移動(dòng)式鉆井平臺(tái)穩(wěn)性與壓載計(jì)算方法及應(yīng)用

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津 300452)

在海洋石油勘探開(kāi)發(fā)中鉆井平臺(tái)的拖航、就位和升降平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中存在著重大風(fēng)險(xiǎn)源，鉆井平臺(tái)的穩(wěn)性與壓載計(jì)算是識(shí)別海上風(fēng)險(xiǎn)源的重大專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)之一。油田拖航與遠(yuǎn)距離拖航都要控制和保持鉆井平臺(tái)的穩(wěn)性。掌握鉆井平臺(tái)穩(wěn)性與壓載計(jì)算方法可降低和消除平臺(tái)拖航、就位和升降作業(yè)過(guò)程中的重大事故的發(fā)生。國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，穩(wěn)性壓載人員應(yīng)當(dāng)接受穩(wěn)性與壓載技術(shù)培訓(xùn)，并取得合格證書(shū)；穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果要由平臺(tái)檢驗(yàn)部門(mén)審核認(rèn)可，然后由其簽發(fā)適拖確認(rèn)書(shū)，方可降平臺(tái)拖航。因此，研究并掌握鉆井平臺(tái)穩(wěn)性與壓載計(jì)算方法具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 鉆井平臺(tái)拖航穩(wěn)性的相關(guān)條件

鉆井平臺(tái)穩(wěn)性是指平臺(tái)受傾斜力矩作用離開(kāi)其平衡位置而傾斜，當(dāng)傾斜力矩消除后能自行恢復(fù)原平衡位置的性能，包括平臺(tái)拖航時(shí)的漂浮穩(wěn)性和升起狀態(tài)的站立穩(wěn)性。鉆井平臺(tái)拖航穩(wěn)性條件要求，保持鉆井平臺(tái)的水密性、檢查控制鉆井平臺(tái)的重心高度。影響鉆井平臺(tái)拖航穩(wěn)性的不利因素如下。

1)新增設(shè)備增重。重量增加以后干舷會(huì)減小，還可能引起不必要的縱傾或橫傾。

2)環(huán)境載荷增重。附著的冰雪。

3)其它增重。海生物或樁靴上部表面沉積的泥土。

4)甲板貨物移動(dòng)。拖航中，平臺(tái)體顛簸搖擺或海浪沖擊可能導(dǎo)致甲板固定的貨物移動(dòng)。

5)液艙未滿，自由液面系數(shù)大，會(huì)降低鉆井平臺(tái)穩(wěn)性。

2 平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算

鉆井平臺(tái)飄浮(拖航)狀態(tài)的穩(wěn)性計(jì)算，主要是平臺(tái)體重量大小和重心位置的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與允許值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺(tái)的拖航穩(wěn)性達(dá)到要求。

2.1 平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算中幾個(gè)要說(shuō)明的問(wèn)題

計(jì)算需要用到的資料包括：平臺(tái)體布置總圖、艙室布置圖、靜水力參數(shù)圖表及規(guī)格化的穩(wěn)性計(jì)算書(shū)。重量重心計(jì)算目的是校核載荷情況，檢查吃水是否符合拖航條件；需要校核重心高度，不得超過(guò)拖航時(shí)的允許值；調(diào)整縱、橫傾，便于拖航；按計(jì)算表進(jìn)行計(jì)算。

2.2 平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算的基本步驟

1)確定空平臺(tái)重量和重心并造表登記(平臺(tái)操作手冊(cè)中均可以查到)。

2)統(tǒng)計(jì)各液艙艙容，由艙容表找出它們的重量和重心(縱橫垂三心)，計(jì)入載荷。

3)統(tǒng)計(jì)全平臺(tái)固體可變載荷，將其重量和重心(縱橫垂三心)計(jì)入載荷。

4)合計(jì)上述三項(xiàng)，最后計(jì)算出鉆井平臺(tái)最后的排水量和重心位置，通過(guò)多次調(diào)整縱、橫傾，達(dá)到拖航要求，根據(jù)靜水力曲線圖確認(rèn)平臺(tái)體浮心、重心在合適的位置上。

2.3 平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

以某平臺(tái)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，沉墊式、自升式平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算應(yīng)都是一樣的。

1)按表1，空平臺(tái)數(shù)據(jù)已知。其中：三種力矩是由空平臺(tái)重量(kN)分別乘以三心距而得。

2)統(tǒng)計(jì)測(cè)量各液艙容(深度)，得出重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

3)統(tǒng)計(jì)測(cè)算平臺(tái)上各處固體可變載荷重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

4)按豎行分別算出重量合計(jì)、縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩合。

5)用縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩分別除以總重量，得出三心坐標(biāo)位置。

6)計(jì)算匯總得表2。

表1某平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算表(一)

平臺(tái)名： 穩(wěn)性計(jì)算書(shū) 制表人： 日期：

序號(hào)項(xiàng)目重量/kN縱向重心Xg/m力矩Mt/(kN·m)橫向重心Yg/m力矩Mh/(kN·m)垂向重心Zg/m力矩Mz/(kN·m)1空平臺(tái)26 086.716.007417 573-0.01-258.69.56249 296.12燃油46015.57 130-13.5-6 2101.096504.163淡水55028.87515 881.25-3.06-1 6830.926509.34人員及糧食100282 8005.25205備品及雜物300123 6005.21 5606海水艙88028.87525 4103.062 692.81.4181 247.847鉆具30014.54 3508.22 4608壓載艙1929.641.51 394.4610.759 993.631.341 134.169壓載艙24201.5630-10.75-4 5150.6253.5合計(jì)豎行相加30 026.34除法算出15.945豎行相加478 768.71除法算出0.000 7豎行相加19.83除法算出8.575+自由液面修正數(shù)豎行相加257 485.06

表2某平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算表(二)

平臺(tái)名： 穩(wěn)性計(jì)算書(shū) 制表人： 日期：

從匯總表得計(jì)算得序號(hào)內(nèi)容1每厘米縱傾力矩MCM=D·(Zb+BMl-Zg)/(100 L) (kN·m)/cm1排水量 D=?t <拖航允許排水量t2縱傾力矩 Mt=(Xg-Xb)·D kN·m2重心高 Zg=?m <許用重心高m3艏艉吃水差 △T=M/(100MCM) m3重心縱向位置 Xg=?m 舯前或后4艏吃水 TF=(L-Xf)·△T/L+T m4橫傾力矩 Mh=?kN·m 左或右傾5艉吃水 TA=-Xf·△T/L+T m從靜水力曲線得6序號(hào)內(nèi)容71平均吃水 T=?m < 許用吃水 m82浮心縱向位置 Xb=?m93漂心縱向位置 Xf=?m104縱穩(wěn)心半徑 BMl=?m115橫穩(wěn)心半徑 BM=?m126浮心高 Zb=?m137平臺(tái)水線長(zhǎng) L=?m14

注：“？”為未知數(shù)。

總排水量D(t)要小于拖航允許排水量。

重心高與滿載拖航重心高相比，要小于允許值。

重心縱向位置Xg/m的提示：用平臺(tái)長(zhǎng)的1/2減去縱向重心，得出用平臺(tái)舯為零點(diǎn)表示的數(shù)據(jù)。按總重量在靜水力曲線表中查浮心縱坐標(biāo)，與重心縱坐標(biāo)相比，重心縱坐標(biāo)在浮心縱坐標(biāo)之后，達(dá)到艉吃水要求，艏艉吃水差約0.3 m。

橫傾力矩Mh(kN·m) (左或右傾)最好達(dá)到重心橫坐標(biāo)為零(理想狀態(tài))，沒(méi)有初橫傾。

7)從靜水力曲線得：

平均吃水T,m<吃水允許值,m；

浮心縱向位置Xb,m；

漂心縱向位置Xf,m；

浮心高Zb,m；

8)最后計(jì)算得每厘米縱傾力矩：

Mcm=D·(Zb+BMl-Zg)/(100L)

(1)

式中：D——排水量，t；

Zb——浮心高度，m；

BMl——縱穩(wěn)心半徑，m；

Zg——計(jì)算重心高度，m；

L——平臺(tái)型長(zhǎng)，m；

縱傾力矩為

Mt=(Xg-Xb)·D

(2)

式中：Xg——計(jì)算重心縱向位置；

Xb——浮心縱向位置。

艏艉吃水差：△T=M/(100Mcm)

艏吃水：TF=(L-Xf)·△T/L+T

艉吃水：TA=-Xf·△T/L+T

3 平臺(tái)壓載計(jì)算方法及應(yīng)用

為了保證平臺(tái)升起狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定平衡，平臺(tái)升起到鉆井作業(yè)狀態(tài)前要進(jìn)行預(yù)壓載，保證在鉆井作業(yè)過(guò)程中樁腿入泥不會(huì)再有變化，即樁腿反力始終小于壓載時(shí)的樁腿反力。壓載計(jì)算結(jié)果應(yīng)與允許值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺(tái)的站立穩(wěn)性達(dá)到要求。

3.1 平臺(tái)壓載計(jì)算原理

與平臺(tái)拖航穩(wěn)性計(jì)算中的調(diào)載計(jì)算相同，壓載計(jì)算就是加壓載水載荷產(chǎn)生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態(tài)數(shù)據(jù)。壓載作業(yè)需要適當(dāng)?shù)剡x取每次的壓載艙和壓載艙的加液量。計(jì)算中適當(dāng)掌握壓載次數(shù)和每次加載后的觀察時(shí)間。

3.2 平臺(tái)壓載計(jì)算中需說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題

平臺(tái)壓載過(guò)程中，其壓載水量是根據(jù)平臺(tái)預(yù)期裝載的可變載荷總量、外力矩引起的樁腿垂直載荷并結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)條件確定的。預(yù)壓狀態(tài)的可變載荷總量不得小于允許最大可變載荷，以防止平臺(tái)作業(yè)、自存時(shí)刺穿底層或下陷傾斜。

平臺(tái)壓載前，應(yīng)向有關(guān)部門(mén)索取淺層地質(zhì)資料，見(jiàn)圖1。淺層地質(zhì)資料中給出單樁腿最大壓載量及其入泥深度，根據(jù)地層情況確定壓載次數(shù)的多少。為保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全和防止穿透蛋殼地層，確認(rèn)壓載量值不超過(guò)地層支撐力、樁腿結(jié)構(gòu)支持力和升降裝置支持力。

圖1 極限樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線

3.3 平臺(tái)壓載計(jì)算方法

壓載基本過(guò)程為初始預(yù)壓-單樁腿預(yù)壓-最后預(yù)壓。每一步壓載程序應(yīng)明確選取每次的壓載艙和壓載艙的加液量，并計(jì)算出樁腿反力見(jiàn)表3。

表3 樁腿反力計(jì)算

壓載計(jì)算結(jié)果滿足平臺(tái)操作手冊(cè)規(guī)定的允許平臺(tái)最大預(yù)壓載荷與各樁腿最大反力，壓載水載荷產(chǎn)生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿足平臺(tái)升起時(shí)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3.4 平臺(tái)壓載計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

平臺(tái)壓載計(jì)算應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表4。

表4 某平臺(tái)壓載計(jì)算表

從表4可見(jiàn)：壓載后的縱向重心與穩(wěn)性計(jì)算中的縱向重心比較相差不大。橫向重心在中心線上或接近中心線旁(表4中橫向重心坐標(biāo)接近為零，橫向力矩僅為4 kN·m。壓載后的平臺(tái)縱向重心和橫向重心變化不大。

4 結(jié)論

移動(dòng)式鉆井平臺(tái)在進(jìn)行拖航作業(yè)之前，要利用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算。平臺(tái)在升起狀態(tài)時(shí)應(yīng)維持穩(wěn)定平衡，保證鉆井作業(yè)過(guò)程中平臺(tái)樁腿入泥不會(huì)再有變化；平臺(tái)升起到鉆井作業(yè)狀態(tài)前應(yīng)按照步驟進(jìn)行壓載計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)與允許值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺(tái)的站立穩(wěn)性達(dá)到要求。

[1] 王富華，米中彪.船舶管理[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2008.