某自升式沉墊型平臺抗滑移風險分析

周偉興，周 炳

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

某自升式沉墊型平臺抗滑移風險分析

周偉興，周 炳

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

隨著海上油田的進一步開發，海上鉆井平臺鉆探任務不斷加重，自升式平臺需要在不同油田的井位進行就位作業，為了保障就位作業的順利進行，需要進行自升式平臺在該井位的入泥深度及穩定性分析。在自升式平臺作業期間，可能會遭遇惡劣的海況，需要研究分析自升式平臺在某井位作業時發生側滑的可能性，并推算可承受的最大風速。通過建立某自升式平臺沉墊入泥深度模型和側滑移模型，根據 QHD32-6平臺場址工程地質調查，結合抗滑移軟件計算得出該自升式沉墊平臺裙板在該井場場址的入泥深度、穩定性和極限環境條件。

自升式平臺；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下的自升式平臺，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安全、正常作業的基本條件。抗滑移能力的分析是自升式平臺總體性能中不可缺少的重要作用部分，尤其是自升式平臺的所有樁腿的底部都連結在一個整體平底大沉墊上，抗滑移能力比較差，容易發生滑移［1］。本文以某沉墊型平臺在QHD32-6井位就位進行滑移能力分析。

1 自升式平臺抗滑移理論研究

1.1 自升式平臺沉墊入泥深度模型［2］

沉墊式基礎承載力計算一般應用Buisman-Terzaghi提供的計算公式，表示為：

但是式（1）尚未考慮到基礎的形狀，當考慮了基礎的形狀因素，式（1）則變為式（2）：

1.2 抗滑移阻力模型［3］

當平臺樁腳坐落于土層中，因其上部結構受到海流、風浪等作用可能發生橫向滑移。目前一般應用Terzaghi所給出的計算橫向土阻力的傳統理論方法進行分析，計算公式表示如下：

1.3 環境載荷模型

海洋石油結構物的主要特點之一是承受由海洋環境所帶給的載荷。這些作用在結構物上的外力可以分成作用力和反作用力。作用力是使結構物產生運動傾斜的力；反作用力是抵抗使設備運動傾斜的力。雖然海洋石油結構物在所有這些力作用下必須保持平衡，但是其內效應力及應變等卻直接關系著設備本身的強度。因此，要研究海洋石油結構物的強度計算問題，必須要首先正確解決海洋環境載荷的計算問題，本文圍繞著這一問題進行介紹，為后續的海洋石油結構物計算奠定理論基礎。海上結構物所承受的環境載荷主要有風壓力、波浪力、冰壓力、地震力及其反作用力等，此外在隨機海浪的作用下，還有其動力反應問題。

1）海風載荷

大風對海洋石油結構物的工作影響很大，風力隨著季節及地區的不同而有所區別。我國東南沿海夏季受臺風的威脅較大。北部沿海冬季受蒙古及西伯利亞寒流影響較大，風力最大可達12級，其風速是33m/s，風壓約為1060Pa。例如，1978年9月25日，我國南海二號半潛式鉆井平臺正在臺風中心附近，當時平均風速達50kn（約為25.7m/s），而最大風速達82kn（約為43.14m/s）。對于海洋石油結構物進行強度計算時，一般取風壓不得小于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構物的主要載荷形式，對深海海洋結構物的穩定性有著重大的影響，其情況很復雜，深海條件下常常伴有對流等情況發生。由于海流可近似看作一種穩定的平面流動，因此，海流力計算中海流與圓柱形結構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

指不同尺度結構物的波浪力計算。波浪力計算中常根據結構物的尺度與波長的比值分成小尺度波浪力計算和大尺度波浪力計算。當比值D/L≤0.2時，稱為小尺度物體（其中D是物體的特征長度，對于圓柱體D為直徑，L是波長）；當D/L＞0.2時，稱為大尺度物體，它必須考慮物體的自由表面效應和相對尺度效應，被合起來稱為繞射效應［4］。

1.4 抗滑移條件

按照API的規范《API RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms一Working Stress Design，（21st）》，淺基礎在破壞形式為滑動破壞的情況下，基礎應該具有1.5以上的安全系數。按照規范說明，根據現場情況，可以允許增加安全系數。

2 某自升式沉墊平臺基礎數據及抗滑移軟件介紹

2.1 某自升式沉墊平臺的基本數據

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

該自升式平臺沉墊的外形為大“A”字形，主尺度為51.816m×40.234m×3.353m，在站立作業時，沉墊支撐由四條樁腿傳遞下來的平臺的壓力。按照該自升式平臺操船手冊，能夠現場作業的設計值如表1所示。

表1 自立號現場作業設計值

2.2 某自升式平臺抗滑移軟件介紹

1）功能簡介

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

（2）數據錄入功能。針對當前選中的作業，能夠輸入平臺位置信息、環境參數、地質調查信息等，這些數據將用于后續計算。

（3）入泥深度計算功能。根據當前壓載量和地質參數，計算裙板尖入泥深度，并繪制入泥深度分析曲線。

（4）穩定性分析功能。根據入泥深度計算結果及艏向、載荷方位等，計算平臺的抗滑阻力、總載荷力、抗滑移系數等，進行抗傾覆能力校核。

2）技術特點

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、作業水深、地質參數等，查詢關鍵環境參量，錄入到軟件中，軟件完成入泥深度計算、抗滑移能力評估；基于軟件得出的關于某次就位方案的計算值及評估值，用戶可評估該就位方案的穩定性和合理性。

3 某自升式沉墊平臺在 QHD32-6區域就位抗側滑分析

3.1 QHD32-6海底土力學性質分析

在自升式沉墊平臺就位之前，由生產單位委托勘探服務單位對QHD32-6井位進行海洋工程地質調查。調查內容一般包括井位的土質分布狀況、各層土的工程地質性質等。經過在QHD32-6平臺場址、自升式沉墊平臺就位的位置進行調查研究，調查得到QHD32-6井對應平臺測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井位土質調查資料：土質調查位置坐標如表3所示；鉆孔柱狀圖，如圖1所示。表3和圖1均來QHD32-6井場工程地質勘查資料。

3.2 自升式平臺入泥深度計算

根據QHD32-6井場土質調查資料及海底土力學分析得到如表4所示QHD32-6井場自升式平臺設計參數。

表3 QHD32-6井場中心點坐標

圖1 QHD32-6井場鉆孔柱狀圖

表4 QHD32-6井鉆井船設計參數根據

QHD32-6平臺場址工程地質調查報告書提供的海底土特性參數，利用抗滑移軟件進行計算，經過計算處理得出該自升式平臺在該孔位的海底土承載力曲線以及入泥深度，如圖2所示。根據軟件計算得的裙板尖入泥深度為1.61m。

圖2 自立號鉆井船沉墊入泥深度分析

3.3自升式平臺側滑計算

根據入泥深度計算所得的裙板尖入泥深度以及環境載荷參數，計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1.05和和慣性力系數1.20下，計算得到總載荷力為2.96MN，其中風、浪、流載荷分別為：903 096.18N、1466 230.22N、590 538.75N。

自升式平臺由于傾斜，會增加側滑的趨勢。根據不同的傾斜角度，計算得到由于船體傾斜造成的側滑力：傾斜0°時為0MN；1°時為1.47MN；2°時為2.94MN；3°時為4.4MN。

結合風浪流荷載，在不同的船體傾斜角度，可以得到不同的抗滑移安全系數：傾斜0°時為4.1；傾斜1°時為2.7；傾斜2°時為2.1；傾斜3°時為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）》關于抗滑移安全系數大于1.5的要求。

對自升式平臺平臺進行抗傾覆校核，最終的傾覆校核結果為：恢復力矩為1 397MN·m，傾覆力矩93MN·m，抗傾覆安全系數15。

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

表5 極限環境條件

4 結論

1）根據QHD32-6平臺場址工程地質調查，該自升式平臺裙板在該井場場址的入泥深度為1.61m。

2）根據該海域海況條件，對該自升式平臺進行穩定性分析，結果顯示，該自升式平臺在QHD32-6海域傾覆風險小。

3）在 QHD32-6平臺場址，分別控制風、浪、流載荷中的兩者條件不變，計算第三者的極限條件，可以得到極限環境條件。

［1］ 孫東昌， 潘斌. 海洋自升式移動平臺設計與研究［M］.上海： 上海交通大學出版社， 2008.

［2］ 張其一. 自升式平臺樁基土體變形規律與破壞機理分析［J］. 中國海洋大學學報（自然科學版），2012，42（11）： 111-116.

［3］ 陳國舟， 周國慶. 考慮土拱效應的滑移面間豎向應力研究［J］. 中國礦業大學學報， 2014，43（3）： 374-379.

［4］ 李燕初， 蔡文理. 波浪變形的數學模型［J］. 臺灣海峽，1999，18（2）： 154-158.

IMO于2016年1月8日發布了IMDG規則的最新修訂、對油船安裝穩性儀的要求、對救生衣的新測試要求。

1）國際海運危險貨物規則（IMDG規則）37-14修正案。IMDG規則37-14修正案于2016年1月1日起其強制性要求生效。其中包括更新了有關放射性物質的要求，反映了國際原子能機構（IAEA）對放射性物質的最新（2012年）規定。有關“外包裝”和“救助”的新要求以及對各類獨立包裝要求的更新。

2）油船強制安裝穩性儀。MAARPOL附則I、散裝運輸危險化學品船舶構造和設備規則（BCH規則）、國際散裝運輸危險化學品船舶構造和設備規則（IBC規則）和國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則（IGC規則）修正案聯合強制要求油船和化學品運輸船安裝穩性儀，該強制性要求于2016年1月1日起正式生效。

3）救生設備規則測試。《國際救生設備規則》中有關救生設備測試的修正案。成人救生設備測試的要求有更新，兒童救生設備測試再添新規定，包括實現用人體模型代替真人實驗的可能性。

4）IGC規則的修訂。全面修訂并更新的《IGC規則》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，國家注冊安全工程師，研究方向：海洋石油安全管理。