自升式鉆井平臺(tái)樁靴加大改造工藝

王小華

摘? ? 要：自升式鉆井平臺(tái)在淺海區(qū)的海洋石油開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于淺海油田海域地質(zhì)及海況復(fù)雜，為規(guī)避穿刺風(fēng)險(xiǎn)，自升式平臺(tái)大樁靴化是未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)，樁靴與樁腿組成的整體，是支撐平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的主要架式結(jié)構(gòu)，也是鉆井平臺(tái)重要組成構(gòu)件。本文介紹了自升式鉆井平臺(tái)“海洋石油941”的三個(gè)樁靴由直徑17.98m加大到23m的適應(yīng)性改造方案及工藝。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái);穿刺;大樁靴;適應(yīng)性改造

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Jack-up drilling platform has been widely used in offshore oil development in shallow sea area. However， due to the increasingly complex geology and sea conditions of shallow oil fields， jack-up platform with big spud cans is the main development trend in the future to avoid puncture risk. The integral combination of spud can and pile leg is the main frame structure supporting the superstructure of the platform as well as an important component of the drilling platform. This paper introduces the adaptive modification scheme and technology of three spud cans of the jack-up drilling platform "HYSY941" increasing from 17.98m to 23m in diameter.

Key words： Jack-up rig;? Puncture;? Big spud can;? Adaptive modification

“海洋石油941”是我國(guó)建造的第一艘JU2000-E型自升式鉆井平臺(tái)。按照船東要求對(duì)平臺(tái)樁靴進(jìn)行加大改造，將樁靴直徑由原有的17.98 m加大至23 m。并選取WC13-2WHPB井位十年一遇的環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。本文闡述該平臺(tái)改造工程中從設(shè)計(jì)分析到施工階段的主要流程及方案。

1? ? ?樁靴加大改造可行性分析

設(shè)計(jì)階段需對(duì)樁靴進(jìn)行改造后平臺(tái)在WC13-2 WHPB井位的作業(yè)適應(yīng)性、樁靴加大引起的平臺(tái)穩(wěn)性、樁腿強(qiáng)度及拖航阻力等問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.1? ? 樁靴改造對(duì)平臺(tái)的影響分析

（1）樁靴改造后重量重心計(jì)算。

根據(jù)業(yè)主提供的改造初步方案，將原有樁靴底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，板材及型材的材質(zhì)及規(guī)格保持不變，樁靴內(nèi)部的環(huán)向及徑向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行延伸;將以上新增結(jié)構(gòu)反映在有限元模型中并進(jìn)行重量重心計(jì)算。由于改造后樁靴重量增大，在預(yù)壓載時(shí)應(yīng)將升降裝置處的載荷較原設(shè)計(jì)減少相應(yīng)的壓載量，以保證原有的樁端壓載力不變。 初步樁靴改造方案，如圖1所示。

（2）樁靴改造后強(qiáng)度有限元計(jì)算

根據(jù)業(yè)主提供的改造規(guī)格書(shū)，對(duì)樁靴載荷模型進(jìn)行加載;按照船級(jí)社規(guī)范中適用的各種工況，對(duì)加大后的樁靴進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。其有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。

（3）樁靴改造后平臺(tái)穩(wěn)性分析

根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》2005第三篇，以及ABS《Rules for Building and Classing- Mobile Offshore Drilling Units》2001第三篇相關(guān)要求，按照原基本設(shè)計(jì)操船手冊(cè)中所列工況，對(duì)樁靴加大后實(shí)際下放位置進(jìn)行完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性計(jì)算：

① 油田拖航工況

樁腿長(zhǎng)度為167.03 m、樁靴底部位于基線(xiàn)以下3.5 m處;分為樁靴充水與樁靴置空兩種狀態(tài)。

② 遠(yuǎn)洋拖航工況

樁靴充水狀態(tài)，樁腿長(zhǎng)度為167.03 m、樁腿下放20 m、樁靴底部距離平臺(tái)基線(xiàn)以下20 m;樁靴置空狀態(tài)，樁腿長(zhǎng)度為130.45 m、樁靴底部位于基線(xiàn)下3.5 m處。

（4）平臺(tái)拖航阻力分析

加大樁靴后，由于樁靴不能再完全回收入平臺(tái)主體內(nèi)，隨著拖航速度的提高，剩余阻力增加尤為明顯，同時(shí)平臺(tái)摩擦阻力、波浪阻力也都有相應(yīng)的增加。因此，需要重新計(jì)算平臺(tái)拖航阻力，以確保平臺(tái)拖航作業(yè)安全。

根據(jù)船舶阻力理論，可將拖航阻力分成：摩擦阻力Rf、剩余阻力Rb、空氣阻力Ra、波浪附加阻力等成分。其中，靜水阻力又可分為摩擦阻力和剩余阻力。

根據(jù)CCS《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》，對(duì)平臺(tái)拖航拖帶力有如下要求：

① 在無(wú)限航區(qū)的環(huán)境條件下：在風(fēng)速為20 m/s（風(fēng)從船首或30°方向吹來(lái)）、船首水流速度為0.5 m/s、有義波高為5 m的條件下，拖帶力至少應(yīng)能保持被拖物的航向;

② 拖船在靜水中的拖航速度應(yīng)不小于4 kn。

根據(jù)CCS《海上拖航指南》，靜水中拖航被拖物總阻力：

RT =1.15 × （Rf +RB）

根據(jù)以上法規(guī)要求的拖航條件，對(duì)加大樁靴后的平臺(tái)分別按照上述兩個(gè)條件計(jì)算平臺(tái)的阻力;

③ 根據(jù)《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》，計(jì)算加大樁靴后平臺(tái)在靜水及無(wú)限航區(qū)中的拖航阻力。在靜水中，需保持平臺(tái)不低于4 kn的航速，平臺(tái)總阻力409.1 kN;在無(wú)限航區(qū)中，需保持平臺(tái)航向，零航速下平臺(tái)總阻力1577.3 kN。

（5）平臺(tái)拖航樁腿強(qiáng)度計(jì)算。

由于樁靴加大，不能像原設(shè)計(jì)那樣將樁靴完全回收至船體內(nèi)部，此時(shí)樁腿和鎖緊及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生變化，因此需將變化后的位置重新對(duì)樁腿強(qiáng)度進(jìn)行校核。改造前、后樁靴與船體之間的相對(duì)位置，如圖 3所示。

a）改造前

b）改造前

圖3? 樁靴改造前后收回狀態(tài)對(duì)比

根據(jù)基本設(shè)計(jì)，選取以下工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：

① 油田拖航工況

在固有周期下，單邊橫搖角度6°和單邊縱搖角度6°疊加，在響應(yīng)傾角時(shí)取重力彎矩120%;樁腿長(zhǎng)度為167 m。

② 油田拖航工況

在10 s周期下，單邊橫搖角度15°和單邊縱搖角度15°疊加，在響應(yīng)傾角時(shí)取重力彎矩120%;樁腿長(zhǎng)度為130 m。

本計(jì)算采用海工專(zhuān)用軟件SACS完成。由于在拖航過(guò)程中樁腿的強(qiáng)度為關(guān)注點(diǎn)，整個(gè)樁腿在SACS中利用3-D空間桁架結(jié)構(gòu)對(duì)3條樁腿同時(shí)進(jìn)行真實(shí)模擬;其他結(jié)構(gòu)為輔助載荷傳遞及剛度分配，不必進(jìn)行校核，如上下導(dǎo)向、固樁架拉筋、齒輪箱、鎖緊等。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出樁腿強(qiáng)度較原設(shè)計(jì)變化不大。由于導(dǎo)向與樁腿連接位置的變化，以及上導(dǎo)向以上樁腿長(zhǎng)度減少，平臺(tái)樁腿的強(qiáng)度較原設(shè)計(jì)更加安全。

1.2? 井位作業(yè)適應(yīng)性分析

參考SNAME 5-5A Guideline for Site Specific Assess-ment of Mobile Jack-Up Units 2.3.2中的描述，對(duì)于無(wú)人和可快速撤離并對(duì)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)足夠低的情況下，推薦使用10年一遇的環(huán)境條件進(jìn)行井位作業(yè)適應(yīng)性分析，平臺(tái)應(yīng)按照相關(guān)要求做到可快速撤離以及對(duì)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)足夠低。

對(duì)應(yīng)ISO 19905-1 Petroleum and natural gas industries — Site-specific assessment of mobile offshore units — Part 1： Jack-ups表5.5.1，在中低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，等級(jí)為L(zhǎng)2。

本計(jì)算中除環(huán)境條件的重現(xiàn)期按照SNAME 5-5A進(jìn)行選取外，其余計(jì)算和校核過(guò)程均根據(jù)ISO 19905-1完成。

平臺(tái)井位作業(yè)適應(yīng)性分析，主要要從平臺(tái)抗風(fēng)暴能力分析、插樁阻力及穿刺風(fēng)險(xiǎn)分析、拔樁阻力分析、沖樁系統(tǒng)改造計(jì)算分析等幾方面進(jìn)行計(jì)算;輸出結(jié)果形成報(bào)告，并送審船級(jí)社審圖中心進(jìn)行審核。

2? ? 樁靴加大改造施工工藝

2.1? ?樁靴分段預(yù)制

（1）材料準(zhǔn)備

平臺(tái)插樁時(shí)，樁靴是支撐整個(gè)平臺(tái)重量的載體，材料通常都采用AH36、DH36高強(qiáng)度板。根據(jù)退審圖統(tǒng)計(jì)出結(jié)構(gòu)物料清單，先在船廠倉(cāng)庫(kù)查找是否有滿(mǎn)足要求的庫(kù)存鋼板及焊接材料，如果沒(méi)有就要進(jìn)行采購(gòu)，同時(shí)準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)的船級(jí)社認(rèn)可的焊評(píng)（WPS）。

（2）樁靴建造

因?yàn)槿齻€(gè)樁靴是獨(dú)立分段，在場(chǎng)地允許條件下可以同步進(jìn)行制作以節(jié)約工期。但需要注意的是樁靴直徑達(dá)到23 m，預(yù)制場(chǎng)地的選擇要方便分段完成后的轉(zhuǎn)運(yùn)路線(xiàn)沒(méi)有障礙;同時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，保證裝配尺寸和質(zhì)量。樁靴建造圖，見(jiàn)4所示。

2.2? ?樁靴分段安裝

樁靴分段安裝采用吊運(yùn)能力為1 000 t的浮吊，將重達(dá)300 t的樁靴分段從碼頭吊裝至干船塢內(nèi)，然后采用漂浮定位方式拖拽到指定位置與平臺(tái)原樁靴進(jìn)行對(duì)接安裝。其施工流程為：

樁靴分段轉(zhuǎn)運(yùn)至碼頭指定位置→浮吊吊運(yùn)樁靴分段進(jìn)干船塢→塢內(nèi)放水致尾部?jī)蓚€(gè)樁靴漂浮→塢壁車(chē)拖拽樁靴至指定位置→船塢排水→布置高塢墩→船塢注水→平臺(tái)進(jìn)塢→船塢再次排水→原樁腿下降到位→三維調(diào)整車(chē)把加大樁靴分段頂升調(diào)整至對(duì)接位置→完成裝配焊接→塢內(nèi)再出注水→平臺(tái)出塢。

本吊裝工程主要難點(diǎn)在于：吊件重量大、海上風(fēng)浪對(duì)浮吊的影響、浮吊距離塢門(mén)近、潮水要求高、樁靴定位要求準(zhǔn)確并且要短時(shí)間依次完成三個(gè)樁靴的吊裝作業(yè);樁靴吊裝、船塢多次排放水、塢墩擺放、平臺(tái)進(jìn)塢等流程都必須精準(zhǔn)策劃到每一步，進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，從而提高安裝效率。

（1）樁靴脫胎轉(zhuǎn)運(yùn)

樁靴分段單個(gè)重約300 t，在轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上部設(shè)置兩個(gè)SWL=150 t的門(mén)架工裝，用三維調(diào)整車(chē)把分段從預(yù)制場(chǎng)地脫胎搬運(yùn)至平板車(chē)上，然后用平板車(chē)整體轉(zhuǎn)運(yùn)至碼頭浮吊吊運(yùn)半徑范圍以?xún)?nèi)，然后卸車(chē)用臨時(shí)支撐固定。

（2）樁靴吊運(yùn)進(jìn)干塢

樁靴吊運(yùn)前必須對(duì)吊運(yùn)鋼絲繩、卸扣等鎖具進(jìn)行檢查，保證證書(shū)齊全、吊耳探傷合格、轉(zhuǎn)運(yùn)路線(xiàn)合理、障礙物清場(chǎng);浮吊壓載穩(wěn)性分析、趴臂距離及仰角模擬等工作都要提前完成;浮吊距離干塢非常近，浮吊吊運(yùn)樁靴至塢門(mén)附近時(shí)必須尾部拋錨，以免潮水把浮吊推至塢門(mén)產(chǎn)生碰撞;一切準(zhǔn)備就緒，等潮水高度合適后浮吊三個(gè)加大的樁靴分段從碼頭依次吊運(yùn)至干塢指定位置，見(jiàn)圖5所示。

（3）樁靴漂浮定位

三個(gè)樁靴分段吊運(yùn)至干船塢后，為防止已經(jīng)到位的首部樁靴漂浮，需提前開(kāi)好幾個(gè)進(jìn)水孔;尾部?jī)蓚€(gè)樁靴分段，因?yàn)楦〉醯蹙嘤邢薏荒芤淮蔚踹\(yùn)到位，需二次移位到平臺(tái)進(jìn)塢后的樁腿實(shí)際位置，完成對(duì)接工程;本次移位沒(méi)有采用傳統(tǒng)的滑道滑移方式，因?yàn)榘惭b高度限制也沒(méi)有采用平板車(chē)拖運(yùn)的定位方式，而是另辟蹊徑在船塢內(nèi)放水，水位保持在3.5 m左右讓尾部?jī)蓚€(gè)樁靴正好能漂浮，兩個(gè)樁靴中間用計(jì)算好長(zhǎng)度的鋼絲繩連接，保持相對(duì)位置固定的狀態(tài)，采用塢壁車(chē)拖拽完成定位;標(biāo)記位置提前用4.5 m的鋼制高墩進(jìn)行限位并定位，樁靴分段拖拽到預(yù)定位置后干塢內(nèi)排干水，讓樁靴分段坐地。

（4）擺放高墩，平臺(tái)進(jìn)塢

塢內(nèi)排干水后，把尾部漂浮的兩個(gè)樁靴開(kāi)進(jìn)水孔，然后按照設(shè)計(jì)好的布墩?qǐng)D布置4.5 m高墩;為保證平臺(tái)進(jìn)塢后能坐在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，必須嚴(yán)格按照塢墩布置圖上進(jìn)行布置;塢墩擺放到位后，等潮水至2.5 m高位后打開(kāi)塢門(mén)，平臺(tái)進(jìn)塢。見(jiàn)圖6、圖7所示。

（5）塢內(nèi)樁靴合攏

塢內(nèi)排干水后，平臺(tái)把樁腿降至指定高度;原樁靴清潔后畫(huà)好裝配定位線(xiàn);分段焊接位置要提前除銹除漆;三維調(diào)整車(chē)把新樁靴分段頂升，并調(diào)整至劃線(xiàn)的裝配位置，進(jìn)行測(cè)量和裝配焊接;最后完成探傷和氣密試驗(yàn)。見(jiàn)圖8所示。

（6）平臺(tái)出塢

樁靴完成合攏焊接及局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的施工后，塢內(nèi)注水前把影響出塢的邊墩拆除;再對(duì)干塢內(nèi)注水，等平臺(tái)漂浮并達(dá)到2.5 m高位潮水后，平臺(tái)順利出塢，完成此次改造工程。

3? ? ?結(jié)束語(yǔ)

鉆井平臺(tái)樁靴加大升級(jí)改造項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)尚比較少見(jiàn)，本次改造成功的案例，給業(yè)主在今后對(duì)海況較復(fù)雜的井位開(kāi)采作業(yè)多了一個(gè)選擇。相比于新造一艘鉆井平臺(tái)，這類(lèi)改造不論是建造成本還是建造周期都有巨大的優(yōu)勢(shì)，相信在未來(lái)會(huì)有較好的市場(chǎng)前景。

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