BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置設計*

周瑞佳 曾 驥 麥松彥 袁 博 許裕冬

(1.上海海事大學 上海 201306 2.天津海運職業(yè)學院 天津 300350)

BT-4000半潛式平臺采用兩浮體、四立柱型式，配備DP3動力定位系統(tǒng)，最大作業(yè)水深200～2 400 m，最大鉆井/修井深度8 500 m，是集鉆井、修井和完井等功能為一體的新型深水半潛式平臺。該平臺在深海作業(yè)時，雖然有錨泊設備和動力定位系統(tǒng)控制平臺的大幅運動，但是在風、浪、流作用下平臺仍會發(fā)生橫搖、縱搖、垂蕩運動并產(chǎn)生一定的加速度。通過鉆桿與平臺相連的采油樹在下放過程中受平臺運動影響發(fā)生晃動，采油樹的晃動會加重鉆桿的負荷，在極端情況下甚至可能與平臺的其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，威脅設備及平臺本身的安全。現(xiàn)有的下放輔助裝置一般都設置在井架內(nèi)，只能在井架內(nèi)的個別位置上限制下放過程的晃動。但是，采油樹設備本身質(zhì)量大、尺寸大，在下放到月池區(qū)域后的搖擺幅度和加速度載荷遠比在井架內(nèi)大得多，現(xiàn)有的裝置無法在月池區(qū)起到輔助下放導向的功能,因此迫切需要一種設備或者結(jié)構(gòu)能夠為采油樹下放提供導向，確保采油樹的平穩(wěn)下放。

采油樹是生產(chǎn)流體的控制通道和監(jiān)測設備[1]，它的下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分，國內(nèi)外采油公司、科研院校對其下放過程中鉆桿受力和下放工藝研究較多[2-5]，但是目前還沒有專門設計下放導向裝置來輔助采油樹的下放。林秀娟 等[6]研究發(fā)現(xiàn)海水阻力系數(shù)、海面海流速度及作業(yè)水深對深水采油樹下放過程鉆柱強度均有較大的影響；王濤[7]采用故障樹分析法對深水采油樹下放安裝過程進行了風險分析，研究發(fā)現(xiàn)下放工具的可靠性對油管掛下放安裝的影響較大。本文針對BT-4000半潛式平臺設計了一套采油樹下放導向裝置，可以在月池區(qū)域內(nèi)限制采油樹下放過程中的搖晃，并通過有限元計算驗證了該導向裝置可以在一定風、浪、流等環(huán)境條件綜合作用下滿足采油樹下放導向的強度需要。本文設計的采油樹下放導向裝置在國內(nèi)外船舶與海洋工程領域尚屬首次。

1 采油樹下放導向裝置設計

BT-4000半潛式平臺井架布置在鉆臺甲板層，分別在井架內(nèi)船體基線以上50.5 m和41.0 m處各設置了一個導向機械臂(圖1)，在井架內(nèi)限制鉆桿在水平方向上的位移。本文設計的采油樹下放導向裝置布置在月池區(qū)的上層鉆臺和下層右舷臺車上，當采油樹下放到月池空間時，限制其在水平方向上的搖晃，并伴隨下放過程導向，如圖2所示。

圖1 BT-4000半潛式平臺井架內(nèi)導向機械臂示意圖Fig.1 Schematic diagram for guide robot arm in derrick of semi-submersible platform BT-4000

圖2 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

本文設計的采油樹下放導向裝置是一種完全可拆導向結(jié)構(gòu)，在采油樹下放時通過簡單裝配組成采油樹下放導向裝置，通過2種特殊的采油樹導向臂(一種能夠適應不同尺寸的采油樹，另一種能夠適應不同尺寸的鉆桿)搭配長度可調(diào)的連接臂能夠滿足多種采油樹下放導向的需要。通過導向臂將采油樹與下放導向裝置相連，再將下部基座結(jié)構(gòu)通過4個定位插銷安裝在月池區(qū)下層右舷臺車上，上部基座結(jié)構(gòu)則通過專門設計的定位銷塊組件安裝在月池區(qū)上層鉆臺上，從而實現(xiàn)將采油樹通過本裝置連接到平臺上，起到限制采油樹下放過程中晃動的目的。該裝置適用于在一定加速度載荷下，自重不超過120 t，外形尺寸不超過7 m×7 m×13 m的采油樹作下放導向使用。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

采油樹下放導向裝置由下部基座(6.8 m×2.5 m)、上部基座(1.7 m×6.1 m)、滑移軌道(0.7 m×12 m)、導向臂滑移基座、連接臂、采油樹導向臂和鉆桿導向臂等7個部分組成，如圖3所示。整個裝置大多用鋼板、工字鋼和方鋼管制成，各部件之間通過螺栓、螺母連接，整套裝置用鋼量在7t左右，材料主要選用AH36鋼，借助月池雜用絞車和載人工作籃，可以方便地在月池區(qū)實施組裝。

圖3 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

1.2 作業(yè)原理

BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向流程如圖4所示。當準備進行采油樹下放作業(yè)時，首先將上、下部基座分別安裝在月池區(qū)上層鉆臺和下層右舷臺車上；隨后通過對應位置上的螺栓孔將滑移軌道與上、下部基座裝配在一起；最后在滑移軌道上安裝好導向臂滑移基座，連接鋼絲繩，即完成裝置的裝配準備，如圖5所示。

圖4 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向流程圖Fig.4 Flow chart of the Christmas tree transferring of semi-submersible platform BT-4000

圖5 BT-4000半潛式平臺裝置裝配準備完成狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the ready condition for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

完成采油樹下放導向裝置裝配之后，采油樹從月池開口逐漸下放，通過裝置連接到鉆井平臺上，實現(xiàn)限制采油樹下放過程中的搖擺。本文設計了專用的采油樹導向臂(圖6)，通過插銷連接到采油樹設備上，尾部選配合適長度的連接臂，整體插入到導向臂滑移基座中，最終完成裝配。利用裝置和平臺整體強度限制采油樹的搖晃，并沿滑移軌道結(jié)構(gòu)下放，使得采油樹平穩(wěn)下放到月池下部空間，下放導向過程如圖7所示。

圖6 BT-4000半潛式平臺采油樹導向臂與采油樹連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between Christmas tree guiding arm and Christmas tree of semi-submersible platform BT-4000

除此以外，還設計了專用的鉆桿導向臂，當采油樹通過月池開口后，拆下采油樹導向臂替換成鉆桿導向臂，將鉆桿導向臂的一段“環(huán)抱”住連接采油樹頂端的鉆桿(圖8)，將鉆桿與半潛平臺形成連接，實現(xiàn)采油樹持續(xù)下放過程中的鉆桿導向。

圖7 半潛式平臺BT-4000采油樹下放過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the Christmas tree transferring process of semi-submersible platform BT-4000

圖8 BT-4000半潛式平臺鉆桿導向臂與鉆桿連接示意圖Fig.8 Schematic diagram of the connection between drill pipe and drill pipe arm of semi-submersible platform BT-4000

2 采油樹下放導向裝置強度分析

本文設計的采油樹下放導向裝置主體結(jié)構(gòu)選用AH36高強度鋼，部分型材選用Q345B低碳合金鋼，裝置需要承受采油樹自重(120 t)和下放過程中因平臺搖晃產(chǎn)生的慣性載荷。本文選用有限元計算軟件SESAM/GeniE對采油樹下放導向裝置進行結(jié)構(gòu)強度分析。

2.1 有限元模型

采油樹下放導向裝置有2種形式的導向臂，一種是采油樹導向臂，另一種是鉆桿導向臂。這2種形式的導向臂都需要進行強度校核，所有的結(jié)構(gòu)均用板單元建模[8]，有限元模型如圖9、10所示。模型的坐標系與平臺的坐標一致，X軸正向指向平臺艏部，Y軸正向指向平臺左舷，Z軸正向指向平臺垂向。

圖9 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置有限元模型Fig.9 FE model for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

圖10 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置模型板厚示意圖Fig.10 Schematic diagram of plate thickness for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

2.2 作業(yè)工況

采油樹在下放過程中相對于導向裝置的位置在變化，導向臂約束采油樹本體的位置分為5個工況，分別為采油樹重心距離水線26.60、24.30、21.78、18.72和15.93 m處，如圖11所示。對于邊界條件，上部基座由定位銷塊組件固定在鉆臺設備滑移軌道上，下部基座用螺栓固定在右舷臺車的定位插銷上，在有限元模型中用簡支來模擬上述固定約束。

圖11 BT-4000半潛式平臺采油樹下放導向裝置作業(yè)位置工況示意圖Fig.11 Schematic diagram of working location for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

2.3 所受載荷分析

采油樹下放時，受到BT-4000半潛式平臺在風、浪、流作用下船體加速度的影響，由于采油樹本身重量產(chǎn)生的慣性載荷作用在導向裝置上，需要選擇合適的下放周期[9]。半潛平臺BT-4000最大作業(yè)水深2 400 m，根據(jù)設計手冊中給出的鉆臺低甲板處的最大加速度，結(jié)合采油樹下放過程中其重心相對于水線的位置，計算出采油樹的慣性加速度，而導向裝置只約束采油樹的橫向和縱向移動，垂向加速度不予考慮。由于船體的對稱性，只考慮波浪90°、45°和0°的加速度，具體數(shù)值見表1。

表1 BT-4000半潛式平臺下放導向裝置所受環(huán)境載荷Table 1 Environment load for Christmas tree transferring and guiding device of semi-submersible platform BT-4000

除此以外，采油樹下放導向裝置還受到以下載荷作用：安裝在下部基座尾部的絞車自重(8.624 kN)、裝置本身的自重以及絞車最大的工作載荷(29.4 kN)。采油樹導向臂和鉆桿導向臂計算時對應3個浪向5個位置的載荷，如表2所示。需要注意的是，每種導向臂都需要計算15種工況，2種導向臂共需計算30種工況。

表2 BT-4000半潛式平臺采油樹導向臂和鉆桿導向臂對應工況下的載荷值Table 2 Load value for every guiding arm in corresponding condition of semi-submersible platform BT-4000

2.4 強度分析

根據(jù)ABS MODU 2014對材料許用應力的要求，在綜合工況下材料的安全系數(shù)應取1.1，因此，AH36鋼屈服應力為355 MPa，許用應力為320 MPa；Q345B鋼屈服應力為345 MPa，許用應力是為311 MPa[10]。通過有限元計算分析得出，導向裝置在2種導向臂作業(yè)下，結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求，最大應力皆是發(fā)生在浪向0°工況1作用下，其中安裝采油樹導向臂最大應力309.0 MPa，安裝鉆桿導向臂最大應力308.9 MPa，均是材料許用應力的97%(表3、4)，可見整個采油樹下放導向裝置的強度滿足ABS MODU 2014結(jié)構(gòu)強度的要求。由于篇幅所限，本文只給出了2種導向臂下最大應力工況的應力分布云圖，如圖12所示。

從上述有限元分析結(jié)果可見，采油樹下放導向裝置無論是裝配采油樹導向臂或是鉆桿導向臂，最危險的工況都是發(fā)生在工況1，即導向臂在水線以上26.6 m處連接采油樹的情況。當浪向角為0°，即風浪從平行于平臺首尾方向影響平臺時，慣性載荷最大，此時載荷的作用方向正好垂直于導向臂的長度方向，作用力通過滑移軌道傳遞到上部基座上，上部基座與鉆臺連接處的應力最大。因此，在實際操作過程中，平臺作業(yè)人員若在該工況下操作下放導向裝置應特別注意，可以待沿月池繼續(xù)下放一定高度后，再連接采油樹下放導向裝置，確保裝置的使用安全。

表3 BT-4000半潛式平臺采油樹導向裝置應力計算結(jié)果Table 3 Result of stress calculation for Christmas tree guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

表4 BT-4000半潛式平臺鉆桿導向裝置應力計算結(jié)果Table 4 Result of stress calculation for drill pipe guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

圖12 BT-4000半潛式平臺采油樹導向臂和鉆桿導向臂浪浪向0°工況1應力分布云圖Fig.12 Stress chart in condition 1 wave angle 0°with Christmas tree guiding arm and drill pipe guiding arm of semi-submersible platform BT-4000

3 結(jié)論

1) 針對BT-4000半潛式平臺設計了一套用于輔助采油樹下放導向的專用裝置，最大能夠適用于自重120 t、外形尺寸7 m×7 m×13 m的采油樹下放導向使用。經(jīng)過有限元強度計算，該導向裝置能滿足ABS MODU 2014對結(jié)構(gòu)強度的要求，解決采油樹通過月池區(qū)域時的搖擺問題。

2) 該采油樹下放導向裝置能夠替代高成本的導向設備，整個裝置重量在7 t左右，與采購設備相比制造成本可降低80%。通過設計多種不同長度的連接臂、在同一方向上間隔一定距離開設多組螺栓孔以及采油樹導向臂的可滑動調(diào)節(jié)寬度設計等，增強采油樹下放導向裝置的適用性，在海洋工程油氣開采裝備領域有廣泛的推廣應用價值。

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