蔣豪斌

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200436；2.美國船級(jí)社 上海代表處 上海200021）

海上鉆井平臺(tái)井架升級(jí)后的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

蔣豪斌1，2

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200436；2.美國船級(jí)社 上海代表處 上海200021）

海洋鉆井平臺(tái)的井架在作業(yè)時(shí)受到各種環(huán)境載荷和自身工作載荷的作用，需要考慮多種組合工況和載荷成分。文中應(yīng)用SACS有限元軟件針對(duì)某升級(jí)鉆井能力的平臺(tái)井架建立三維有限元模型，對(duì)其在各種載荷和工況下進(jìn)行直接計(jì)算分析，提出有效且經(jīng)濟(jì)的加強(qiáng)方案，使其能滿足提高鉆井能力后的要求。

海上鉆井平臺(tái)；井架；大鉤載荷；有限元

引 言

許多海上油田經(jīng)過數(shù)年或數(shù)十年的開采以后，淺層的石油天然氣儲(chǔ)量日益減少，因此產(chǎn)量逐年下降。但是在淺層之下更深處依然蘊(yùn)藏著豐富的石油天然氣資源。為了開采更深的油氣資源，必須有鉆井深度更深的鉆井平臺(tái)提供服務(wù)。

由于大鉤載荷的增加，井架工作荷載增加，對(duì)井架結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生不利影響，需做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估。作為鉆井設(shè)備的基礎(chǔ)，任何鉆井能力加強(qiáng)都必須由井架結(jié)構(gòu)提供安全保障［1-2］?，F(xiàn)以2004年投入使用的一座移動(dòng)鉆井平臺(tái)為例進(jìn)行分析。該平臺(tái)井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式為桁架式，總高64 m。井架結(jié)構(gòu)均采用焊接工字形梁組成，相互之間采用螺栓連接。

該井架大鉤設(shè)計(jì)載荷為907 t，為了提高作業(yè)能力，將原有井架的鉆井深度提高10%，要求大鉤載荷增加到998 t。本文對(duì)該平臺(tái)井架升級(jí)后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究，并提出了經(jīng)濟(jì)有效的加強(qiáng)方案。

1 井架結(jié)構(gòu)及有限元計(jì)算模型

1.1 井架介紹

鉆井系統(tǒng)由提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機(jī)底座及輔助設(shè)備等8大系統(tǒng)組成。鉆機(jī)的提升系統(tǒng)為了卸下鉆具、下套管以及控制鉆壓、送鉆等，鉆機(jī)裝有一套起升設(shè)備，主要由絞車、輔助剎車、游動(dòng)系統(tǒng)（包括天車、游動(dòng)滑車、大鉤及鋼絲繩）、井架等組成。

井架是鉆采機(jī)械提升系統(tǒng)的重要組成部分之一。它是具有一定高度和空間的金屬結(jié)構(gòu)物，并有較好的整體穩(wěn)定性。主要由主體、人字架、天車臺(tái)、二層臺(tái)、工作梯、立管平臺(tái)、鉆臺(tái)和底座組成，是懸掛游動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。井架的結(jié)構(gòu)類型主要分為塔形井架、A型井架和桅形井架，本文討論的平臺(tái)采用的是塔形井架。

游動(dòng)系統(tǒng)是鉆機(jī)提升設(shè)備之一，它將天車、游車和大鉤用鋼絲繩連接起來，組成了一個(gè)復(fù)滑輪系，又稱為鉆機(jī)的游動(dòng)系統(tǒng)。天車一般是多個(gè)滑輪裝在同一根芯軸上或兩根軸心線一致的芯軸上。游車的形狀為流線型，有一根芯軸，滑輪在軸上排成一列，其結(jié)構(gòu)與天車相似。大鉤是鉆機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的作用是懸掛水龍頭并通過吊環(huán)、吊卡懸掛鉆桿、套管、油管，并完成鉆井作業(yè)。 大鉤載荷的大小，直接決定了鉆井系統(tǒng)可以懸掛的鉆桿、套管等的長度，從而決定了鉆井的深度。游動(dòng)系統(tǒng)中的大鉤載荷由井架結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

井架在鉆井平臺(tái)上的位置如圖1所示，井架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 井架基本參數(shù)

井架總高：64 m；底座尺寸：15 m×16 m；頂部尺寸：6.1 m×6.1 m。

圖1 鉆井平臺(tái)

圖2 鉆井平臺(tái)井架

1.3 材料參數(shù)

該井架所用鋼材為Q390D鋼，材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

1.4 計(jì)算模型

鋼結(jié)構(gòu)井架主要是由工字鋼構(gòu)成的大型空間桁架式結(jié)構(gòu)，所受荷載為空間力系。計(jì)算模型使用梁單元進(jìn)行模擬；梁或組合梁的連接處均作為節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間作為一個(gè)單元。根據(jù)井架的受力特點(diǎn)，對(duì)主要結(jié)構(gòu)桿件劃分單元進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)1 194個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 193個(gè)單元。工字梁截面和材料特性根據(jù)井架設(shè)計(jì)圖紙定義。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型圖

X方向：船艏為正；Y方向：右舷為正；Z方向：向上為正。

井架和鉆井平臺(tái)船體采用螺栓連接，因此底部四個(gè)支點(diǎn)均定義為簡支。

1.5 計(jì)算工況及荷載

井架設(shè)計(jì)的主要工作載荷為正常作業(yè)情況和風(fēng)暴情況，其主要受到如下載荷：

（1）自重：616 t，包括井架本身鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量和擋風(fēng)墻質(zhì)量等。

（2）設(shè)備重：154 t，包括天車、油車、液壓絞車、機(jī)械臂質(zhì)量等。

（3）大鉤載荷：懸掛鉆桿、套管等的能力。大鉤載荷的大小決定了可以懸掛鉆桿等的長度，同鉆井深度直接相關(guān)（原載荷907 t，升級(jí)后載荷998 t）。

（4）立根載荷：410 t，存放于井架上的鉆桿對(duì)井架產(chǎn)生的作用力，包括鉆桿所受的風(fēng)載荷。

（5）環(huán)境載荷：包括風(fēng)載，以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度。

（6）風(fēng)載荷：以海平面以上10 m處的風(fēng)速值為基本風(fēng)速（作業(yè)工況36 m/s，風(fēng)暴自存51 m/s）。

計(jì)算公式為

式中：Ki為風(fēng)方向和實(shí)際桿件夾角的計(jì)算因子；Vz為在高度Z的風(fēng)速 ，m/s；Cs為形狀系數(shù)；A為計(jì)算對(duì)象的投影面積 ，m2。

不受遮擋投影面積計(jì)算值如表2所示。

表2 風(fēng)載荷投影面積

船體運(yùn)動(dòng)加速度取自船體運(yùn)動(dòng)分析報(bào)告，如表3所示。

表3 船體運(yùn)動(dòng)加速度值

根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)（API-4F）［3］要求，確定計(jì)算工況組合表4所示。

表4 組合工況%

2 計(jì)算分析

2.1 主要構(gòu)件應(yīng)力分析

表5給出了井架大鉤載荷增加前后各部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（限于篇幅，僅給出應(yīng)力較大梁的UC值［5］，即實(shí)際應(yīng)力和許用應(yīng)力比值）。由表5可看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在梁單元“540-32”，UC達(dá)到1.0，位置在主腿方向改變處，如圖4所示。

表5 主要構(gòu)件最大UC值

圖4 分析結(jié)果應(yīng)力UC圖

通過對(duì)比可知，在升級(jí)后的大鉤載荷作用下，原有井架各桿件應(yīng)力雖然都有所增加，但是增加后的應(yīng)力均在許用范圍之內(nèi)，亦即都在原有設(shè)計(jì)余量范圍之內(nèi)。局部桿件相對(duì)應(yīng)力增加較大，特別是天車橫梁和主腿方向改變處，局部桿件應(yīng)力相對(duì)增加值達(dá)到22%。

UC超過0.95的工字梁尺寸如表6所示。

表6 工字梁尺寸

鑒于此井架為改裝井架，已經(jīng)服役將近10年，出于安全考慮，現(xiàn)決定對(duì)UC值高于0.95的梁進(jìn)行加強(qiáng)，使之實(shí)際應(yīng)力較許用應(yīng)力有部分余量。

以工字梁“540-32”為例，此工字梁受力詳情如表7所示。

表7 工字梁540-32應(yīng)力情況

可見，此梁主要受軸向力作用，因此需加大工字梁截面積，從而減小軸向應(yīng)力。其余各梁按其所受實(shí)際作用力分別加強(qiáng)，實(shí)際加強(qiáng)方案如下頁表8所示，加強(qiáng)原則以增加最小的質(zhì)量為首要考慮因素。

表8 加強(qiáng)后工字梁尺寸

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，維持載荷和邊界條件不變，重新計(jì)算后得到主要梁應(yīng)力比值如表9所示：

表9 加強(qiáng)前后應(yīng)力水平比較

3 結(jié) 論

本文通過有限元法對(duì)移動(dòng)鉆井平臺(tái)井架進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）通過有限元計(jì)算結(jié)果可知，此井架在工作過程中受大鉤載荷影響較大的桿件位于天車支撐梁和主腿軸線方向改變處，增加大鉤荷載后，應(yīng)力增長率較大的也是同樣地方。

（2）井架升級(jí)后，在998 t大鉤載荷作用下，其最大應(yīng)力仍低于許用應(yīng)力。因此井架主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。但考慮到平臺(tái)服役將近10年，對(duì)UC值高于0.95的梁進(jìn)行局部加強(qiáng)以保證一定安全裕度。

（3）通過計(jì)算分析，僅需對(duì)6根工字梁進(jìn)行加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加僅12.9 t，僅為井架結(jié)構(gòu)總重的2.1%，但大鉤載荷能力增加了10%，即將原有鉆井深度提高了10%。因此該加強(qiáng)方案經(jīng)濟(jì)有效，可以確保升級(jí)后井架的結(jié)構(gòu)安全。

［1］馬瑞杰，郭勤靜，尹秀鳳.自升式平臺(tái)上層建筑強(qiáng)度分析［J］. 船舶，2013（4）：20-23.

［2］劉樂樂，李永超，劉華祥，等.半潛式平臺(tái)橫撐截面型式比較分析［J］. 船舶，2013（3）：33-36，53.

［3］American Petroleum Institute. API 4F-Specification for Drilling and Well Servicing Structures. 2008.3rd edition［S］. 2008.

［4］American Bureau of Shipping. ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit.2012［S］. 2012.

［5］American Institution of Steel Construction. Manual of Steel Construction –Allowable Stress Design. 2005. 13thedition［S］. 2005.

Structure reinforcement of upgraded derrick for offshore drilling platform

JIANG Hao-bin1,2
(1. School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200436, China; 2. Shanghai Agency of American Bureau of Shipping, Shanghai 200021, China)

Various combined operation conditions and load components should be considered because the derrick of offshore drilling platforms are a ff ected by the various environmental loads and self-loads under operation. This paper builds 3D finite element model of a platform with the upgraded drilling rig by SACS, performs direct calculation and analysis under the various operation loads, and puts forward the e ff ective and economic reinforcement scheme which can satisfy the requirements after promotion.

offshore drilling platform; derrick; hook load; FEM

U661.43

A

1001-9855（2014）04-0038-05

2013-10-11 ；

2013-10-31

蔣豪斌（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。