自升式鉆井平臺(tái)半潛浮裝可行性分析

梁學(xué)先，朱起東，江 錦，趙博朋

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隨著海洋石油工業(yè)向深水化和國(guó)際化的方向發(fā)展，大型海上石油鉆井平臺(tái)的長(zhǎng)距離干拖運(yùn)輸成為了關(guān)鍵，作為關(guān)鍵載體的半潛船，相應(yīng)的半潛浮裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前世界上半潛船浮裝業(yè)務(wù)處于壟斷狀態(tài)，主要由四家公司經(jīng)營(yíng)，包括中遠(yuǎn)航運(yùn)、Dockwise、Ocean Heavylift和FAIRSTAR公司。

本文以5萬t海洋石油278半潛船浮裝自升式AMAZON鉆井平臺(tái)為例，詳細(xì)分析了半潛船在高支墩下浮裝的可行性。通過對(duì)浮裝過程中半潛船的浮態(tài)、壓載等分析，得出船舶的強(qiáng)度及穩(wěn)性變化曲線，提出了浮裝過程的風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，并對(duì)關(guān)鍵的壓載步驟進(jìn)行了優(yōu)化，保證了整個(gè)浮裝過程中作業(yè)的安全。

1 半潛船浮裝作業(yè)設(shè)計(jì)

1.1 天氣和海況條件

采用海洋石油278半潛船浮裝的AMAZON鉆井平臺(tái)如圖1所示。

圖1 AMAZON鉆井平臺(tái)

進(jìn)行浮裝作業(yè)之前，必須要有未來72 h可接受的天氣預(yù)報(bào)，并且在作業(yè)過程中，天氣預(yù)報(bào)或者氣象圖必須每6 h報(bào)送到施工現(xiàn)場(chǎng)一次?，F(xiàn)場(chǎng)的海況必須滿足以下條件：有義波高≤0.5 m，涌浪≤0.3 m，波/涌周期5～7 s，風(fēng)速≤15 kn，流速≤2 kn，同時(shí)白天作業(yè)時(shí)的可見度不小于2 n mile。以上天氣窗口至少保持24 h以上，最終實(shí)際的作業(yè)條件，將由項(xiàng)目經(jīng)理、海事保險(xiǎn)、作業(yè)船長(zhǎng)共同商議確定。

1.2 鉆井平臺(tái)浮態(tài)和半潛船最大潛深

（1）鉆井平臺(tái)浮態(tài)的確定。半潛船浮裝之前，應(yīng)確定鉆井平臺(tái)的浮態(tài)是否滿足浮裝作業(yè)的要求，如不能滿足，應(yīng)根據(jù)其艙室布置情況進(jìn)行預(yù)壓載，使得鉆井平臺(tái)有一個(gè)較為理想的浮態(tài)、吃水等。

（2）半潛船最大潛深。AMAZON鉆井平臺(tái)船體主尺度為50 m×37 m×6 m，浮裝裝船吃水3.7 m，裝船質(zhì)量6 760 t。由于平臺(tái)底部有突出的樁靴，突出長(zhǎng)度約1.7 m，需要在平臺(tái)底部預(yù)制高度為2.14 m的支墩，因此半潛船設(shè)計(jì)作業(yè)水深達(dá)22.84 m[1]，半潛船最大吃水21.84 m[1]，小于設(shè)計(jì)潛深26.8 m。半潛船最大潛深有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 半潛船最大潛深有關(guān)參數(shù)

1.3 半潛船浮裝作業(yè)

浮裝作業(yè)前，應(yīng)對(duì)半潛船進(jìn)行準(zhǔn)備工作檢查：

（1）應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)，檢查甲板支墩、定位樁布置。

（2）檢查半潛船帶纜繩是否處于完好狀態(tài)，滿足作業(yè)要求，若發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時(shí)更換。

（3）確保半潛船壓載系統(tǒng)完好，以保證整個(gè)作業(yè)期間安全。

在確保半潛船整船狀態(tài)完好的情況下，開始進(jìn)行浮裝作業(yè)前的預(yù)壓載工作，將半潛船壓載至裝船設(shè)計(jì)吃水，將鉆井平臺(tái)拖至半潛船左舷100 m外待命，將主拖輪更換為港作拖輪后進(jìn)行浮裝作業(yè)。浮裝作業(yè)布局如圖2所示。

2 半潛船浮裝作業(yè)穩(wěn)性要求

有關(guān)規(guī)范對(duì)半潛作業(yè)的穩(wěn)性要求如下[2-3]：

（1）半潛船滿載甲板貨物準(zhǔn)備下潛時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于1.0 m。

圖2 浮裝作業(yè)布局示意

（2）半潛船滿載甲板貨物時(shí)，在舉升甲板入水或出水過程中，其穩(wěn)性應(yīng)滿足下列衡準(zhǔn)之一：第一，在基本無浪的平靜水域，蒲氏風(fēng)級(jí)不超過3級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.05 m，或蒲氏風(fēng)級(jí)不超過5級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.1 m。第二，在蒲氏風(fēng)級(jí)不超過6級(jí)，有義波高不超過0.5 m的水域；或蒲氏風(fēng)級(jí)不超過4級(jí)，有義波高不超過1 m的水域，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.15 m。

（3）半潛船下潛至最大沉深時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.5 m。

（4）半潛船甲板上無承載物時(shí)，在下潛或上浮的任何階段，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度均不應(yīng)小于0.15 m。

3 浮裝作業(yè)計(jì)算建模

采用MOSES程序[4]對(duì)半潛船浮裝作業(yè)進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化浮裝過程中半潛船狀態(tài)及壓載方案，并通過計(jì)算模擬，預(yù)知下潛過程中可能會(huì)發(fā)生的問題和風(fēng)險(xiǎn)。

采用MOSES軟件建立實(shí)船模型，其坐標(biāo)系建立如下：總體坐標(biāo)系（Global Coordinate System）用來跟蹤船體的位置信息，其原點(diǎn)取在水平面，Z軸向上為正；半潛船和鉆井平臺(tái)分別按照自身的坐標(biāo)系統(tǒng)建模，然后再進(jìn)行模型組合。鉆井平臺(tái)和半潛船整體模型及坐標(biāo)系見圖3。

4 浮裝過程分析

圖3 鉆井平臺(tái)和半潛船整體模型及坐標(biāo)系

從海洋石油278半潛船在浮裝過程中的穩(wěn)性考慮，在甲板出水的一瞬間，由于船體水線面的突然減小，必然會(huì)引起船舶穩(wěn)性高度的突變，影響到船舶的安全。為了保證甲板出水時(shí)駁船的安全，確定海洋石油278半潛船的最佳出水狀態(tài)，采用了不同的方式進(jìn)行下潛分析。通過壓載使得半潛船甲板出水前產(chǎn)生足夠的艏傾，保證船體具有充足的水線面，且緩慢地減小，不致于產(chǎn)生船舶失穩(wěn)[5]。

4.1 半潛船空船下潛穩(wěn)性校核

由于船舶甲板無載重，空船下潛相對(duì)容易，但必須保證半潛船以艏傾狀態(tài)下潛，且下潛過程中保持橫穩(wěn)心高GMT始終大于0.15 m。為便于現(xiàn)場(chǎng)船舶壓載作業(yè)，并保證船舶穩(wěn)性，將下潛過程的壓載分為14步進(jìn)行計(jì)算，壓載過程中逐步選擇合適的艙室，壓載至滿艙狀態(tài)，避免過多的自由液面對(duì)半潛船的穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

下潛過程中半潛船橫穩(wěn)心高GMT最小值為0.87m，滿足要求。GMT最小值出現(xiàn)在第11步，此時(shí)船尾甲板沒入水面，甲板剛好全部入水，船體的水線面達(dá)到最小。海洋石油278空船下潛吃水及穩(wěn)心高變化曲線見圖4。

4.2 半潛船上浮過程優(yōu)化分析

半潛船載貨上浮時(shí)，按照艏傾4 m進(jìn)行初步壓載分析，上浮過程分為14步。由于2.14 m高支墩的影響，半潛船艉甲板出水時(shí)，鉆井平臺(tái)底部大部分已出水，不能夠提供足夠的水線面來保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)性，半潛船上浮過程中發(fā)生GMT＜0 m的情況，船舶4 m艏傾狀態(tài)不滿足規(guī)范要求。

圖4 海洋石油278空船下潛吃水及穩(wěn)心高變化曲線

通過進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，將上浮過程細(xì)分為26步，半潛船甲板出水時(shí)的艏傾調(diào)整為7.2 m，整個(gè)上浮過程中橫穩(wěn)心高GMT較小值主要分布于兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是半潛船剛剛與鉆井平臺(tái)接觸階段，即前3步；第二個(gè)階段是半潛船艉部甲板出水階段，即從13步至18步，GMT最小值0.61 m，滿足要求。優(yōu)化壓載后，半潛船載貨上浮過程中的吃水和穩(wěn)心高度變化曲線見圖5。

圖5 海洋石油278船上浮吃水及穩(wěn)心高變化曲線

4.3 半潛船總縱強(qiáng)度校核

對(duì)海洋石油278上浮過程中船體的總彎矩和剪力進(jìn)行了校核，最大彎矩為許用值的34%，最大剪力為許用值的45%，其結(jié)果均滿足強(qiáng)度要求。上浮過程中，海洋石油278船彎矩及剪力曲線見圖6。

圖6 上浮過程中海洋石油278船彎矩及剪力曲線

4.4 半潛船上浮作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)

由詳細(xì)的可行性分析可知，半潛船載貨上浮階段的調(diào)載分為26步，對(duì)實(shí)際操作來講，需要分析現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。根據(jù)半潛船的穩(wěn)性和浮態(tài)，選取以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來控制整個(gè)上浮過程的調(diào)載作業(yè)。調(diào)載關(guān)鍵點(diǎn)選擇見表2；壓載進(jìn)行至12步時(shí)，艉甲板即將出水狀態(tài)見圖7。

表2 上浮調(diào)載作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)

圖7海洋石油278船艉甲板即將出水的狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合本文對(duì)鉆井平臺(tái)浮裝過程進(jìn)行可行性分析和評(píng)估的結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1）為降低水線面驟減對(duì)半潛船穩(wěn)性產(chǎn)生的不利影響，半潛船出/入水一般應(yīng)控制為艏傾狀態(tài)。

（2）在半潛船主甲板完全入水后，應(yīng)盡量減少含有自由液面的壓載艙的數(shù)量，將自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響降到最小。

（3）由于甲板高支墩的存在，需細(xì)化半潛船載貨上浮艉甲板出水過程的壓載步驟和順序，加大半潛船艏傾，以防止因受自由液面的影響而導(dǎo)致半潛船橫穩(wěn)心高GMT＜0 m的狀況發(fā)生。