“南海挑战号”半潜式平台移井优化方法研究

2023-06-03黄龚赛姚骥于思源武文华

哈尔滨工程大学学报 2023年5期

黄龚赛,姚骥,于思源,武文华

(大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件国家重点实验室,辽宁大连116024)

半潜式生产平台作为一种海上油气生产设备,在复杂海洋环境下具有良好的运动性能,广泛应用于深水和超深水海域[1]。多成分系泊系统是半潜式平台应用最广泛的系泊方式[2-3]。为提高海上油气资源的开采效率,常在同一海域钻设多个井口,平台在各井口间的移动即移井作业通过调节各系泊链的长度实现。目前半潜式平台采用的移井方案依赖人员经验,缺乏理论依据;在移井过程中,需多个部门共同讨论并实施移井方案,占用了大量人力资源;移井过程中,系泊链可能存在拖地行为,导致钢缆发生磨损而造成系泊失效,若移井方案选取不当也可能会导致平台发生稳性失效。

对于多点系泊系统,目前常采用多段悬链线控制方程计算系泊恢复力,调节系泊长度以微调平台位置。Skjetne等[4]基于悬链线控制方程提出了一种适用于推进器辅助系泊FPSO的定位方法,以此实现移井定位,同时可避免因服役过程中系泊链张力过大而引发的系泊失效。Nguyen等[5-7]将不受风、浪、流和推进力作用的平台平衡位置定义为井口零点,并基于系泊控制方程计算了FPSO移井前后井口零点位置与系泊张力变化,提出了一种有效的控制方法,避免因顶张力过大而造成系泊失效。Fylling等[8]通过调节系泊链长度调整系泊链与海床间的倾斜角度,改善了平台的水动力性能。

本文依托于“南海挑战号”半潜式平台开展了移井方案优化方法研究。基于多段悬链线控制方程,结合平台和各井口位置,建立了不同井口系泊链长度与顶张力的对应关系数据集。选取移井前后系泊链总变化量最短作为目标井口系泊布置方案,结合平台浮态指标提出了移井过程中的平稳程度优化指标,采用非支配排序遗传算法进行了移井路线优化研究。以现场移井方案为例,进行了系泊锚链收放优化分析,计算出最佳移井路线。对比系泊链拖地情况、系泊链收放长度、平台倾角变化量及移井过程中的平台平稳程度等指标,验证了本文所提计算方案的可行性。

1 “南海挑战号”半潜式平台简介

1.1 平台与井口参数

图1为“南海挑战号”FPS (floating production system),服役于香港东南220 km处的珠江口盆地流花11-1油田(东经115°42′,北纬20°49′)[9],采用双浮筒八立柱的主体结构形式,其浮体主要参数如表1 所示。

表1 “南海挑战号”FPS主要设计参数Table 1 Main parameters of “Nanhai Tiaozhan”FPS

图1 “南海挑战号”FPSFig.1 “Nanhai Tiaozhan”FPS

以基平面、中站面和中线面的交点作为坐标原点,建立平台浮体参考坐标系。其中,船长方向为X轴,船艏向为正;船宽方向为Y轴,右舷向为正;垂直方向为Z轴,向上为正。

“南海挑战号”半潜式平台的系泊系统采用11根系泊链非对称布置,如图2所示。平台所在海域的主要风向为东风和东北风,故平台船艏向设置为307°(方位角定义为正北为0°,正东为90°),以保证非对称布置系泊系统的安全[10-11]。与系泊链数量一致,平台甲板共设11台锚机,系泊链顺锚机垂下,穿过导缆孔固定于海床。

图2 “南海挑战号”FPS系泊系统布置示意Fig.2 Layouts of mooring system of “Nanhai Tiaozhan”FPS

平台底部海床上钻设2排井口,由25个编号井口与1个中心井口组成,2排井口朝向为305°,如图3所示。

图3 “南海挑战号”FPS井口布置示意Fig.3 Layouts of well locations of “Nanhai Tiaozhan”FPS

1.2 系泊链参数介绍

“南海挑战号”半潜式平台采用四成分系泊链,由平台至海床分别为平台锚链、悬挂钢缆、卧地锚链和锚端钢缆,长度分别为220.98 、502.92、524.26～609.60和121.92 m,其中卧地段锚链的长度如表2所示,系泊链各段重量参数如表3所示[12]。

表2 卧地锚链长度Tabel 2 Chain lengths of horizontal segment m

表3 系泊链质量参数Table 3 Weight parameters of mooring system 103kg/m

2 半潜式平台移井优化方法研究

针对现存方案不足,本章基于悬链线控制方程和遗传算法构建优化模型,在缩短移井所需时间的情况下保证平台的平稳程度。优化方案计算流程如下：首先通过悬链线控制方程及其约束条件初步计算各井口处的锚链张力和线型,基于总收放长度最小原则确定目标井口的系泊布置方案。其次,基于遗传算法以移井过程中平台平稳程度最优作为目标函数,确定移井路线方案,最终两方案相结合构成总体移井方案。其详细计算流程如图4所示。

图4 移井优化方案流程Fig.4 Flow chart of well relocating optimization plan

2.1 多成分系泊系统悬链线控制方程

假定每一系泊链位于同一平面内,以系泊链所在平面与海床面交线为X轴,垂直海床面为Y轴,以系泊链与海床端固定点为坐标原点O,建立如图5所示的坐标系。基于悬链线方法的四成分系泊链的控制方程组[13]为：

图5 四成分系泊链布局示意Fig.5 Layout of four-component mooring chain

(1)

k=1,2,3

(2)

k=1,2,3

(3)

(4)

(5)

式中：Li(i=1,2,3,4)为各段系泊链的长度;L3c、L3r分别为悬挂段和拖地段的系泊链长度;θi(i=1,2,3)是各段系泊链顶部与X轴的夹角;θ4为触地点与X轴的夹角,为0°;T为系泊链顶端切线方向的顶部张力;Q为T的水平分量;wi(i=1,2,3,4)为各段系泊链的单位长度湿重;Si、Hi(i=1,2,3r,3c)分别为各段系泊链在水平方向和垂直方向(水深方向)的投影长度。

方程(1)～(5)中共有16个方程26个量,其中w1、w2、w3、L2、L3、L4、H、S、θ4为已知量,其余17个为未知量。由于未知量多于方程数,且方程组中存在超越函数,补充一个已知条件后仍无法直接求解方程组,因此需同时假定Q与某一几何参数为已知量,采用寻优遍历法求解方程组[14]。本文选取Q与θ3为假设参量,H1为重复计算量。综合考虑计算精度及计算成本,取Q与θ3的设计最小值为初始值,在设计范围内分别以100 N 和0.05°等间隔赋值,求解方程组,当方程组(6)解得的2个H1的相对误差达到0.3%即认为得到一组解。

(6)

求解过程中,为确保系泊链各参数符合真实构型且满足平台系泊系统设计要求,同时为避免悬挂钢缆与卧地锚链连接处的拖地行为,还需引入约束方程组：

(7)

式中：L1allow是平台锚链允许释放的最大长度;H3lim为悬挂钢缆与卧地锚链连接处不拖地的最小H3值。

基于上述方法可计算得到所有满足设计要求的系泊链长度L和所对应的顶张力T及水平分力Q。

2.2 目标井口处系泊链长度选取

为保证平台在目标井口处的受力平衡,需要对各井口处的平台受力进行分析,使其在X、Y轴方向上满足约束方程：

(8)

式中：Qxk、Qyk(k=1,2,…,11)分别为力Qk在船体坐标系X轴和Y轴上的分量;Qk为第k根系泊链的Q值;lk为力Qk的作用力臂,即平台重心到力Qk作用线的垂直距离;Fx、Fy分别为力Qk在X轴和Y轴方向上合力的绝对值;M为力Qk作用在平台上合力矩的绝对值;ΔQx、ΔQy、ΔM分别为衡量Fx、Fy、M指标的允许误差,表达式为：

(9)

式中errx、erry、errM分别为误差占比,本文均取0.3%。

基于上述方法可构建目标井口下所有满足要求的系泊链长度Lk和所对应顶张力Tk及水平分力Qk的数据关系集。

2.3 移井方案优化设计

在移井过程中,系泊链的收放顺序将影响平台的位置姿态,进而直接影响平台的平稳程度。本文采用遗传算法对移井路线进行优化,选择合理的系泊链收放量以及收放顺序,使平台在整个移井过程保持最大的平稳程度。

在“南海挑战号”移井过程中,同一时刻仅能收放一根系泊链。为尽可能地减少系泊链收放步骤,缩短操作时间,以移井前后系泊链收放总变化量最小作为目标井口处的各系泊链长度的选择标准。在此基础上,结合系泊链单次收放长度,可计算得到移井作业所需的操作步数,本文中系泊链单次收放长度取平台操作均值1.5 m。

2.3.1 遗传算法模型构建

1) 编码机制。

初始种群由随机抽样产生,代表遗传算法运算前的第1组移井路线方案,设初始种群中染色体个体数量为G,每个染色体代表一种移井路线方案。染色体由系泊链收放序号和系泊链收放量2部分组成,用向量m表示：

m=[n1n2…nj…ns|v1v2…vj…vs]

(10)

式中：nj是系泊链收放序号,(j=1,2,…,11);vj表示对应nj号系泊链的收放量;s为基因数量。

2) 选择算子。

编码后需利用适应度函数对染色体进行评价,适应度函数构建在2.3.2节详细介绍。经适应度评价计算后,对初始种群中的所有染色体按降序排序,根据轮盘赌选择法[15]保留适应度高的染色体,随迭代进化,一直保留至找到适应度更高的染色体。

3) 交叉、变异算子。

如果迭代过程未收敛,则需要进化出新的染色体个体。对于移井路线计算问题,每个染色体代表了移井方案中的系泊链收放序号和收放长度,每根系泊链的收放长度与收放次数的和都是固定的。传统的交叉、变异操作在此不再适应,因为会产生收放长度和收放次数不满足固定值的染色体,因此可采用分散分配等位基因(DAA)的方式来解决上述问题[16]。

随着迭代不断进行,模型如满足收敛标准[17-18]之一则视为达到收敛条件,此时将种群中排名第一的染色体作为最终的最优解,即为最佳移井方案。

2.3.2 适应度函数构建

(11)

(12)

δdaf=max(δdFP,δdFS)-min(δdAP,δdAS)

(13)

(14)

式中：L为船长;B为船宽。

本文将移井过程中平台的平稳程度作为适应度函数,评估染色体的优良程度,计算步骤如下。

1)系泊链长度计算。

基于第j-1时刻系泊链长度Lj-1和第j时刻的收放量vj,计算该时刻nj号系泊链收放后的长度Lj。

2)Tj、Qj和平台重心计算。

(15)

3)平台坐标位置计算。

平台沿系泊链的合力方向移动,最终停留在平衡位置。由于无法直接求得平台的位置,故以Δd的小量为移动距离向系泊合力方向移动,直至得到合力的极小值点,图6给出了某一时刻收放系泊链后平台坐标原点移动轨迹图和平台的最终位置。

图6 平台坐标原点移动轨迹Fig.6 Route trajectory of origin coordinate of the platform

4)适应度指标计算。

循环1)～3)可计算得到一条完整的移井路线,在移井过程中选取平台平稳程度作为衡量整个移井路线的优劣指标,计算公式为：

(16)

式中：f为适应度指标;α为系数;为方便计算δdaf,0常取0。

3 移井案例分析和讨论

3.1 移井前后系泊布置方案对比分析

为验证本文计算方案的可行性,从以往移井记录中随机选取4次移井操作信息(C7-D1、D3-D2、B4-B6、D4-A5),分别对比移井前后系泊链拖地情况、系泊链收放长度及平台横倾角和纵倾角变化量。平台采用的原始移井信息如表4所示。

表4 原始移井方案的系泊链长度信息Table 4 Mooring chains length variations in the original well relocating scheme

本文利用所提计算方案对上述4次移井操作进行计算,2种方案的移井参数对比信息如表5所示。发现原始方案的4次移井操作中,悬挂钢缆与卧地锚链连接处都存在拖地行为,且移井距离越大,拖地链的数量越多。而本文计算方案中L3c均大于18 m,可完全避免拖地行为。

表5 原始移井方案与优化后移井方案的移井参数信息对比Table 5 Comparisons of the mooring chains length between the optimized and the original well relocating scheme

相对于原始方案,计算方案中系泊链收放量和操作步数整体减少,极大地节约了时间成本。同时,计算了4次移井操作前后引起的平台横倾和纵倾角度变化,结果如图7所示。对比原方案可知,除D3-D2纵倾角度外,本文所提出的移井方案所引起的平台横倾和纵倾角度变化均显著降低,而计算方案与原始方案在D3-D2移井操作前后的纵倾角度变化值分别为0.068 3°与0.048 4°,均小于0.1°,可忽略不计。对比信息如表6所示。

表6 计算方案较原始方案平台倾角变化率对比Table 6 Comparisons of the inclination ratio of the platform between the optimized scheme and the original scheme %

表7 移井过程中系泊链的收放序号及长度Table7 The sequence and the length of mooring chains in the well relocation process

图7 不同方案计算得到的横倾角、纵倾角变化对比Fig.1 Comparisons of the variations in heel angle and trim angle with the different schemes

3.2 移井路线对比分析

进一步选定D3-D2的移井方案为例进行移井路线优化研究,设定初始种群数量G为40,可执行的最大迭代数设为100,交叉、变异概率分别为80%和20%。图8给出了最优移井路线计算的收敛演化过程,目标值最终收敛至f= 0.018 4 m。

图8 目标值收敛过程Fig.8 Objective value convergence process

表6给出了计算方案下各系泊链的收放顺序及收放量,收为负,放为正,其中步骤20与32收放量过小视为0。图9给出了平台在计算方案下的移动轨迹,终点与目标井口D2的距离差仅为0.358 m,在平台的可微调范围内。

图9 D3-D2移井路线轨迹Fig.9 Well relocating route trajectory from D3 to D2

如图10所示,分别给出了移井过程中最优路线对应的平稳程度曲线及原始方案对应的平稳程度曲线。经对比发现,现场方案波动幅度较大,适应度指标为0.155 0 m,而计算方案的平稳程度曲线整体趋势缓和,适应度指标仅为0.036 5 m,较原始方案整整降低了76.45%,说明移井过程中平台的平稳程度显著提升。