自升式鉆井平臺懸臂梁接長改造工程實踐

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(中國船級社 海洋工程技術中心， 天津 300457)

0 引 言

隨著國內渤海灣邊際油田開發需求的不斷增長，調整井、生產井的鉆修井業務量也快速上漲，自升式鉆井平臺因操作靈活、作業方便、成本較低等優點而得到廣泛應用[1-2]。渤海灣最大作業水深一般約40 m，作業者出于成本考慮，一般租用尺度較小的自升式鉆井平臺，作業水深能力不超過250英尺(1英尺=0.304 8 m)，懸臂梁覆蓋范圍能力不超過50英尺±15英尺[3]。但實際鉆修井工程往往需覆蓋多個井口，受導管架與自升式平臺間的相對尺度影響，目前作業平臺的懸臂梁覆蓋范圍不能滿足上述需求。為滿足渤海灣現有鉆機資源和勘探開發的需要，確保鉆機資源利用效率最大化，油田作業者提出將現有自升式鉆井平臺進行改造，將懸臂梁接長，以滿足作業覆蓋范圍增大的需求。

1 目標平臺基本參數及改造要求

作業者擬對其擁有的某自升式鉆井平臺進行改造，該平臺體為三角形，具有3個三角形桁架式樁腿，每個樁腿弦桿具有1套鎖緊裝置和2套升降裝置，且可通過上下導向結構導向通過，目標平臺具體參數見表1[4]。

表1 目標平臺基本參數

作業者根據實際作業需求提出將目標平臺懸臂梁進行接長改造，接長后懸臂梁最大伸長距離為60英尺±12英尺，且在最遠伸長時鉆臺負荷能力為150 t，平臺其他性能指標維持不變。

2 平臺結構強度及相關技術路線

根據對國內外自升式鉆井平臺懸臂梁的充分調研和方案論證，最終采用的方案為在懸臂梁首部加裝兩個可拆卸的外接加長段，使用時靠銷子和螺栓固定在懸臂梁前端，不用時拆卸下來進行存放，如圖1所示。

圖1 懸臂梁接長改造示例

2.1 平臺結構強度計算

2.1.1 懸臂梁接長后整體強度與剛度

對原懸臂梁加長段進行設計，并對原懸臂梁進行加強，主要對懸臂梁腹板進行加高和局部補強，建立接長后懸臂梁的有限元模型，如圖2所示。分別對懸臂梁外伸40英尺、50英尺、60英尺和相應橫移12英尺的工況進行計算。圖3為懸臂梁外伸60英尺、橫移12英尺計算工況的相當應力云圖。計算結果表明，除個別應力集中點外，懸臂梁結構的屈服強度、屈曲強度均滿足CCS規范要求[5]，且最大垂向變形為130 mm。

圖2 接長后懸臂梁有限元模型 圖3 von Mises應力云圖

2.1.2 平臺體尾部支撐座及鎖緊底座局部強度

當懸臂梁外伸后，其主要依靠平臺尾部支撐座和首部鎖緊座承擔懸臂梁質量，尾部支撐座受向下壓力，首部鎖緊座受向上拉力。當懸臂梁接長后，其整個質量增大，且重心外移，首尾基座受力明顯增大，需對尾部支撐座和首部鎖緊座進行加強，以承受增加的載荷。建立加強后的首、尾基座有限元模型，如圖4和圖5所示。

圖4 尾部支撐座模型 圖5 首部鎖緊座模型

按最危險工況，即外伸60英尺、橫移12英尺的工況對上述結構進行強度校核計算，應力云圖如圖6和圖7所示。計算結果表明，除個別應力集中點外，平臺體尾部支撐座和鎖緊底座結構的屈服強度、屈曲強度均滿足CCS規范要求。

圖6 尾部支撐座應力云圖 圖7 首部鎖緊座應力云圖

2.1.3 連接銷孔及銷子的強度計算

兩個外接加長段依靠銷子與原懸臂梁連接，是懸臂梁外伸時受力最大的關鍵結構，需對連接銷子和銷孔的強度進行分析校核。連接銷子及銷孔的示例如圖8和圖9所示。

圖8 銷子結構圖 圖9 銷孔模型圖

圖10 銷孔應力云圖

對銷子的剪切強度和擠壓強度進行手工校核，計算結果的最大應力比(實際應力與許用應力的比值)為0.79，滿足相關規范要求。對圖9的銷孔進行有限元分析，計算結果的相當應力云圖如圖10所示。計算結果表明銷孔的強度也滿足CCS規范要求。

2.1.4 懸臂梁滑移裝置及滑移底座強度

接長改造后，懸臂梁(包括鉆臺)質量預估增加約100 t，造成懸臂梁滑移裝置的外推力增加，通過計算得單側油缸的最大推力至少為420 t。目前原有滑移裝置的最大推力不能滿足改造后的需求，需更換能力更大的懸臂梁滑移裝置。推力增加后，需對原滑移裝置底座進行加強，并進行強度分析，建立有限元模型如圖11所示，計算后的應力云圖如圖12所示。計算結果表明，加強后的滑移裝置底座強度滿足CCS規范要求。

圖11 滑移裝置底座模型圖 圖12 滑移裝置底座應力云圖

2.1.5 改造工程對平臺整體性能的影響

整個懸臂梁接長改造工程質量增加預估為100 t，原平臺整體作業質量為10 418 t(包括可變載荷)，改造工程質量占總質量的0.96%，對原平臺質量、重心影響很小，可認為平臺原拖航穩性、站立狀態的抗風暴能力、作業能力和升降系統能力的各項性能指標維持不變。

2.2 主要技術路線

根據上述研究內容，制定的技術路線如圖13所示。

圖13 技術路線

3 改造工程實施及后作業檢驗

此懸臂梁接長改造工程前期經過充分的研究和論證，形成相關技術圖紙資料，并報送CCS，得到CCS海工審圖中心的批準。項目改造工程于2013年底在國內某船廠施工，工期為3個月。在施工過程中攻克懸臂梁移出和回裝、銷子插拔機構設計和制作、滑移裝置的改造和升級、懸臂梁稱重、懸臂梁滑移方案、懸臂梁負荷試驗等技術難點，嚴格把控施工工藝和施工質量，最終按期圓滿完成所有改造工程，并順利完成懸臂梁負荷試驗，通過外觀、測量、探傷等檢驗。圖14為懸臂梁接長段的現場預制和接長，圖15為懸臂梁碼頭負荷試驗。

圖14 懸臂梁接長段的現場預制和接長

圖15 懸臂梁碼頭負荷試驗

目標平臺在完成懸臂梁接長改造工程后立即赴渤海灣某一井位進行生產井鉆井作業，其間整個改造接長后的懸臂梁進行外伸作業，且經作業者對懸臂梁進行全程嚴密監測顯示其使用狀態良好，平臺在安全作業2個月后遷移至另一作業井位，目前整個平臺安全作業情況良好。

4 結 語

自升式鉆井平臺懸臂梁改造工程的成功應用為作業者帶來巨大的經濟收益。然而，懸臂梁的接長改造對平臺質量、平臺整體性能、懸臂梁強度、滑移裝置和鎖緊底座等局部結構強度均產生影響。由此可見，海洋工程裝備的相關改造往往牽一發而動全身，改造前應充分論證、認真研究，確保各方面萬無一失后才可開始設計施工。