周偉興，周 炳

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

某自升式沉墊型平臺(tái)抗滑移風(fēng)險(xiǎn)分析

周偉興，周 炳

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著海上油田的進(jìn)一步開發(fā)，海上鉆井平臺(tái)鉆探任務(wù)不斷加重，自升式平臺(tái)需要在不同油田的井位進(jìn)行就位作業(yè)，為了保障就位作業(yè)的順利進(jìn)行，需要進(jìn)行自升式平臺(tái)在該井位的入泥深度及穩(wěn)定性分析。在自升式平臺(tái)作業(yè)期間，可能會(huì)遭遇惡劣的海況，需要研究分析自升式平臺(tái)在某井位作業(yè)時(shí)發(fā)生側(cè)滑的可能性，并推算可承受的最大風(fēng)速。通過建立某自升式平臺(tái)沉墊入泥深度模型和側(cè)滑移模型，根據(jù) QHD32-6平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合抗滑移軟件計(jì)算得出該自升式沉墊平臺(tái)裙板在該井場(chǎng)場(chǎng)址的入泥深度、穩(wěn)定性和極限環(huán)境條件。

自升式平臺(tái)；沉墊；模型；軟件；抗滑移

0 引言

抗滑移能力是指處于支撐狀態(tài)下的自升式平臺(tái)，在最不利的組合載荷下抵抗滑移的能力。足夠的抗滑移能力是保證自升式平臺(tái)安全、正常作業(yè)的基本條件?？够颇芰Φ姆治鍪亲陨狡脚_(tái)總體性能中不可缺少的重要作用部分，尤其是自升式平臺(tái)的所有樁腿的底部都連結(jié)在一個(gè)整體平底大沉墊上，抗滑移能力比較差，容易發(fā)生滑移［1］。本文以某沉墊型平臺(tái)在QHD32-6井位就位進(jìn)行滑移能力分析。

1 自升式平臺(tái)抗滑移理論研究

1.1 自升式平臺(tái)沉墊入泥深度模型［2］

沉墊式基礎(chǔ)承載力計(jì)算一般應(yīng)用Buisman-Terzaghi提供的計(jì)算公式，表示為：

但是式（1）尚未考慮到基礎(chǔ)的形狀，當(dāng)考慮了基礎(chǔ)的形狀因素，式（1）則變?yōu)槭剑?）：

1.2 抗滑移阻力模型［3］

當(dāng)平臺(tái)樁腳坐落于土層中，因其上部結(jié)構(gòu)受到海流、風(fēng)浪等作用可能發(fā)生橫向滑移。目前一般應(yīng)用Terzaghi所給出的計(jì)算橫向土阻力的傳統(tǒng)理論方法進(jìn)行分析，計(jì)算公式表示如下：

1.3 環(huán)境載荷模型

海洋石油結(jié)構(gòu)物的主要特點(diǎn)之一是承受由海洋環(huán)境所帶給的載荷。這些作用在結(jié)構(gòu)物上的外力可以分成作用力和反作用力。作用力是使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)傾斜的力；反作用力是抵抗使設(shè)備運(yùn)動(dòng)傾斜的力。雖然海洋石油結(jié)構(gòu)物在所有這些力作用下必須保持平衡，但是其內(nèi)效應(yīng)力及應(yīng)變等卻直接關(guān)系著設(shè)備本身的強(qiáng)度。因此，要研究海洋石油結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度計(jì)算問題，必須要首先正確解決海洋環(huán)境載荷的計(jì)算問題，本文圍繞著這一問題進(jìn)行介紹，為后續(xù)的海洋石油結(jié)構(gòu)物計(jì)算奠定理論基礎(chǔ)。海上結(jié)構(gòu)物所承受的環(huán)境載荷主要有風(fēng)壓力、波浪力、冰壓力、地震力及其反作用力等，此外在隨機(jī)海浪的作用下，還有其動(dòng)力反應(yīng)問題。

1）海風(fēng)載荷

大風(fēng)對(duì)海洋石油結(jié)構(gòu)物的工作影響很大，風(fēng)力隨著季節(jié)及地區(qū)的不同而有所區(qū)別。我國(guó)東南沿海夏季受臺(tái)風(fēng)的威脅較大。北部沿海冬季受蒙古及西伯利亞寒流影響較大，風(fēng)力最大可達(dá)12級(jí)，其風(fēng)速是33m/s，風(fēng)壓約為1060Pa。例如，1978年9月25日，我國(guó)南海二號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)正在臺(tái)風(fēng)中心附近，當(dāng)時(shí)平均風(fēng)速達(dá)50kn（約為25.7m/s），而最大風(fēng)速達(dá)82kn（約為43.14m/s）。對(duì)于海洋石油結(jié)構(gòu)物進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，一般取風(fēng)壓不得小于800Pa。

2）海流載荷

海流荷載分為潮汐載荷和海流載荷，它們是作用于海上結(jié)構(gòu)物的主要載荷形式，對(duì)深海海洋結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性有著重大的影響，其情況很復(fù)雜，深海條件下常常伴有對(duì)流等情況發(fā)生。由于海流可近似看作一種穩(wěn)定的平面流動(dòng)，因此，海流力計(jì)算中海流與圓柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用可用平面流與鉛直圓柱載荷公式來表示。

3）波浪載荷

指不同尺度結(jié)構(gòu)物的波浪力計(jì)算。波浪力計(jì)算中常根據(jù)結(jié)構(gòu)物的尺度與波長(zhǎng)的比值分成小尺度波浪力計(jì)算和大尺度波浪力計(jì)算。當(dāng)比值D/L≤0.2時(shí)，稱為小尺度物體（其中D是物體的特征長(zhǎng)度，對(duì)于圓柱體D為直徑，L是波長(zhǎng)）；當(dāng)D/L＞0.2時(shí)，稱為大尺度物體，它必須考慮物體的自由表面效應(yīng)和相對(duì)尺度效應(yīng)，被合起來稱為繞射效應(yīng)［4］。

1.4 抗滑移條件

按照API的規(guī)范《API RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms一Working Stress Design，（21st）》，淺基礎(chǔ)在破壞形式為滑動(dòng)破壞的情況下，基礎(chǔ)應(yīng)該具有1.5以上的安全系數(shù)。按照規(guī)范說明，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可以允許增加安全系數(shù)。

2 某自升式沉墊平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及抗滑移軟件介紹

2.1 某自升式沉墊平臺(tái)的基本數(shù)據(jù)

某自升式平臺(tái)為沉墊自升式，適合于渤海海域軟土層座底作業(yè)。該平臺(tái)基本數(shù)據(jù)：長(zhǎng)51.816m，寬32.614m，型深4.267m，沉墊長(zhǎng)51.816m，沉墊寬40.234m，沉墊型深3.353m，裙板高0.610m，樁腿長(zhǎng)52.730m（4根），樁腿外徑1.829m，空船重量6698.9t，平臺(tái)滿載吃水2.134m，滿載排水量7576.3t。

該自升式平臺(tái)沉墊的外形為大“A”字形，主尺度為51.816m×40.234m×3.353m，在站立作業(yè)時(shí)，沉墊支撐由四條樁腿傳遞下來的平臺(tái)的壓力。按照該自升式平臺(tái)操船手冊(cè)，能夠現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1 自立號(hào)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)值

2.2 某自升式平臺(tái)抗滑移軟件介紹

1）功能簡(jiǎn)介

（1）項(xiàng)目管理。由用戶建立作業(yè)信息表，添加、編輯各次就位作業(yè)；建立項(xiàng)目信息表，添加、編輯各次就位。

（2）數(shù)據(jù)錄入功能。針對(duì)當(dāng)前選中的作業(yè)，能夠輸入平臺(tái)位置信息、環(huán)境參數(shù)、地質(zhì)調(diào)查信息等，這些數(shù)據(jù)將用于后續(xù)計(jì)算。

（3）入泥深度計(jì)算功能。根據(jù)當(dāng)前壓載量和地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算裙板尖入泥深度，并繪制入泥深度分析曲線。

（4）穩(wěn)定性分析功能。根據(jù)入泥深度計(jì)算結(jié)果及艏向、載荷方位等，計(jì)算平臺(tái)的抗滑阻力、總載荷力、抗滑移系數(shù)等，進(jìn)行抗傾覆能力校核。

2）技術(shù)特點(diǎn)

操作人員可在取得某次就位方案后，從方案中提取船艏向、氣隙、作業(yè)水深、地質(zhì)參數(shù)等，查詢關(guān)鍵環(huán)境參量，錄入到軟件中，軟件完成入泥深度計(jì)算、抗滑移能力評(píng)估；基于軟件得出的關(guān)于某次就位方案的計(jì)算值及評(píng)估值，用戶可評(píng)估該就位方案的穩(wěn)定性和合理性。

3 某自升式沉墊平臺(tái)在 QHD32-6區(qū)域就位抗側(cè)滑分析

3.1 QHD32-6海底土力學(xué)性質(zhì)分析

在自升式沉墊平臺(tái)就位之前，由生產(chǎn)單位委托勘探服務(wù)單位對(duì)QHD32-6井位進(jìn)行海洋工程地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容一般包括井位的土質(zhì)分布狀況、各層土的工程地質(zhì)性質(zhì)等。經(jīng)過在QHD32-6平臺(tái)場(chǎng)址、自升式沉墊平臺(tái)就位的位置進(jìn)行調(diào)查研究，調(diào)查得到QHD32-6井對(duì)應(yīng)平臺(tái)測(cè)試位置的海底土特性如表2所示。

表2 QHD32-6井海底土特性

QHD32-6井位土質(zhì)調(diào)查資料：土質(zhì)調(diào)查位置坐標(biāo)如表3所示；鉆孔柱狀圖，如圖1所示。表3和圖1均來QHD32-6井場(chǎng)工程地質(zhì)勘查資料。

3.2 自升式平臺(tái)入泥深度計(jì)算

根據(jù)QHD32-6井場(chǎng)土質(zhì)調(diào)查資料及海底土力學(xué)分析得到如表4所示QHD32-6井場(chǎng)自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 QHD32-6井場(chǎng)中心點(diǎn)坐標(biāo)

圖1 QHD32-6井場(chǎng)鉆孔柱狀圖

表4 QHD32-6井鉆井船設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)

QHD32-6平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告書提供的海底土特性參數(shù)，利用抗滑移軟件進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算處理得出該自升式平臺(tái)在該孔位的海底土承載力曲線以及入泥深度，如圖2所示。根據(jù)軟件計(jì)算得的裙板尖入泥深度為1.61m。

圖2 自立號(hào)鉆井船沉墊入泥深度分析

3.3自升式平臺(tái)側(cè)滑計(jì)算

根據(jù)入泥深度計(jì)算所得的裙板尖入泥深度以及環(huán)境載荷參數(shù)，計(jì)算得到裙板尖入泥深度為1.61m，如載荷來向與船首的夾角為135°條件下的抗滑移土體阻力為12.15MN。在拖曳力系數(shù)1.05和和慣性力系數(shù)1.20下，計(jì)算得到總載荷力為2.96MN，其中風(fēng)、浪、流載荷分別為：903 096.18N、1466 230.22N、590 538.75N。

自升式平臺(tái)由于傾斜，會(huì)增加側(cè)滑的趨勢(shì)。根據(jù)不同的傾斜角度，計(jì)算得到由于船體傾斜造成的側(cè)滑力：傾斜0°時(shí)為0MN；1°時(shí)為1.47MN；2°時(shí)為2.94MN；3°時(shí)為4.4MN。

結(jié)合風(fēng)浪流荷載，在不同的船體傾斜角度，可以得到不同的抗滑移安全系數(shù)：傾斜0°時(shí)為4.1；傾斜1°時(shí)為2.7；傾斜2°時(shí)為2.1；傾斜3°時(shí)為1.6。

可以看出，滿足了《API RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms 一 Working Stress Design，（21st）》關(guān)于抗滑移安全系數(shù)大于1.5的要求。

對(duì)自升式平臺(tái)平臺(tái)進(jìn)行抗傾覆校核，最終的傾覆校核結(jié)果為：恢復(fù)力矩為1 397MN·m，傾覆力矩93MN·m，抗傾覆安全系數(shù)15。

在抗滑移阻力一定的條件下，分別控制風(fēng)、浪、流載荷中的兩者條件不變，計(jì)算第三者的極限條件，得到不同船體傾角情況下的極限環(huán)境條件，如表 5所示。

表5 極限環(huán)境條件

4 結(jié)論

1）根據(jù)QHD32-6平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)調(diào)查，該自升式平臺(tái)裙板在該井場(chǎng)場(chǎng)址的入泥深度為1.61m。

2）根據(jù)該海域海況條件，對(duì)該自升式平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果顯示，該自升式平臺(tái)在QHD32-6海域傾覆風(fēng)險(xiǎn)小。

3）在 QHD32-6平臺(tái)場(chǎng)址，分別控制風(fēng)、浪、流載荷中的兩者條件不變，計(jì)算第三者的極限條件，可以得到極限環(huán)境條件。

［1］ 孫東昌， 潘斌. 海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海： 上海交通大學(xué)出版社， 2008.

［2］ 張其一. 自升式平臺(tái)樁基土體變形規(guī)律與破壞機(jī)理分析［J］. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，42（11）： 111-116.

［3］ 陳國(guó)舟， 周國(guó)慶. 考慮土拱效應(yīng)的滑移面間豎向應(yīng)力研究［J］. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014，43（3）： 374-379.

［4］ 李燕初， 蔡文理. 波浪變形的數(shù)學(xué)模型［J］. 臺(tái)灣海峽，1999，18（2）： 154-158.

IMO于2016年1月8日發(fā)布了IMDG規(guī)則的最新修訂、對(duì)油船安裝穩(wěn)性儀的要求、對(duì)救生衣的新測(cè)試要求。

1）國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則（IMDG規(guī)則）37-14修正案。IMDG規(guī)則37-14修正案于2016年1月1日起其強(qiáng)制性要求生效。其中包括更新了有關(guān)放射性物質(zhì)的要求，反映了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）對(duì)放射性物質(zhì)的最新（2012年）規(guī)定。有關(guān)“外包裝”和“救助”的新要求以及對(duì)各類獨(dú)立包裝要求的更新。

2）油船強(qiáng)制安裝穩(wěn)性儀。MAARPOL附則I、散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（BCH規(guī)則）、國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（IBC規(guī)則）和國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（IGC規(guī)則）修正案聯(lián)合強(qiáng)制要求油船和化學(xué)品運(yùn)輸船安裝穩(wěn)性儀，該強(qiáng)制性要求于2016年1月1日起正式生效。

3）救生設(shè)備規(guī)則測(cè)試?！秶?guó)際救生設(shè)備規(guī)則》中有關(guān)救生設(shè)備測(cè)試的修正案。成人救生設(shè)備測(cè)試的要求有更新，兒童救生設(shè)備測(cè)試再添新規(guī)定，包括實(shí)現(xiàn)用人體模型代替真人實(shí)驗(yàn)的可能性。

4）IGC規(guī)則的修訂。全面修訂并更新的《IGC規(guī)則》于2016年1月1日生效，并于7月1日起適用。

此次修訂是基于全面的五年期審查而展開的，并充分考慮了科技的最新發(fā)展。

（來源：IMO）

Risk Analysis of Anti-slipping for Jack-up Platform with Mat Type

Zhou Wei-xing， Zhou bing
（CNOOC Energy Technology & Services Ltd.， Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

With the further development of offshore oil field， the task of offshore drilling platform is increasing. Jack-up platform needs to be in place of operation in different oil wells. In order to guarantee in place operation smoothly， it needs to be analyzed the well depth into the mud and the stability of the jack-up platform. During the period of operation of the jack-up platform， it may encounter rough sea conditions，which requires study and analysis of the possibility of side slip of the jack-up platform occurring in some wells and requires the calculation of the maximum wind speed that can be withstood. Through the establishment of a jack-up platform mat into the mud depth model and side slip model， according to the site engineering geological survey of the QHD32-6 platform， combined with the software， it is calculated the depth of the anti-slip mat apron in the site into the mud， the stability and the utmost environment conditions of the jack-up platform.

jack-up platform； mat； model； software； anti-slipping

2016年1月1日起生效的修正案

U661.43

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.012

周偉興（1984—），男，工程師，國(guó)家注冊(cè)安全工程師，研究方向：海洋石油安全管理。