0 引  言

半潜式钻井平台是开发深水油气资源的重要工程装备^[1]，迄今已有6代成熟船型投入运营，其中多数半潜式钻井平台均采用动力定位系统实施定位。最近，由于世界油气价格的持续低迷，采用锚泊系统实施定位又重获制造商的青睐。与采用动力定位系统相比，锚泊系统可大幅降低前期投资，节约运营成本，维修保养简便，此外平台运动的稳定性更佳，结构震动也更小，为此最新一代的D90平台拟采用锚泊辅助常规推进器系统作业，即在钻井作业工况采用锚泊系统实施定位，当遭遇不能抵抗的强台风时，开启推进器系统远离台风发展路径，进行避台作业。

当半潜式钻井平台在深水区采用锚泊系统进行定位时，系泊缆绳通常分为链-缆-链三段组合式，其系泊系统的结构设计必须能够满足不同工况的作业要求，如在钻井作业工况时，由于钻杆与海底泥面法线夹角不能大于2°～3°，因此要求平台水平偏移必须小于5%的作业水深，此时系泊系统通常会收紧锚链以尽量提升回复刚度，而在抗台工况，当钻杆已回收，隔水管系统解脱后，为保证在恶劣海况下系泊缆不发生断裂，需适度放松锚链使系统的柔性增加。不同工况下缆绳长度与预张力的调整都会对平台遭遇极端载荷时缆绳的构型、极限张力以及锚点载荷产生重要影响，为保证各项技术指标均能满足规范要求，设计时必须进行统筹考虑并进行准确的耦合动力分析^[2-3]。

本文以某深水半潜式钻井平台作为研究对象，针对我国南海油田典型环境条件，考虑钻井作业与生存2种不同工况，首先为其设计1套适用于1 500 m水深的锚泊系统；之后采用数值计算方法，对系统整体的动力特性进行数值模拟与规范校核；最后采用水池试验方法对结果进行验证^[4]。结果显示：该平台在目标气田十年一遇非台风工况下水平偏移量小于5%的作业水深，满足钻井作业对于平台偏移的要求，而十年一遇台风工况下平台系泊张力的安全系数也满足设计规范要求。通过与水池实验结果的对比发现，水池试验结果略小于计算模拟结果，从结果的频谱分析对比中发现，在平台的水平向运动方面，计算值与实验值吻合较好，而在动态系泊缆绳张力方面，计算值中的波频成分明显大于实验值，且频率成分也更为复杂，这说明在深水条件下，由于系泊缆绳本身的质量惯性与所承受的流体载荷已不能被忽略，因此水池试验中采用等效截断模拟技术可能低估系统的动态响应结果，为此校核时需考虑一定的动力放大效应。

1 设计基础 1.1 目标船

本文所采用的半潜式钻井平台为四立柱、双浮箱、箱型甲板的平台，功能包括钻井、修井、完井、测井及试油等；并适应中国南海环境条件，作业水深为1 500 m，钻井深为10 000 m；采用锚泊系统进行定位，平台总体布置与主尺度参数如图 1与表 1所示。

该平台在作业时有钻井作业与生存2种典型装载工况，具体参数如表 2所示。

1.2 环境条件

该钻井平台拟作业海区为南海某深水油田，水深为1 500 m。其钻作业井与生存工况对应的环境条件分别为该海区十年一遇非台风与台风条件作为对应的环境条件，如表 3所示。

2 系泊系统与校核指标

针对目标船型与以上环境条件，结合API RP 2SK^[5]规范为该平台设计1套系泊系统，具体参数如表 4与表 5所示。该系泊系统可保证平台在作业与生存工况条件下平台最大偏移与系泊张力满足设计规范要求。

3 系泊系统耦合动力响应计算与校核 3.1 模型建立

分别采用Sesam软件的Hydro D与Deep C模块建立平台水动力和与系泊系统的耦合分析模型如图 2与图 3所示。

3.2 风流载荷

在风载荷模拟方面，本文首先以平台风洞实验数据为目标值，通过调整模型上部模块各方向的受风面积，使得在规定风速下平台受到的总体风载荷达到所需模拟目标值；而在流载荷模拟方面，首先根据平台型线图与API RP 2FPS规范，计算获得平台各方向受到的海流力并将其作为目标值，之后采用拖曳试验的方法模拟海流流速，即通过调整平台拖曳速度使得整体的流载荷达到所需模拟目标值，之后再将海流力作为定常力作用到平台模型上，总体的风流载荷模拟结果如图 4所示。

通过图 4发现，采用以上模拟方法基本上保证了在水池实验中，平台受到的风力与海流力与风洞试验或规范推荐值基本一致。

3.3 阻尼系数与船体运动RAO

采用衰减实验的方法测得平台不同装载条件下的无量纲线性化阻尼如表 7所示，并采用该阻尼值进行船体运动RAO的计算对比，如图 6所示。

通过图 5发现，平台水平向运动RAO的数值模拟结果与水池实验结果达到较为良好的吻合，为接下来的系泊分析与验证打下了基础。

4 水池试验

该平台的水池模型试验在上海交通大学海洋深水实验池进行，考虑到水池尺度与假底可伸缩高度的限制，最终确定缩尺比为λ=1:60，平台模型如图 6所示，系泊系统采用等效截断方法进行设计，截断水深为600 m，等效设计保证了截断后系泊系统与全水深系泊系统在相同平台偏移的情况下典型缆绳张力与系统的整体水平回复刚度基本一致。

采用水池试验与数值计算方法对平台系泊耦合系统响应进行模拟，结果如表 7和表 8所示。

通过对比表 7与表 8中的数据发现，由于在钻井作业时增加单根系泊缆绳的预张力，使得系统整体水平刚度明显提升，平台水平偏移很小，可满足钻井作业要求（5%作业水深），但也导致了作业工况下系泊张力较大。而在生存工况，由于放松了上端锚链使得系统整体的柔性增加，因而可有效降低平台在生存工况下缆绳的最大张力。此外数值计算结果略大于试验结果，为深入研究这一现象，分别选取平台在不同状态下运动及张力的时间历程进行分析，如图 7与图 8所示。

通过图 7发现，平台水平向运动的数值模拟结果与水池试验结果呈现出相同的特点，即均已低频成分为主，波频运动与之相比几乎可以忽略不计，数值计算结果相对较大且随机性更强。通过图 8发现，对于系泊缆张力方面，数值模拟结果大于水池试验结果，且张力变化范围更大，通过对于动态张力的频谱特征分析发现，模型试验结果主要以波频成分为主，而数值模拟结果中且频率成分更为复杂，张力的动态效应也更加明显。对该现象的解释为：水池实验中采用的等效截断设计方法仅保证了静态系泊张力与水平刚度的一致性，但无法实现对于缆绳自身的质量惯性以及缆绳上所受到流体载荷的准确模拟，随着水深增加导致了响应结果误差的增大，可见对于深水浮体系泊系统而言，采用常规水池试验技术可能低估系统的动态响应结果，为此校核时需考虑一定的动力放大效应。

5 结  语

本文以一座深水半潜式钻井平台作为研究对象，针对我国南海深水油田典型环境条件，考虑钻井作业与生存2种不同工况，首先为其设计出了1套适用于1 500 m水深的锚泊系统，之后采用数值计算方法，对系统整体的动力特性进行数值模拟与规范校核，最后采用水池试验方法对结果进行验证，得到结论如下：

1）该平台在目标气田10年一遇非台风工况下水平偏移量小于5%的作业水深，满足钻井作业对于平台偏移的要求，而10年一遇台风工况下平台系泊张力的安全系数也满足设计规范要求。

2）通过与水池实验结果的对比发现，深水作业时缆绳的自身的质量惯性会对于系泊缆绳的顶部张力产生重要影响，导致水池实验不能对其进行准确模拟，系泊设计时需保证其具有足够的余量。