翟梓皓(中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

隨著國內(nèi)海洋石油領域的蓬勃與飛速發(fā)展，渤海、東海及南海等大量流域的邊際斷塊油田逐漸成為關注熱潮。而傳統(tǒng)的海洋油田開采模式過于老舊，難以幫助經(jīng)濟的有效提升，也容易造成部分海洋不可挽回的污染，所以需要及時建立以新型海洋探測裝備為中心的獨立開發(fā)體系。

在多年的努力下，具有自升結(jié)構(gòu)平臺的移動式自安裝井口平臺被成功研制，此平臺可根據(jù)項目作業(yè)的實際特點在工程場地至大范圍海域進行較長距離的遷航。在多種海上工作項目中，平臺拖航是相對比較危險的作業(yè)之一，且在國內(nèi)外海資源探測史上都有過詳細的記載和沉痛的教訓。

尤其在實際進行拖航工作時，樁腿收起后其高聳的形狀會使受風面積顯著擴大，從而導致風傾力矩增加。與此同時，由于樁腿與樁靴的自重比很大，在升樁時自安裝井口平臺的重心就會得到顯著提升，則會極大地影響拖航的穩(wěn)定性。

1 移動式自安裝井口平臺基本概況

1.1 基本結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1.1 移動式自安裝井口平臺基本結(jié)構(gòu)

移動式自安裝井口平臺主要由多個沉墊、支撐設備、立柱、上方平臺以及整個升降裝置共同組成。其中，沉墊個數(shù)大多為四個，且每個沉墊可分為四個水密艙，平臺的拖航方向?qū)膫€沉墊的集中方向，同時沉墊內(nèi)還設有油水分離功能，這樣可實現(xiàn)沉墊設備的儲油功能，為拖航工程提供助力。

1.1.2 移動式自安裝井口平臺工作流程

現(xiàn)代的移動式自安裝井口平臺是簡易的井口平臺，且在海域附近上充分設置與安裝后，再放置其拖輪上，拖航至工作海域中。在拖航的整個過程中，主要由四個沉墊來為平臺提供浮力，等平臺到達指定項目位置時，通過準確的定位來幫助井口的隔水套管成功套至平臺立柱中。同時為了保護生產(chǎn)立管的安全，也可將生產(chǎn)立管靠在立柱邊上，在平臺逐漸下沉時，及時為四個沉墊灌入水，且速度要均勻緩慢。當整個平臺主體降落至預先提供的浮態(tài)并灌入水時，立即開啟升降設備，使整個立柱和沉墊沒入海底。與此同時，當沉墊觸到海底后，立即頂甲板使其上升，再依靠平臺自身的重量優(yōu)勢使沉墊進入海泥中。當平臺進行移位時，先把平臺上的甲板降到預先設計的浮態(tài)讓其保持吃水狀態(tài)，并將沉墊內(nèi)的油和水徹底排凈，并開啟升降設備，最后利用其浮力及升降裝置的力量成功拔出沉墊。

1.2 工作特點

當前國內(nèi)的海洋油資源探查企業(yè)主要使用的傳統(tǒng)井口平臺大多為樁基導管架固定式平臺，這些傳統(tǒng)平臺的缺點是難以重復使用，同時其經(jīng)濟性較差，難以獲得理想的收益效果。因此，可重復使用的簡易平臺的研究與創(chuàng)造是很有必要的，也可幫助國內(nèi)實現(xiàn)經(jīng)濟的飛速發(fā)展。據(jù)此，國內(nèi)灘海油田率先提出了可移動自升式單柱平臺，該類型平臺的主要特點首先為使采油、儲油、輸油等多種工作項目融為一體，且操作系統(tǒng)更加簡單，投資成本數(shù)量更少，回收效果顯著、時間較短，非常適合滾動的開發(fā)模式，其次移動式自安裝井口平臺具有自浮能力，可直接被拖船拖航至需要作業(yè)的海域中，方便后續(xù)的資源勘查、能源開發(fā)等工作。除此以外，移動式自安裝井口平臺是簡易平臺，工作人員可直接采用液壓升降系統(tǒng)，在對一個油田進行項目管理后，可直接將平臺運轉(zhuǎn)至另一位置進行下一次的直接使用，最后由于移動式自安裝井口平臺是單柱平臺，下放有沉墊設備。這種裝置既可緩沖自身平臺的較大結(jié)構(gòu)重量，還可直接縮短樁中的人混深度和重量，既可以減少材料浪費和資金成本費用，還可大幅度減少壓裝費用。

2 現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性規(guī)范要求

2.1 完整穩(wěn)定性質(zhì)

與船舶等領域類似，現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺的完整穩(wěn)定性質(zhì)主要是指當平臺在未破損狀態(tài)時，通過外力作用下導致偏離其平衡位置，最終產(chǎn)生傾斜時，其在外力逐漸消失后自身直接恢復到原始平衡位置的穩(wěn)定能力。與此同時，平臺的完整穩(wěn)定性質(zhì)會隨著運輸或裝載狀態(tài)的不同而發(fā)生巨大變化，為了計算在完成的裝載狀態(tài)下平臺的哪些時刻具備理想的穩(wěn)性，需要對幾種固定的裝載工況進行穩(wěn)性對比與分析。根據(jù)國內(nèi)規(guī)范的詳細記載，現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性計算的重點是準確計算復原力矩，即當現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺處在最危險的狀況時，其平臺抵抗外力矩的極限能力[1]。計算風傾力矩，即在面對惡劣海況下，巨大的海風對現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺影響時的動傾力矩，再計算二者之間的比，其數(shù)值為穩(wěn)性衡準系數(shù)，當數(shù)值大于或等于1時即可滿足當前的現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性要求。所以對現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺，復原力矩與風傾力矩再次進入交點，或者當進水角處的復原力矩曲線下面積中的較小者至少應比同一限定傾角范圍內(nèi)風傾力矩曲線下的面積大40%，即復原力矩與風傾力矩曲線面積之比大于或等于1.4。而此時的比例數(shù)值就等于面積比即穩(wěn)性衡準系數(shù)，所以其對應的傾角則為第2交點或現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺入水點，如有兩個計算值則選擇兩者間的較小者。

2.2 破艙穩(wěn)定性質(zhì)

破艙穩(wěn)定性質(zhì)主要是指當現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺損壞后，依靠其自身傾斜后的復原力矩，并在規(guī)范的外力風壓的始終作用下仍能保持停水繼續(xù)進水的能力值。由此可見，計算破艙穩(wěn)定性質(zhì)時應選取最負面的工作狀態(tài)，而不是穩(wěn)定狀態(tài)，并考慮此時的現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺處于完全自主的漂浮和約束情況，但此時拖帶約束的效果對穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響時也可對其加以考慮。據(jù)此，計算破艙穩(wěn)性數(shù)值時，其全部或部分處在的滲透率應符合以下幾點要求：首先在儲物處所時，其滲透率應為60%以內(nèi)；而在起居處所時，其滲透率應為95%以內(nèi)；在機器處的位置時，其滲透率應為85%以內(nèi)；在空艙處的位置時其滲透率應為95%以內(nèi)；最后在液體處所時，其滲透率應為0%或95%之間，同時因何故導致較嚴重的后果時滲透率可達到95%以上。綜上所述，現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺在設計初時應廣泛具備足夠的干舷、儲備浮力優(yōu)勢和穩(wěn)定性，以便現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺在進行任何海洋項目作業(yè)或遷移狀況下減少損失。除此以外，當移動式自安裝井口平臺的某個艙室受到規(guī)范規(guī)定的破損程度后，并考慮所有方向，和風速的風傾力矩作用下，以及平臺下沉、縱傾和橫傾的相互影響后，最終平臺的水線應顯著低于可能發(fā)生浸水現(xiàn)象的所有開口的下方邊界處，以此來判斷移動式自安裝井口平臺的損壞情況。

3 現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺穩(wěn)定計算流程

3.1 當前移動式自安裝井口平臺介紹

本文實驗分析采用的現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺是四樁腿自升式的可移動井口平臺，其自身為鋼質(zhì)且非自航體系，整個平臺設計的最大項目深度為46 m，且項目中包含天文潮和風暴潮，以保證實驗客觀性。同時移動式自安裝井口平臺的主體形狀為長方體箱形結(jié)構(gòu)，并設有4根圓柱形樁腿，以艉二艏二的分布來設置，且在樁腿的下端安置樁靴設備，四個樁靴皆可完全收回至可移動井口平臺體內(nèi)。在平臺的升降系統(tǒng)中直接采用液壓插銷的方式，再利用平臺自身的升降系統(tǒng)，將平臺主體伸展于理想的固定高度。

同時此次移動式自安裝井口平臺的艉部將設有井口槽裝置，槽內(nèi)將為井口隔水套管安裝支撐結(jié)構(gòu)，可直接符合多個隔水管的全部支撐要求，且每個隔水管的間距約為2.6 m。除此以外，井口隔水套管的支撐管架結(jié)構(gòu)大都采用液壓齒條升降系統(tǒng)來直接調(diào)整管架的實際高度，并在井口槽兩側(cè)安裝井模塊縱向滑動的軌道來方便移動。通過具體測量，本次四樁腿自升式的可移動井口平臺具體平臺長度為56 m，整體寬度為45 m，實際深度為5.5 m，在輕載狀態(tài)時拖航進水3.21 m，重載狀態(tài)時拖航進水3.56 m，且平臺的樁腿數(shù)量為四根，各個樁腿的尺寸大約為3.5 m×82 m，樁腿間的縱向差距為39.5 m，橫向差距為36 m，且正八邊形的樁靴的對邊長度約為7.4 m，整體高度約為2.0 m，并在艏部位安置兩層的工程房間，房間層高為4.0 m，以及一層生活樓，樓內(nèi)的層高為3.2 m。

3.2 三維實體建模

根據(jù)坐標系獲得此次可移動井口平臺的準確坐標，并通過MOSES軟件來進行三維實體建模，再對得到的建模進行實際的安裝與測量，檢測到可移動井口平臺的主要結(jié)構(gòu)特征和位置分布。其破艙穩(wěn)性計算選取的艙室組合內(nèi)容與分布主要為以下幾個特征：首先中心部位為置換泵艙，其周圍艙室為升降液壓艙和機修艙，在機修倉前后主要為燃油艙和生活污水艙，且容易存在破損情況；其次往外延伸的艙室為淡水艙和海水緩沖艙，其上方存在兼工業(yè)淡水艙；最后部分主要為左、右壓載艙，并在以上所有艙室中共模擬出破損情況16處，以供實驗參考[2]。

3.3 工況模擬分析

在進行實驗的工況模擬分析時，將可移動井口平臺的遠洋拖航選取滿載工況，即修井拖航工況、輕載工況、采油拖航工況和空船工況等作為主要實驗素材，并設計出平臺拖航項目的計算模型，以及測量可移動井口平臺的荷載重量和重心分布情況。同時平臺進水點的設置主要考慮了平臺主甲板上的通風口、透氣管道和下艙梯道門的進水點等實際影響因素，再對所處空氣濕度、測量時間、注入系統(tǒng)等位置狀態(tài)進行控制，最后各艙室的破損情況以及進水點的坐標如表1所示。

表1 各艙室的破損情況以及進水點的坐標

3.4 風載荷計算

現(xiàn)代可移動井口平臺無論是完整性質(zhì)還是穩(wěn)定性質(zhì)都需要進行計算風載荷的計算，并給予各種工況下基本條件，將構(gòu)件上的風載荷數(shù)據(jù)主要按公式(1)進行計算，即：

式 中：P為 風 壓,即P=0.613×10-3V2(kPa)；V為實際風速(m/s)；F為所需風荷載數(shù)值(kPa)；Ch為模擬實驗物體的高度數(shù)值，根據(jù)實際的高度測量可得到；Cs為模擬實驗物體的形狀系數(shù)；S為可移動井口平臺在進行正常漂浮或傾斜狀態(tài)時所得到的正向投影面積值(m2)[3]。

4 移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性計算結(jié)果分析

4.1 完整穩(wěn)定性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)代可移動井口平臺的形態(tài)特點，計算出橫向90°、斜向43°、縱向0°受風時的完整穩(wěn)性數(shù)值。根據(jù)國家標準規(guī)范取得模擬風速數(shù)值為52.6 m/s，并在平臺進行拖航時將樁靴徹底收入主船體中，此次現(xiàn)代可移動井口平臺采用濕式樁腿型式，其與海水相互連通，保證樁腿在拖航時進入水中。除此以外，平臺樁腿的浮力只需考慮樁腿壁厚直接產(chǎn)生的能力，且由于樁靴采用正八邊形結(jié)構(gòu)，其外側(cè)一圈則不與海水直接連通，此部分直接算入排水量，最后計算結(jié)果如表2所示。

表2 穩(wěn)性計算結(jié)果

根據(jù)國家關于拖航工作的明確規(guī)范要求，其最終完整穩(wěn)性的衡準數(shù)F應滿足大于1.4，同時初穩(wěn)心高GM應大于15 m，實驗成果表明其完整穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

4.2 破艙穩(wěn)定性質(zhì)

在計算該實驗中可移動井口平臺破艙穩(wěn)定性質(zhì)時，主要對滿載拖航、輕載拖航與空船拖航的實際工況進行重點檢測，并按照國家規(guī)范要求對各艙室或處所選取合適位置的容積滲透率。其次根據(jù)要求假定垂向范圍內(nèi)自底板向上無約束，且水平貫入距離為1.5 m，同時設定水平有效范圍內(nèi)的實際水密艙壁之間，以及距離最近臺階部位的有效長度大于3 m。再設置各工況情況下的進水點數(shù)值均大于0°，使其破損水位低于繼續(xù)進水口的下方位置，以此滿足實驗標準要求。

通過對滿載拖航的實際工況的實驗結(jié)果進行充分計算，得到其在平臺16個破損狀態(tài)下的θm(°)與θs(°)數(shù)值均滿足國家規(guī)定，同時計算出ROS值，即

θm-θs(°)均保證在10～32°之間，最后得到Max(7°+1.5θs)的最終數(shù)值均維持在10°～11°之間，即現(xiàn)代可移動井口平臺滿足國家對破艙穩(wěn)定性質(zhì)的衡準要求。同理平臺輕載拖航與空船拖航相關穩(wěn)性計算與滿載拖航的實際計算方法一致，且通過實驗分析后其結(jié)果也滿足當前國家規(guī)定的范圍內(nèi)，則充分表明現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺的完整穩(wěn)定性質(zhì)與破艙穩(wěn)定性質(zhì)均滿足當前海洋能源企業(yè)的生產(chǎn)需要，并為其今后的長久發(fā)展創(chuàng)設理想條件。

5 結(jié)語

通過近幾年的調(diào)查顯示，平臺海損事件中因拖航穩(wěn)性不足導致的事故大約占總量的三分之一，所以拖航穩(wěn)性問題始終是平臺設計部門、實際操作部門和成果檢驗部門關注的焦點。針對某型移動式自安裝井口平臺為重點研究對象，通過對平臺拖航的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性進行充分剖析與研究，同時將研究成果為以后的類似平臺穩(wěn)性分析提供參考數(shù)據(jù)，達到為移動式自安裝井口平臺的安全拖航提供技術支持目的。據(jù)此，本文率先介紹了移動式自安裝井口平臺的基本概況，并淺析了現(xiàn)代移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性規(guī)范要求；其次展示了移動式自安裝井口平臺穩(wěn)定計算流程；最后提出了移動式自安裝井口平臺穩(wěn)性計算結(jié)果以及后續(xù)分析，旨在為日后移動式自安裝井口平臺拖航穩(wěn)性分析提供理論基礎。