臺風海況下半潛式鉆井平臺動力性能監測與分析

趙 前，寇雨豐，鄒付兵，武 博，李 欣

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.上海交通大學 三亞崖州灣深?？萍佳芯吭?，海南 三亞 572024；3.中海油田服務股份有限公司 鉆井研究院，北京 101149）

半潛式鉆井平臺具有穩性好、抗風浪能力強、甲板面積大、可變載荷大、適用水深廣等特點，是世界上應用最為廣泛且最具發展前途的浮式海洋油氣勘探開發裝備之一［1］。中國目前擁有“海洋石油981”［2］、“藍鯨”系列［3-4］等10 余座半潛式鉆井平臺，中國第一座半潛式生產平臺“深海一號”能源站［5］也于2021 年6 月投產。半潛式平臺作業環境惡劣，一旦發生事故容易造成災難性的后果，充分認識半潛式平臺在惡劣海況下的動力性能，是保障平臺安全的重要基礎［6-7］。

在設計階段，研究人員主要采用數值模擬和模型試驗方法來獲得平臺在極端海況下的總體性能，以此來評估平臺的安全性。馮愛春等［8］、李志富等［9］、閆發鎖等［10］通過數值模擬或模型試驗對半潛平臺在極端海況下的動力響應、結構損傷等進行了研究。但數值模擬和模型試驗都存在一定局限性：數值模擬輸入激勵、邊界條件假設和模型簡化會導致分析結果存在難以量化的不確定性；模型試驗難以模擬大尺度結構且花費甚高。利用實海域測量技術，能夠避免數值計算和模型試驗由于條件假設和尺度效應等問題引入的誤差，監測結果對新平臺設計及平臺日常運行具有重要指導作用。Brown等［11］通過水下機器人拍攝等方法對北海多座浮式平臺系泊系統進行了長期監測，對系泊系統的響應及損傷問題進行了研究。Natarajan 等［12］利用光纖傳感器測量了平臺立管的渦激振動和疲勞載荷等問題。孫劉璐等［13］對“南海挑戰”號半潛式平臺進行了運動響應監測分析并進行了極值預測研究。由于平臺所處海洋環境的復雜性，開展平臺性能實測存在一些困難，目前的實測方案不夠完善，高精度的實測資料稀缺，公開的研究成果非常有限，特別缺乏在臺風等極端海況下半潛式平臺性能監測分析。

針對中國某典型半潛式鉆井平臺，開發了一套比較完善的平臺動力性能監測系統，監測內容包括平臺運動、氣隙、關鍵位置應力等數據。該系統已連續運行了5年以上，捕捉到多個臺風中平臺的動力響應數據，具有重要的研究價值。文中對該系統作簡要介紹，同時選取臺風“杜蘇芮”過境期間的監測數據，分析該半潛式平臺在臺風海況下的動力響應性能，分析結果可為平臺設計提供有力支撐，豐富相關研究內容，也對平臺的抗臺作業具有指導意義。

1 平臺動力性能監測系統

1.1 系統簡介

平臺動力性能監測系統，自下而上由監測儀器、專用采集設備、數據集控中心、中控和陸地監視中心組成。監測儀器分散布置在平臺的多個位置對所需監測物理量進行監測；各專用采集設備將對應監測點測量儀器獲得的數據進行采集、處理、分析，形成統一格式的信息流（包括測量數據、報警信息和設備運行狀態），發送給數據集控中心，采集設備通過統一授時實現時間同步；數據集控中心將信息流作本地智能存儲備份，同時實時發送到平臺和陸地監視中心。圖1給出了該監測系統的簡要架構，各部分的具體內容：

圖1 平臺動力性能監測系統架構Fig.1 The frame of dynamic performance monitor system

1）監測儀器：包括應變傳感器、微波雷達、運動測量單元（GPS 天線、慣導和加速度計）、雙備份光纖解調儀，用于監測平臺關鍵位置處的結構應力、氣隙和平臺運動（位移、速度、加速度）。

2）專用采集設備：包括應力采集設備和平臺運動及氣隙采集設備，處理分析并形成統一格式的信息流，發送給數據集控中心。

3）數據集控中心：包含船載集控儀和衛星網絡設備（終端和天線），實時匯總信息流，一方面實時發送到平臺上的中控監視中心，另一方面通過衛星網絡實時發送到陸地監視中心。

4）中控、陸地監視中心：對監測信息、報警信息等進行可視化顯示，中控監視中心可以給平臺工作人員實時發出警報，陸地監視中心還具備深度分析、專家系統、自動報告等功能。

1.2 監測儀器

監測儀器主要分為3種類型：應變傳感器、微波雷達、運動測量單元。

應變傳感器：每個應力測點由3 個光纖光柵應變傳感器和1 個光纖光柵溫度補償傳感器組成，其中3 個光纖光柵應變傳感器［14］組成一個45°應變花。在傳感器固定后，對傳感器安裝區域進行封裝，避免水汽進入腐蝕傳感器及平臺結構，保證傳感器具有較長的壽命。監測系統共計30 個應力測點，包括左前立柱艏部大肘板趾部區域6個測點、左前立柱與浮箱連接部2個測點、前橫撐與左前立柱外板連接區域4個測點、左前立柱前外板5 個測點、左前立柱上方雙層底內的肘板上8 個測點、雙層底內PL7 和TF2 相交的下角附近2 個測點、左浮箱縱艙壁1個測點、健身房縱艙壁1個測點、冷庫大開口1個測點。

微波雷達：微波雷達用于測量平臺關鍵位置的氣隙，精度達到1 cm，共有2臺，分別位于平臺艏部救生艇甲板和平臺左舷ROV 甲板，監測平臺艏部和左舷的氣隙情況，如圖2 所示，其中艏部雷達坐標（xwr，ywr，zwr）=（53.585 m，0 m，38.77 m）。文中利用微波雷達所測氣隙結果推算環境波高，因此微波雷達安裝位置均遠離平臺立柱，減小波浪反射對于推算環境波高的影響。

圖2 平臺上的微波雷達Fig.2 Microwave radars in the platform

運動測量單元：星基增強慣性組合運動測量單元可以測得平臺的經緯度、偏航角、6 自由度運動（位移、速度、加速度）等，角位移精度0.01°，水平線位移精度10 cm，垂向位移精度20 cm。該單元由GPS 主天線、GPS 從天線、慣導及加速度計組成，如圖3 所示，其中，GPS 主從天線安裝于直升機甲板左側圍欄，慣導及加速度計安裝于健身房的機柜中。GPS 主天線坐標（xgps，ygps，zgps）=（38.745 m，15.8 m，51.05 m），運動測量單元默認輸出GPS主天線位置的線位移，平臺其他位置的線位移需要通過換算得到。

圖3 平臺上的運動測量單元Fig.3 Motion measurement unit in the platform

1.3 其他組成部分

除監測儀器外，監測系統還包括專用采集設備、數據集控中心和中控及陸地監視中心。

專用采集設備包括雙備份光纖解調儀、應力采集設備、運動及氣隙采集設備，這些設備均安裝在位于健身房的集成機柜中。

數據集控中心包含船載集控儀、衛星網絡終端及衛星天線。船載集控儀負責實時匯總儲存數據并進行初步的分析判斷，安裝于集成機柜中。衛星天線安裝于直升機甲板的觀察室上方，衛星網絡終端也安裝于集成機柜中，為集控儀提供數據海陸傳輸的衛星網絡。

監視中心包括安裝在平臺中控室的中控監視中心，可以實時從船載集控儀獲取顯示實測數據；以及陸地監視中心，通過衛星網絡獲取實測數據，便于陸上專家對平臺狀態進行監視分析。

2 分析方法

平臺局部坐標系o-xyz以及關鍵物理量定義如圖4 所示，局部坐標系原點位于平臺基線平面中心，ox軸以平臺艏部方向為正，oy軸以平臺左舷方向為正，oz軸以豎直向上為正。運動監測單元直接監測得到GPS主天線處的平臺縱蕩、橫蕩、垂蕩運動，分別記為Xgps、Ygps、Zgps；監測得到的平臺橫搖、縱搖、艏搖，分別計為α、β、γ。圖4中：Dm為平臺平均吃水；zbd為平臺箱型甲板底部高度，為30 m；ΔH為測波雷達與平臺箱型甲板底部高度差，為8.77 m；Dbow為測波雷達安裝位置平臺艏部廣義吃水；Hag為平臺艏部測波雷達監測得到的氣隙值；-Hag為前述Hag氣隙均值，η為環境波高。

圖4 坐標系及物理量定義Fig.4 Coordinate system and definition of physical parameters

2.1 平臺吃水計算

海洋平臺在海上作業時吃水是多變的，特別是在抗臺等特殊情況下，平臺操作人員會更加頻繁地根據環境變化調整平臺的吃水，以便航行移位或就地抗臺。眾所周知，平臺的載況是決定其動力性能的最重要因素，因此分析得到平臺吃水情況是后續分析的重要基礎。監測系統中平臺垂蕩運動和氣隙監測數據均可以作為計算平臺吃水的依據，但實際中垂蕩運動監測精度遠不及氣隙精度，因此通過平臺艏部氣隙監測結果來計算吃水變化情況。

平臺作業時吃水將保持一個相對穩定的值，因此，氣隙在某段時間內會保持在某一均值上下波動。首先計算得到氣隙均值-Hag(t)（t為時間，下文同），通過低通濾波實現，截止頻率設置為0.003 5 rad/s（對應截止周期為30 min），然后根據平臺箱型甲板底部距基線垂向高度，得到平臺艏部廣義吃水Dbow（t）：

求得艏部廣義吃水后，由于測波雷達安裝在平臺中縱剖面上，可以根據運動監測單元測得的平臺縱搖角β（t），計算得到平臺平均吃水Dm（t）：

2.2 環境波高計算

在浮動的半潛式平臺上很難直接監測到環境波高時歷數據，測波雷達僅僅能得到統計意義上的波浪信息，且精度較低。采用動力定位系統的半潛式平臺在抗臺時往往是迎浪狀態，同時由于立柱水線面較小、下浮體之間距離較大，平臺艏部波面受到平臺影響相對較小，因此通過平臺艏部氣隙測量結果來反推環境波高具有較高的精度，這也是目前船載波浪監測的重要方法之一。

氣隙監測結果與平臺吃水、環境波高、平臺運動都密切相關，需要解耦才能得到環境波高，目前常用的方法是線性解耦。艏部氣隙Hag（t）可以簡化的表達為：

式中：Zwr（t）為艏部雷達安裝處的平臺垂蕩運動。

根據直接監測得到的GPS 主天線位置的平臺線運動，以及平臺的橫搖、縱搖、艏搖角度，根據運動換算關系式，測波雷達安裝處平臺的線運動可以表示為：

式中：Xwr(t)、Ywr(t)為艏部雷達安裝處的縱蕩、橫蕩運動。M為角度變換矩陣［15］。

根據上述內容，艏部氣隙為監測值，艏部廣義吃水由式（1）求得，測波雷達處平臺垂蕩運動由式（4）求得。故對式（3）移項變形即可求得環境波高η（t）。

2.3 隨機波浪的統計描述

實踐中，線性理論被用來模擬不規則波浪并獲得統計預測，沿x軸正向傳播的長峰不規則波的波面升高可看作大量單元不規則波的組合［16］，即：

式中：Aj、ωj、kj和εj分別表示第j個單元波的波幅、圓頻率、波數及隨機相位角。對于深水波，ωj和kj滿足色散關系。波幅Aj可由波譜S（ω）表達：

式中：Δω是等間距頻率間隔。

假設海況可描述為一平穩隨機過程，針對0.5～1.0 h的一段有限時間，可以由波浪測量值計算獲得波譜。國際船舶與海洋結構會議（International Ship and Offshore Structure Congress，簡稱ISSC）和國際船模試驗池會議（International Towing Tank Conference，簡稱ITTC）推薦了海浪譜S（ω）。對于開闊海域中充分發展海浪，第15屆ITTC推薦應用ISSC波譜［17］公式：

式中：H1/3為有效波高；T1為平均波浪周期。

式（8）給出的波譜與修正后的PM譜［18］相同，后者用平均周期T2作參數，適用于充分成長的海浪，即：

式中：mk（k=0，1，2，…）為海浪譜譜矩。

對于式（8）給出的波譜，T1與T2存在以下關系：

T0為對應于同一波譜的譜峰頻率周期，表達式為：

第17 屆ITTC 會議推薦了Jonswap 譜［19］，該譜由“北海海浪聯合計劃”測量分析得到，適合像北海這類風程被限定的海域，表達式為：

式中：

當ω≤5.24/T1時，σ=0.07；當ω＞5.24/T1時，σ=0.09。式（13）也可用其他特征周期來代替：

3 臺風海況監測結果分析

3.1 臺風信息

強臺風“杜蘇芮”是2017年太平洋臺風季第19號強臺風，其發源地為菲律賓東部太平洋海域，途徑菲律賓、中國南海海域，在越南北部沿海登錄，最終消逝在中南半島［20］。中央氣象臺于2017年9月11日1時對其發出預報，于9月12日14時將其升格為熱帶風暴，于9月14日5時將其升格為臺風，于9月16日17時對其停止編號。臺風期間，“杜蘇芮”實時路徑與被測平臺位置如表1所示，被測平臺與臺風的相對位置見圖5。

表1 臺風“杜蘇芮”路徑與被測平臺位置Tab.1 The path of Doksuri typhoon and the location of the measured platform

圖5 臺風路徑與被測平臺位置Fig.5 Path of the typhoon and the measured platform

由圖5所示，臺風中心與被測平臺較為靠近的時間段為14日和15日，同時結合監測數據，充分體現平臺受臺風影響前后的吃水情況，初步選取13日20：00至16日20：00的監測數據進一步分析。

3.2 平臺吃水分析

根據上述分析，所選時間段平臺船艏氣隙的時歷曲線如圖6所示。臺風來臨前（約13日22：00前），被測平臺氣隙值波動較為穩定且幅度較??；隨著臺風的靠近，氣隙值波動不斷增加；14日8：00至15日8：00波動較大且比較穩定，可視為被測平臺受臺風影響的主要時間段；隨后氣隙波動值逐漸下降，15日14：00后，氣隙波動幅度顯著下降。對艏部氣隙低通濾波，根據式（1）～（2）計算得到平臺平均吃水，結果如圖7所示。

圖6 臺風前后平臺艏部氣隙值Fig.6 The air gap at the bow during typhoon

圖7 臺風前后平臺平均吃水Fig.7 The mean draft during typhoon

圖7更直觀地顯示了被測平臺在這段時間的吃水情況，可見：14日4：00之前平臺處于自航吃水狀態，說明平臺正在往避臺地點航行；14日4：00至8：00，平臺處于調載狀態，由自航吃水調整到生存吃水狀態；14日8：00至15日17：00，平臺一直處于生存吃水狀態，在原地抗臺；15日17：00至16日8：00，由于臺風逐漸消退，平臺根據海洋環境情況進行間歇性調載，最后調整到自航吃水狀態；16日8：00之后平臺處于自航吃水狀態，說明平臺抗臺作業結束正在往生產地點航行。選取部分平穩時段，統計了平臺平均吃水值，見表2。

表2 典型時段吃水Tab.2 Draft of typical period

表2中，時段1為自航吃水；時段2、3、4為生存吃水，與平臺設計生存吃水16 m 有細微的差別，這可能是平臺操作人員根據經驗而確定的調載策略；時段5為臺風消退期間歇性調載的某中間吃水；時段6為自航吃水。后續內容將以時段2、3、4（分別對應后文的海況A、B、C）為例，主要分析所測半潛式平臺在臺風海況下的運動性能。

3.3 環境波浪分析

臺風影響最顯著的時段為14 日8：00 至15 日8：00。根據前述式（3）～（5）計算平臺外圍的環境波高，高通濾波（截止頻率0.21 rad/s，對應波浪周期30 s）后得到該時段波高時歷曲線，如圖8所示。

圖8 24 h環境波高Fig.8 Environmental wave height in 24 h

通過隨機波浪的統計描述分析，得到3.2節中所述時段2、3、4的波浪參數，見表3，包括：譜峰周期、最大波高、有效波高等關鍵數據。3個時段海況的波浪譜峰周期在9～11 s之間，海況B的有效波高接近6 m、譜峰周期10.47 s，與中國南海一年一遇波浪參數接近。將3 個海況波浪譜分別與相應波譜參數的ISSC 譜、修正PM 譜和Jonswap 譜進行對比，結果表明：相比于另外兩個波浪譜，Jonswap 譜與實測波浪譜（波浪頻率高于0.4 rad/s）吻合得更好，如圖9 所示。但與Jonswap 譜不同，實測波浪譜均表現為多峰譜的特點，3 個海況波浪譜除了在0.60～0.68 rad/s 之間有峰值外，都在0.28 rad/s（對應波浪周期22.5 s）有一個較小的峰值，這說明實測波浪里同時包含了風浪和涌浪［21-22］的成分。

表3 波浪參數分析結果Tab.3 Analysis results of wave parameters

圖9 實測波浪譜與理論波浪譜對比Fig.9 Comparison between measured wave spectrum and theoretical wave spectrum

3.4 平臺運動分析

半潛式平臺的橫搖、縱搖和垂蕩運動性能非常受關注。采用類似于式（4）～（5）的方法，可以計算得到平臺水線面中心的垂蕩運動，后續分析采用該位置的垂蕩運動，為保證統一性，統一取平均吃水為15.2 m。A、B、C 這3 個典型海況下，平臺縱搖、橫搖和垂蕩運動的時域統計分析結果如表4 所示。根據表4 結果，3 類運動的最大值與有效值差距較大，也即3 個時段內被測平臺整體運動幅度較小，但仍有大幅運動，橫搖、縱搖、垂蕩運動的最大值分別為6.63°、5.48°、4.85 m。受運動測量單元測量精度限制，垂蕩運動最大值可能存在4.1%～7.7%的誤差。

表4 各海況運動時域統計分析Tab.4 Statistical analysis of motion in time domain of each sea state

對平臺運動進行譜分析及幅值響應算子（RAO）分析，以便分析該平臺波頻運動的響應特性。RAO 計算公式為：

式中：SW（ω）為實測波浪譜；Si（ω）（i=1，2，3）分別為橫搖、縱搖、垂蕩響應的自功率譜。

3 個海況下平臺橫搖、縱搖、垂蕩運動自功率譜及RAO 結果見圖10～12，從圖中可以看出各運動響應譜都同時具有顯著的低頻成分和波頻成分，這兩部分峰值和對應頻率見表5。在臺風海況下，平臺運動是臺風、海流、波浪以及動力定位系統推力共同作用的結果，平臺的低頻運動響應受風、流和動力定位系統推力影響更大，而受波浪影響甚??；與此相反，平臺波頻運動往往就是波浪作用下的結果，這部分運動與波浪頻率一致、周期較短，是平臺定位系統難以直接限制的，因此RAO 結果只展示了波頻部分。平臺運動RAO 的峰值和對應頻率（周期）見表6。

表5 各海況運動自功率響應值Tab.5 Motion response value of each sea state

表6 各海況RAO響應值Tab.6 RAO response value of each sea state

圖10 各海況橫搖功率譜及幅值RAOFig.10 Roll power spectrum and amplitude RAO of each sea state

結合圖10和表5可以發現，橫搖響應譜的低頻峰值明顯大于波頻峰值，低頻峰值頻率0.10 rad/s，對應周期62.8 s，這可能與生存吃水下平臺橫搖固有周期接近。從圖11和表5可以發現，縱搖響應譜的低頻峰值也明顯大于波頻峰值，低頻峰值頻率0.06～0.08 rad/s，對應周期90 s左右，與常見的半潛式平臺縱搖固有周期相差較多，可能是平臺迎浪抗臺時動力定位系統對縱搖產生影響導致的。從圖12 和表5 看，垂蕩響應譜的低頻峰值與波頻峰值相當，在波浪頻率0.29 rad/s（對應波浪周期21.7 s）左右有一個小峰值，應該是由于垂蕩固有周期與涌浪周期接近引起的。從圖10～12以及表6看，波浪作用下平臺橫搖、縱搖、垂蕩RAO幅值均較小，3個海況下同一運動模態的RAO 曲線不盡相同，這可能由3個海況波浪成分不同所引起，另外也可能由于采用線性解耦所求得的環境波高誤差引起。

圖11 各海況縱搖功率譜及幅值RAOFig.11 Pitch power spectrum and amplitude RAO of each sea state

圖12 各海況垂蕩功率譜及幅值RAOFig.12 Heave power spectrum and amplitude RAO of each sea state

4 結 語

為彌補現有半潛式平臺動力響應性能研究方法的不足，從實海域監測角度出發，開發了一套比較完善的平臺動力性能監測系統，該系統可以同步監測平臺運動、氣隙、關鍵位置應力等。針對半潛式平臺在臺風等極端海況下實測響應數據缺乏的問題，挑選臺風“杜蘇芮”過境期間的監測數據，分析得到了平臺吃水變化情況、環境波浪參數，并對所測半潛式平臺在臺風海況下的橫搖、縱搖、垂蕩運動響應特性進行了分析討論。通過實海域監測獲得的數據非常寶貴，隨著研究的不斷深入，將為海洋平臺的設計、運維提供有力支撐。

另外，利用波浪氣隙、平臺垂蕩運動等監測數據采用線性解耦方法推算環境波高，存在一定的不足之處。由于測點偏移、平臺反射和繞射等原因，所得環境波浪參數會存在一些誤差，這也導致了平臺運動RAO結果存在偏差，后續需要研究更高精度的環境波浪隨船測量方法，為準確分析平臺運動RAO特征提供保證。同時，監測系統也對平臺的結構應力進行了監測，后續研究將進一步利用監測數據對平臺結構疲勞等方面進行分析。