樊敦秋

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 青島266100；2.勝利油田鉆井工藝研究院 東營(yíng)257000）

0 引 言

自升式鉆井平臺(tái)具有操作靈活、適應(yīng)水域廣、自存能力強(qiáng)和可重復(fù)使用等特點(diǎn)，在淺海油氣勘探開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代自升式鉆井平臺(tái)均設(shè)有懸臂梁，是自升式鉆井平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配置。懸臂梁主要功能［1］有：

（1）作為鉆井設(shè)備和鉆井工具的主要載體；

（2）實(shí)現(xiàn)井架的縱、橫移動(dòng)，提高了平臺(tái)一次就位鉆井?dāng)?shù)量和平臺(tái)操作的靈活性與安全性。在鉆井作業(yè)時(shí)，平臺(tái)處于平穩(wěn)的座底狀態(tài)，懸臂梁不會(huì)發(fā)生滑移，而遷航過(guò)程中在平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)作用下懸臂梁具有較大的滑移力。因此開(kāi)展懸臂梁拖航狀態(tài)滑移力的組成及計(jì)算研究對(duì)確保平臺(tái)安全具有重要意義。

1 懸臂梁滑移系統(tǒng)組成

目前常見(jiàn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)型式有XY型和X型兩種，XY型懸臂梁可以X、Y兩個(gè)方向移動(dòng)，而X型懸臂梁只能沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，是常規(guī)結(jié)構(gòu)型式，目前應(yīng)用也最廣泛，本文僅對(duì)X型懸臂梁進(jìn)行分析研究。

懸臂梁滑移系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 懸臂梁結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)包括：基座及鎖緊機(jī)構(gòu)、懸臂梁、橫向軌道、鉆臺(tái)及井架、鉆桿堆場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；版i緊機(jī)構(gòu)固定焊接在平臺(tái)主甲板上，懸臂梁安裝在基座和鎖緊機(jī)構(gòu)中并能在其中沿平臺(tái)縱向移動(dòng)，鎖緊機(jī)構(gòu)在懸臂梁外移過(guò)程中始終“拉住”懸臂梁而不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)傾覆；橫向軌道、鉆桿堆場(chǎng)固定焊接在懸臂梁上，鉆臺(tái)（包括絞車(chē)、井架等設(shè)備）安裝在橫向軌道上并能在橫向軌道上滑動(dòng)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是懸臂梁和鉆臺(tái)移動(dòng)的動(dòng)力源。通過(guò)懸臂梁的縱向移動(dòng)和鉆臺(tái)的橫向移動(dòng)，平臺(tái)可以在同一地點(diǎn)鉆探多口井。懸臂梁移動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)鉆桿堆場(chǎng)及鉆具、橫向軌道、鉆臺(tái)及鉆井設(shè)備同時(shí)移動(dòng)。懸臂梁滑移系統(tǒng)是本文重點(diǎn)研究的對(duì)象。

2 滑移力分析

拖航時(shí)懸臂梁滑移力來(lái)自搖擺慣性力、重力和風(fēng)載荷。為了便于分析，建立圖2所示的計(jì)算模型。

圖2 懸臂梁慣性力計(jì)算模型

其坐標(biāo)原點(diǎn)取在平臺(tái)漂心位置，由船舶靜水力學(xué)［2］可知，平臺(tái)的漂心即是搖擺中心。

2.1 一般計(jì)算方法

《海上拖航指南》［3］給出了作用在貨物平行于甲板的縱向作用力Fx的一種計(jì)算方法：

式中：Fq為風(fēng)作用力；Fw為海水飛濺沖擊力；Ax為縱向加速度。平臺(tái)拖航一般采用首拖，懸臂梁位于平臺(tái)尾部，故Fw可不計(jì)。Ax按下式計(jì)算：

運(yùn)用該種方法計(jì)算懸臂梁滑移力時(shí)，公式（2）中的β、r兩參數(shù)無(wú)法直接獲得，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘驗(yàn)懸臂梁裝載時(shí)無(wú)法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度；另外需要對(duì)懸臂梁各個(gè)組成部分的縱向加速度分別計(jì)算，工作量較為繁瑣。針對(duì)該種情況，本文從懸臂梁滑移力的組成進(jìn)行分析，提出了一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

2.2 搖擺慣性力

搖擺慣性力是懸臂梁滑移力的重要組成部分，由于懸臂梁只能沿平臺(tái)縱向滑移，本文只考慮縱搖慣性力。

2.2.1 平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)

在分析懸臂梁縱搖慣性力時(shí)，可以忽略阻尼作用而將平臺(tái)縱搖簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程表示為：

式中：θ為平臺(tái)任意時(shí)刻的縱搖角；A為平臺(tái)最大單邊縱搖角；ω為縱搖圓頻率。由此可得到縱搖角加速度α：

當(dāng)平臺(tái)縱搖達(dá)到最大單邊縱搖角時(shí)，縱搖角速度為0，縱搖角加速度達(dá)到最大值αm：

式中：T為平臺(tái)縱搖周期，s；角度單位為弧度。

2.2.2 懸臂梁慣性力

懸臂梁通常由上、下面板和腹板組成，其截面呈“工”形結(jié)構(gòu)，其中懸臂梁腹板為大尺寸立面構(gòu)件，首先對(duì)腹板慣性力分析。設(shè)懸臂梁腹板尺寸為L(zhǎng)×H，平均面密度為 ρ，在腹板（x，y）處選取一微塊 dxdy（如圖2所示），則該微塊慣性力dIB為：

將dIB分解為平行于懸臂梁軸線的滑移慣性力dIBH和垂直于軸線的垂向慣性力dIBV有：

在懸臂梁腹板范圍內(nèi)積分可得到懸臂梁腹板滑移慣性力IBH和垂向慣性力IBV為：

式中：MB為懸臂梁腹板質(zhì)量，YB為懸臂梁腹板質(zhì)心縱坐標(biāo)。同理得：

式中：XB為懸臂梁腹板質(zhì)心橫坐標(biāo)。

將式（7）、式（8）推廣到整個(gè)懸臂梁移動(dòng)系統(tǒng)，則懸臂梁總的滑移慣性力IH和垂向慣性力IV為：

式中：Mi為懸臂梁所拖帶的物體質(zhì)量，t；

Xi，Yi為該物體的質(zhì)心坐標(biāo)，m。

為了便于應(yīng)用，公式（11）可進(jìn)一步表示為：

從公式（12）、（13）中可以看出，Xi與可以方便準(zhǔn)確地得到，再利用平臺(tái)自身已知的參數(shù)值，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算便可得出懸臂梁拖航慣性力。與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，該方法具有便捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 重力及風(fēng)載荷

將重力分解為平行于懸臂梁軸線的分力GH和垂直于該軸線的分力GV，GH對(duì)懸臂梁產(chǎn)生滑移作用，GV起到壓力作用，則有：

風(fēng)載荷引起懸臂梁滑移作用，依據(jù)移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范［4］計(jì)算風(fēng)載荷，風(fēng)力Fq按以下公式計(jì)算：

式中：Si為受風(fēng)構(gòu)件正投影面積，m2；Chi為受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)；Csi為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)；P為基本風(fēng)壓，kPa。

3 懸臂梁滑移分析

運(yùn)用上面介紹的基本方法，結(jié)合平臺(tái)實(shí)例進(jìn)行懸臂梁滑移分析。

3.1 滑移分析工況

目前自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁遷航狀態(tài)滑移分析還沒(méi)有明確的工況要求，本文參考自升式鉆井平臺(tái)遷航狀態(tài)樁腿強(qiáng)度計(jì)算工況及平臺(tái)穩(wěn)性分析要求［4］，推薦按照以下兩種工況對(duì)懸臂梁進(jìn)行滑移分析：

工況1：油田內(nèi)遷航，風(fēng)速36 m/s，周期為平臺(tái)固有縱搖周期，縱搖單擺擺幅6°；工況2：遠(yuǎn)洋遷航，風(fēng)速51.5 m/s，縱搖周期為10 s，縱搖單擺擺幅15°。其中平臺(tái)縱搖自搖周期 TL可采用式（17）［5］計(jì)算得到：

式中：f為系數(shù)，可查相關(guān)圖表得到；B為平臺(tái)型寬，m；L為平臺(tái)型長(zhǎng)，m；KG為平臺(tái)重心到平臺(tái)基線的高度，m；GML為平臺(tái)未計(jì)及自由液面修正的縱傾初穩(wěn)性高，m。

3.2 滑移判定方法

懸臂梁與基座和鎖緊機(jī)構(gòu)之間的摩擦力起到阻礙懸臂梁滑移作用，當(dāng)摩擦力大于或等于滑移力時(shí)懸臂梁不會(huì)滑移，即：

式中：f為摩擦系數(shù)。為了減小平臺(tái)作業(yè)期間的滑移阻力，常在懸臂梁和基座、鎖緊機(jī)構(gòu)之間涂抹黃油，一般選取摩擦系數(shù)0.13。

3.3 實(shí)例分析

實(shí)例平臺(tái)為三樁腿自升式鉆井平臺(tái)，設(shè)計(jì)作業(yè)水深50 m（含天文潮和風(fēng)暴潮），最大鉆井深度7 000 m（使用4.5 inch鉆桿），平臺(tái)一次就位可鉆探30口井，平臺(tái)主要參數(shù)如下：

計(jì)算坐標(biāo)系如圖2所示。首先進(jìn)行懸臂梁系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心計(jì)算（見(jiàn)表 1），然后對(duì)風(fēng)載荷（表 2）、慣性力載荷（表3）、重力（表4）以及摩擦力進(jìn)行計(jì)算，最后對(duì)摩擦力和滑移力進(jìn)行比較得到計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表5。

表1 懸臂梁系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心計(jì)算

表2 風(fēng)載荷計(jì)算

表3 縱搖慣性力計(jì)算

表4 重力計(jì)算

表5 滑移分析

表5中的計(jì)算結(jié)果表明，拖航時(shí)懸臂梁具有較大的滑移力。工況2為控制工況，應(yīng)按照該工況進(jìn)行懸臂梁拖航固定加強(qiáng)，加強(qiáng)方式可采用楔形塊或插銷(xiāo)等方式，強(qiáng)度應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

4 結(jié) 論

（1）本文采用理論分析和實(shí)例驗(yàn)證的方法，從搖擺慣性力、重力和風(fēng)載荷等方面對(duì)自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁進(jìn)行遷航狀態(tài)滑移分析研究，提出了一種便捷、準(zhǔn)確的懸臂梁滑移力計(jì)算方法，尤其是多個(gè)物體組成的系統(tǒng)滑移力分析計(jì)算。

（2）在參考自升式平臺(tái)樁腿和平臺(tái)穩(wěn)性分析條件基礎(chǔ)上，提出懸臂梁滑移力分析計(jì)算工況理念，為懸臂梁設(shè)計(jì)和平臺(tái)安全操作提供參考。

（3）懸臂梁系統(tǒng)的質(zhì)量及質(zhì)心高度對(duì)懸臂梁滑移力有較大影響，因此在平臺(tái)遷航時(shí)盡量減少鉆臺(tái)、鉆桿堆場(chǎng)上的物料數(shù)量，以降低懸臂梁滑移力，確保懸臂梁安全性。

［1］樊敦秋，董勝，蒙占彬.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)造船，2011，52（增刊 2）：138-144.

［2］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜水力學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

［3］中國(guó)船級(jí)社.海上拖航指南［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)造規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］中華人民共和國(guó)海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則［S］.北京：人民交通出版社，2006.