周瑞佳 曾 驥 麥松彥 袁 博 許裕冬

(1.上海海事大學(xué) 上海 201306 2.天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院 天津 300350)

BT-4000半潛式平臺(tái)采用兩浮體、四立柱型式，配備DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，最大作業(yè)水深200～2 400 m，最大鉆井/修井深度8 500 m，是集鉆井、修井和完井等功能為一體的新型深水半潛式平臺(tái)。該平臺(tái)在深海作業(yè)時(shí)，雖然有錨泊設(shè)備和動(dòng)力定位系統(tǒng)控制平臺(tái)的大幅運(yùn)動(dòng)，但是在風(fēng)、浪、流作用下平臺(tái)仍會(huì)發(fā)生橫搖、縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生一定的加速度。通過(guò)鉆桿與平臺(tái)相連的采油樹(shù)在下放過(guò)程中受平臺(tái)運(yùn)動(dòng)影響發(fā)生晃動(dòng)，采油樹(shù)的晃動(dòng)會(huì)加重鉆桿的負(fù)荷，在極端情況下甚至可能與平臺(tái)的其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，威脅設(shè)備及平臺(tái)本身的安全?，F(xiàn)有的下放輔助裝置一般都設(shè)置在井架內(nèi)，只能在井架內(nèi)的個(gè)別位置上限制下放過(guò)程的晃動(dòng)。但是，采油樹(shù)設(shè)備本身質(zhì)量大、尺寸大，在下放到月池區(qū)域后的搖擺幅度和加速度載荷遠(yuǎn)比在井架內(nèi)大得多，現(xiàn)有的裝置無(wú)法在月池區(qū)起到輔助下放導(dǎo)向的功能,因此迫切需要一種設(shè)備或者結(jié)構(gòu)能夠?yàn)椴捎蜆?shù)下放提供導(dǎo)向，確保采油樹(shù)的平穩(wěn)下放。

采油樹(shù)是生產(chǎn)流體的控制通道和監(jiān)測(cè)設(shè)備[1]，它的下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分，國(guó)內(nèi)外采油公司、科研院校對(duì)其下放過(guò)程中鉆桿受力和下放工藝研究較多[2-5]，但是目前還沒(méi)有專門設(shè)計(jì)下放導(dǎo)向裝置來(lái)輔助采油樹(shù)的下放。林秀娟 等[6]研究發(fā)現(xiàn)海水阻力系數(shù)、海面海流速度及作業(yè)水深對(duì)深水采油樹(shù)下放過(guò)程鉆柱強(qiáng)度均有較大的影響；王濤[7]采用故障樹(shù)分析法對(duì)深水采油樹(shù)下放安裝過(guò)程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，研究發(fā)現(xiàn)下放工具的可靠性對(duì)油管掛下放安裝的影響較大。本文針對(duì)BT-4000半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置，可以在月池區(qū)域內(nèi)限制采油樹(shù)下放過(guò)程中的搖晃，并通過(guò)有限元計(jì)算驗(yàn)證了該導(dǎo)向裝置可以在一定風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件綜合作用下滿足采油樹(shù)下放導(dǎo)向的強(qiáng)度需要。本文設(shè)計(jì)的采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置在國(guó)內(nèi)外船舶與海洋工程領(lǐng)域尚屬首次。

1 采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

BT-4000半潛式平臺(tái)井架布置在鉆臺(tái)甲板層，分別在井架內(nèi)船體基線以上50.5 m和41.0 m處各設(shè)置了一個(gè)導(dǎo)向機(jī)械臂(圖1)，在井架內(nèi)限制鉆桿在水平方向上的位移。本文設(shè)計(jì)的采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置布置在月池區(qū)的上層鉆臺(tái)和下層右舷臺(tái)車上，當(dāng)采油樹(shù)下放到月池空間時(shí)，限制其在水平方向上的搖晃，并伴隨下放過(guò)程導(dǎo)向，如圖2所示。

圖1 BT-4000半潛式平臺(tái)井架內(nèi)導(dǎo)向機(jī)械臂示意圖Fig.1 Schematic diagram for guide robot arm in derrick of semi-submersible platform BT-4000

圖2 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

本文設(shè)計(jì)的采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置是一種完全可拆導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在采油樹(shù)下放時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單裝配組成采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置，通過(guò)2種特殊的采油樹(shù)導(dǎo)向臂(一種能夠適應(yīng)不同尺寸的采油樹(shù)，另一種能夠適應(yīng)不同尺寸的鉆桿)搭配長(zhǎng)度可調(diào)的連接臂能夠滿足多種采油樹(shù)下放導(dǎo)向的需要。通過(guò)導(dǎo)向臂將采油樹(shù)與下放導(dǎo)向裝置相連，再將下部基座結(jié)構(gòu)通過(guò)4個(gè)定位插銷安裝在月池區(qū)下層右舷臺(tái)車上，上部基座結(jié)構(gòu)則通過(guò)專門設(shè)計(jì)的定位銷塊組件安裝在月池區(qū)上層鉆臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)將采油樹(shù)通過(guò)本裝置連接到平臺(tái)上，起到限制采油樹(shù)下放過(guò)程中晃動(dòng)的目的。該裝置適用于在一定加速度載荷下，自重不超過(guò)120 t，外形尺寸不超過(guò)7 m×7 m×13 m的采油樹(shù)作下放導(dǎo)向使用。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置由下部基座(6.8 m×2.5 m)、上部基座(1.7 m×6.1 m)、滑移軌道(0.7 m×12 m)、導(dǎo)向臂滑移基座、連接臂、采油樹(shù)導(dǎo)向臂和鉆桿導(dǎo)向臂等7個(gè)部分組成，如圖3所示。整個(gè)裝置大多用鋼板、工字鋼和方鋼管制成，各部件之間通過(guò)螺栓、螺母連接，整套裝置用鋼量在7t左右，材料主要選用AH36鋼，借助月池雜用絞車和載人工作籃，可以方便地在月池區(qū)實(shí)施組裝。

圖3 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

1.2 作業(yè)原理

BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向流程如圖4所示。當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行采油樹(shù)下放作業(yè)時(shí)，首先將上、下部基座分別安裝在月池區(qū)上層鉆臺(tái)和下層右舷臺(tái)車上；隨后通過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的螺栓孔將滑移軌道與上、下部基座裝配在一起；最后在滑移軌道上安裝好導(dǎo)向臂滑移基座，連接鋼絲繩，即完成裝置的裝配準(zhǔn)備，如圖5所示。

圖4 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向流程圖Fig.4 Flow chart of the Christmas tree transferring of semi-submersible platform BT-4000

圖5 BT-4000半潛式平臺(tái)裝置裝配準(zhǔn)備完成狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the ready condition for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

完成采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置裝配之后，采油樹(shù)從月池開(kāi)口逐漸下放，通過(guò)裝置連接到鉆井平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)限制采油樹(shù)下放過(guò)程中的搖擺。本文設(shè)計(jì)了專用的采油樹(shù)導(dǎo)向臂(圖6)，通過(guò)插銷連接到采油樹(shù)設(shè)備上，尾部選配合適長(zhǎng)度的連接臂，整體插入到導(dǎo)向臂滑移基座中，最終完成裝配。利用裝置和平臺(tái)整體強(qiáng)度限制采油樹(shù)的搖晃，并沿滑移軌道結(jié)構(gòu)下放，使得采油樹(shù)平穩(wěn)下放到月池下部空間，下放導(dǎo)向過(guò)程如圖7所示。

圖6 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)導(dǎo)向臂與采油樹(shù)連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between Christmas tree guiding arm and Christmas tree of semi-submersible platform BT-4000

除此以外，還設(shè)計(jì)了專用的鉆桿導(dǎo)向臂，當(dāng)采油樹(shù)通過(guò)月池開(kāi)口后，拆下采油樹(shù)導(dǎo)向臂替換成鉆桿導(dǎo)向臂，將鉆桿導(dǎo)向臂的一段“環(huán)抱”住連接采油樹(shù)頂端的鉆桿(圖8)，將鉆桿與半潛平臺(tái)形成連接，實(shí)現(xiàn)采油樹(shù)持續(xù)下放過(guò)程中的鉆桿導(dǎo)向。

圖7 半潛式平臺(tái)BT-4000采油樹(shù)下放過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the Christmas tree transferring process of semi-submersible platform BT-4000

圖8 BT-4000半潛式平臺(tái)鉆桿導(dǎo)向臂與鉆桿連接示意圖Fig.8 Schematic diagram of the connection between drill pipe and drill pipe arm of semi-submersible platform BT-4000

2 采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置強(qiáng)度分析

本文設(shè)計(jì)的采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置主體結(jié)構(gòu)選用AH36高強(qiáng)度鋼，部分型材選用Q345B低碳合金鋼，裝置需要承受采油樹(shù)自重(120 t)和下放過(guò)程中因平臺(tái)搖晃產(chǎn)生的慣性載荷。本文選用有限元計(jì)算軟件SESAM/GeniE對(duì)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

2.1 有限元模型

采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置有2種形式的導(dǎo)向臂，一種是采油樹(shù)導(dǎo)向臂，另一種是鉆桿導(dǎo)向臂。這2種形式的導(dǎo)向臂都需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，所有的結(jié)構(gòu)均用板單元建模[8]，有限元模型如圖9、10所示。模型的坐標(biāo)系與平臺(tái)的坐標(biāo)一致，X軸正向指向平臺(tái)艏部，Y軸正向指向平臺(tái)左舷，Z軸正向指向平臺(tái)垂向。

圖9 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置有限元模型Fig.9 FE model for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

圖10 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置模型板厚示意圖Fig.10 Schematic diagram of plate thickness for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

2.2 作業(yè)工況

采油樹(shù)在下放過(guò)程中相對(duì)于導(dǎo)向裝置的位置在變化，導(dǎo)向臂約束采油樹(shù)本體的位置分為5個(gè)工況，分別為采油樹(shù)重心距離水線26.60、24.30、21.78、18.72和15.93 m處，如圖11所示。對(duì)于邊界條件，上部基座由定位銷塊組件固定在鉆臺(tái)設(shè)備滑移軌道上，下部基座用螺栓固定在右舷臺(tái)車的定位插銷上，在有限元模型中用簡(jiǎn)支來(lái)模擬上述固定約束。

圖11 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置作業(yè)位置工況示意圖Fig.11 Schematic diagram of working location for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

2.3 所受載荷分析

采油樹(shù)下放時(shí)，受到BT-4000半潛式平臺(tái)在風(fēng)、浪、流作用下船體加速度的影響，由于采油樹(shù)本身重量產(chǎn)生的慣性載荷作用在導(dǎo)向裝置上，需要選擇合適的下放周期[9]。半潛平臺(tái)BT-4000最大作業(yè)水深2 400 m，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)中給出的鉆臺(tái)低甲板處的最大加速度，結(jié)合采油樹(shù)下放過(guò)程中其重心相對(duì)于水線的位置，計(jì)算出采油樹(shù)的慣性加速度，而導(dǎo)向裝置只約束采油樹(shù)的橫向和縱向移動(dòng)，垂向加速度不予考慮。由于船體的對(duì)稱性，只考慮波浪90°、45°和0°的加速度，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 BT-4000半潛式平臺(tái)下放導(dǎo)向裝置所受環(huán)境載荷Table 1 Environment load for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

除此以外，采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置還受到以下載荷作用：安裝在下部基座尾部的絞車自重(8.624 kN)、裝置本身的自重以及絞車最大的工作載荷(29.4 kN)。采油樹(shù)導(dǎo)向臂和鉆桿導(dǎo)向臂計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)3個(gè)浪向5個(gè)位置的載荷，如表2所示。需要注意的是，每種導(dǎo)向臂都需要計(jì)算15種工況，2種導(dǎo)向臂共需計(jì)算30種工況。

表2 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)導(dǎo)向臂和鉆桿導(dǎo)向臂對(duì)應(yīng)工況下的載荷值Table 2 Load value for every guiding arm in corresponding condition of semi-submersible platform BT-4000

2.4 強(qiáng)度分析

根據(jù)ABS MODU 2014對(duì)材料許用應(yīng)力的要求，在綜合工況下材料的安全系數(shù)應(yīng)取1.1，因此，AH36鋼屈服應(yīng)力為355 MPa，許用應(yīng)力為320 MPa；Q345B鋼屈服應(yīng)力為345 MPa，許用應(yīng)力是為311 MPa[10]。通過(guò)有限元計(jì)算分析得出，導(dǎo)向裝置在2種導(dǎo)向臂作業(yè)下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，最大應(yīng)力皆是發(fā)生在浪向0°工況1作用下，其中安裝采油樹(shù)導(dǎo)向臂最大應(yīng)力309.0 MPa，安裝鉆桿導(dǎo)向臂最大應(yīng)力308.9 MPa，均是材料許用應(yīng)力的97%(表3、4)，可見(jiàn)整個(gè)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置的強(qiáng)度滿足ABS MODU 2014結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。由于篇幅所限，本文只給出了2種導(dǎo)向臂下最大應(yīng)力工況的應(yīng)力分布云圖，如圖12所示。

從上述有限元分析結(jié)果可見(jiàn)，采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置無(wú)論是裝配采油樹(shù)導(dǎo)向臂或是鉆桿導(dǎo)向臂，最危險(xiǎn)的工況都是發(fā)生在工況1，即導(dǎo)向臂在水線以上26.6 m處連接采油樹(shù)的情況。當(dāng)浪向角為0°，即風(fēng)浪從平行于平臺(tái)首尾方向影響平臺(tái)時(shí)，慣性載荷最大，此時(shí)載荷的作用方向正好垂直于導(dǎo)向臂的長(zhǎng)度方向，作用力通過(guò)滑移軌道傳遞到上部基座上，上部基座與鉆臺(tái)連接處的應(yīng)力最大。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，平臺(tái)作業(yè)人員若在該工況下操作下放導(dǎo)向裝置應(yīng)特別注意，可以待沿月池繼續(xù)下放一定高度后，再連接采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置，確保裝置的使用安全。

表3 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)導(dǎo)向裝置應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 3 Result of stress calculation for Christmas tree guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

表4 BT-4000半潛式平臺(tái)鉆桿導(dǎo)向裝置應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 4 Result of stress calculation for drill pipe guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

圖12 BT-4000半潛式平臺(tái)采油樹(shù)導(dǎo)向臂和鉆桿導(dǎo)向臂浪浪向0°工況1應(yīng)力分布云圖Fig.12 Stress chart in condition 1 wave angle 0°with Christmas tree guiding arm and drill pipe guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

3 結(jié)論

1) 針對(duì)BT-4000半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套用于輔助采油樹(shù)下放導(dǎo)向的專用裝置，最大能夠適用于自重120 t、外形尺寸7 m×7 m×13 m的采油樹(shù)下放導(dǎo)向使用。經(jīng)過(guò)有限元強(qiáng)度計(jì)算，該導(dǎo)向裝置能滿足ABS MODU 2014對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，解決采油樹(shù)通過(guò)月池區(qū)域時(shí)的搖擺問(wèn)題。

2) 該采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置能夠替代高成本的導(dǎo)向設(shè)備，整個(gè)裝置重量在7 t左右，與采購(gòu)設(shè)備相比制造成本可降低80%。通過(guò)設(shè)計(jì)多種不同長(zhǎng)度的連接臂、在同一方向上間隔一定距離開(kāi)設(shè)多組螺栓孔以及采油樹(shù)導(dǎo)向臂的可滑動(dòng)調(diào)節(jié)寬度設(shè)計(jì)等，增強(qiáng)采油樹(shù)下放導(dǎo)向裝置的適用性，在海洋工程油氣開(kāi)采裝備領(lǐng)域有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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