(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017)

目前世界上共有自升式平臺(tái)約400座，占全部海洋鉆井裝置的40%以上[1]。自升式平臺(tái)造價(jià)隨作業(yè)水深加大而急劇上升，目前世界上這種平臺(tái)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(tái)只有20余座，我國(guó)自升式平臺(tái)17座，最大作業(yè)水深大于90 m的僅有4座，且均為進(jìn)口技術(shù)。

現(xiàn)有自升式平臺(tái)由浮體、樁腿、升降機(jī)械等構(gòu)成，整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)為一個(gè)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(jìn)，研發(fā)經(jīng)濟(jì)性好的深淺海自升式平臺(tái)，或充分利用現(xiàn)有淺海自升式平臺(tái)進(jìn)行深水化改造，解決現(xiàn)有自升式平臺(tái)造價(jià)隨水深加大而急劇上升的問(wèn)題，是一種有益嘗試。

1 設(shè)想

1.1 基本思路

移動(dòng)式平臺(tái)受拖航穩(wěn)性限制，平臺(tái)重心不能過(guò)高，具體到自升式平臺(tái)，也就是升降樁腿不能太長(zhǎng)[2]。這樣為了適應(yīng)深淺海作業(yè)，使用較長(zhǎng)樁腿，只有加大平臺(tái)浮體主尺度以保證拖航穩(wěn)性，而且由于各樁腿分別獨(dú)立，各樁腿剛度和強(qiáng)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(jià)十分昂貴[3]。

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

美國(guó)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(tái)下部加上較高的一個(gè)底座[5]，實(shí)現(xiàn)有效提高自升式平臺(tái)的作業(yè)水深，并適于較大水深變化范圍。這個(gè)底座的剛性容易保證，材料性能要求不高，而造價(jià)不會(huì)急劇上升。但相應(yīng)地也存在對(duì)接、調(diào)平等技術(shù)問(wèn)題。

1.2 整體結(jié)構(gòu)方案

分體自升式平臺(tái)主要由自升主平臺(tái)、坐底支撐結(jié)構(gòu)、對(duì)接引導(dǎo)裝置、壓載系統(tǒng)等構(gòu)成。自升主平臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1-平臺(tái)上箱體；2-升降樁腿；3-平臺(tái)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(jī)組；10-壓載控制氣路；11-通海口圖1 水面拖航狀態(tài)

綜合考慮平臺(tái)拖航、對(duì)接、就位、拆分等各項(xiàng)性能，將平臺(tái)分為均具有漂浮性能的兩大分體。作業(yè)時(shí)在海上自行上下對(duì)接成一座平臺(tái)。自升主平臺(tái)與常規(guī)自升式平臺(tái)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(tái)下箱體，隔成數(shù)個(gè)壓載艙室，各壓載艙室均設(shè)有通?？?，平臺(tái)下箱體上方設(shè)有與升降樁腿位置對(duì)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(tái)下箱體、固定樁腿及多個(gè)桿件組焊為一個(gè)剛性整體；對(duì)接引導(dǎo)絞車安裝在自升主平臺(tái)上，配屬的引導(dǎo)索沿導(dǎo)向輪、導(dǎo)向套，穿過(guò)升降樁腿后固定在固定樁腿的頂部截面中心，通過(guò)收緊引導(dǎo)索，升降樁腿底端可以與固定樁腿頂端基本對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)對(duì)接處的錐度結(jié)構(gòu)可使兩者精確對(duì)位；壓載系統(tǒng)的空壓機(jī)組安裝在自升主平臺(tái)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(jìn)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(shí)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(tái)成熟設(shè)計(jì)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(duì)位、拆分過(guò)程的平穩(wěn)、安全。

自升主平臺(tái)通過(guò)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(tái)重量來(lái)保持其豎向穩(wěn)定，對(duì)接完成后樁腿不承受拉力；橫向由對(duì)接處的錐度結(jié)構(gòu)限位，通過(guò)局部加強(qiáng)滿足對(duì)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(jì)算時(shí)在對(duì)接處簡(jiǎn)化為鉸支。

1.3 不同工況操作程序

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

平臺(tái)海上就位對(duì)接時(shí)，壓載系統(tǒng)控制各壓載艙進(jìn)水，使坐底支撐結(jié)構(gòu)沉至升降樁腿下端以下，同時(shí)對(duì)接引導(dǎo)裝置卷收引導(dǎo)索，使升降樁腿與固定樁腿對(duì)中相接(見(jiàn)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(tái)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(shí)，靠升降樁腿調(diào)節(jié)以保持自升主平臺(tái)的狀態(tài)。

平臺(tái)鉆修作業(yè)與其它平臺(tái)沒(méi)有區(qū)別(見(jiàn)圖3)。

圖2 海上對(duì)

圖3 正常作業(yè)狀

平臺(tái)起浮拆分時(shí)，先將平臺(tái)上箱體降至水面，提升升降樁腿同時(shí)放松引導(dǎo)索，用拖船將自升主平臺(tái)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(tái)近距離轉(zhuǎn)移井位時(shí)，可以不進(jìn)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(tái)在淺水區(qū)應(yīng)用時(shí)，可以直接用自升式主平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。

2 關(guān)鍵問(wèn)題及其解決思路

1) 上下兩大分體對(duì)接過(guò)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(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，需要進(jìn)行理論分析、試驗(yàn)?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(huì)引起平臺(tái)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(tái)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(duì)接時(shí)不會(huì)引起對(duì)中錯(cuò)位和過(guò)大內(nèi)應(yīng)力，加之各樁腿高度可自由調(diào)節(jié)，平臺(tái)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(jì)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(guò)程中需要防止失穩(wěn)，可以采取柱穩(wěn)式平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)。由于坐底支撐結(jié)構(gòu)不象柱穩(wěn)式平臺(tái)上部帶有甲板及作業(yè)設(shè)備，重心較低，設(shè)計(jì)上相對(duì)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(tái)上附帶的吊車或鉆井井架大鉤輔助下沉。

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

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

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

3 性能及效益分析

1) 采用分體結(jié)構(gòu)，平臺(tái)升降樁腿長(zhǎng)度成倍減小，降低了重心，大大提高了平臺(tái)漂浮穩(wěn)性，從而可以顯著減小平臺(tái)上浮體的尺度、重量，相應(yīng)降低了平臺(tái)對(duì)其樁腿的剛度、強(qiáng)度的要求和對(duì)整套升降機(jī)械升降能力的要求，平臺(tái)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(shí)無(wú)需浮吊等輔助作業(yè)，且平臺(tái)不會(huì)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(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)，保證平臺(tái)入水穩(wěn)性。

3) 坐底支撐結(jié)構(gòu)不必受平臺(tái)升降功能限制，焊接為一個(gè)整體，比相互獨(dú)立的樁腿結(jié)構(gòu)性好，不易發(fā)生變形及振動(dòng)，充分發(fā)揮材料效能，不必使用昂貴的高強(qiáng)度鋼材。且平臺(tái)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(duì)升降主平臺(tái)的樁腿進(jìn)行精確限位，有利于降低普通自升式平臺(tái)固樁載荷，提高了平臺(tái)安全性。

5) 可以比較容易地突破目前自升式平臺(tái)作業(yè)水深的上限。

6) 對(duì)現(xiàn)有自升式平臺(tái)的深水化改造非常適用，可緩解淺?？碧介_(kāi)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(tái)造價(jià)約為5億元，而一座120 m水深自升式平臺(tái)造價(jià)約為12億元。如果用一座60 m自升式平臺(tái)加上一個(gè)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(hào)”自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2000，15(4)：21-24.

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

[3] 王 泉.自升式修井平臺(tái)升降裝置強(qiáng)度安全可靠性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002, 31(4): 1-5.

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