmentprocessofsemi．submersibledrillingplatformintheSouthChinaSea．TheinnovativeresultsofthesolitonIoadintheSouthChinaSea，variableload，slowdriftmotionprediction，andsimplifiedfatigueanalysisaredescribed，andtheoverallschemeofthesemi—submersibledrillingplatformintheSouthChinaSeaiSintroduced．Throughanumberofmajortechnologicalinnovation，wecreatetheultra．deepwatersemi．submersibledrillingplatformfortheSouthChinaSeaforthefirsttimeintheworld，forspecialenvironmentalconditions，withindependentintellectualpropertyrights．Theplatformwithoperatingdepthof3000m，drillingdepthof10000m，variableloadof9000tcanmeetthestabilityandstructuraIstrengthoftheSouthChinaSea200yearsenvironmentalrequirements．Theultra—deepwatersemi—submersibledrillingplatformhasgoodworkingperformance，andtheaveragedrillingoperationisbetterthantheinternationalsimilarplatformtoimprovetheworkingrateby10％incomprehensivetechnicalindicatorscomparedwiththeworld’Sadvancedplatform．Keywordsultra．deepwatersemi—submersibledrillingplatform；soliton；slowdrift；simplifiedfatigue；overallplan引言我国油气供需矛盾日益突出，2014年我国原油对外依存度已逼近60％。近十年，全球重大油气田的发现主要来自深水。我国南海蕴藏着丰富的油气资源，资源量高达230～300亿吨，是我国油气供给重要的战略接替区。开发中国南海超深水海域石油资源，需要可移收稿日期：2015-08—07作者简介：谢彬(1962一)，男，教授级高级工程师，主要从事海洋工程设计与研究。 海洋工程装备与技术第2卷动式钻井装置。目前世界上使用的可移动式钻井装置主要包括自升式钻井平台、钻井船和半潜式钻井平台。其中自升式钻井平台由于受作业水深的限制，不能进行海洋深水油气田的勘探开发作业；而与钻井船相比，半潜式钻井平台凭借作业效率高、环境适应性强、适应水深范围广等优点成为国外深水油气勘探开发的最主要装备。中国南海环境条件恶劣，强台风频发、季风不断，号称“水下魔鬼”的内波时隐时现，对平台的安全性、总体性能、作业效率等方面均提出了更高的要求，南海超深水半潜式钻井平台的设计面临多项世界级的技术挑战[1{o。1南海内波流载荷计算方法中国南海夏季台风频发，冬季季风不断，海面以下时常还存在强内波流，因此它属于世界上环境条件极为复杂恶劣的海域之一。内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，波高从几十米甚至达到上百米，产生的剪切流流速可高达2．0m／s，破坏力大，突发性强，对浮式海洋平台的影响极大[3：。复杂的地形和潮流分布导致南海海域内波频发。此前，国内外既没有针对南海内波发生、演化、传播的机理性研究，也没有针对南海内波流等特有灾害环境条件进行设计的超深水半潜式钻井平台，因此有必要建立南海内波演化模型，研究内波流荷载计算方法，确立内波流载荷与其他环境荷载的组合方法。1．1南海内波演化模型的建立考虑两层不可混溶流体在两水平固壁间不可压缩的无旋无黏流动，其位形如图1所示，它处于静力学稳定状态，即仃一p。／JD<1，P，和P分别为上层和下层流体的密度，并假设无穷远处流体是静止的，且仅考虑二维情形。’，，／／／／／／／／／／／／／，／／／／、’=”(J)／、hlPl＼／＼D＼／J—hp图1两层不可混溶流体在两水平固壁间不可压缩的无旋无粘流动Fig．1IncompressiblenonviscousflowoftwolayersofimmisciblefluidinthetWOhorizontalsolidwalls引进上、卜层流体的速度势驴-和妒。设界面的方程为Y—r／(x，￡)，可得控制方程及其边界条件。控制方程为虹+妒w=0一h1500mDP3定位针对南海特殊环境条件、具有自主知识产权的超深水半潜式钻井平台新船型，可作为母型平台推广应用。平台稳性和结构强度满足南海200年一遇 海洋工程装备与技术第2卷环境条件要求。与世界先进的同类平台相比，其运动性能(见表2)和作业性能优良，平均钻井作业时效较国际同类平台提高10％，平台配备锚泊定位和动力定位组合双定位系统以及环境监测和内波监测反馈系统，装备水平世界先进，综合技术指标世界领先。表2作业工况(一年一遇)环境条件下各型平台运动性能分析表Table2Workingcondition(onceinayear)analysisofvarioustypesofplatformmotionperformanceunderambientconditions4结语本文对超深水半潜式钻井平台设计技术的创新与应用进行了阐述，主要包括以下几方面内容。(1)综合考虑非线性、频散、耗散、地形和海底摩擦等复杂因素影响，在国际上首次建立了南海内波演化数学模型。建立了内波流载荷计算方法，创立了考虑海浪、风、海流、内波流等多种载荷组合下的平台运动分析方法。(2)通过对深水半潜式钻井平台甲板可变载荷中各分载荷的分析和计算．得出了一套设计甲板可变载荷的理论方法，该方法比较简便，可以准确地设计深水半潜式钻井平台甲板的可变载荷，以避免造成建造深水半潜式钻井平台的甲板载荷过大或过小，从而既不会造成资源浪费，又能够满足深水钻井作业的特殊要求，使得新建深水半潜式钻井平台的投资与回报达到最优化。(3)首次实现了超深水半潜式钻井平台慢漂运动的预测方法，通过对多座半潜式平台大量系统的数值研究、结合超深水半潜式钻井平台的模型试验，得出了主要的影响因素(浪向、波高、排水量、系泊系统刚度)及其影响规律，建立了一组适用于30000～70000t的半潜式平台慢漂运动分析曲线；并在此基础上建立了依据曲线评估平台慢漂运动的方法。(4)创立了针对南海海洋环境的结构疲劳最大许用应力范围曲线；研究建立了超深水半潜式钻井平台结构各个部位应力分布的Weibull参数；构建了一套适应中国南海的深水半潜式钻井平台结构简化疲劳分析方法，并成功应用。(5)研发出针对南海特殊环境条件、具有自主知识产权的超深水半潜式钻井平台新船型。平台作业水深3000m，钻井深度10000m，可变载荷9000t；稳性和结构强度满足南海200年一遇环境条件要求。致谢本文主要内容的研究成果来源于国家“863”计划“3000米水深半潜式钻井平台关键技术研究”课题，在此向对本文做出贡献的子课题单位及相关科研人员表示最由衷的感谢!参考文献r1]谢彬，王世圣．冯玮，等．3000米水深半潜式钻井平台关键技术综述[J]．高科技与产业化，2008(12)：34．r2]谢彬．深水半潜式钻井平台设计与建造技术[M]．北京：石油工业出版社，2013．r3]李家春．海洋J二程中极端环境事件的研究进展[c]．第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会沦文集，2007．『4]李家春．水面下的波浪一海洋内波[J]．力学与实践，2005，27(2)：1．[5]方欣华，杜涛．海洋内波基础和中劁海内波[M]．青岛：中剧海洋大学出版社，2005．[6]王世圣，谢彬，曾恒一．等．3000米深水半潜式钻井平台运动性能研究[J]．中国海上油气．2007．19(4)：277．r7]王世圣．谢彬．冯玮．等．两种典型深水半潜式钻井平台运动特性和波浪载荷的计算分析『J]．中国海上油气．2008，20(5)：249．r8]谢文会．谢彬．深水半潜式钻井平台典型节点谱疲劳分析[J]．中国海洋平台，2009，24(5)：28．