超深水完井修井船作业能力评估

董 璐,祖 巍

(1. 国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095; 2. 中海(石油)有限公司天津分公司,天津 300459)

0 引 言

作为一种多功能海洋工程装备,完井修井船主要用于海上油井的完井、维修和维护,同时在集采油树的安装、拆卸以及连接井底和油层等方面,可提供相关技术支持,是一种高技术含量、高附加值的海洋工程装备,同时也是深水油气开发的关键装备之一[1]。完井和修井两个环节在海洋油气开发过程中至关重要。作为这两项重要作业的专用工程装备,深水完井修井船随着油气开发逐步向超深水进军,在未来深海油气开发中将发挥重要的作用。

当海上油气开发作业者需要租用作业船舶进行相关作业时,应提前掌握目标作业船在目标海域的作业能力,以保证相关作业能够顺利实施,降低船舶资源租用时间,实现良好的总体效费比。完井修井船是一种新兴装备,工业界和学术界的相关研究主要集中在深水钻完井操作[2、 3]以及相关系统的动力学模拟方面[4];国内学者在其他类型海上工程作业船舶的作业能力评估领域做出了较多的研究。易丛、李达等[5]针对浮托船舶的作业能力进行评估,唐坤、陆家尉等[6]针对圆筒形FPSO的外输作业概率进行了研究分析,高巍、周华[7]对海上风电运维船的登靠作业概率进行了研究。目前,尚未有相关研究公布针对完井修井船的作业概率评估。

本文以一艘超深水完井修井船为研究目标,评估其在世界各主要油气产区典型海域的作业能力,提出相关作业能力评估准则,为作业方在超深水完井修井船舶资源选择方面提供评估方法与参考依据。

1 基本信息

1.1 船体信息

目标超深水完井修井船具备自航能力,最大作业水深为2500m。该船采用6立柱带底部船体的半潜型式,作业吃水为16m,总体排水量为52000t,如图1所示。其主尺度与主要特征信息如表1所示。

图1 超深水完井修井船Fig.1 Ultra-deep water well completion and workover vessel

表1 完井修井船主尺度信息Tab.1 Principal dimensions of the vessel

(续表)

1.2 立管信息

参照API RP 16Q[8]选取立管及张紧器,相关输入数据如表2、表3所示。

表2 立管参数Tab.2 Data of Risers

表3 张紧器数据Tab.3 Data of Tensioner

2 环境条件数据及处理方法

本文针对目标超深水钻井修井船在北海挪威沿岸、设得兰岛外海、西非几内亚湾及安哥拉沿岸、墨西哥湾、巴西沿岸、中国南海,以及西北澳大利亚沿岸等海域的作业能力进行评估。相关海域分布如图2所示。

图2 世界主要海区分布[9]Fig.2 Distribution of major sea areas in the world[9]

根据DNVGL-RP-C205,单独考虑有义波高Hs长期分布时,Hs的累计概率分布函数可以表达为[9]

(1)

式中,αHs为威布尔分布尺度参数;βHs为威布尔分布形状参数;γHs为威布尔分布形状参数。

当考虑有义波高Hs与平均跨零周期Tz联合分布时,有义波高Hs概率分布函数以3参数威布尔分布,表示为

为了有效推行此种模式，在法律政策修改方面，笔者认为可以统一制定农村法人法。一方面，现有涉及农村集体经济组织的法律过于繁杂，容易产生混乱与冲突;另一方面，构建新法能够更为清晰、统一地确定相关事项，将相关政策落到实处。新法需明确该模式的法律性质和运行方式，内容包括对农村集体经济组织的名称、转换条件、机构设立等规定，并最大限度根据实际情况确定相对统一稳定的标准，以保证可操作性;还需规定集体经济组织的具体设立程序，如产生、登记、村民户口变更等相关问题。

(2)

平均跨零周期Tz以Hs为条件的条件概率分布函数[9]可以表示为

(3)

μ=E[lnTz]=a0+a1ha2

(4)

σ=std[lnTz]=b0+b1eb2h

(5)

DNVGL-RP-C205规范给出了图3各个海域对应参数αHs、βHs、a1、a2、b1、b2的推荐值。当有义波高Hs使用双参数威布尔分布来估计时,γHs=0,此时a1=0.7、a2=0.07。

图3 分析流程图Fig.3 Analysis Flow Chart

根据式(1)～(5)可以建立各个海区的有义波高Hs与平均跨零周期Tz的联合分布。

考虑到各个海区的差异,最终得到的结果可能与实际存在偏差。此时,可提供各主要油气田海域典型一年一遇有义波高极值,对相关结果进行校验并进行参数调整,使得最终得出的有义波高结果符合实际。

当得到符合实际的有义波高分布后,谱峰周期Tp的计算可参照DNVGL-RP-C205对于波陡SP的限制条件:

(6)

其中,波陡SP的限制条件如下:

SP=1/15,TP≤8s

SP=1/25,TP≥15s

(7)

根据DNVGL-OS-E301中各海区Hs与一小时平均风速比值,选取对应波高下的平均风速;可近似取对应风速的3%,作为表面流速[10]。

3 分析方法

3.1 分析流程

本文采用AQWA软件建立目标船水动力分析模型并进行频域水动力分析。随后将AQWA计算的水动力数据导入到Orcaflex软件中,建立船体-立管-张紧器的时域耦合分析模型,在Orcaflex中定义环境条件并进行时域分析。具体分析流程为:

(1) 依据完井修井船主尺度及重量信息等,通过AQWA-Line建立水动力分析模型,并完成水动力计算。

(2) 使用Orcaflex建立船体-立管耦合分析模型。该模型主要包含3部分:船体以及月池模型;立管模型,采用三维杆单元模拟;张紧器、张力环、底部立管总成、BOP等模型;

(3) 将AQWA-Line计算的水动力数据输入Orcaflex中进行时域分析。分析中将模拟波浪、风、流载荷的交互影响。波浪为Jonswap谱,风为NPD风谱,流为剖面流。

(4) 选取5个不同随机波浪种子对每个海域的设计工况进行时域模拟计算,最终计算结果为5个时域分析结果的均值。

(5) 根据时域计算结果校核立管响应情况,求出极限限制波高。根据极限限制波高以及对应海域波高累计概率分布,最终得到完井修井船在各目标海域的作业概率,以供海上作业者参考。

3.2 校核准则

超深水完井修井船在钻井修井作业过程中的立管响应是主要校核内容,具体的分析校核准则如表4所示。

表4 校核准则Tab.4 Criteria of calibration

(续表)

3.3 分析工况

研究海区包括挪威外海(1)、设得兰群岛外海(2)、墨西哥湾(3)、中国南海北部(4)、中国南海南部(5)、西北澳大利亚(6)、几内亚湾(7)、安哥拉沿岸(8)、巴西沿岸(9)共9个海区,每个海区的环境条件按照有义波高1.0～4.0m分成7个分析海况。

针对完井修井船的作业特点,分成钻井以及完井两个作业条件,即立管充满钻井液或海水。每个海况进行5个不同波浪种子模拟,总计算工况数目为9×7×2×5=630个。

4 分析模型

4.1 分析模型

使用AQWA建立的完井修井船在作业吃水下的水动力计算模型,如图4所示。

图4 完井修井船水动力计算模型Fig.4 Model of Completion and Workover Vessel for Hydrodynamic Analysis

使用Orcaflex建立的完井修井船船体-立管耦合计算模型如图5所示。

(a) 全局图

(b) 细节图图5 完井修井船船体-立管耦合分析模型Fig.5 Coupled analysis model of hull-riser of completion and workover vessel

5 分析结果

5.1 运动响应RAO

通过AQWA计算的目标船运动响应RAO如图6、图7所示。计算结果显示,该船升沉运动固有周期为10.5s,横摇运动固有周期为42s,纵摇运动固有周期为31s。

(a) 纵荡

(b) 升沉图6 纵荡和升沉运动RAOFig.6 Surge and heave motion RAOs

(a) 横摇

(b) 纵摇图7 横摇和纵摇运动RAOFig.7 Roll and pitch motion RAOs

5.2 船体运动响应

分析耦合分析模型在各海区不同海况及作业状态下的船体运动响应。其中,3～4m有义波高下的船体运动计算结果如表5所示。由计算结果可以发现,随着波高、谱峰周期逐渐增大,船体运动响应逐渐增大。综合各个海区的计算结果可以发现,1(北海)、4(南中国海北部)、7(尼日利亚)、8(安哥拉)4个海区环境条件作用下船体运动响应较大。

表5 时域运动分析结果Tab.5 Motion Results of Time Domain

(续表)

5.3 立管响应

分析了耦合分析模型在各海区不同海况及作业状态下的立管响应。其中,3～4m有义波高下的立管分析结果如表6所示。

表6 立管分析结果Tab.6 Analysis Results of Risers

(续表)

由计算结果可以发现,随着波高、谱峰周期逐渐增大,立管响应逐渐增大;当有义波高为4m时,立管最小张力不满足要求。综合各个海区的计算结果可以发现,1(北海)、4(南中国海北部)、7(尼日利亚)、8(安哥拉)4个海区环境条件作用下平台运动响应较大。

5.4 目标海域作业概率

根据立管分析结果,结合海区波高累计概率,得出目标船在9个海区的作业概率,如表7所示。

表7 完井修井船在各目标海区的作业概率Tab.7 Operation probability of the vessel in various sea areas

整体而言,目标船在墨西哥湾、南中国海南部、西北澳大利亚、尼日利亚以及巴西等相关海域作业概率在80%以上,能够较好地适应当地环境。在挪威外海、设得兰外海、南中国海北部作业概率较低,其中,设得兰海外作业概率不足70%,如图8所示。该目标船在这些海域的作业能力有限,进行相关作业需谨慎评估。

图8 完井修井船在各目标海域的作业概率情况Fig.8 Operation probabilities of the vessel in various sea areas

6 结 论

本文评估了某超深水完井修井船在9个潜在目标海域相关作业的作业能力与作业概率。目标船在南中国海南部、西非、巴西的作业概率较高,较适宜在这些海区作业;由于北海、南中国海北部环境条件较为恶劣,该目标船在这些海域作业需要有充足的分析与气象支持,以保证足够的气候窗完成作业。

整体而言,该目标船已经基本具备全球作业能力,主尺度设计较为出色,后续的工作可在原设计基础上进行小幅度的优化,以提高恶劣海区作业能力。

本文的相关分析方法可用于同类型以及其他海上工程作业船舶的作业能力评估。