韓學(xué)武

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

鉆井支持駁船模塊海固設(shè)計(jì)方法

韓學(xué)武

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

鉆井支持駁船（drilling tender barge）是近幾年出現(xiàn)的新型鉆井設(shè)施，鉆機(jī)模塊裝載在駁船上一同運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)海域，再由駁船自身吊機(jī)將模塊吊裝安裝到目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)。鉆機(jī)模塊在運(yùn)輸過程中需要通過海固（sea-fastening）結(jié)構(gòu)固定在駁船主甲板上。論文主要研究鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，可為今后類似設(shè)施的海固設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。

鉆井支持駁船；拖航運(yùn)輸；海固結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)海上鉆井作業(yè)的需求日益增多，這導(dǎo)致鉆井設(shè)施的日租費(fèi)用水漲船高，同時(shí)鉆井設(shè)施的運(yùn)輸和安裝費(fèi)用也越來越高。鉆井支持駁船（見圖1）是近幾年出現(xiàn)的一種新型鉆井設(shè)施，它分為船體和鉆機(jī)模塊兩個(gè)部分。在運(yùn)輸過程中鉆機(jī)模塊固定在駁船主甲板上，到達(dá)目標(biāo)作業(yè)海域后，通過駁船自身吊機(jī)將鉆機(jī)模塊吊裝安裝到目標(biāo)平臺(tái)上進(jìn)行鉆井作業(yè)，同時(shí)駁船通過臍帶電纜和軟管為鉆機(jī)模塊提供油、水、氣、電和泥漿等鉆井耗材。泥漿池、管堆場(chǎng)和生活樓這些荷載比較大的設(shè)施也布置在駁船上，這樣對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的承載能力要求就大大降低。

圖1 作業(yè)中的鉆井支持駁船

鉆機(jī)模塊在拖航運(yùn)輸過程中需要通過海固結(jié)構(gòu)固定在駁船甲板上。和常規(guī)的一次性運(yùn)輸海固結(jié)構(gòu)不同，鉆井支持駁船的模塊海固結(jié)構(gòu)需要能夠反復(fù)利用。由于駁船主甲板在鉆井作業(yè)時(shí)用來儲(chǔ)存鉆桿，所有的海固結(jié)構(gòu)要能夠可拆卸。為方便后期存放，海固結(jié)構(gòu)要能夠拆解成小塊結(jié)構(gòu)。下面將詳細(xì)介紹鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程和方法。

1 總體布置

總體布置是將所有的鉆機(jī)模塊根據(jù)外形尺寸和重量重心布置擺放到船甲板上?？偛贾弥饕P(guān)注兩方面因素：一是模塊外形，因?yàn)榇装蹇臻g極為有限和寶貴，合理地布置模塊十分重要；二是模塊的重量重心，由于所有模塊后期安裝到目標(biāo)平臺(tái)上都要依靠駁船自身吊機(jī)，一定要根據(jù)每個(gè)模塊重量重心位置和吊機(jī)能力曲線核實(shí)能否完成模塊吊裝。

在實(shí)際的項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)模塊在船甲板上的布置非常重要，有可能會(huì)影響到船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所以一定要在項(xiàng)目初期就考慮鉆機(jī)模塊的海固總體布置，否則到后期會(huì)造成很多麻煩和甚至建造返工。圖2是完成的DTB項(xiàng)目鉆機(jī)模塊海固總體布置圖，鉆機(jī)模塊已經(jīng)布滿整個(gè)駁船甲板面，空間十分緊張。表1是每個(gè)模塊的重量信息，可以看出目前的布置每個(gè)模塊的重量都小于吊機(jī)的吊裝能力，即可以通過駁船自身主吊機(jī)完成所有模塊的吊裝安裝。

圖2 DTB項(xiàng)目鉆機(jī)模塊海固總體布置圖

表1 DTB項(xiàng)目鉆機(jī)模塊重量信息

2 拖航運(yùn)輸工況荷載選取

海固結(jié)構(gòu)在拖航運(yùn)輸過程中必須要滿足以下需求：

1）承載模塊豎直向下荷載；

2）抵抗模塊沿船長(zhǎng)方向的移動(dòng)；

3）抵抗模塊沿船寬方向的移動(dòng)；

4）抵抗模塊由于船體升沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的向上的荷載。

在拖航運(yùn)輸過程中對(duì)于海固結(jié)構(gòu)的荷載主要有模塊自重、船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的荷載、摩擦力和風(fēng)力。

2.1 模塊自重

模塊自重只和模塊質(zhì)量有關(guān)，在分析過程中為保守考慮一般會(huì)在模塊質(zhì)量基礎(chǔ)上增加 10%的余量。

2.2 船體運(yùn)動(dòng)荷載

船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的荷載主要是船體橫搖、縱搖和升沉產(chǎn)生的加速度。船體坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系見圖3。

圖3 船體坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)參數(shù)

由于船體運(yùn)動(dòng)的不確定性，在分析中通常選取以下八個(gè)可能發(fā)生的工況組合：

1）+Roll +Heave；

2）+Roll –Heave；

3）–Roll +Heave；

4）–Roll –Heave

5）+Pitch +Heave；

6）+Pitch –Heave

7）–Pitch +Heave；

8）–Pitch –Heave。

2.3 風(fēng)力

風(fēng)力的選取需要根據(jù)運(yùn)輸海域的氣象記錄，如果運(yùn)輸時(shí)間超過30天，那么需要選取10年一遇（周期1 min）的風(fēng)力[1]進(jìn)行核算。

2.4 摩擦力

模塊和海固結(jié)構(gòu)間的摩擦力是和模塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)反向的，所以對(duì)于海固結(jié)構(gòu)是有利的。摩擦系數(shù)的選取在Noble Denton 0030（Guidelines for Marine Transportations）[2]中給予了推薦，詳見表2。

表2 Noble Denton對(duì)應(yīng)不同重量的貨物最大摩擦系數(shù)選取推薦值

3 模塊海固結(jié)構(gòu)分析

下面將選取DTB項(xiàng)目中井架模塊（Mast）的海固結(jié)構(gòu)分析過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

井架海固結(jié)構(gòu)布置圖如圖 4～圖 6所示。其中，圖4是井架海固結(jié)構(gòu)的平面布置圖和每個(gè)支點(diǎn)的編號(hào)。由于所有海固結(jié)構(gòu)都需要在鉆井作業(yè)時(shí)拆除，所以井架的海固結(jié)構(gòu)是通過插銷固定在甲板上的固定板上的。圖5是結(jié)構(gòu)固定板的布置圖。圖6是井架海固結(jié)構(gòu)立面圖。

圖4 井架海固結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖5 海固結(jié)構(gòu)固定板布置圖

3.1 結(jié)構(gòu)材質(zhì)選取

結(jié)構(gòu)材質(zhì)要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況和強(qiáng)度需求選

取，此項(xiàng)目中海固結(jié)構(gòu)主要使用表3所示的幾種材質(zhì)。

圖6 井架海固結(jié)構(gòu)立面圖

表3 海固結(jié)構(gòu)材質(zhì)信息

3.2 許用應(yīng)力

根據(jù) ABS MODU（Mobile Offshore Drilling Units）[3]規(guī)范，拖航工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力分別為：

最大許用剪應(yīng)力：τmax=0.53Fy。

最大綜合應(yīng)力：σmax=0.90Fy。

其中，F(xiàn)y為結(jié)構(gòu)材料屈服強(qiáng)度。

3.3 荷載計(jì)算

1）井架自重為 W=143×1.1[MT]，在分析過程中增加10%的系數(shù)；

2）船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的荷載。

此項(xiàng)目計(jì)劃使用的干拖運(yùn)輸船船長(zhǎng)為L(zhǎng)OA=180[m]，船寬為 LWL=170[m]，型深為B=32[m]。根據(jù) Noble Denton[2]船體運(yùn)動(dòng)參數(shù)推薦，此運(yùn)輸船的極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)取Case-1：

最大橫搖 θ=20°，最大縱搖 Φ=10°，周期Tp=10 s，最大升沉0.2g。詳見表4。

表4 Noble Denton船體運(yùn)動(dòng)參數(shù)推薦

其次，根據(jù)井架重心與運(yùn)輸船轉(zhuǎn)動(dòng)中心相對(duì)位置關(guān)系（詳見圖 7）以及船體運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算出井架模塊在船長(zhǎng)（X）、船寬（Y）和豎向（Z）三個(gè)方向的受力。

圖7 模塊重心和船體轉(zhuǎn)動(dòng)中心水平和豎向位置關(guān)系

r值計(jì)算：橫搖 rY= sqrt(b2+aY2)；縱搖 rx=sqrt(b2+aX2)。

角加速度計(jì)算：橫搖α=θ×π×(2π/Tp)/180。

縱搖β=Φ×π×(2π/Tp)/180。

水平力計(jì)算如下：

（1）橫搖（船寬方向）

靜力：重力GHR=Wsinθ ；升沉HHR=0.2Wsinθ；

動(dòng)力：RH=W×α×b/g。

（2）縱搖（船長(zhǎng)方向）

靜 力 ： 重 力 GHP=WsinΦ ； 升 沉HHP=0.2WsinΦ；

動(dòng)力：PH=W×β×b/g。

豎向力計(jì)算如下：

（1）橫搖

靜 力 ： 重 力 GVR=Wcosθ； 升 沉HVR=0.2Wcosθ；

動(dòng)力：RV=W×a×aY/g。

（2）縱搖

靜 力 ： 重 力 GVP=WcosΦ ； 升 沉HVP=0.2WcosΦ；

動(dòng)力：PV=W×β×aX/g。

船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各個(gè)方向荷載詳見表5。

表5 船體運(yùn)動(dòng)工況組合

圖8為C1荷載組合示意圖。

圖8 工況C1荷載分解示意圖

3）風(fēng)力荷載

拖航計(jì)算中一般選取10年一遇，周期為1 min的海域風(fēng)力（海平面以上10 m高度平均風(fēng)速）。

模塊所受風(fēng)力荷載的計(jì)算公式為：F=(ρ/2)u2CsA

式中，F(xiàn)為風(fēng)力；ρ為空氣密度；u為模塊受風(fēng)面積形心高度的風(fēng)速；Cs為形狀系數(shù)；A為模塊受風(fēng)面積。其中，u=u0×(1+0.137ln(H/10))。見圖9。

Cs可以根據(jù) API RP 2A[4]在 0.5～1.5之間選取。

圖9 模塊受風(fēng)面積與高度示意圖

由于風(fēng)向的不確定性，在分析過程中需要考慮從各個(gè)方向吹向模塊的可能性（見圖10）。經(jīng)過必選，最后選取了8個(gè)最危險(xiǎn)的工況組合，如表6所示。

圖10 風(fēng)力和船體運(yùn)動(dòng)工況組合示意圖

4）摩擦力

根據(jù)表2中的推薦值，井架模塊可以選取0.1的摩擦系數(shù)。用摩擦系數(shù)乘以模塊和海固結(jié)構(gòu)間的壓力得到摩擦力 Ff，在校核海固結(jié)構(gòu)時(shí)可從水平力中減去摩擦力。

經(jīng)過以上工況荷載組合可以得到井架模塊在拖航運(yùn)輸過程中所受的荷載總和，然后將這個(gè)總和分解到8個(gè)支點(diǎn)上，最終得到這8個(gè)支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的海固結(jié)構(gòu)所需要承受的最大荷載，詳見表7。

表6 風(fēng)力和船體運(yùn)動(dòng)工況組合

表7 井架模塊在拖航運(yùn)輸過程中各支點(diǎn)最大荷載

圖11 井架模塊601支點(diǎn)海固結(jié)構(gòu)圖

3.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本文選取601支點(diǎn)的海固結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析說明。601支點(diǎn)的海固結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成，詳細(xì)尺寸見圖11和圖12。

結(jié)構(gòu)分析選用了有限元分析軟件ANSYS，結(jié)構(gòu)模型的建立選用了板殼單元SHELL181。

601支點(diǎn)的海固結(jié)構(gòu)只承載豎向（Z）荷載和沿船長(zhǎng)（X）方向的荷載。井架的豎向和水平荷載通過銷子鉸接點(diǎn)C點(diǎn)傳遞給海固結(jié)構(gòu)；海固結(jié)構(gòu)通過和船體連接的鉸接點(diǎn)A和B將水平力傳遞給船體結(jié)構(gòu)，通過底板將豎向力傳遞給船體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際受力情況進(jìn)行的約束和加載方式詳見圖13。海固鉸接點(diǎn)、模型邊界約束、模型荷載施加見

圖14～圖16。

圖12 海固結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)建造照片

圖13 601支點(diǎn)海固結(jié)構(gòu)ANSYS分析模型

圖14 海固鉸接點(diǎn)示意圖

圖15 模型邊界約束示意圖

圖16 模型荷載施加示意圖

經(jīng)過ANSYS運(yùn)算分析得到601支點(diǎn)海固結(jié)構(gòu)最大綜合應(yīng)力為 52.96 MPa（小于許用綜合應(yīng)力319.5 MPa），最大剪切應(yīng)力28.15 MPa（小于許用剪切應(yīng)力188.15 MPa）。應(yīng)力值及分布情況詳見圖17和圖 18。分析結(jié)果顯示海固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度需求。

圖17 601支點(diǎn)海固結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力示圖

圖18 601支點(diǎn)海固結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力示圖

4 建造和安裝問題

在后期的現(xiàn)場(chǎng)建造和安裝過程中，發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)中考慮不周到的地方，這些問題對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作有著非常重要的指導(dǎo)意義。

1）設(shè)計(jì)冗余量過大。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常容易犯的一個(gè)問題就是設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)過強(qiáng)，也即設(shè)計(jì)冗余量過大。設(shè)計(jì)冗余量過大往往會(huì)帶來建造成本的浪費(fèi)和施工及安裝麻煩。

2）吊裝吊點(diǎn)。后期發(fā)現(xiàn)每塊海固結(jié)構(gòu)重量都有幾百公斤以上，現(xiàn)場(chǎng)工人根本無法人工搬運(yùn)，需要在海固結(jié)構(gòu)上又增加了自身吊裝吊點(diǎn)。

3）建造公差和安裝配合。由于鉆井支持駁船要求海固結(jié)構(gòu)可以反復(fù)利用，所以海固結(jié)構(gòu)與船體以及鉆機(jī)模塊之間有很多的銷子或螺栓連接配合，如果使用連接件應(yīng)留有足夠的公差許用量，需要的話可以采取現(xiàn)場(chǎng)確定開孔的做法。圖19和圖20是井架模塊安裝到海固結(jié)構(gòu)上的過程。

圖19 井架模塊安裝到海固結(jié)構(gòu)上

5 結(jié)論

2014年 7月以來石油價(jià)格的驟降給石油行業(yè)特別是鉆井行業(yè)帶來了沉重的打擊，對(duì)于鉆井費(fèi)用的降低變得迫在眉睫。特別是小型邊際油田的開發(fā)，更是需要一種簡(jiǎn)便低廉的鉆井設(shè)施。鉆井支持駁船是一種非常好的方案，并且逐漸被市場(chǎng)所接受。鉆機(jī)模塊在船體上的運(yùn)輸海固設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)施必不可少的一部分，起著關(guān)鍵性作用，一個(gè)好的設(shè)計(jì)可以節(jié)省大量的建造/安裝時(shí)間及成本。

圖20 井架模塊和海固結(jié)構(gòu)銷孔對(duì)接安裝

本文從荷載選取、工況組合、結(jié)構(gòu)分析以及實(shí)際建造中遇到的問題等幾個(gè)方面介紹了鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。希望對(duì)于以后的類似設(shè)施海固設(shè)計(jì)能夠起到啟發(fā)和指導(dǎo)作用。同時(shí)需要注意的是，設(shè)計(jì)必須基于實(shí)際的項(xiàng)目情況來開展，不可以死板照搬。

[1]DNV.DNV OS H101, Offshore Standard Marine Operations General[S].2011.

[2]Noble Denton.Noble Denton 0030ND Rev 5-22 June 2013 Guidelines for Marine Transportations[Z].2013.

[3]ABS MODU.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2015.

[4]WSD.API RP 2A-WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms (WSD 21st edition)[Z].2007.

Design Philosophy of Module Sea-fastening on Drilling Tender Barge

Han Xue-wu
(Shanghai Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

Drilling tender barge is a new type drilling facility appeared in recent years.Drilling modules are loaded on the tender barge and are transported to the target area, then installed on the topside by the barge own crane.The sea-fastening structure is required to secure the drilling modules fixed on the barge main deck during the process of transportation.The paper mainly studies the design philosophy of modules sea-fastening on drilling tender barge, which hopefully can provide a reference for the similar sea-fastening design.

drilling tender barge; offshore-transportation; sea-fastening structure

U663.7

A

10.14141/j.31-1981.2016.06.010

韓學(xué)武（1983—）男，工程師，研究方向：海洋工程、鉆井設(shè)施設(shè)計(jì)。