自升式平臺上下分體探討

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

目前世界上共有自升式平臺約400座，占全部海洋鉆井裝置的40%以上[1]。自升式平臺造價隨作業(yè)水深加大而急劇上升，目前世界上這種平臺作業(yè)水深最大的是168 m，作業(yè)水深大于120 m的自升式鉆井平臺只有20余座，我國自升式平臺17座，最大作業(yè)水深大于90 m的僅有4座，且均為進口技術(shù)。

現(xiàn)有自升式平臺由浮體、樁腿、升降機械等構(gòu)成，整個平臺設(shè)計為一個整體。受拖航穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)剛度等影響，這種模式之下繼續(xù)增加作業(yè)水深已經(jīng)非常困難。為了逐步向深淺海邁進，研發(fā)經(jīng)濟性好的深淺海自升式平臺，或充分利用現(xiàn)有淺海自升式平臺進行深水化改造，解決現(xiàn)有自升式平臺造價隨水深加大而急劇上升的問題，是一種有益嘗試。

1 設(shè)想

1.1 基本思路

移動式平臺受拖航穩(wěn)性限制，平臺重心不能過高，具體到自升式平臺，也就是升降樁腿不能太長[2]。這樣為了適應(yīng)深淺海作業(yè)，使用較長樁腿，只有加大平臺浮體主尺度以保證拖航穩(wěn)性，而且由于各樁腿分別獨立，各樁腿剛度和強度要求都很高，樁腿重量及占用的甲板作業(yè)面積很大，相應(yīng)地需要加大升降能力，升降系統(tǒng)造價十分昂貴[3]。

同時，自升式平臺在深淺海作業(yè)時，由于支撐結(jié)構(gòu)不能進行剛性連接，平臺受外力作用時上部位移較大，引起的偏心附加應(yīng)力也影響平臺的安全性。

美國發(fā)明了用于淺海20 m以內(nèi)淺海的層疊混凝土島式鉆井系統(tǒng)。這一系統(tǒng)由鉆井駁船、試油駁船以及若干塊混凝土增高墊所組成的, 根據(jù)不同工作水深范圍選用不同組合的增高墊與之配合使用, 以適應(yīng)水深11～ 20 m 范圍內(nèi)的工作需要[4]。該技術(shù)不適于水深較大或水深變化較大的工況。

筆者提出在自升式平臺下部加上較高的一個底座[5]，實現(xiàn)有效提高自升式平臺的作業(yè)水深，并適于較大水深變化范圍。這個底座的剛性容易保證，材料性能要求不高，而造價不會急劇上升。但相應(yīng)地也存在對接、調(diào)平等技術(shù)問題。

1.2 整體結(jié)構(gòu)方案

分體自升式平臺主要由自升主平臺、坐底支撐結(jié)構(gòu)、對接引導(dǎo)裝置、壓載系統(tǒng)等構(gòu)成。自升主平臺結(jié)構(gòu)見圖1。

1-平臺上箱體；2-升降樁腿；3-平臺下箱體；4-固定樁腿；5-絞車；6-引導(dǎo)索；7-導(dǎo)向輪；8-導(dǎo)向套；9-空壓機組；10-壓載控制氣路；11-通?？趫D1 水面拖航狀態(tài)

綜合考慮平臺拖航、對接、就位、拆分等各項性能，將平臺分為均具有漂浮性能的兩大分體。作業(yè)時在海上自行上下對接成一座平臺。自升主平臺與常規(guī)自升式平臺基本相同，各升降樁腿頂部安裝導(dǎo)向輪，底部截面中心設(shè)有導(dǎo)向套；坐底支撐結(jié)構(gòu)，下部為平臺下箱體，隔成數(shù)個壓載艙室，各壓載艙室均設(shè)有通?？冢脚_下箱體上方設(shè)有與升降樁腿位置對應(yīng)、數(shù)量相同的固定樁腿，各固定樁腿也分別設(shè)壓載艙，平臺下箱體、固定樁腿及多個桿件組焊為一個剛性整體；對接引導(dǎo)絞車安裝在自升主平臺上，配屬的引導(dǎo)索沿導(dǎo)向輪、導(dǎo)向套，穿過升降樁腿后固定在固定樁腿的頂部截面中心，通過收緊引導(dǎo)索，升降樁腿底端可以與固定樁腿頂端基本對準(zhǔn)，此時對接處的錐度結(jié)構(gòu)可使兩者精確對位；壓載系統(tǒng)的空壓機組安裝在自升主平臺上，配屬的壓載控制氣路與坐底支撐結(jié)構(gòu)上所設(shè)各壓載艙分別相連，利用氣壓控制海水進出壓載艙，各壓載艙可分別控制，調(diào)整坐底支撐結(jié)構(gòu)在尚未坐底時的平衡。

坐底支撐結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)重心低，加上固定樁腿的浮力作用，采用柱穩(wěn)式平臺成熟設(shè)計技術(shù)可以使其不僅具有漂浮穩(wěn)性，還具有沉浮穩(wěn)性，確保海上對位、拆分過程的平穩(wěn)、安全。

自升主平臺通過升降樁腿支坐在坐底支撐結(jié)構(gòu)的固定樁腿上，完全依靠自升主平臺重量來保持其豎向穩(wěn)定，對接完成后樁腿不承受拉力；橫向由對接處的錐度結(jié)構(gòu)限位，通過局部加強滿足對接部位接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力要求。升降樁腿結(jié)構(gòu)計算時在對接處簡化為鉸支。

1.3 不同工況操作程序

平臺拖航時，自升主平臺、坐底支撐結(jié)構(gòu)分開浮在水面上，用拖船拖航。

平臺海上就位對接時，壓載系統(tǒng)控制各壓載艙進水，使坐底支撐結(jié)構(gòu)沉至升降樁腿下端以下，同時對接引導(dǎo)裝置卷收引導(dǎo)索，使升降樁腿與固定樁腿對中相接(見圖2)，然后降放升降樁腿，直至坐底支撐結(jié)構(gòu)坐落于海底，此后按普通自升式平臺升船程序執(zhí)行，調(diào)整至作業(yè)狀態(tài)；在海底存在輕度傾斜時，靠升降樁腿調(diào)節(jié)以保持自升主平臺的狀態(tài)。

平臺鉆修作業(yè)與其它平臺沒有區(qū)別(見圖3)。

圖2 海上對

圖3 正常作業(yè)狀

平臺起浮拆分時，先將平臺上箱體降至水面，提升升降樁腿同時放松引導(dǎo)索，用拖船將自升主平臺移出坐底支撐結(jié)構(gòu)的上方區(qū)域，利用壓載系統(tǒng)排出壓載艙內(nèi)的水，使坐底支撐結(jié)構(gòu)浮起。

平臺近距離轉(zhuǎn)移井位時，可以不進行拆分，將坐底支撐結(jié)構(gòu)提離海底并使其具備一定浮力后即可拖航。

平臺在淺水區(qū)應(yīng)用時，可以直接用自升式主平臺進行作業(yè)。

2 關(guān)鍵問題及其解決思路

1) 上下兩大分體對接過程中，受力大小受海上浪流、坐底支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量、振搖頻率、引導(dǎo)索彈性等影響，決定對接系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，需要進行理論分析、試驗?zāi)M研究，并可考慮在引導(dǎo)索與坐底支撐結(jié)構(gòu)之間增加彈簧結(jié)構(gòu)，吸收振搖力。

2) 海底不平會引起平臺坐底支撐結(jié)構(gòu)傾斜,造成偏心力矩，是不安全因素。但上部平臺樁腿與固樁區(qū)存在一定間隙，允許各樁腿間有小范圍的“八字”，對接時不會引起對中錯位和過大內(nèi)應(yīng)力，加之各樁腿高度可自由調(diào)節(jié)，平臺上箱體可以保持水平。當(dāng)然，仍需要根據(jù)坐底支撐結(jié)構(gòu)的主尺度及偏心限制等計算確定海底不平度上限。

3) 坐底支撐結(jié)構(gòu)下沉入水和起浮出水過程中需要防止失穩(wěn)，可以采取柱穩(wěn)式平臺設(shè)計技術(shù)。由于坐底支撐結(jié)構(gòu)不象柱穩(wěn)式平臺上部帶有甲板及作業(yè)設(shè)備，重心較低，設(shè)計上相對容易保證沉浮穩(wěn)性，但支撐結(jié)構(gòu)仍有高度限制?？梢钥紤]采用自升式主平臺上附帶的吊車或鉆井井架大鉤輔助下沉。

4) 設(shè)計、計算方法需要慎重研究。特別是平臺整體抗滑穩(wěn)定性、平臺對接與拆分作業(yè)過程受力、平臺對接處結(jié)構(gòu)及受力等，以前沒有先例，應(yīng)該采用理論計算和試驗結(jié)合的方法進行研究，技術(shù)可行后可以結(jié)合現(xiàn)有平臺深水化改造進行試驗。

5) 平臺整體壓載需要深化研究。作為組合式平臺，其整體重量中相當(dāng)大部分是在水下，需要考慮平臺整體預(yù)壓載。

6) 作為新型平臺，需要探索規(guī)范的適應(yīng)性問題，滿足平臺安全性要求。

3 性能及效益分析

1) 采用分體結(jié)構(gòu)，平臺升降樁腿長度成倍減小，降低了重心，大大提高了平臺漂浮穩(wěn)性，從而可以顯著減小平臺上浮體的尺度、重量，相應(yīng)降低了平臺對其樁腿的剛度、強度的要求和對整套升降機械升降能力的要求，平臺所受環(huán)境載荷也隨之減少。

2) 兩大分體均具備自浮能力，就位時無需浮吊等輔助作業(yè)，且平臺不會出現(xiàn)拔樁困難。其中坐底支撐結(jié)構(gòu)可以利用柱穩(wěn)式平臺設(shè)計技術(shù)，保證平臺入水穩(wěn)性。

3) 坐底支撐結(jié)構(gòu)不必受平臺升降功能限制，焊接為一個整體，比相互獨立的樁腿結(jié)構(gòu)性好，不易發(fā)生變形及振動，充分發(fā)揮材料效能，不必使用昂貴的高強度鋼材。且平臺上部位移小，偏心附加應(yīng)力小。

4) 坐底支撐結(jié)構(gòu)可以對升降主平臺的樁腿進行精確限位，有利于降低普通自升式平臺固樁載荷，提高了平臺安全性。

5) 可以比較容易地突破目前自升式平臺作業(yè)水深的上限。

6) 對現(xiàn)有自升式平臺的深水化改造非常適用，可緩解淺海勘探開發(fā)工作量不足而深淺海鉆井裝備能力不足的矛盾。

一座60 m水深自升式鉆井平臺造價約為5億元，而一座120 m水深自升式平臺造價約為12億元。如果用一座60 m自升式平臺加上一個60 m高的坐底支撐結(jié)構(gòu)，需再增加1.5億元即可，其前期投資節(jié)省非常大。

[1] 彭熙民.“港海一號”自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)靜力分析[J].中國海洋平臺，2000，15(4)：21-24.

[2] 潘 斌.移動式平臺設(shè)計[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[3] 王 泉.自升式修井平臺升降裝置強度安全可靠性分析[J].石油礦場機械，2002, 31(4): 1-5.

[4] 黃新生.灘海油田開發(fā)中海工技術(shù)發(fā)展問題思考[J].石油規(guī)劃設(shè)計，1996(6)：9-12.