自升式鉆井平臺(tái)安全作業(yè)載荷動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析

顏波 宋林松 胡明蘭

中海油田服務(wù)股份有限公司

隨著我國(guó)及世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油需求量的逐步提高，海洋油氣開(kāi)發(fā)已處于越來(lái)越重要的地位，自升式鉆井平臺(tái)是近海油田開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業(yè)。我國(guó)自升式平臺(tái)作業(yè)范圍已從中國(guó)沿海擴(kuò)展到了緬甸、印尼爪哇、澳大利亞西北大陸架、東帝汶、里海及墨西哥灣等海域，由于平臺(tái)作業(yè)向海外市場(chǎng)擴(kuò)張，使得我國(guó)有限的平臺(tái)資源供需矛盾日漸凸顯。

根據(jù)美國(guó)內(nèi)務(wù)部礦產(chǎn)資源管理機(jī)構(gòu)（Minerals Management Service，MMS）和英國(guó)健康安全管理機(jī)構(gòu)（HSE）所作的統(tǒng)計(jì)和研究結(jié)果［1－4］，自升式鉆井平臺(tái)在站立作業(yè)狀態(tài)下，惡劣的環(huán)境是影響平臺(tái)作業(yè)安全的主要因素之一，例如：墨西哥灣近年受到Andrew、Lili、Ivan、Katrina、Ritad等颶風(fēng)的肆虐，至少造成6條自升式平臺(tái)沉沒(méi)，10多條平臺(tái)嚴(yán)重受損。因而隨之產(chǎn)生如何評(píng)估平臺(tái)作業(yè)性能與環(huán)境匹配性的問(wèn)題。

1 平臺(tái)載荷動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法

自升式平臺(tái)在站立狀態(tài)的受力情況可簡(jiǎn)化成一種彈性振動(dòng)體模型［5］，其固有振動(dòng)頻率與平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、作業(yè)載荷和升船高度等因素有關(guān)，其承受的風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷是對(duì)平臺(tái)固有振動(dòng)的一種激勵(lì)，即在平臺(tái)上附加一種慣性力。因此在計(jì)算平臺(tái)壓載量時(shí)既要計(jì)算平臺(tái)自身載荷，還要考慮風(fēng)、波、流產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷。

計(jì)算平臺(tái)所受動(dòng)態(tài)載荷一般采用準(zhǔn)靜態(tài)分析法［6］，包括兩個(gè)步驟：①建立分析結(jié)構(gòu)的等效有限元分析模型，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷分析；②將動(dòng)態(tài)載荷和風(fēng)、波、流產(chǎn)生的橫向載荷代入有限元模型，分析結(jié)構(gòu)安全性。在第二步中實(shí)際用靜態(tài)力代替波浪產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此分析過(guò)程叫做準(zhǔn)靜態(tài)分析，其流程［3］如圖1所示，由此可計(jì)算出平臺(tái)所承受的環(huán)境載荷總量。

1．1 動(dòng)態(tài)放大系數(shù)

動(dòng)態(tài)放大系數(shù)DAF（Dynamic Amplification Factor）是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)的比值，用于近似計(jì)算各種結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如平臺(tái)的傾覆力矩、船體的橫向載荷／橫向位移等，一般DAF可用式（1）計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度要求比較嚴(yán)格時(shí)，可按SNAME 5－5A給出的時(shí)域或頻域隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算［7］。平臺(tái)設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用DAF的上限值，避免平臺(tái)固有頻率與波浪頻率接近時(shí)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的歧變。

式中Tp為平臺(tái)自振周期，s；T為波浪周期，s；ζ為阻尼系數(shù)，一般取值0．05～0．07。

1．2 建立等效有限元模型

按照平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)圖建立等效有限元模型，一般包括4種單元：梁?jiǎn)卧?、管單元、浸沒(méi)管單元及質(zhì)量單元［8］。梁?jiǎn)卧饕糜谀M樁腿弦桿和船體主要承載結(jié)構(gòu)；管單元用于模擬樁腿各種撐管；浸沒(méi)管單元用于模擬波流施加在樁腿的載荷；質(zhì)量單元用于模擬平臺(tái)設(shè)備重量并按傾斜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整平臺(tái)重心。

1．3 載荷計(jì)算方法

1．3．1 波流載荷計(jì)算

一般利用Stokes五階波理論和Morison公式計(jì)算海流和波浪對(duì)平臺(tái)樁腿的作用力。

1．3．2 模態(tài)分析和慣性載荷計(jì)算

按 ABS規(guī)范，采用SDOF（Single Degree of Freedom）單自由度法將平臺(tái)簡(jiǎn)化成質(zhì)量—彈簧—阻尼器系統(tǒng)，它是計(jì)算平臺(tái)動(dòng)態(tài)載荷最簡(jiǎn)單的一種方法，普遍用于鉆井平臺(tái)基本設(shè)計(jì)之中。因此，平臺(tái)受到的附加慣性載荷Fi可按式（2）計(jì)算：

式中FWmax、FWmin分別為波流力最大值和最小值。

1．3．3 風(fēng)載荷計(jì)算

平臺(tái)基本設(shè)計(jì)給出了相對(duì)于平臺(tái)各方位的風(fēng)載荷，將結(jié)果直接用于有限元計(jì)算。

1．3．4 二次彎曲效應(yīng)

由于風(fēng)浪流的作用，平臺(tái)沿作用力的方向產(chǎn)生重心橫向位移Δ距離，這種現(xiàn)象稱(chēng)作二次彎曲，亦稱(chēng)歐拉放大效應(yīng)，即在平臺(tái)上施加了pΔ（p為平臺(tái)站立質(zhì)量）的力矩。

1．4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析重點(diǎn)

自升式平臺(tái)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［8－10］的內(nèi)容至少應(yīng)包括樁腿強(qiáng)度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等，其中前3項(xiàng)指標(biāo)的完整性系數(shù)UC（Unity Check）值應(yīng)小于等于1；風(fēng)暴自存時(shí)，平臺(tái)抗傾覆性能安全系數(shù)（OTM，Over Turning Moment）應(yīng)大于1．3［11］。

2 模擬載荷計(jì)算案例

2．1 相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以現(xiàn)今主流的400Ft自升式JU2000E船型為基礎(chǔ)建立等效有限元模型，選取我國(guó)東海黃巖海域?yàn)槟M環(huán)境海區(qū)，平臺(tái)自身性能參數(shù)如表1所示，海區(qū)環(huán)境參數(shù)基本數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 JU2000E船型平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表2 黃巖海域環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)，得知該海域的最大浪高、表面和底部流速等環(huán)境參數(shù)數(shù)值已超過(guò)平臺(tái)操船手冊(cè)［12］規(guī)范的數(shù)值，因而在正常條件下，該型平臺(tái)不能在該海域進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

2．2 環(huán)境載荷及彎矩

表3、4分別為平臺(tái)在該海域所受到各方向環(huán)境載荷、彎矩計(jì)算結(jié)果。

表3 平臺(tái)承受環(huán)境載荷計(jì)算結(jié)果表

表4 平臺(tái)承受環(huán)境彎矩計(jì)算結(jié)果表

2．3 結(jié)構(gòu)完整性校核

平臺(tái)進(jìn)行樁腿強(qiáng)度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能的完整性系數(shù)校核，其結(jié)果如表5所示。

平臺(tái)各主結(jié)構(gòu)的UC值大多小于等于1，符合規(guī)范要求，部分超標(biāo)值均在各船級(jí)社UC值不大于1．05的許用范圍內(nèi)。

2．4 抗傾覆性能安全系數(shù)校核

其校核結(jié)果如表6所示。

平臺(tái)抗傾覆性能安全系數(shù)（OTM）校核值大于1．3。

運(yùn)用本文闡述方法進(jìn)行綜合校核評(píng)估的結(jié)果：該型平臺(tái)可在該海域環(huán)境參數(shù)條件下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

表5 平臺(tái)完整性校核計(jì)算結(jié)果表

表6 平臺(tái)抗傾覆性能安全系數(shù)校核計(jì)算結(jié)果表

3 應(yīng)用

技術(shù)成果在中海油田服務(wù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)COSL）16條國(guó)內(nèi)作業(yè)平臺(tái)和11條海外作業(yè)平臺(tái)上成功應(yīng)用，區(qū)域涉及中國(guó)沿海及海外作業(yè)區(qū)塊，相關(guān)作業(yè)者包括國(guó)內(nèi)石油公司及道達(dá)爾、SPC、PEMAX、HUSKY等國(guó)外公司或合資公司，評(píng)估的準(zhǔn)確性和作業(yè)的安全性幾乎達(dá)到100%，使COSL的作業(yè)安全率遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)、國(guó)外同行業(yè)的水平。

1）中國(guó)沿海：包括黃海、南海的所有區(qū)域，主要應(yīng)對(duì)臺(tái)灣海峽的海流、表層海床的鐵板砂及臺(tái)風(fēng)影響。近年來(lái)，在東海南海都遇到了200年一遇的臺(tái)風(fēng)，因此每年都要根據(jù)臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)進(jìn)行作業(yè)井位設(shè)計(jì)、平臺(tái)的作業(yè)窗口安排及平臺(tái)資源配置。

2）海外：海外作業(yè)中可能遇到各種作業(yè)者（甲方），有的作業(yè)者安全意識(shí)較弱，如要求平臺(tái)在霍爾木茲海峽這種流速極高的區(qū)域進(jìn)行水檢作業(yè)。最終通過(guò)分析計(jì)算及與作業(yè)者的協(xié)商，選定流速較小的區(qū)域進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，既保持了與作業(yè)者良好的關(guān)系，又保證了平臺(tái)的安全。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法對(duì)鉆井平臺(tái)承受的環(huán)境載荷進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核的方法，評(píng)估自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)環(huán)境適用性能，是對(duì)現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)章節(jié)的完善補(bǔ)充。

2）利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法對(duì)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)環(huán)境適用性能評(píng)估，可以達(dá)到在風(fēng)險(xiǎn)可控條件下，擴(kuò)大其作業(yè)適用范圍的目的。

3）截至目前，該項(xiàng)技術(shù)已在中國(guó)沿海及海外自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)市場(chǎng)的進(jìn)行了100余次應(yīng)用檢驗(yàn)，其評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和平臺(tái)作業(yè)的安全性均取得滿(mǎn)意效果。

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［2］MMS．Post mortem failure assessment of MODUs during hurricane Ivan［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2004．

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