(中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原030051)

0 引 言

伴隨著2014年國(guó)際油價(jià)斷崖式下跌，石油公司紛紛減少勘探和鉆井需求以降低支出，維持油田運(yùn)營(yíng)成本。次年，全球石油勘探開(kāi)發(fā)投資金額從2014年的5 710億美元降低至2015年的4 760億美元，降幅達(dá)16%，直接導(dǎo)致全球鉆井業(yè)務(wù)大幅減少[1]。油田技術(shù)服務(wù)公司出現(xiàn)人員過(guò)剩、作業(yè)設(shè)備大量閑置的現(xiàn)象。

已發(fā)現(xiàn)在中國(guó)渤海灣和北部灣海域待開(kāi)采油田中存在一些儲(chǔ)量小、分布零散、經(jīng)濟(jì)回報(bào)效益差的邊際油田，常以簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)為依托進(jìn)行開(kāi)采。例如典型的“三一”模式的油氣田設(shè)施開(kāi)發(fā)技術(shù)：1條海底管線+1條海底電纜+1座簡(jiǎn)易平臺(tái)[2-4]。新建平臺(tái)存在投資周期長(zhǎng)、一次性投入資金多等缺點(diǎn)。為了經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)采邊際油田并利用閑置或租賃便宜的設(shè)施，將自升式鉆井平臺(tái)(見(jiàn)圖1)改造成為采儲(chǔ)平臺(tái)是一種可行的選擇。鉆井平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

圖1 自升式采儲(chǔ)平臺(tái)示例

(1) 可移動(dòng)功能，可重復(fù)利用。將單個(gè)平臺(tái)的成本分散至多個(gè)邊際油田的開(kāi)發(fā)中，減少每個(gè)海上邊際油田工程設(shè)施的投資成本。

(2) 綜合性，多功能。能集生產(chǎn)、儲(chǔ)油和外輸于一體，使其減少對(duì)周邊工程設(shè)施的依賴(lài)，解決小型邊際油田開(kāi)發(fā)對(duì)周邊設(shè)施的依托飽和或無(wú)依托的困難。

(3) 自安裝能力。能實(shí)現(xiàn)自安裝，減小對(duì)大型施工機(jī)具的依賴(lài)，增加施工資源選擇的靈活性，降低施工費(fèi)用，同時(shí)緩解施工機(jī)具超負(fù)荷給工程進(jìn)度帶來(lái)的壓力。平臺(tái)的自安裝功能，還能有效減少工程設(shè)施的棄置費(fèi)用。

本文將某鉆井平臺(tái)改造成為固定平臺(tái)，用于北部灣油田開(kāi)采，對(duì)規(guī)范、功能、環(huán)境和平臺(tái)質(zhì)量等方面的變化進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)借助有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，給出加強(qiáng)方案和運(yùn)營(yíng)維護(hù)注意事項(xiàng)，對(duì)類(lèi)似設(shè)施的改造評(píng)估方法進(jìn)行總結(jié)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 鉆井船簡(jiǎn)介

中國(guó)北部灣海域存在很多分布零散、儲(chǔ)量偏小、采用常規(guī)固定平臺(tái)開(kāi)發(fā)、投標(biāo)回報(bào)欠佳的油氣田，如何對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)一直是工程設(shè)計(jì)者思考的問(wèn)題。本文對(duì)目標(biāo)鉆井船進(jìn)行改造，給出強(qiáng)度校核方面的注意事項(xiàng)和結(jié)果，為方案的推行提供技術(shù)支持。

圖2 鉆井平臺(tái)示例

該鉆井船為三腿桁架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示：船體長(zhǎng)寬高尺寸為65 m×54 m×6 m；樁腿間距為37 m×37 m，樁長(zhǎng)為110 m；升降裝置爬升齒輪數(shù)為36個(gè)，屬機(jī)械式固樁器，含有生活樓、起重機(jī)、動(dòng)力模塊和鉆機(jī)等配套系統(tǒng)。計(jì)劃將其用于中國(guó)北部灣海域，水深約34 m，電力依托周邊平臺(tái)，產(chǎn)液通過(guò)外輸海管送至鄰近平臺(tái)。同時(shí)，在艉部增加3口井(兩采一注)，尺寸為914 mm×25 mm，入泥50 m，船體甲板增設(shè)海水處理設(shè)施和注水設(shè)備。

考慮到利用外來(lái)鉆井船鉆修井，所以平臺(tái)自身的鉆機(jī)設(shè)施全部拆除，包括滑道梁、井架和泥漿罐等設(shè)備及管線。在保證結(jié)構(gòu)完整性的前提下，最大限度地拆除無(wú)用設(shè)施，以減輕平臺(tái)自身質(zhì)量。經(jīng)評(píng)估，改造后平臺(tái)的在位操作質(zhì)量約5 700 t，較鉆井船原設(shè)計(jì)質(zhì)量略輕，如表1所示。

表1 鉆井船改造前后質(zhì)量變化 t

1.2 規(guī)范變化

移動(dòng)鉆井平臺(tái)改造為固定平臺(tái)后需長(zhǎng)期固定于作業(yè)油田，改造后平臺(tái)的穩(wěn)性、強(qiáng)度需按照固定平臺(tái)有關(guān)規(guī)范[5]進(jìn)行校核，其與移動(dòng)鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]最大的不同是對(duì)基礎(chǔ)承載力安全因數(shù)的要求，如表2所示。

表2 操作和極端工況下不同規(guī)范對(duì)不同校核內(nèi)容的要求

從表2可知，固定平臺(tái)規(guī)范要求更嚴(yán)格。主要原因在于固定平臺(tái)不能像移動(dòng)平臺(tái)一樣進(jìn)行年檢，而且在遇到極端氣候時(shí)也不能撤離。因此，規(guī)范要求固定平臺(tái)的安全裕度更大，保證在遭遇極端海況時(shí)，平臺(tái)不倒塌，不出現(xiàn)人員傷亡、環(huán)境污染等次生災(zāi)害。

1.3 環(huán)境變化

鉆井船原設(shè)計(jì)水深與目前依托開(kāi)發(fā)的油田水深相近，但此海域百年一遇的流速較原設(shè)計(jì)流速增加約1倍，如表3所示?？紤]到改造后平臺(tái)艉部增設(shè)井口采油裝置，樁腿增加陽(yáng)極和海生物等因素，鉆井平臺(tái)的在位環(huán)境荷載大幅提高，平臺(tái)在在位工況下的強(qiáng)度需重點(diǎn)關(guān)注。

表3 環(huán)境條件對(duì)比

圖3 SACS軟件搭建平臺(tái)模型

2 有限元計(jì)算

2.1 模型說(shuō)明

SACS軟件基于二力桿系單元對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行建模，完成整體性能分析以及樁腿桿件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算[7]；為了模擬船體剛度，船身使用剛性單元模擬，但不參與強(qiáng)度校核，如圖3所示。

船身強(qiáng)度校核借助ANSYS軟件對(duì)板殼單元進(jìn)行模擬；根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)，在建模中采用管單元、板殼單元、梁?jiǎn)卧①|(zhì)量單元的適當(dāng)組合。利用PIPE59管單元模擬樁腿結(jié)構(gòu)(波流荷載通過(guò)程序自動(dòng)計(jì)算)；主船體甲板采用SHELL 63單元進(jìn)行模擬；縱骨、縱桁、橫梁采用BEAM 188單元進(jìn)行模擬；船體上的設(shè)備如甲板室、工程房、直升飛機(jī)平臺(tái)等沒(méi)有直接建模，使用MASS 21質(zhì)量單元進(jìn)行凝聚模擬。如圖4所示。

圖4 ANSYS搭建的船體模型

2.2 荷載和邊界約束

按照設(shè)備布置總圖，對(duì)模型施加豎向載荷，由于鉆井平臺(tái)沿中軸線對(duì)稱(chēng)，選取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等7個(gè)海洋環(huán)境荷載(風(fēng)、波、流)來(lái)向進(jìn)行平臺(tái)強(qiáng)度校核。根據(jù)API規(guī)范要求，極端工況選取百年一遇的環(huán)境條件，桿件許用應(yīng)力可放大1.33倍。

對(duì)于鉆井平臺(tái)這種淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的約束模擬直接影響計(jì)算結(jié)果?？紤]基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土壤的非線性特性，依據(jù)ABS《建造和分級(jí)規(guī)則》——移動(dòng)鉆井平臺(tái)2012版的第三部分《船體建造和設(shè)備》中的規(guī)定，土壤轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的最大值為

(1)

式中：Kmax為土壤轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的最大值，N·m/rad；E為樁腿材料的彈性模量， GPa，鋼材的E為200 GPa；I為樁腿的等效慣性矩，m4。

(2)

(3)

式中：As為樁腿的等效剪切面積，m2；L為樁腿的長(zhǎng)度，即船體底部至樁腿嵌固點(diǎn)的距離，m。

(4)

式中：A為樁腿的等效軸向面積，m2；Fg為反映樁腿個(gè)數(shù)的參數(shù)，三腿平臺(tái)取1.125，四腿平臺(tái)取1.0；Y為反映樁腿間距離的參數(shù)，三腿平臺(tái)取一腿中心到另外兩腿中心連線的距離，四腿平臺(tái)取前后兩腿中心連線的距離。

由式(1)計(jì)算出的剛度值，可通過(guò)彈簧單元施加到基礎(chǔ)上，并且考慮彎矩釋放。在有限元模型計(jì)算中，船體與樁腿間的模擬單元也應(yīng)釋放彎矩，僅傳遞軸向荷載，以真實(shí)模型模擬實(shí)際齒輪咬合情況，模型的其他部位均按剛性連接考慮，用于分析計(jì)算。

2.3 SACS計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得知，該平臺(tái)的第一階自振周期約為4.1 s，陣型如圖5所示，在極端工況下船體最大位移為85.82 cm。34 m水深的結(jié)構(gòu)物整體剛度偏柔，主要原因是主腿之間無(wú)水平橫撐連接，立面無(wú)斜撐傳力。樁腿水平撐桿、斜撐和齒條屈服強(qiáng)度為586 MPa，弦桿和弦桿貼板屈服強(qiáng)度為482.7 MPa，均為高強(qiáng)鋼。從圖6可以看出，船體下方的樁腿部位存在超應(yīng)力桿件，主要原因是在鉆井船改造為固定平臺(tái)后，考慮海生物、陽(yáng)極等附件的影響，水平荷載較原設(shè)計(jì)值增加，桿件出現(xiàn)受彎破壞多。同時(shí)，依據(jù)API規(guī)范對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校核，幾乎全部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)力無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 平臺(tái)第一階陣型

圖6 極端工況下樁腿應(yīng)力云圖

2.4 ANSYS計(jì)算結(jié)果

圖7～圖14為平臺(tái)von-Mises應(yīng)力分布圖，計(jì)算表明：在固樁區(qū)附近因存在局部應(yīng)力集中而出現(xiàn)最大應(yīng)力。樁腿最大應(yīng)力發(fā)生在樁腿與船體連接的部位，分析結(jié)果與SACS軟件計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，存在超應(yīng)力桿件，結(jié)構(gòu)需加強(qiáng)。縱桁和強(qiáng)橫梁骨材及扶強(qiáng)材大部分應(yīng)力均小于288 MPa，但水密性需進(jìn)一步求證。

圖7 環(huán)境荷載0°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖 圖8 環(huán)境荷載30°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖

圖9 環(huán)境荷載60°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖 圖10 環(huán)境荷載90°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖

圖11 環(huán)境荷載120°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖 圖12 環(huán)境荷載150°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖

圖13 環(huán)境荷載180°下平臺(tái)的應(yīng)力云圖 圖14 樁腿局部應(yīng)力詳圖

通過(guò)評(píng)估，該平臺(tái)的樁腿存在超應(yīng)力桿件，若繼續(xù)使用，需采取加強(qiáng)措施。考慮到材質(zhì)均為高強(qiáng)鋼，焊接性能差，故在改造方案中替換板材組時(shí)，需工程人員對(duì)精度和焊接變形控制重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié) 論

自升式鉆井船具有安裝、棄置方便和海上施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。本文從閑置鉆井船改造為固定平臺(tái)的可行性著手，對(duì)規(guī)范、功能和使用環(huán)境條件的變化進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)改造后平臺(tái)強(qiáng)度開(kāi)展計(jì)算，給出評(píng)估結(jié)果?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1) 固定平臺(tái)規(guī)范對(duì)承載力安全因數(shù)要求高，改造后的平臺(tái)經(jīng)受的環(huán)境條件更惡劣，加上沖刷對(duì)淺基礎(chǔ)承載力的折減，基礎(chǔ)可行性往往是控制因素。

(2) 對(duì)于開(kāi)采期短、經(jīng)濟(jì)效益差的邊際油田，建議：降低環(huán)境條件重現(xiàn)期的選取標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高被改造物的經(jīng)濟(jì)性[8]；引入完整性管理思維，確保老舊設(shè)施運(yùn)維安全。

(3) 鉆井平臺(tái)主腿間無(wú)水平撐、斜撐連接以傳遞荷載，致使結(jié)構(gòu)整體剛度較柔且冗余度低，在在位工況下晃動(dòng)位移大，對(duì)設(shè)備操作、結(jié)構(gòu)安全和人員居住帶來(lái)不利影響，在改造設(shè)計(jì)中應(yīng)給予適當(dāng)重視。

(4) SACS軟件完成平臺(tái)的整體性能評(píng)估，ANSYS軟件完成船體、固樁區(qū)板材局部強(qiáng)度校核，兩者的分析結(jié)果可互相印證、互為補(bǔ)充，更好地為設(shè)計(jì)者使用。