童波金強(qiáng)
(中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海200011)
深水半潛式鉆井平臺(tái)除了能在500~3 000 m水深進(jìn)行鉆井作業(yè)外,還能承擔(dān)完井、試油和修井任務(wù),也可用作深水采油平臺(tái)。自上世紀(jì)60年代初發(fā)展至今已到了第六代。深海半潛式平臺(tái)技術(shù)難度高、附加值大,其設(shè)計(jì)和建造反映了一個(gè)國(guó)家在海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備上的研發(fā)水平。
本文研究深水半潛式平臺(tái)的主要型式、結(jié)構(gòu)組成和發(fā)展趨勢(shì),論證平臺(tái)作業(yè)功能、耐波性、穩(wěn)性、定位能力、總布置和可變載荷與主尺度的關(guān)系,為半潛式平臺(tái)方案的主尺度選取提供依據(jù)。
新一代半潛式平臺(tái)型式主要有兩平行浮體6立柱、環(huán)形浮體6立柱、兩平行浮體4立柱、環(huán)形浮體4立柱等,平臺(tái)型長(zhǎng)在100~120 m,型寬在70~80 m,型深在35~45 m范圍內(nèi)。目前深水半潛式平臺(tái)大都具有在水深超過(guò)1 500 m水域工作的能力,配備甲板大吊機(jī),采用動(dòng)力定位系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件高,抗風(fēng)暴能力強(qiáng)。不同型式的半潛式平臺(tái)具有各自不同的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)選型中,要綜合考慮作業(yè)環(huán)境、工作能力等要求,并分析半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性、拖航阻力、經(jīng)濟(jì)性和建造方便等因素[1]。
下浮體主要是為平臺(tái)提供足夠的排水量 (特別是拖航狀態(tài)下的排水量)和專用液艙艙容。下浮體首、尾端設(shè)計(jì)成半圓形,以減小拖航阻力,舭部為圓弧形?,F(xiàn)有的半潛式平臺(tái)中,下浮體型式有雙浮體和環(huán)狀浮體(ring pontoon)兩類。其中雙浮體占絕大多數(shù),是較為傳統(tǒng)、慣用的型式,拖航時(shí)阻力小。環(huán)狀浮體是新的發(fā)展型式,該結(jié)構(gòu)型式提高了平臺(tái)總強(qiáng)度,增大了裝載量,但航行阻力增大,故在拖航移位時(shí)一般置于大型半潛船上 (即干拖)。
立柱的作用主要是支持上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的載荷,同時(shí)為保證平臺(tái)的穩(wěn)性提供足夠的水線面面積[2]。立柱的數(shù)目和斜撐的布置形式多種多樣,目前多數(shù)平臺(tái)立柱的數(shù)目為4個(gè),斜撐和水平撐桿數(shù)目盡量減少,以至于無(wú)斜撐。雖然立柱數(shù)量多有利于發(fā)生結(jié)構(gòu)破損事故時(shí)平臺(tái)的安全性,同時(shí)給甲板提供更有力的支持,但也因此導(dǎo)致平臺(tái)的造價(jià)有所增加。較為傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)多設(shè)8立柱或6立柱,而新一代的半潛式平臺(tái)廣泛采用了4立柱。這一發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要原因在于有限元分析技術(shù)在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和提高。早期的平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用桿元理論,不能計(jì)算大型結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和屈曲問(wèn)題等。平臺(tái)由小尺寸構(gòu)件組成,因此需要較多的立柱以滿足強(qiáng)度和穩(wěn)性要求。而目前應(yīng)用有限元分析技術(shù),立柱和浮體尺寸可充分增大,因此較少數(shù)目的立柱即可能滿足要求。
橫撐的作用在于保持平臺(tái)結(jié)構(gòu)的完整性,其尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求而確定。橫撐一般由圓管構(gòu)成,其布置形式也呈多樣化。為保證立柱和上船體的“梁—肘”節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度要求,通常在兩立柱底端設(shè)水平橫撐。橫撐與立柱的連接點(diǎn)為載荷關(guān)鍵點(diǎn),容易發(fā)生疲勞問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)平臺(tái)水平撐桿的強(qiáng)度(包括連接點(diǎn))需作詳細(xì)的分析計(jì)算。
根據(jù)深水半潛式鉆井平臺(tái)近期的新發(fā)展,上船體平臺(tái)多為箱型封閉結(jié)構(gòu),內(nèi)設(shè)1~2 m高的雙層底、各3~4 m高的雙層甲板空間。雙層底可有利于整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,且雙層底內(nèi)可鋪設(shè)各種管線,實(shí)現(xiàn)管線布置的統(tǒng)一規(guī)劃。雙層甲板空間可提供更多的布置面積,以適應(yīng)隨鉆井深度而增加的布置空間需求。上船體箱形結(jié)構(gòu)可在穩(wěn)性計(jì)算中計(jì)入。
總的來(lái)講,新一代的半潛式平臺(tái)趨于大型化和簡(jiǎn)單化。平臺(tái)的主尺度增大,立柱浮體和主甲板間的內(nèi)部空間增大,鉆井作業(yè)、生活等物資存儲(chǔ)能力增強(qiáng)。平臺(tái)外形結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化,下浮體趨向采用簡(jiǎn)單的方形截面,平臺(tái)甲板也為規(guī)則的箱形結(jié)構(gòu)。采用的撐桿和節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)化、數(shù)目減少,或是無(wú)撐桿的簡(jiǎn)單外形結(jié)構(gòu),這些改變降低了節(jié)點(diǎn)疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)并減少了建造費(fèi)用。圖4的四個(gè)方案均為第五、第六代深海半潛式鉆井平臺(tái),除挪威Aker公司方案為八立柱外,其余三家公司方案均為四立柱。各方案船型如圖1所示:
圖1 不同方案船型模型圖
下面結(jié)合圖2來(lái)說(shuō)明半潛平臺(tái)下浮體、立柱和上船體的主要尺度與平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)的相互關(guān)系。
圖2 半潛式平臺(tái)主要尺度與設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)關(guān)系
深水半潛式鉆井平臺(tái)的鉆井作業(yè)功能主要分為鉆井作業(yè)、測(cè)井作業(yè)、完井作業(yè)、試油作業(yè)等。
鉆井作業(yè)的工藝流程及設(shè)備配置對(duì)平臺(tái)的總布置及主尺度影響較大,深水半潛式鉆井平臺(tái)鉆井系統(tǒng)按作業(yè)的功能可以劃分為鉆井模塊、管材處理系統(tǒng)、防噴器組與采油樹(shù)處理系統(tǒng)、升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、高壓泥漿系統(tǒng)、低壓泥漿系統(tǒng)、泥漿材料存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、司鉆房控制與監(jiān)控等十大關(guān)鍵系統(tǒng)。
測(cè)井作業(yè)對(duì)平臺(tái)的主尺度影響不是很大,測(cè)井設(shè)備主要包括測(cè)井儀、測(cè)斜儀、綜合錄井儀等。測(cè)井的工作一般由第三方專業(yè)的測(cè)井公司人員完成,所以測(cè)井設(shè)備一般是集成在集裝箱內(nèi),平臺(tái)總布置設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留好將來(lái)設(shè)備放置的空間即可。深水半潛式鉆井平臺(tái)一般在正對(duì)井架大門的地方設(shè)置測(cè)井平臺(tái)用以放置測(cè)井設(shè)備,并需要在靠近泥漿凈化設(shè)備的安全區(qū)預(yù)留錄井設(shè)備的空間。
完井作業(yè)時(shí)需要完井液,所以平臺(tái)在總布置時(shí)需要考慮完井液的專用艙室。完井液艙一般處于下浮體內(nèi),試油作業(yè)時(shí)所需的試油設(shè)備一般為第三方臨時(shí)設(shè)備,平臺(tái)在遠(yuǎn)離生活樓方向的主甲板上劃分出試油設(shè)備的臨時(shí)設(shè)備區(qū)。此區(qū)域?yàn)槲kU(xiǎn)區(qū),相關(guān)的設(shè)計(jì)按照危險(xiǎn)區(qū)考慮。
半潛式平臺(tái)在波浪上有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),一般假設(shè)它們都是微幅簡(jiǎn)諧振蕩。平臺(tái)周期性的垂蕩運(yùn)動(dòng)使鉆柱隨之做上下運(yùn)動(dòng),并造成井底鉆壓變化,甚至鉆頭脫離井底,無(wú)法鉆進(jìn)。目前主要通過(guò)鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)解決鉆柱的升沉補(bǔ)償問(wèn)題,與其他方向的運(yùn)動(dòng)相比,平臺(tái)在垂蕩響應(yīng)上只具有很小的靈活性,它只能在一定的垂向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)工作,一般作業(yè)工況下垂蕩固有周期大于20 s,而且通常認(rèn)為在主尺度決定后通過(guò)調(diào)節(jié)重心或船體的慣性矩只能用來(lái)減小縱搖和橫搖,因此一般把平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)作為設(shè)計(jì)時(shí)首要的考慮因素。
以雙下浮體多立柱支撐對(duì)稱式深水半潛平臺(tái)為例,橫浪條件下無(wú)阻尼垂蕩運(yùn)動(dòng)方程為[3]:
式中:M——平臺(tái)質(zhì)量;
A33——垂蕩附加質(zhì)量;
η3——垂蕩位移;
Aw——水線面面積;
F3(t)——垂向激振力。
假設(shè)平臺(tái)中心處自由液面升高為 ζ=ζasinωt,k(zt-zm)為小量,zt、zm分別為下浮體頂部和幾何中心距水線的高度,通過(guò)分析計(jì)算得到:
半潛平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)中立柱不產(chǎn)生附加質(zhì)量,附加質(zhì)量?jī)H來(lái)自于下浮體的運(yùn)動(dòng),初步設(shè)計(jì)中一般要使垂蕩固有周期大于20 s,遠(yuǎn)離波浪能量范圍,避免波頻共振的發(fā)生。
以深水規(guī)則波為例,假設(shè)波浪周期為11.2 s,波數(shù)k=0.032,波浪頻率一般高于平臺(tái)固有頻率。通過(guò)上式可以得出平臺(tái)垂蕩響應(yīng)與波高成正比,垂蕩位移隨zm的增加而減小、隨B的增大而減?。划?dāng)波浪頻率ω=ωn時(shí),垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)限大,因?yàn)檫@里忽略了粘性效應(yīng);當(dāng)或者 λ=2B/(2n+1)時(shí),垂蕩響應(yīng)的理論值為0。
由此可知,在一定海洋環(huán)境條件下,垂蕩響應(yīng)的主要影響因素有平臺(tái)吃水zm、下浮體中心面間的橫向距離B以及垂蕩運(yùn)動(dòng)固有頻率ωn;垂蕩固有周期的主要影響因素為水線面面積Aw和垂蕩附加質(zhì)量A33。
深水半潛平臺(tái)初步設(shè)計(jì)中選擇合理的平臺(tái)主尺度以使垂蕩運(yùn)動(dòng)最小化,通過(guò)減小水線處立柱橫截面積或增大下浮體尺度使平臺(tái)垂蕩固有周期增加;平臺(tái)垂蕩固有周期增加會(huì)使得平臺(tái)波頻垂蕩響應(yīng)減少,同時(shí)也應(yīng)考慮上述尺度變化對(duì)穩(wěn)性和排水量的影響。通過(guò)增加平臺(tái)吃水可以減小垂蕩響應(yīng),這點(diǎn)也符合平臺(tái)下潛越深受到的波浪干擾力越小的原則;另外增加下浮體中心面間的橫向距離也可減小垂蕩響應(yīng),下浮體中心面間距和立柱橫向間距、主甲板寬度相關(guān),進(jìn)而影響平臺(tái)穩(wěn)性、橫搖運(yùn)動(dòng)和甲板可利用面積。
平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)中除垂蕩運(yùn)動(dòng)外,還需考慮縱搖、橫搖對(duì)主尺度選取的影響,非耦合橫搖和縱搖固有周期為:
對(duì)于半潛平臺(tái)而言,橫搖、縱搖固有周期一般大于30 s,其影響因素主要包括:橫搖慣性半徑r44、縱搖慣性半徑r55、橫穩(wěn)性高與縱穩(wěn)性高。因此在主尺度基本確定后,可通過(guò)調(diào)整質(zhì)量分布,改變搖轉(zhuǎn)慣性半徑和重心高度,進(jìn)而優(yōu)化橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)。
隨著全球氣候變化,臺(tái)風(fēng)發(fā)生的頻率越來(lái)越高且風(fēng)速也越來(lái)越大,作業(yè)海況更加惡劣,這就對(duì)半潛式平臺(tái)的安全性和抗風(fēng)暴能力提出了更高的要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高平臺(tái)的穩(wěn)性儲(chǔ)備。穩(wěn)性研究一般包括初穩(wěn)性、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性。
初穩(wěn)性主要由穩(wěn)心高度和重心高度決定,穩(wěn)心高是水線面慣性矩與排水量的比值,主要由半潛式平臺(tái)立柱的大小所控制,立柱的間距和立柱的直徑應(yīng)結(jié)合起來(lái)考慮,以求獲得必要的水線面慣性矩[4]。一般地,立柱水線面的橫向慣性矩和縱向慣性矩定為相等或相近,這對(duì)于半潛平臺(tái)在海況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全向作業(yè)是相當(dāng)重要的。因此,平臺(tái)縱向和橫向的立柱間距基本一致,從而使得半潛平臺(tái)具有相同的縱向穩(wěn)性和橫向穩(wěn)性。立柱的縱向間距和橫向間距還受到上船體甲板面積要求的影響。立柱水線以上部分的高度同穩(wěn)性密切相關(guān),在滿足氣隙的前提下,降低立柱高度有利于降低平臺(tái)的空船垂向重心,從而對(duì)提高穩(wěn)性有利。立柱尺度的增加并不是沒(méi)有限制的,相同海況下,大尺度立柱所受的波浪力和力矩也較大,水動(dòng)力性能就比較差,若大尺度立柱艙室發(fā)生破損,傾斜角增加較大,這對(duì)破損穩(wěn)性非常不利。所以在保證平臺(tái)穩(wěn)性要求的前提下,應(yīng)選取適當(dāng)尺度的立柱。
半潛式平臺(tái)的完整穩(wěn)性包括平臺(tái)在拖航狀態(tài)、正常作業(yè)狀態(tài)和風(fēng)暴自存狀態(tài)的穩(wěn)性,主要與風(fēng)傾力矩、平臺(tái)復(fù)原力矩和水密、風(fēng)雨密完整性范圍等有關(guān)[5]。一般通過(guò)降低立柱高度、降低甲板上結(jié)構(gòu)和設(shè)備的高度,以達(dá)到減少風(fēng)傾力矩的目的。平臺(tái)的復(fù)原力矩與自身的排水量和穩(wěn)性高相關(guān)。此外,提高水密、風(fēng)雨密完整性范圍能有效改善穩(wěn)性性能。穩(wěn)性計(jì)算需要分析不同的傾斜軸,通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同傾斜軸的復(fù)原力矩曲線與風(fēng)傾力矩曲線下的面積比,確定平臺(tái)最危險(xiǎn)的傾覆方向。
半潛式平臺(tái)破損穩(wěn)性主要校核拖航工況和作業(yè)工況,破損主要包括碰撞破損(collision damage)和艙室間接進(jìn)水(remote flooding),碰撞破損范圍和平臺(tái)分艙布置密切相關(guān),內(nèi)部艙室分隔應(yīng)盡量減少破艙進(jìn)水范圍,艙室劃分較多利于減小自由液面矩,降低浮力損失,但是會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量和管系復(fù)雜性。間接進(jìn)水的艙室是指任何一個(gè)全部或部分處于所考慮水線以下的水密艙室浸水,這些艙室可以是泵艙、設(shè)有海水冷卻系統(tǒng)機(jī)械的艙室或與海水相鄰的艙室。
深水半潛平臺(tái)承受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷,系統(tǒng)在縱蕩、橫蕩和首搖方向的固有頻率很低,由于非線性的低頻環(huán)境力,平臺(tái)將產(chǎn)生較大的低頻慢漂運(yùn)動(dòng)[6]。
半潛平臺(tái)的定位方式主要包括動(dòng)力定位和錨泊定位。動(dòng)力定位系統(tǒng)能平衡低頻的環(huán)境載荷。在惡劣的海況下,平臺(tái)需要更高功率的推進(jìn)器和電站,進(jìn)而影響設(shè)備的布置空間和選型采購(gòu)。對(duì)于錨泊系統(tǒng),因半潛式鉆井平臺(tái)需要到不同海域鉆井作業(yè),因而通常會(huì)選用拋錨、起錨操作方便,抓力較大,成本較低的非永久性錨泊系統(tǒng)。一般采用拖曳埋置錨,此錨不能承受上拔力,因此需要較長(zhǎng)的鋼鏈連接海底錨,以保證系泊纜在設(shè)計(jì)海況下具備躺底部分。惡劣的海況需要連接錨的鋼鏈更長(zhǎng),纜繩的強(qiáng)度、剛度更大,也就導(dǎo)致系泊纜繩較長(zhǎng),總重較大,影響平臺(tái)的可變載荷。
500 m水深以內(nèi)一般采用常規(guī)錨泊定位方式,平臺(tái)若帶全定位所需的全部錨鏈,則要設(shè)置較大的8~12個(gè)錨鏈艙,而且較大的錨鏈重量影響平臺(tái)的拖航可變載荷指標(biāo)。在500~1 500 m水深之間,錨泊系統(tǒng)通常采用鏈-聚酯纜-鏈三段型式和預(yù)拋錨,平臺(tái)部分系泊纜可由供應(yīng)船補(bǔ)給。
半潛式平臺(tái)的下浮體中一般布置推進(jìn)器艙、泵艙、燃油艙、基油艙、鹽水艙、鉆井水艙、壓載水艙、通道等。下浮體的長(zhǎng)度與立柱的縱向間距有關(guān),并滿足一定的液艙艙容要求,下浮體的寬度和高度要符合部分工作艙室布置(特別是泵艙、推進(jìn)器艙)要求。
立柱是連接下浮體和上船體的通道,立柱中布置管線、電纜、梯道和通風(fēng)等,且通常設(shè)有設(shè)備間、重晶石和土粉儲(chǔ)存罐,備用泥漿艙、飲用水艙和錨鏈艙。
上船體多為箱型封閉結(jié)構(gòu)。箱型甲板雙層底高1.5~1.7 m,兩層高均為3.5 m左右。上船體主要布置機(jī)艙、配電間、鉆井配電間、泥漿泵艙、日用泥漿艙、機(jī)電設(shè)備與維修間、BOP控制室、散料儲(chǔ)存罐、散料輸送空氣系統(tǒng)、干燥空氣間、隔水管立放區(qū)(可選)、生活區(qū)、垃圾焚燒間以及通風(fēng)梯道等。
主甲板主要布置井架系統(tǒng),鉆臺(tái),起重機(jī),鉆桿、套管、隔水管堆場(chǎng)和輸送系統(tǒng),大型海底工具儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng),袋裝品庫(kù),泥漿凈化艙,水泥儲(chǔ)存罐,應(yīng)急發(fā)電機(jī)室,燃燒臂,生活區(qū),救生平臺(tái),補(bǔ)給平臺(tái),錨機(jī)平臺(tái)等。此外,固井設(shè)備、試油設(shè)備、錄井設(shè)備和ROV設(shè)備屬于第三方設(shè)備,需在主甲板預(yù)留空間。
半潛式平臺(tái)排水量除空船重量外,還包括甲板可變載荷,錨及錨鏈重量/張力,鉆井水、鹽水、基油、淡水和燃油等消耗品重量,壓載水重量等。平臺(tái)的外形尺度應(yīng)為半潛式平臺(tái)的各個(gè)狀態(tài)提供足夠的排水量,其中拖航排水量決定了下浮體的主尺度要求,立柱的高度分為水線以下部分和水線以上部分。當(dāng)下浮體尺度、立柱截面積確定后,立柱水線以下部分和下浮體的體積決定了作業(yè)/風(fēng)暴自存工況下的平臺(tái)排水量。隨著作業(yè)水深和鉆深的增加,隔水管、套管和鉆桿的長(zhǎng)度增加,例如3 000 m作業(yè)水深需要的隔水管總重達(dá)到~2 800 t,另外為提高平臺(tái)自持力,減少供應(yīng)船的補(bǔ)給頻率,平臺(tái)需要裝備更多的消耗品,這些都導(dǎo)致半潛平臺(tái)承載更大的可變載荷,甲板具有更大的可利用面積,部分艙室具備更大的存儲(chǔ)空間,從而影響平臺(tái)的主尺度,半潛式平臺(tái)也會(huì)趨于大型化。
當(dāng)今全球氣候環(huán)境變化、平臺(tái)作業(yè)水深和鉆深增加,以及平臺(tái)安全性、作業(yè)效率等要求都需要半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性儲(chǔ)備、定位性能、可變載荷、總體布局等達(dá)到先進(jìn)水平,而這些性能指標(biāo)都與主尺度密切相關(guān)。希望本文的論證研究能為平臺(tái)方案的主尺度選取提供參考依據(jù)。
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