自升式鉆井平臺懸臂梁遷航狀態(tài)滑移分析研究

樊敦秋

（1.中國海洋大學(xué) 青島266100；2.勝利油田鉆井工藝研究院 東營257000）

0 引 言

自升式鉆井平臺具有操作靈活、適應(yīng)水域廣、自存能力強和可重復(fù)使用等特點，在淺海油氣勘探開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代自升式鉆井平臺均設(shè)有懸臂梁，是自升式鉆井平臺的標準配置。懸臂梁主要功能［1］有：

（1）作為鉆井設(shè)備和鉆井工具的主要載體；

（2）實現(xiàn)井架的縱、橫移動，提高了平臺一次就位鉆井數(shù)量和平臺操作的靈活性與安全性。在鉆井作業(yè)時，平臺處于平穩(wěn)的座底狀態(tài)，懸臂梁不會發(fā)生滑移，而遷航過程中在平臺搖擺運動作用下懸臂梁具有較大的滑移力。因此開展懸臂梁拖航狀態(tài)滑移力的組成及計算研究對確保平臺安全具有重要意義。

1 懸臂梁滑移系統(tǒng)組成

目前常見的懸臂梁結(jié)構(gòu)型式有XY型和X型兩種，XY型懸臂梁可以X、Y兩個方向移動，而X型懸臂梁只能沿一個方向運動，是常規(guī)結(jié)構(gòu)型式，目前應(yīng)用也最廣泛，本文僅對X型懸臂梁進行分析研究。

懸臂梁滑移系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 懸臂梁結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)包括：基座及鎖緊機構(gòu)、懸臂梁、橫向軌道、鉆臺及井架、鉆桿堆場和驅(qū)動系統(tǒng)。基座及鎖緊機構(gòu)固定焊接在平臺主甲板上，懸臂梁安裝在基座和鎖緊機構(gòu)中并能在其中沿平臺縱向移動，鎖緊機構(gòu)在懸臂梁外移過程中始終“拉住”懸臂梁而不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)傾覆；橫向軌道、鉆桿堆場固定焊接在懸臂梁上，鉆臺（包括絞車、井架等設(shè)備）安裝在橫向軌道上并能在橫向軌道上滑動；驅(qū)動系統(tǒng)是懸臂梁和鉆臺移動的動力源。通過懸臂梁的縱向移動和鉆臺的橫向移動，平臺可以在同一地點鉆探多口井。懸臂梁移動時會帶動鉆桿堆場及鉆具、橫向軌道、鉆臺及鉆井設(shè)備同時移動。懸臂梁滑移系統(tǒng)是本文重點研究的對象。

2 滑移力分析

拖航時懸臂梁滑移力來自搖擺慣性力、重力和風(fēng)載荷。為了便于分析，建立圖2所示的計算模型。

圖2 懸臂梁慣性力計算模型

其坐標原點取在平臺漂心位置，由船舶靜水力學(xué)［2］可知，平臺的漂心即是搖擺中心。

2.1 一般計算方法

《海上拖航指南》［3］給出了作用在貨物平行于甲板的縱向作用力Fx的一種計算方法：

式中：Fq為風(fēng)作用力；Fw為海水飛濺沖擊力；Ax為縱向加速度。平臺拖航一般采用首拖，懸臂梁位于平臺尾部，故Fw可不計。Ax按下式計算：

運用該種方法計算懸臂梁滑移力時，公式（2）中的β、r兩參數(shù)無法直接獲得，現(xiàn)場實際勘驗懸臂梁裝載時無法獲得準確數(shù)據(jù)，影響了計算結(jié)果的準確度；另外需要對懸臂梁各個組成部分的縱向加速度分別計算，工作量較為繁瑣。針對該種情況，本文從懸臂梁滑移力的組成進行分析，提出了一種簡便、準確的計算方法。

2.2 搖擺慣性力

搖擺慣性力是懸臂梁滑移力的重要組成部分，由于懸臂梁只能沿平臺縱向滑移，本文只考慮縱搖慣性力。

2.2.1 平臺縱搖運動

在分析懸臂梁縱搖慣性力時，可以忽略阻尼作用而將平臺縱搖簡化為簡諧運動，運動方程表示為：

式中：θ為平臺任意時刻的縱搖角；A為平臺最大單邊縱搖角；ω為縱搖圓頻率。由此可得到縱搖角加速度α：

當平臺縱搖達到最大單邊縱搖角時，縱搖角速度為0，縱搖角加速度達到最大值αm：

式中：T為平臺縱搖周期，s；角度單位為弧度。

2.2.2 懸臂梁慣性力

懸臂梁通常由上、下面板和腹板組成，其截面呈“工”形結(jié)構(gòu)，其中懸臂梁腹板為大尺寸立面構(gòu)件，首先對腹板慣性力分析。設(shè)懸臂梁腹板尺寸為L×H，平均面密度為 ρ，在腹板（x，y）處選取一微塊 dxdy（如圖2所示），則該微塊慣性力dIB為：

將dIB分解為平行于懸臂梁軸線的滑移慣性力dIBH和垂直于軸線的垂向慣性力dIBV有：

在懸臂梁腹板范圍內(nèi)積分可得到懸臂梁腹板滑移慣性力IBH和垂向慣性力IBV為：

式中：MB為懸臂梁腹板質(zhì)量，YB為懸臂梁腹板質(zhì)心縱坐標。同理得：

式中：XB為懸臂梁腹板質(zhì)心橫坐標。

將式（7）、式（8）推廣到整個懸臂梁移動系統(tǒng)，則懸臂梁總的滑移慣性力IH和垂向慣性力IV為：

式中：Mi為懸臂梁所拖帶的物體質(zhì)量，t；

Xi，Yi為該物體的質(zhì)心坐標，m。

為了便于應(yīng)用，公式（11）可進一步表示為：

從公式（12）、（13）中可以看出，Xi與可以方便準確地得到，再利用平臺自身已知的參數(shù)值，經(jīng)過簡單運算便可得出懸臂梁拖航慣性力。與傳統(tǒng)計算方法相比，該方法具有便捷、準確的優(yōu)點。

2.2.3 重力及風(fēng)載荷

將重力分解為平行于懸臂梁軸線的分力GH和垂直于該軸線的分力GV，GH對懸臂梁產(chǎn)生滑移作用，GV起到壓力作用，則有：

風(fēng)載荷引起懸臂梁滑移作用，依據(jù)移動平臺規(guī)范［4］計算風(fēng)載荷，風(fēng)力Fq按以下公式計算：

式中：Si為受風(fēng)構(gòu)件正投影面積，m2；Chi為受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)；Csi為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)；P為基本風(fēng)壓，kPa。

3 懸臂梁滑移分析

運用上面介紹的基本方法，結(jié)合平臺實例進行懸臂梁滑移分析。

3.1 滑移分析工況

目前自升式鉆井平臺懸臂梁遷航狀態(tài)滑移分析還沒有明確的工況要求，本文參考自升式鉆井平臺遷航狀態(tài)樁腿強度計算工況及平臺穩(wěn)性分析要求［4］，推薦按照以下兩種工況對懸臂梁進行滑移分析：

工況1：油田內(nèi)遷航，風(fēng)速36 m/s，周期為平臺固有縱搖周期，縱搖單擺擺幅6°；工況2：遠洋遷航，風(fēng)速51.5 m/s，縱搖周期為10 s，縱搖單擺擺幅15°。其中平臺縱搖自搖周期 TL可采用式（17）［5］計算得到：

式中：f為系數(shù)，可查相關(guān)圖表得到；B為平臺型寬，m；L為平臺型長，m；KG為平臺重心到平臺基線的高度，m；GML為平臺未計及自由液面修正的縱傾初穩(wěn)性高，m。

3.2 滑移判定方法

懸臂梁與基座和鎖緊機構(gòu)之間的摩擦力起到阻礙懸臂梁滑移作用，當摩擦力大于或等于滑移力時懸臂梁不會滑移，即：

式中：f為摩擦系數(shù)。為了減小平臺作業(yè)期間的滑移阻力，常在懸臂梁和基座、鎖緊機構(gòu)之間涂抹黃油，一般選取摩擦系數(shù)0.13。

3.3 實例分析

實例平臺為三樁腿自升式鉆井平臺，設(shè)計作業(yè)水深50 m（含天文潮和風(fēng)暴潮），最大鉆井深度7 000 m（使用4.5 inch鉆桿），平臺一次就位可鉆探30口井，平臺主要參數(shù)如下：

計算坐標系如圖2所示。首先進行懸臂梁系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心計算（見表 1），然后對風(fēng)載荷（表 2）、慣性力載荷（表3）、重力（表4）以及摩擦力進行計算，最后對摩擦力和滑移力進行比較得到計算結(jié)果，見表5。

表1 懸臂梁系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心計算

表2 風(fēng)載荷計算

表3 縱搖慣性力計算

表4 重力計算

表5 滑移分析

表5中的計算結(jié)果表明，拖航時懸臂梁具有較大的滑移力。工況2為控制工況，應(yīng)按照該工況進行懸臂梁拖航固定加強，加強方式可采用楔形塊或插銷等方式，強度應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

4 結(jié) 論

（1）本文采用理論分析和實例驗證的方法，從搖擺慣性力、重力和風(fēng)載荷等方面對自升式鉆井平臺懸臂梁進行遷航狀態(tài)滑移分析研究，提出了一種便捷、準確的懸臂梁滑移力計算方法，尤其是多個物體組成的系統(tǒng)滑移力分析計算。

（2）在參考自升式平臺樁腿和平臺穩(wěn)性分析條件基礎(chǔ)上，提出懸臂梁滑移力分析計算工況理念，為懸臂梁設(shè)計和平臺安全操作提供參考。

（3）懸臂梁系統(tǒng)的質(zhì)量及質(zhì)心高度對懸臂梁滑移力有較大影響，因此在平臺遷航時盡量減少鉆臺、鉆桿堆場上的物料數(shù)量，以降低懸臂梁滑移力，確保懸臂梁安全性。

［1］樊敦秋，董勝，蒙占彬.自升式鉆井平臺懸臂梁設(shè)計研究［J］.中國造船，2011，52（增刊 2）：138-144.

［2］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜水力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984.

［3］中國船級社.海上拖航指南［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］中國船級社.海上移動平臺入級造規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］中華人民共和國海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則［S］.北京：人民交通出版社，2006.