拖航作为海洋石油钻井过程的一部分, 是一项高风险性的作业^[1]。我国东海海域平均作业水深大约90 m, 自升式钻井平台因其作业稳性好且作业水深适合, 在东海大陆架的油气勘探开发中一直处于主力军地位。由于平台在拖航过程中受风、浪、流等多重因素的影响, 可能导致一些意外情况的发生, 造成财产损失、设备损坏等后果^[2]。因此, 通过计算拖航阻力、分析平台稳性, 对于保证拖航作业的安全高效进行具有重要意义。

1 拖航阻力的计算

通过准确估算平台拖航阻力, 并按照规范要求选配合适的拖轮, 是确保整个拖航过程安全、高效完成的首要条件。海上拖航过程中, 被拖平台主要受到水和空气这两种流体的作用而产生阻力。在正常情况下, 水对被拖平台产生的阻力是主要的, 而在大风浪等恶劣天气时, 大风对于被拖平台所产生的阻力就会迅速增大, 有时甚至是灾难性的^[3]。

本次计算K平台(下文简称平台)阻力时, 将其分为^[4]:平台船体对水移动时产生的摩擦阻力R_f; 平台船体对水移动时所产生的剩余阻力R_s; 平台上层建筑不同高度和形状对风所产生的风阻力R_W; 波浪对船体拍击所产生的间断拍击力R₄, 本次取间断拍击力为10 t。

1.1 平台对水的摩擦阻力计算^[5]

平台对水的摩擦阻力计算式如下:

$ {R_{\rm{f}}} = 1.67 \times {A_1} \times {V^{1.83}} \times {10^{-3}} $

(1)

式中:R_f为平台对水的摩擦阻力, kN; A₁为平台浸在水中的湿表面积, m²; V为拖航速度, m/s。

1.2 剩余阻力的计算

平台的剩余阻力计算式如下:

$ {R_{\rm{s}}} = 0.147 \times {A_2} \times {F_2} \times {V^{1.74 + 0.15V}} $

(2)

式中:R_s为平台剩余阻力, kN; A₂为水线以下横面积, m²; F₂为平台艏部形状阻力系数。

1.3 风阻力的计算

平台的风阻力计算式如下:

$ {R_{\rm{w}}} = 0.5 \times \rho \times {A_3} \times {F_3} \times CH \times {V^2} \times {10^{-3}} $

(3)

式中:R_w为平台的风阻力, kN; ρ为空气密度, 1.22 kg/m³; A₃为平台水线以上横截面对风的投影面积, m²; F₃为平台水线以上建筑对风的形状系数; CH为平台水线以上横截面对风的投影面积的几何中心距水线的高度系数。

1.4 平台拖航总阻力计算

利用上述模型, 将平台相关参数代入式(4)计算, 可以得到平台在不同拖航速度及不同海况时的拖航总阻力R。

$ R = {R_{\rm{f}}} + {R_{\rm{s}}} + {R_{\rm{w}}} + {R_4} $

(4)

式中:R₄为波浪对船体拍击所产生的间断拍击力, kN。

由此可建立一个二维坐标, 将计算结果标记在此坐标上, 从而得到阻力曲线图, 配合拖轮的剩余拖力曲线, 即可得到平台和拖轮匹配时的拖航速度。剩余拖力是指拖轮在某航速下克服自身阻力后所能发挥的拖力。

2 算例分析 2.1 东海海域当季海况分析

以2014年12月份东海海域天气为例(表 1), 当前季节本海域风向主要以偏东北风为主, 风力基本都在6级以上, 流向与风向基本一致(图 1)。由于本次拖航航向为东北方向, 所以拖轮及平台都将顶风、逆流。

2.2 平台及拖轮基本参数

见表 2。

2.3 计算结果分析

在假设风从船艏吹来、船艏水流速为0.5 m/s、波高为5 m的情况下, 根据表 2给出的平台主要量度参数及阻力计算模型, 分别计算了平台在风速为0 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、21 m/s时的平台拖航阻力曲线(图 2)。图中所示红线为H拖轮的拖力曲线, 与平台的阻力曲线形成了一系列的交点, 这些交点表示拖轮拖力与平台阻力相等, 此时对应的拖航速度即为在该海况下平台能获得的最大拖航速度。

综合分析图 2可得出以下结论:

(1) 理想状态下, 即风速为零时, 平台的拖航阻力曲线与拖轮的拖力曲线无交点、且拖力曲线处于阻力曲线之上, 即拖轮的拖力大于平台的阻力, 因此拖航速度可以达到5 kn(1 kn=0.514m/s, 下同)以上, 甚至更高。

(2) 当风速达到5 m/s(3级风)时, 拖轮拖力曲线与平台阻力曲线相交于点“1”, 说明在平台正面迎风的情况下, H拖轮拖带平台的拖航速度范围介于0~4.7 kn之间。

(3) 当风速达到10 m/s(5级风)时, 拖轮拖力曲线与平台阻力曲线相交于点“2”, 说明在平台正面迎风的情况下, H拖轮拖带平台的拖航速度范围介于0~3.8 kn之间。

(4) 当风速达到15 m/s(7级风)时, 拖轮拖力曲线与平台阻力曲线相较于点“3”, 说明在平台正面迎风的情况下, H拖轮拖带号平台的拖航速度范围介于0~1.7 kn之间。

(5) 当风速达到21 m/s(8级风)时, 拖轮拖力曲线与平台阻力曲线无交点, 说明在平台正面迎风的情况下, 平台阻力超过150 t, 而H拖轮的系柱有效最大拉力为124.5 t, 此时平台应该插桩防风。

2.4 实际拖航情况分析

平台由井位2拖至井位3过程中实际的拖航速度见表 3。

由表 3知, 当风速为10 m/s时, 理论计算拖航航速不超过3.8 kn, 实际拖航航速为3.5 kn; 当风速介于10~15 m/s时, 理论计算拖航航速介于1.7~3.8 kn, 实际拖航风速为13 m/s时, 拖航航速为2.2 kn。拖航前的理论计算拖航航速与实际拖航航速较为吻合, 由此说明, 利用前文中的计算模型所预测的一定海况下H拖轮拖带平台拖航速度具有非常高的准确度。

3 平台桩腿腿尖距船体基线距离对平台稳性的影响

根据平台操船手册规定, 在不同拖航情况下, 桩腿位置也随之不同, 即:进入航道时, 风速不超过25 m/s, 桩腿腿尖低于船体基线3.292 m; 正常海况拖航情况下, 风速不超过36 m/s时, 桩腿腿尖低于船体基线18.288 m; 暴风情况下, 风速不超过51 m/s时, 桩腿腿尖低于船体基线63.642 m。平台可变载荷最大为1 305 t, 平台最大吃水深度为5.64 m。

3.1 井位1拖至井位2

井位1拖至井位2过程中, 平台可变载荷为1 299 t, 平台吃水深度为5.65 m, 桩腿腿尖距离船体基线为10 m。

通过稳性计算得知, 此时平台实际重心与许可重心偏差为+ 0.04 m, 符合操船手册对平台拖航稳性要求; 若将桩腿收回至腿尖距离船体基线9 m时, 平台实际中心与许可中心偏差为-0.22 m, 超过操船手册中对于平台拖航的稳性要求。

3.2 井位2拖至井位3

模拟由井位2拖至井位3时平台的可变载荷。假设条件:平台卸掉钻具, 不带散料, 只带拖航过程中所需油水、平台配载需要的配载水。计算得出平台的可变载荷为1 103 t, 分配配载水, 调平船体后, 平台横向倾斜度小于0.3°, 纵向倾斜度小于1°, 平台吃水5.62 m。

在此情况下, 如果将桩腿收起至腿尖距离船体基线8.5 m时, 平台实际重心与许可重心偏差为+0.04 m, 满足操船手册对平台拖航稳性的要求^[5]; 若将桩腿收起至腿尖距离船体基线8 m时, 平台实际中心与许可中心偏差为-0.02 m, 超过操船手册中对于平台拖航的稳性要求。

4 结论及建议

通过分析本海域天气状况, 结合平台阻力计算, 得出以下结论:

(1) H拖轮主拖平台由井位2前往井位3时, 假设平台正面迎风, 船艏顶流:风速5 m/s时, 拖航速度低于4.7 kn; 风速10 m/s时, 拖航速度低于3.8 kn; 风速15 m/s时, 拖航速度低于1.7 kn; 风速21 m/s时, 平台阻力将超过H拖轮的最大有效拖力, 平台需插桩防风。

(2) H拖轮主拖平台由井位2至井位3的过程中, 桩腿最大可收至腿尖距离船体基线8.5 m处, 此时平台的稳性满足操船手册要求。

根据上述计算及实际拖航结果, 考虑到天气状况、拖轮拖带能力、平台拖航阻力及稳性要求, 针对K平台今后在东海拖航作业的情况给出如下建议:

(1) 合理选择比H拖轮马力更大的拖轮做主拖船, 能够保证拖航达到经济航速, 避免拖轮拖力不足时, 平台遇风浪发生失稳的情况。

(2) 在平台拖航前需进行卸载工作, 卸掉平台上不必要的物料, 并清扫压载舱内的舱底水, 减少平台拖航时的可变载荷及平台吃水深度, 保证平台桩腿腿尖距船体基线的距离尽可能的短, 降低平台的拖航阻力。

(3) 风力超过7级时, 风阻力在拖航阻力中占了较大比重, 因此, 拖航过程中遇到较大风力海况时, 应尽量减少平台的受风面积, 适当降低桩腿。