移動式鉆井平臺穩性與壓載計算方法及應用

(中海油能源發展股份有限公司 監督監理技術公司，天津 300452)

在海洋石油勘探開發中鉆井平臺的拖航、就位和升降平臺作業過程中存在著重大風險源，鉆井平臺的穩性與壓載計算是識別海上風險源的重大專項技術之一。油田拖航與遠距離拖航都要控制和保持鉆井平臺的穩性。掌握鉆井平臺穩性與壓載計算方法可降低和消除平臺拖航、就位和升降作業過程中的重大事故的發生。國家相關法律法規規定，穩性壓載人員應當接受穩性與壓載技術培訓，并取得合格證書；穩性計算結果要由平臺檢驗部門審核認可，然后由其簽發適拖確認書，方可降平臺拖航。因此，研究并掌握鉆井平臺穩性與壓載計算方法具有重要的意義和實際應用價值。

1 鉆井平臺拖航穩性的相關條件

鉆井平臺穩性是指平臺受傾斜力矩作用離開其平衡位置而傾斜，當傾斜力矩消除后能自行恢復原平衡位置的性能，包括平臺拖航時的漂浮穩性和升起狀態的站立穩性。鉆井平臺拖航穩性條件要求，保持鉆井平臺的水密性、檢查控制鉆井平臺的重心高度。影響鉆井平臺拖航穩性的不利因素如下。

1)新增設備增重。重量增加以后干舷會減小，還可能引起不必要的縱傾或橫傾。

2)環境載荷增重。附著的冰雪。

3)其它增重。海生物或樁靴上部表面沉積的泥土。

4)甲板貨物移動。拖航中，平臺體顛簸搖擺或海浪沖擊可能導致甲板固定的貨物移動。

5)液艙未滿，自由液面系數大，會降低鉆井平臺穩性。

2 平臺拖航穩性計算

鉆井平臺飄浮(拖航)狀態的穩性計算，主要是平臺體重量大小和重心位置的計算，將計算結果與允許值進行對比，驗證其在允許值內，從而保證鉆井平臺的拖航穩性達到要求。

2.1 平臺拖航穩性計算中幾個要說明的問題

計算需要用到的資料包括：平臺體布置總圖、艙室布置圖、靜水力參數圖表及規格化的穩性計算書。重量重心計算目的是校核載荷情況，檢查吃水是否符合拖航條件；需要校核重心高度，不得超過拖航時的允許值；調整縱、橫傾，便于拖航；按計算表進行計算。

2.2 平臺拖航穩性計算的基本步驟

1)確定空平臺重量和重心并造表登記(平臺操作手冊中均可以查到)。

2)統計各液艙艙容，由艙容表找出它們的重量和重心(縱橫垂三心)，計入載荷。

3)統計全平臺固體可變載荷，將其重量和重心(縱橫垂三心)計入載荷。

4)合計上述三項，最后計算出鉆井平臺最后的排水量和重心位置，通過多次調整縱、橫傾，達到拖航要求，根據靜水力曲線圖確認平臺體浮心、重心在合適的位置上。

2.3 平臺拖航穩性計算應用實例

以某平臺實例進行計算，沉墊式、自升式平臺拖航穩性計算應都是一樣的。

1)按表1，空平臺數據已知。其中：三種力矩是由空平臺重量(kN)分別乘以三心距而得。

2)統計測量各液艙容(深度)，得出重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

3)統計測算平臺上各處固體可變載荷重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

4)按豎行分別算出重量合計、縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩合。

5)用縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩分別除以總重量，得出三心坐標位置。

6)計算匯總得表2。

表1某平臺拖航穩性計算表(一)

平臺名： 穩性計算書 制表人： 日期：

序號項目重量/kN縱向重心Xg/m力矩Mt/(kN·m)橫向重心Yg/m力矩Mh/(kN·m)垂向重心Zg/m力矩Mz/(kN·m)1空平臺26 086.716.007417 573-0.01-258.69.56249 296.12燃油46015.57 130-13.5-6 2101.096504.163淡水55028.87515 881.25-3.06-1 6830.926509.34人員及糧食100282 8005.25205備品及雜物300123 6005.21 5606海水艙88028.87525 4103.062 692.81.4181 247.847鉆具30014.54 3508.22 4608壓載艙1929.641.51 394.4610.759 993.631.341 134.169壓載艙24201.5630-10.75-4 5150.6253.5合計豎行相加30 026.34除法算出15.945豎行相加478 768.71除法算出0.000 7豎行相加19.83除法算出8.575+自由液面修正數豎行相加257 485.06

表2某平臺拖航穩性計算表(二)

平臺名： 穩性計算書 制表人： 日期：

從匯總表得計算得序號內容1每厘米縱傾力矩MCM=D·(Zb+BMl-Zg)/(100 L) (kN·m)/cm1排水量 D=?t <拖航允許排水量t2縱傾力矩 Mt=(Xg-Xb)·D kN·m2重心高 Zg=?m <許用重心高m3艏艉吃水差 △T=M/(100MCM) m3重心縱向位置 Xg=?m 舯前或后4艏吃水 TF=(L-Xf)·△T/L+T m4橫傾力矩 Mh=?kN·m 左或右傾5艉吃水 TA=-Xf·△T/L+T m從靜水力曲線得6序號內容71平均吃水 T=?m < 許用吃水 m82浮心縱向位置 Xb=?m93漂心縱向位置 Xf=?m104縱穩心半徑 BMl=?m115橫穩心半徑 BM=?m126浮心高 Zb=?m137平臺水線長 L=?m14

注：“？”為未知數。

總排水量D(t)要小于拖航允許排水量。

重心高與滿載拖航重心高相比，要小于允許值。

重心縱向位置Xg/m的提示：用平臺長的1/2減去縱向重心，得出用平臺舯為零點表示的數據。按總重量在靜水力曲線表中查浮心縱坐標，與重心縱坐標相比，重心縱坐標在浮心縱坐標之后，達到艉吃水要求，艏艉吃水差約0.3 m。

橫傾力矩Mh(kN·m) (左或右傾)最好達到重心橫坐標為零(理想狀態)，沒有初橫傾。

7)從靜水力曲線得：

平均吃水T,m<吃水允許值,m；

浮心縱向位置Xb,m；

漂心縱向位置Xf,m；

浮心高Zb,m；

8)最后計算得每厘米縱傾力矩：

Mcm=D·(Zb+BMl-Zg)/(100L)

(1)

式中：D——排水量，t；

Zb——浮心高度，m；

BMl——縱穩心半徑，m；

Zg——計算重心高度，m；

L——平臺型長，m；

縱傾力矩為

Mt=(Xg-Xb)·D

(2)

式中：Xg——計算重心縱向位置；

Xb——浮心縱向位置。

艏艉吃水差：△T=M/(100Mcm)

艏吃水：TF=(L-Xf)·△T/L+T

艉吃水：TA=-Xf·△T/L+T

3 平臺壓載計算方法及應用

為了保證平臺升起狀態時的穩定平衡，平臺升起到鉆井作業狀態前要進行預壓載，保證在鉆井作業過程中樁腿入泥不會再有變化，即樁腿反力始終小于壓載時的樁腿反力。壓載計算結果應與允許值進行對比，驗證其在允許值內，從而保證鉆井平臺的站立穩性達到要求。

3.1 平臺壓載計算原理

與平臺拖航穩性計算中的調載計算相同，壓載計算就是加壓載水載荷產生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態數據。壓載作業需要適當地選取每次的壓載艙和壓載艙的加液量。計算中適當掌握壓載次數和每次加載后的觀察時間。

3.2 平臺壓載計算中需說明的幾個問題

平臺壓載過程中，其壓載水量是根據平臺預期裝載的可變載荷總量、外力矩引起的樁腿垂直載荷并結合當地的土質條件確定的。預壓狀態的可變載荷總量不得小于允許最大可變載荷，以防止平臺作業、自存時刺穿底層或下陷傾斜。

平臺壓載前，應向有關部門索取淺層地質資料，見圖1。淺層地質資料中給出單樁腿最大壓載量及其入泥深度，根據地層情況確定壓載次數的多少。為保證平臺結構安全和防止穿透蛋殼地層，確認壓載量值不超過地層支撐力、樁腿結構支持力和升降裝置支持力。

圖1 極限樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關系曲線

3.3 平臺壓載計算方法

壓載基本過程為初始預壓-單樁腿預壓-最后預壓。每一步壓載程序應明確選取每次的壓載艙和壓載艙的加液量，并計算出樁腿反力見表3。

表3 樁腿反力計算

壓載計算結果滿足平臺操作手冊規定的允許平臺最大預壓載荷與各樁腿最大反力，壓載水載荷產生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態數據，滿足平臺升起時的穩定平衡狀態。

3.4 平臺壓載計算應用實例

平臺壓載計算應用實例見表4。

表4 某平臺壓載計算表

從表4可見：壓載后的縱向重心與穩性計算中的縱向重心比較相差不大。橫向重心在中心線上或接近中心線旁(表4中橫向重心坐標接近為零，橫向力矩僅為4 kN·m。壓載后的平臺縱向重心和橫向重心變化不大。

4 結論

移動式鉆井平臺在進行拖航作業之前，要利用適當的方法對平臺進行穩性計算。平臺在升起狀態時應維持穩定平衡，保證鉆井作業過程中平臺樁腿入泥不會再有變化；平臺升起到鉆井作業狀態前應按照步驟進行壓載計算，其計算結果應與允許值進行對比，驗證其在允許值內，從而保證鉆井平臺的站立穩性達到要求。

[1] 王富華，米中彪.船舶管理[M].大連:大連海事大學出版社,2008.