自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁研究

任憲剛，白 勇，賈魯生

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

1 引 言

自升式鉆井平臺(tái)產(chǎn)生于1951年，目前在世界范圍內(nèi)具有最為廣泛的應(yīng)用，數(shù)量不斷攀升，在移動(dòng)式平臺(tái)中占據(jù)主要地位。目前自升式鉆井平臺(tái)大致分為以下幾種：

·按有無懸臂梁可分為：凹槽式自升式鉆井平臺(tái)和懸臂梁式鉆井平臺(tái)；

·按樁腿數(shù)量可分為：三腿、四腿、五腿自升式鉆井平臺(tái)；

·按樁靴的形式可分為：獨(dú)立插樁式和席底式自升式鉆井平臺(tái)；

·按樁腿的結(jié)構(gòu)形式可分為：圓殼式和桁架式自升式鉆井平臺(tái)；

·桁架式自升平臺(tái)又按照樁腿的形狀分為：三角形和四邊形樁腿的自升式鉆井平臺(tái)等等。

其中當(dāng)今最流行的是懸臂梁式鉆井平臺(tái)，這種形式相對于傳統(tǒng)的凹槽式鉆井平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

·一次鉆井?dāng)?shù)量更多；

·不破壞船體結(jié)構(gòu)；

·甲板空間更大；

·可鉆探井、生產(chǎn)井，也可修井等等。

圖1 傳統(tǒng)型懸臂梁Fig.1 Classic cantilever beam

圖2 X-Y型懸臂梁Fig.2 X-Y cantilever beam

當(dāng)今國際中，不同的設(shè)計(jì)公司所選擇懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式不同，大致分為以下幾種：

· 傳統(tǒng)型懸臂梁（F&G公司）見圖1；

· X-Y型懸臂梁（GutoMSC）見圖2；

· 旋轉(zhuǎn)型懸臂梁（Huisman-Itrec）見圖3。

2 三種懸臂梁對比研究

圖3 旋轉(zhuǎn)型旋臂梁Fig.3 Rotated cantilever beam

2.1 傳統(tǒng)型懸臂梁

傳統(tǒng)型懸臂梁的懸臂梁部分與鉆臺(tái)底座部分是分開的，鉆臺(tái)的移動(dòng)方式為：懸臂梁外伸開始打縱向叢式井，然后懸臂梁固定，鉆臺(tái)底座在懸臂梁上作左右的水平移動(dòng)，打水平叢式井。即懸臂梁只是做縱向的移動(dòng)。目前在國際上使用這種形式懸臂梁比較典型的是Super M2系列自升式鉆井平臺(tái)。目前應(yīng)用的這種懸臂梁的外伸范圍在75ft以內(nèi)。鉆臺(tái)面的水平橫移范圍在+/-15ft米以內(nèi)，23個(gè)井位。

結(jié)構(gòu)方面，這種懸臂梁基本是由兩個(gè)縱向的“懸臂梁”和兩個(gè)橫向梁組成。

圖9提供的傳統(tǒng)型懸臂梁的橫剖面顯示該懸臂縱向有兩道壁，垂直方向有一個(gè)BOP設(shè)備臺(tái)（下層）和排管甲板。

在承載能力方面，在極限井位，這種懸臂梁的鉆臺(tái)重量和組合懸臂梁載荷幾乎完全由一根梁承擔(dān)，見圖12。

2.2 X-Y型懸臂梁

X-Y型懸臂梁把鉆臺(tái)和懸臂梁結(jié)構(gòu)連接成為一個(gè)整體包，懸臂梁可以相對于船體縱向移動(dòng)，也可以橫向移動(dòng)，圖11為兩種懸臂梁全載移動(dòng)范圍對比示圖。目前在國際上使用這種形式懸臂梁比較典型的是CJ46、CJ70系列自升式鉆井平臺(tái)。目前應(yīng)用的這種懸臂梁的外伸范圍在80ft以內(nèi)，水平橫移范圍在+/-35ft以內(nèi)，56個(gè)井位。

結(jié)構(gòu)方面，X-Y懸臂梁是一個(gè)箱體結(jié)構(gòu)，后端集成了鉆臺(tái)和鉆臺(tái)面下甲板，前方布置排管和設(shè)備。

圖10提供的X-Y型懸臂梁的橫剖面顯示，這種形式的懸臂梁的井架支撐點(diǎn)直接與懸臂梁的側(cè)板對齊，縱向有三道壁。垂直有三層甲板：下設(shè)備甲板、中間設(shè)備甲板和頂部排管甲板。整個(gè)X-Y懸臂梁由平臺(tái)主甲板的一對橫向滑軌支撐，后滑軌布置在船體尾端橫艙壁上，前滑軌布置在稍前些的橫艙壁上。

在極限井位，鉆臺(tái)重量和組合懸臂梁載荷均勻分布在兩個(gè)縱向梁之間，見圖12。同時(shí)X-Y懸臂梁的寬度稍小些，因?yàn)檫@個(gè)寬度取決于橫移距離和BOP尺寸。在重量方面X-Y型懸臂梁重量要輕于傳統(tǒng)懸臂梁。

2.3 兩種懸臂梁的對比研究

圖4所示為兩種懸臂梁的井位數(shù)量對比研究。圖5、6為傳統(tǒng)懸臂梁和6X-Y型懸臂梁的側(cè)視圖，圖7、8為這兩種懸臂梁的運(yùn)行方式示圖。

圖4 井位數(shù)量對比Fig.4 No.of wells of the two cantilever beams

圖5 傳統(tǒng)懸臂梁側(cè)視圖Fig.5 Outboard profile of classic cantilever beam

圖6 X-Y懸臂梁側(cè)視圖Fig.6 Outboard profile of X-Y cantilever beam

圖7 傳統(tǒng)型懸臂梁運(yùn)行方式Fig.7 The movement track of classic cantilever beam

圖8 X-Y型懸臂梁的運(yùn)行方式Fig.8 The movement track of X-Y cantilever beam

舉例：400ft工作水深自升式鉆井平臺(tái)上兩種懸臂梁對比

表1 400ft工作水深自升式鉆井平臺(tái)上兩種懸臂梁對比Tab.1 The comparison of two jack-up’s cantilever with 400ft working depth

續(xù)表1

圖9 傳統(tǒng)懸臂梁橫剖面Fig.9 Section of classic cantilever beam

圖10 X-Y懸臂梁橫剖面Fig.10 Section of X-Y cantilever beam

圖11 兩種懸臂梁全載移動(dòng)范圍對比Fig.11 The comparison of movement scope of the two cantilever beams with full loads

圖12 兩種懸臂梁極限井位狀態(tài)Fig.12 The ultimate well location of the two cantilever beams

2.4 旋轉(zhuǎn)型懸臂梁

這種懸臂梁的設(shè)計(jì)觀念類似于X-Y型懸臂梁，也是將懸臂梁、鉆臺(tái)連成一個(gè)整體包。只是這種懸臂梁式圍繞一個(gè)固定的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到鉆叢式井。圖13為旋轉(zhuǎn)式懸臂梁示圖。

這種懸臂梁的特點(diǎn)是：

·大的縱向和旋轉(zhuǎn)橫向鉆井范圍；

·與船體交界簡單；

·集成鉆臺(tái)與懸臂梁于一體；

·門吊在懸臂梁甲板上，多功能、可靠和安全操作；

·鉆臺(tái)和懸臂梁之間無連接接頭；

·重量和性能得到優(yōu)化；

·由于使用了Huisman的井架，無V門限值；

·井架小，懸臂梁的體積小。

圖13 旋轉(zhuǎn)式懸臂梁Fig.13 Rotated cantilever beam

2.5 自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁的選擇標(biāo)準(zhǔn)

通過對上述幾種形式的懸臂梁的優(yōu)缺點(diǎn)的對比，我們已經(jīng)了解了每種懸臂梁的特點(diǎn)。對于不同的自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)，如何選擇懸臂梁，可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（a）根據(jù)業(yè)主要求的平臺(tái)鉆井作業(yè)范圍，可以確定選擇傳統(tǒng)形式或X-Y形式懸臂梁；

（b）根據(jù)業(yè)主對整個(gè)平臺(tái)的重量和性能要求，可以確定選擇何種懸臂梁形式；

（c）根據(jù)業(yè)主對造價(jià)的要求，確定選擇X-Y型或傳統(tǒng)型或旋轉(zhuǎn)型；

（d）根據(jù)平臺(tái)的類型，目前國際上已經(jīng)基本形成幾種類型的系列產(chǎn)品，并各自具有自己的特點(diǎn)。

懸臂梁的形式確定之后，下一步就需要根據(jù)業(yè)主的具體要求和作業(yè)環(huán)境條件，進(jìn)行懸臂梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)和加工設(shè)計(jì)。

3 懸臂梁設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（a） 美國石油協(xié)會(huì)（API）；

（b） 美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（AISC）；

（c） 美國焊接協(xié)會(huì)（AWS）；

（d）美國移動(dòng)式鉆井平臺(tái)入級與建造規(guī)范（ABS MODU）。

3.2 環(huán)境參數(shù)

本平臺(tái)工作水深為100m，無限航區(qū)。設(shè)計(jì)壽命為30年。波浪參數(shù)見上表2。

表2 波浪參數(shù)Tab.2 Wave parameter

海流參數(shù)見右表3。

3.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

懸臂的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

· 最大縱向外伸：17.526m；

· 最大橫向移動(dòng)：+/-4.57m；

· 最大組合載荷：680t（鉤載、轉(zhuǎn)盤、立根）；

· 排管區(qū)載荷：272t；

· 總長：39.06m；

· 總寬：18.28m；

· 底座高：7.62m；

· 排管甲板高：4.57m；

· 排管甲板長：21.5m；

· 井架支座間距：10.67m×9.75m；

設(shè)計(jì)載荷：

3.4 結(jié)構(gòu)有限元模型

懸臂梁結(jié)構(gòu)如下圖所示，是由兩個(gè)縱向的大梁組成。這兩個(gè)大梁承受了整個(gè)鉆井過程中的重量，大梁上面靠前側(cè)是排管甲板區(qū)，后側(cè)是鉆臺(tái)底座，用于支撐鉆臺(tái)的橫向移動(dòng)。根據(jù)ABS MODU Part 3中對自升式平臺(tái)的規(guī)定，整個(gè)結(jié)構(gòu)大致由以下幾種構(gòu)件組成：

表3 海流參數(shù)Tab.3 Current parameter

圖14 俯視結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Plan of the cantilever beam structure

圖15 結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.15 Outboard profile of the cantilever beam structure

圖16 懸臂梁三維結(jié)構(gòu)模型Fig.16 3-D model of the cantilever beam

（1）排管甲板：厚6.5mm，縱向扶強(qiáng)材 L-75×75×6，材料為 A-36；

（2） 橫向大梁：1 170×12W+300×25F，材料為A-36；

（3）兩縱向大梁：厚度依次分別為：25mm，32mm，44mm，材料為 A-36；

（4） 上、下支座：前段為 610×76，后段為：610×51，材料為 A-36；

（5）其他構(gòu)件詳細(xì)尺寸詳見圖14、15和16，材料均為A-36。

3.5 有限元分析

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性，利用ANSYS軟件建立有限元模型，見圖16，17。

在做有限元計(jì)算分析時(shí)，我們選取最危險(xiǎn)的工況作為校核關(guān)鍵。經(jīng)過分析，懸臂梁最危險(xiǎn)的工況為下述四種工況。校核四種工況下，模型中構(gòu)件的最大應(yīng)力值應(yīng)與ABS規(guī)范相關(guān)規(guī)定做對照，得到結(jié)論如下：

Load Case I：鉆井操作狀態(tài)，井心位置為 X=-10.36，Y=0；

Load Case II：鉆井操作狀態(tài)，井心位置為 X=-17.526；Y=0；

Load Case III：鉆井操作狀態(tài)，井心位置為 X=-17.526；Y=4.57；

Load Case IV：鉆井操作狀態(tài)，井心位置為X=-17.526；Y=4.57。

從應(yīng)力分布來看，該結(jié)構(gòu)滿足ABS規(guī)范計(jì)算要求，結(jié)構(gòu)合理，見圖18-21。

如果計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)某些構(gòu)件不能滿足ABS MODU的要求，那么需要合理增加結(jié)構(gòu)件尺寸，重新進(jìn)行計(jì)算校核。

圖17 懸臂梁有限元模型Fig.17 The FE model of the cantilever beam

圖18 Load case I計(jì)算應(yīng)力分布 Fig.18 The stress distribution under load case I

圖19 Load case II計(jì)算應(yīng)力分布Fig.19 The stress distribution under load case II

圖20 Load case III計(jì)算應(yīng)力分布Fig.20 The stress distribution under load case III

圖21 Load case IV計(jì)算應(yīng)力分布Fig.21 The stress distribution under load case IV

4 結(jié) 論

鉆臺(tái)和懸臂梁結(jié)構(gòu)是自升式鉆井平臺(tái)最為關(guān)鍵的一部分，他的設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)平臺(tái)的性能好壞。本文對懸臂梁的型式種類及特點(diǎn)分別進(jìn)行了介紹，基本上把當(dāng)前國際上幾種先進(jìn)的懸臂梁型式都闡述清楚。并舉了一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，來闡述懸臂梁的設(shè)計(jì)方法。但是針對不同業(yè)主要求，不同的工作條件和海域，應(yīng)該有對比和針對性的合適懸臂梁樣式和設(shè)計(jì)方法。

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