海洋油田多功能自升式平臺研制

摘要：文章根據(jù)目前海洋石油作業(yè)的需要及市場前景為前提，提出了多功能自升式平臺的思路。對其作業(yè)工況進行了闡述。同時對平臺建立模型，以一典型作業(yè)條件和作業(yè)工況為例，利用ANSYS軟件進行強度計算；對其穩(wěn)性進行了校核計算。證明多功能平臺在其作業(yè)環(huán)境條件下是安全可靠的，滿足作業(yè)的需要。

關(guān)鍵詞：自升式平臺；多功能；結(jié)構(gòu)強度；穩(wěn)性；計算

Research and Manufacture of Offshore Oilfield Multifunction Jack-Up

SI Jiangge1， ZHOU Bing1， GAO Jian2

( 1CNOOC Energy Technology Services Ltd.Tianjin 300452， 2CNOOC Bo Zhong operating Company，Tianjin 300452 )

Abstract: This paper describes the operational conditions for multi-function jack-up and establishes a model of the jack-up to complete strength and stability calculation.Iit is proved that the jack-up is safe and reliable under the operational conditions.

Keywords: Jack-up， Multifunction;Structural strength;Stability; Calculation

1背景

目前，海洋石油開發(fā)已經(jīng)進入新的高潮，新導管架以及固定平臺的建立，生產(chǎn)平臺大修井和調(diào)整井工作量的增加，同時邊際油田的開發(fā)將日趨重要，海上施工的工程量隨著油價的高位徘徊與日俱增。海上石油一個油田的開采一般過程是：鉆探井→安裝導管架→鉆開發(fā)井和完井→安裝生產(chǎn)模塊及鉆機→石油開采→鉆調(diào)整井→石油開采→修井→石油開采等等，這些作業(yè)過程需要非懸臂和懸臂移動式鉆井平臺、固定平臺鉆機、移動式工程支持平臺/船、移動式生活支持平臺/船以及海上浮吊相繼完成。根據(jù)以往海洋石油開采經(jīng)驗，這些設(shè)備的利用率受海上石油生產(chǎn)情況和周期的影響。在開發(fā)初期使用海上浮吊和移動式鉆井平臺比較多，在中后期使用工程支持平臺/船、生活支持平臺/船、固定平臺鉆修機等，其中固定平臺鉆修機利用率最低。為此，需要研發(fā)新的多功能生產(chǎn)設(shè)備為海上石油開發(fā)提供長期持續(xù)的服務(wù)，提高設(shè)備利用率和達到節(jié)能目的。因此，研究建造自升式多功能平臺非常必要，并且具有廣闊的市場前景。

2 概述

2.1主要參數(shù)

該平臺是一艘三樁腿，尾二首一。平臺主體為箱形結(jié)構(gòu)，平面形狀接近三角形，型長54 m、型寬49 m、型深5.2 m、固樁區(qū)8 m、樁腿73×3.2 m、懸臂梁長34 m ×高4.7 m。

2.2多功能簡述

多功能平臺能提供海上生活支持、工程支持和探井、開發(fā)井及調(diào)整井的鉆井、修井等工程支持服務(wù)。移動生活模塊和鉆修井機進行移動轉(zhuǎn)換，可分別實現(xiàn)生活支持或鉆修井作業(yè)功能的能力。移動生活模塊由單個模塊進行組合成移動生活模塊，在組裝時，單個模塊與模塊之間電纜、管線等通過快速接頭快速連接達到作業(yè)人員住宿的目的，移動生活模塊由25個單模塊5×5組合而成。單個模塊長×寬×高=12 192×3 000×2 800 mm，移動生活模塊整體尺寸：長×寬×高=15 100×12 192×14 100 mm。

多功能支持平臺至少存在以下四種作業(yè)工況，配置相應(yīng)的支持作業(yè)系統(tǒng)。

1) 生活支持工況如圖1。安裝移動生活模塊，進行生活支持作業(yè)，即提供至少300人食宿。

2) 鉆機工況如圖2 。與移動生活模塊互換，安裝鉆修機，進行鉆完井、修井等作業(yè)。

3) 共存工況如圖3。鉆修機滑移到懸臂梁首部，尾部安裝移動生活模塊，進行生活支持作業(yè)，儲存鉆修機。關(guān)于鉆機及其橫導軌在懸臂梁上滑動系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)鉆井平臺鉆機滑動系統(tǒng)的最大改進和優(yōu)化，在此不做詳述。

4) 提供作業(yè)場地工況如圖4。鉆修機滑移到懸臂梁首部，尾部僅僅安裝移動生活模塊底座，提供作業(yè)場地工程支持。此作業(yè)可解決目前生產(chǎn)平臺甲板面積太小無法存放物料問題。

3共存工況結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)性計算

3.1共存工況優(yōu)點

1）可避免鉆機的拆卸，避免在下次使用鉆井作業(yè)工況時候，進行結(jié)構(gòu)、電氣方面的連接。尤其是上鉆臺的控制及儀表電纜、電氣電纜繁多，來回拆裝，電纜連接工作量大，而且很容易出現(xiàn)接線錯誤，影響生產(chǎn)。

2）可避免鉆機拆卸之后，租用海上運輸工具進行運輸，節(jié)約運營費用。

3）運送回陸地存放，需要租用存放場地， 所以此工況也可避免在陸地租用場地，陸地進行維護，節(jié)約了運營成本。

4）最大的優(yōu)點是，當需要鉆井作業(yè)時候，能夠快速的投入作業(yè)，縮短作業(yè)準備時間。

3.2計算環(huán)境條件

工作水深5 ~ 35 m，選取作業(yè)水深30 m，波高7.8 m，周期8.9 m，海流1.285 m/s，作業(yè)36 m／s，自存風速51.5 m/s，氣隙20 m。選取渤海灣LD4-2-2油田工程地質(zhì)資料，樁腿入泥深度9.3 m。

3.3計算載荷

載荷主要包括固定載荷、可變載荷以及環(huán)境載荷，關(guān)于平臺固定載荷與可變載荷在此不再詳述。環(huán)境載荷主要為風、波浪和海流載荷。環(huán)境載荷作用方向分別取為0°(縱向)、65.4°(斜向)、90°(橫向)、114.6°(斜向)和180°(縱向)。

3.3.1風載荷

F = K·Kz·P0·A （1）

式中：K風載荷形狀系數(shù)，對平臺甲板設(shè)備，遮蔽效應(yīng)加以考慮，平臺樁腿分別計算。

Kz 海上風壓高度變化系數(shù)；

P0 基本風壓，P0 =α·v2；

α 風壓系數(shù)，α= 0.613 N·s2/m4；

V 設(shè)計風速；

A 受風面積。

計算時對于平臺立柱，按線性分布載荷加在結(jié)構(gòu)上。作業(yè)風載荷計算結(jié)果見表1，自存風載荷計算結(jié)果見表2。

3.3.2波流載荷

對于小尺度圓形構(gòu)件，當D/L ≤ 0.2時，垂直于其軸線方向的波浪力可以按莫里森公式計算：

（2）

式中：ρ海水密度，kg/m3；

CD垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù)，由試驗確定，當實驗資料不足時，對圓形構(gòu)件，可以取CD= 0.6～1.0，本平臺參考齒條影響，CD取1.2；

CM慣性力系數(shù)，由試驗確定，當實驗資料不足時，對圓形構(gòu)件，可以取CM= 2.0，本平臺可取CM= 2.0；

D圓形構(gòu)件直徑，m；

L設(shè)計波長，m；

u垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點相對于構(gòu)件的速度分量，為其絕對值，當海流與波浪聯(lián)合作用于平臺時，u 為波浪水質(zhì)點的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量；

垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點相對于構(gòu)件的加速度分量。

利用ANSYS 的程序進行波浪和海流載荷的計算。根據(jù)該海區(qū)的波浪參數(shù)和平臺工作水深及其構(gòu)件尺寸，波浪處于斯托克斯五階波理論的適用范圍，選用斯托克斯五階波理論進行計算。波流聯(lián)合力作用結(jié)算結(jié)果見表3。

3.4建立模型

計算模型如圖5。根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)特點，建模中采用了板殼單元、梁單元及管單元等的適當組合，將平臺模擬為空間板殼、梁的組合結(jié)構(gòu)。其中圓管單元用于模擬樁腿、中艙支柱及邊艙支柱等結(jié)構(gòu)，梁單元用于模擬強橫梁、縱桁、艙壁垂直和水平扶強材等強力構(gòu)件，板殼單元用于模擬主甲板、底板、船體外圍板及艙壁板等結(jié)構(gòu)，主要采用三節(jié)點和四節(jié)點平板殼單元。對于平臺附屬結(jié)構(gòu)，例如甲板室、工程房、直升飛機平臺、橫向軌道、懸臂梁、鉆桿堆場等沒有直接進行建模，而是通過將局部強度分析結(jié)果給出的邊界條件施加在主體結(jié)構(gòu)上加以考慮。將平臺結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備載荷、可變載荷及環(huán)境載荷組合條件分別代入模型，利用有限元分析軟件ANSYS 對平臺結(jié)構(gòu)進行計算。

3.5結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及分析

3.5.1平臺整體應(yīng)力計算結(jié)果

使用軟件ANSYS模擬計算了每個狀態(tài)，在環(huán)境載荷114.6°入射組合條件下，引起結(jié)構(gòu)變形最大位移。其ANSYS模擬整體應(yīng)力圖如圖6。由于模擬工況較多，后面所有計算的項目和工況，僅給出計算結(jié)果最惡劣的ANSYS模擬圖。整體應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

3.5.2樁腿應(yīng)力計算結(jié)果

使用軟件ANSYS模擬計算了每個狀態(tài)，在環(huán)境載荷114.6°入射組合條件下，引起樁腿變形最大，應(yīng)力為233.176 Mpa。其ANSYS模擬樁腿應(yīng)力圖如圖7。

3.6穩(wěn)性計算

穩(wěn)性計算包括站立穩(wěn)性和拖航穩(wěn)性。

3.6.1站立穩(wěn)性計算結(jié)果

對于平臺而言，能夠安全作業(yè)，其結(jié)構(gòu)強度滿足要求之外，其穩(wěn)定性必須滿足要求，才能夠保證平臺安全作業(yè)。主要是對站立穩(wěn)定性進行校核，樁腿整體彎曲強度按以下方法進行計算。

同時承受軸向壓縮和彎矩組合作用的構(gòu)件，其計算應(yīng)力滿足下式要求。

當時， （3）

當時， （4）

構(gòu)件端部還應(yīng)滿足下式要求。

靜載荷工況：1.67（5）

組合工況：1.25（6）

對于圓管，由于各向同性，上述公式的彎曲性能部分簡化為下面式子。

當時， （7）

當 時，（8）

式中：σa計算軸向壓縮應(yīng)力，N/mm2；

[σa ]構(gòu)件許用軸向壓縮應(yīng)力，N/mm2；

σby 、σey構(gòu)件關(guān)于橫截面y 和z 軸的計算彎曲應(yīng)力，N/mm2；

[σby]、[σby]構(gòu)件關(guān)于橫截面y 和z 軸的許用彎曲壓縮應(yīng)力；

σey’、σez’構(gòu)件關(guān)于橫截面y 和z 軸的折減歐拉應(yīng)力，N/mm2；

其中 ； ，對應(yīng)的組合工況，其值可增大1/3，

E彈性模量，2.06×105 N/mm2；

ly、lz桿件關(guān)于橫剖面y和z軸的平面內(nèi)無支撐長度，m；

ry、rz桿件對應(yīng) ly、lz的橫剖面回轉(zhuǎn)慣性半徑，m；

Ky、Kz桿件的有效長度系數(shù)，按計算長度ly、lz兩端的支持情況取值；

Cm計算彎矩作用平面內(nèi)屈曲時的等效彎矩系數(shù)。

站立穩(wěn)性計算結(jié)果見表6。

3.6.2拖航穩(wěn)性計算結(jié)果

許用重心高度曲線如圖8。假定平臺在油田拖航和遠洋拖航不同的裝載情況。遠洋拖航最大風速51.5 m/s，油田拖航最大風速36 m/s，拖航吃水(船體) T ≤3.49 m，拖航排水量Ｄ≤7 397 t，允許最大可變負荷764 t；

使用計算軟件，計算出最大臨界重心高度，作出許用重心高度曲線。通過穩(wěn)性計算，查詢許用重心高度曲線，實際重心高度與許用重心高度進行對比。拖航穩(wěn)性計算結(jié)果見表7

4結(jié)論

本文所述多功能平臺至少存在文中提到的四種作業(yè)工況，選取其中鉆機與生活模塊共存的工況進行詳細的闡述，通過ANSYS軟件建立模型，對其結(jié)構(gòu)強度進行計算，計算結(jié)果都在安全范圍之內(nèi)。站立穩(wěn)性計算，三個樁腿應(yīng)力都滿足規(guī)范要求；拖航重心高度為10.833 m，而許用重心高度為18.3 m，完全滿足拖航要求。

本多功能平臺的研制成功，在國內(nèi)外是一個創(chuàng)新，同時也將在海洋石油行業(yè)大型生產(chǎn)設(shè)備的建造模式可研發(fā)方向和拓展思路方面產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻

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