海上自升式修井作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)探討

秦曉棟 李鳴夫 （中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，天津 300451）

隨著海洋勘探開發(fā)范圍的越來越大，其工作水深逐漸增加，這就給海上修井作業(yè)帶來了一定的困難，傳統(tǒng)的坐底式平臺已經(jīng)滿足不了海洋勘探開發(fā)修井作業(yè)的需求，自升式平臺便應(yīng)運(yùn)而生，它通過可升降裝置實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)，對海洋勘探開發(fā)事業(yè)的發(fā)展有著重要的貢獻(xiàn)。

1 海上自升式修井作業(yè)平臺的工作原理

1.1 電動(dòng)液壓升降裝置

要實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)就必須實(shí)現(xiàn)樁腿的升降，海上自升式修井作業(yè)平臺的工作原理是通過液壓缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)樁腿的升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)。液壓缸中活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)能夠帶動(dòng)橫梁的上下運(yùn)動(dòng)，通過鎖銷將橫梁和樁腿緊緊地鎖在一起，從而實(shí)現(xiàn)了樁腿的升降運(yùn)動(dòng)。其中，樁腿上設(shè)有銷孔，銷孔中插有銷子，同時(shí)裝腿上還設(shè)有齒塊，通過齒塊與銷子互相咬合，以此來帶動(dòng)樁腿的升降，依據(jù)此原理，在液壓缸活塞桿伸展與收縮的過程中，就能實(shí)現(xiàn)樁腿的上升與下降，實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)。

1.2 電動(dòng)齒輪條式升降裝置

電動(dòng)齒輪條式升降裝置的主要原理是利用電能帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪與平臺的樁腿的齒條互相咬合，從而實(shí)現(xiàn)樁腿的升降，這種方式升降效率高并且具有持續(xù)性的特點(diǎn)，但是其依賴于復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)，體積較大，對各種材料的要求比較嚴(yán)格，一般用于深水自升式平臺。

2 自升式平臺的構(gòu)成和型式選擇

2.1 自升式平臺結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

自升式平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要有：①樁腿：樁腿的主要作用就是完成平臺整體的升降，使之能夠上升到海面上，實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)；②平臺：平臺主要提供工作人員修井作業(yè)的工作場地和日常生活場地，并且在遷航的過程中提供穩(wěn)定的浮力，保證遷航的順利；③固樁結(jié)構(gòu)：顧名思義，固樁結(jié)構(gòu)就是將樁腿與平臺牢牢的固定在一起，形成一個(gè)整體，這樣平臺所承受的載荷就能通過樁腿傳達(dá)到海底地基上，固樁結(jié)構(gòu)主要包括固樁塊、固樁架等設(shè)備[1]。

2.2 平臺結(jié)構(gòu)型式的選擇

平臺型式的選擇主要有以下幾個(gè)依據(jù)：①根據(jù)工作水深進(jìn)行選擇：如若工作水深較深，應(yīng)選擇桁架式樁腿，如若水深較淺則要選擇殼體式樁腿；②根據(jù)海地土壤條件進(jìn)行選擇：根據(jù)海底土壤條件的松軟不同分別選擇插樁式樁腿或整體沉淀樁腿或樁靴式樁腿。樁腿數(shù)目的選擇也十分重要，這直接影響著平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，傳統(tǒng)的自升式平臺樁腿三個(gè)月目較多，6-14根不等，就目前來看，常用到的有三樁腿和四樁腿，三樁腿搭配三角形平臺，四樁腿搭配矩形平臺。

3 設(shè)計(jì)工況和設(shè)計(jì)載荷

3.1 作業(yè)工況

是指在正常情況下，平臺升至海面，進(jìn)行修井作業(yè)的工作狀態(tài)。其載荷有靜載荷和環(huán)境載荷兩種，靜載荷包括：平臺重量、供應(yīng)品、壓載、固定裝置、作業(yè)載荷等，其環(huán)境載荷包括最大風(fēng)、海流、海床支持力、波浪載荷等。

3.2 遷航工況

不抄過12小時(shí)的遷航為普通遷航，在風(fēng)暴中的遷航稱為風(fēng)暴遷航，在遷航過程中除了要考慮靜載荷和環(huán)境載荷之外，還要考慮平臺浮力，遷航中平臺因搖擺、漂移等產(chǎn)生的慣性，拉力和傾斜重力等因素，遷航對風(fēng)速也有一定的要求，一般來說，在風(fēng)速大于36m/s時(shí)進(jìn)行普通遷航，在風(fēng)速大于51.5m/s時(shí)進(jìn)行風(fēng)暴遷航。

3.3 升降工況

平臺的升降是實(shí)現(xiàn)海上修井作業(yè)的關(guān)鍵，平臺的上升分為4個(gè)步驟：①降樁：將樁腿降到海底地面上；②插樁：將樁腿插入海底土壤中，③預(yù)壓：進(jìn)行預(yù)壓措施，衡量插入情況；④升臺：將平臺升至海面上。根據(jù)平臺上升的步驟，我們可以得出，平臺下降的步驟有降臺、拔樁、升樁工況。自升式平臺的升降工況除了要考慮靜載荷和環(huán)境載荷之外還要考慮在平臺升降的過程中對樁腿產(chǎn)生的力。

3.4 自存工況

自存工況指的是在一些極端的自然環(huán)境條件下，平臺已不能正常作業(yè)，且威脅到平臺以及平臺工作人員的安全，可以選擇適當(dāng)減少可變載荷，拋棄非固定載荷，以保證平臺及其工作人員的安全，靜載荷中平臺重量、固定裝置、壓載重量是保證平臺運(yùn)行的基本載荷。

4 樁腿長度及升船高度的設(shè)計(jì)

4.1 樁腿長度的設(shè)計(jì)

樁腿的長度設(shè)計(jì)是海上自升式修井作業(yè)平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其樁腿的長度關(guān)系到平臺能否升至海面進(jìn)行正常作業(yè)，樁腿長度設(shè)計(jì)公式如下：

在以上樁腿長度設(shè)計(jì)公式中，L代表所要設(shè)計(jì)的樁腿長度。

h1代表樁腿入土深度，樁腿入土深度與海底土壤狀況、載荷、樁腿大小、整個(gè)自升式平臺的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)；h2代表最大工作水深；h3代表水面以上波峰高度；h4代表平臺底部到波峰的高度；h5代表平臺型深；h6代表固樁架的高度；h7為余量，根據(jù)樁腿結(jié)構(gòu)以及樁節(jié)距確定的富余高度。由此可見，以樁腿的長度要綜合多方面因素進(jìn)行考慮。

4.2 升臺高度的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行海上修井作業(yè)時(shí)，要保證作業(yè)正常，平臺應(yīng)上升一定高度，這個(gè)高度成為升臺高度，升臺高度應(yīng)充分考慮作業(yè)海域、季節(jié)以及海面狀況等自然因素，還應(yīng)考慮波峰以及波峰距平臺底部的高度。

5 結(jié)語

綜上所述，本文簡單研究了海上自升式修井作業(yè)平臺的一些概況，隨著海洋勘探開發(fā)規(guī)模的增大，海上自升式修井作業(yè)平臺的重要性也越來越大，如何在保障安全的基礎(chǔ)上，提升修井作業(yè)效率是今后海上自升式修井作業(yè)平臺的發(fā)展趨勢。

[1]潘斌，高捷.試論建立移動(dòng)式鉆井平臺法律體系的重要性[J].中國海洋平臺，2003（4）.

[2]孟昭瑛，任貴永.海上自升式平臺工作原理和基本特性[J].中國海洋平臺，1994，9（6）：167-170.