自升式鉆井船用作固定采油平臺的強度分析

(中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原030051)

0 引 言

伴隨著2014年國際油價斷崖式下跌，石油公司紛紛減少勘探和鉆井需求以降低支出，維持油田運營成本。次年，全球石油勘探開發(fā)投資金額從2014年的5 710億美元降低至2015年的4 760億美元，降幅達16%，直接導(dǎo)致全球鉆井業(yè)務(wù)大幅減少[1]。油田技術(shù)服務(wù)公司出現(xiàn)人員過剩、作業(yè)設(shè)備大量閑置的現(xiàn)象。

已發(fā)現(xiàn)在中國渤海灣和北部灣海域待開采油田中存在一些儲量小、分布零散、經(jīng)濟回報效益差的邊際油田，常以簡易平臺結(jié)構(gòu)為依托進行開采。例如典型的“三一”模式的油氣田設(shè)施開發(fā)技術(shù)：1條海底管線+1條海底電纜+1座簡易平臺[2-4]。新建平臺存在投資周期長、一次性投入資金多等缺點。為了經(jīng)濟有效地開采邊際油田并利用閑置或租賃便宜的設(shè)施，將自升式鉆井平臺(見圖1)改造成為采儲平臺是一種可行的選擇。鉆井平臺具有以下特點：

圖1 自升式采儲平臺示例

(1) 可移動功能，可重復(fù)利用。將單個平臺的成本分散至多個邊際油田的開發(fā)中，減少每個海上邊際油田工程設(shè)施的投資成本。

(2) 綜合性，多功能。能集生產(chǎn)、儲油和外輸于一體，使其減少對周邊工程設(shè)施的依賴，解決小型邊際油田開發(fā)對周邊設(shè)施的依托飽和或無依托的困難。

(3) 自安裝能力。能實現(xiàn)自安裝，減小對大型施工機具的依賴，增加施工資源選擇的靈活性，降低施工費用，同時緩解施工機具超負荷給工程進度帶來的壓力。平臺的自安裝功能，還能有效減少工程設(shè)施的棄置費用。

本文將某鉆井平臺改造成為固定平臺，用于北部灣油田開采，對規(guī)范、功能、環(huán)境和平臺質(zhì)量等方面的變化進行對比，同時借助有限元軟件對結(jié)構(gòu)強度進行計算分析，給出加強方案和運營維護注意事項，對類似設(shè)施的改造評估方法進行總結(jié)，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

1.1 鉆井船簡介

中國北部灣海域存在很多分布零散、儲量偏小、采用常規(guī)固定平臺開發(fā)、投標回報欠佳的油氣田，如何對其進行經(jīng)濟有效的開發(fā)一直是工程設(shè)計者思考的問題。本文對目標鉆井船進行改造，給出強度校核方面的注意事項和結(jié)果，為方案的推行提供技術(shù)支持。

圖2 鉆井平臺示例

該鉆井船為三腿桁架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示：船體長寬高尺寸為65 m×54 m×6 m；樁腿間距為37 m×37 m，樁長為110 m；升降裝置爬升齒輪數(shù)為36個，屬機械式固樁器，含有生活樓、起重機、動力模塊和鉆機等配套系統(tǒng)。計劃將其用于中國北部灣海域，水深約34 m，電力依托周邊平臺，產(chǎn)液通過外輸海管送至鄰近平臺。同時，在艉部增加3口井(兩采一注)，尺寸為914 mm×25 mm，入泥50 m，船體甲板增設(shè)海水處理設(shè)施和注水設(shè)備。

考慮到利用外來鉆井船鉆修井，所以平臺自身的鉆機設(shè)施全部拆除，包括滑道梁、井架和泥漿罐等設(shè)備及管線。在保證結(jié)構(gòu)完整性的前提下，最大限度地拆除無用設(shè)施，以減輕平臺自身質(zhì)量。經(jīng)評估，改造后平臺的在位操作質(zhì)量約5 700 t，較鉆井船原設(shè)計質(zhì)量略輕，如表1所示。

表1 鉆井船改造前后質(zhì)量變化 t

1.2 規(guī)范變化

移動鉆井平臺改造為固定平臺后需長期固定于作業(yè)油田，改造后平臺的穩(wěn)性、強度需按照固定平臺有關(guān)規(guī)范[5]進行校核，其與移動鉆井平臺設(shè)計規(guī)范[6]最大的不同是對基礎(chǔ)承載力安全因數(shù)的要求，如表2所示。

表2 操作和極端工況下不同規(guī)范對不同校核內(nèi)容的要求

從表2可知，固定平臺規(guī)范要求更嚴格。主要原因在于固定平臺不能像移動平臺一樣進行年檢，而且在遇到極端氣候時也不能撤離。因此，規(guī)范要求固定平臺的安全裕度更大，保證在遭遇極端海況時，平臺不倒塌，不出現(xiàn)人員傷亡、環(huán)境污染等次生災(zāi)害。

1.3 環(huán)境變化

鉆井船原設(shè)計水深與目前依托開發(fā)的油田水深相近，但此海域百年一遇的流速較原設(shè)計流速增加約1倍，如表3所示?？紤]到改造后平臺艉部增設(shè)井口采油裝置，樁腿增加陽極和海生物等因素，鉆井平臺的在位環(huán)境荷載大幅提高，平臺在在位工況下的強度需重點關(guān)注。

表3 環(huán)境條件對比

圖3 SACS軟件搭建平臺模型

2 有限元計算

2.1 模型說明

SACS軟件基于二力桿系單元對鉆井平臺進行建模，完成整體性能分析以及樁腿桿件和節(jié)點強度計算[7]；為了模擬船體剛度，船身使用剛性單元模擬，但不參與強度校核，如圖3所示。

船身強度校核借助ANSYS軟件對板殼單元進行模擬；根據(jù)平臺特點，在建模中采用管單元、板殼單元、梁單元、質(zhì)量單元的適當組合。利用PIPE59管單元模擬樁腿結(jié)構(gòu)(波流荷載通過程序自動計算)；主船體甲板采用SHELL 63單元進行模擬；縱骨、縱桁、橫梁采用BEAM 188單元進行模擬；船體上的設(shè)備如甲板室、工程房、直升飛機平臺等沒有直接建模，使用MASS 21質(zhì)量單元進行凝聚模擬。如圖4所示。

圖4 ANSYS搭建的船體模型

2.2 荷載和邊界約束

按照設(shè)備布置總圖，對模型施加豎向載荷，由于鉆井平臺沿中軸線對稱，選取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等7個海洋環(huán)境荷載(風(fēng)、波、流)來向進行平臺強度校核。根據(jù)API規(guī)范要求，極端工況選取百年一遇的環(huán)境條件，桿件許用應(yīng)力可放大1.33倍。

對于鉆井平臺這種淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的約束模擬直接影響計算結(jié)果。考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土壤的非線性特性，依據(jù)ABS《建造和分級規(guī)則》——移動鉆井平臺2012版的第三部分《船體建造和設(shè)備》中的規(guī)定，土壤轉(zhuǎn)動剛度的最大值為

(1)

式中：Kmax為土壤轉(zhuǎn)動剛度的最大值，N·m/rad；E為樁腿材料的彈性模量， GPa，鋼材的E為200 GPa；I為樁腿的等效慣性矩，m4。

(2)

(3)

式中：As為樁腿的等效剪切面積，m2；L為樁腿的長度，即船體底部至樁腿嵌固點的距離，m。

(4)

式中：A為樁腿的等效軸向面積，m2；Fg為反映樁腿個數(shù)的參數(shù)，三腿平臺取1.125，四腿平臺取1.0；Y為反映樁腿間距離的參數(shù)，三腿平臺取一腿中心到另外兩腿中心連線的距離，四腿平臺取前后兩腿中心連線的距離。

由式(1)計算出的剛度值，可通過彈簧單元施加到基礎(chǔ)上，并且考慮彎矩釋放。在有限元模型計算中，船體與樁腿間的模擬單元也應(yīng)釋放彎矩，僅傳遞軸向荷載，以真實模型模擬實際齒輪咬合情況，模型的其他部位均按剛性連接考慮，用于分析計算。

2.3 SACS計算結(jié)果

計算得知，該平臺的第一階自振周期約為4.1 s，陣型如圖5所示，在極端工況下船體最大位移為85.82 cm。34 m水深的結(jié)構(gòu)物整體剛度偏柔，主要原因是主腿之間無水平橫撐連接，立面無斜撐傳力。樁腿水平撐桿、斜撐和齒條屈服強度為586 MPa，弦桿和弦桿貼板屈服強度為482.7 MPa，均為高強鋼。從圖6可以看出，船體下方的樁腿部位存在超應(yīng)力桿件，主要原因是在鉆井船改造為固定平臺后，考慮海生物、陽極等附件的影響，水平荷載較原設(shè)計值增加，桿件出現(xiàn)受彎破壞多。同時，依據(jù)API規(guī)范對管節(jié)點進行校核，幾乎全部節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)力無法滿足規(guī)范要求。

圖5 平臺第一階陣型

圖6 極端工況下樁腿應(yīng)力云圖

2.4 ANSYS計算結(jié)果

圖7～圖14為平臺von-Mises應(yīng)力分布圖，計算表明：在固樁區(qū)附近因存在局部應(yīng)力集中而出現(xiàn)最大應(yīng)力。樁腿最大應(yīng)力發(fā)生在樁腿與船體連接的部位，分析結(jié)果與SACS軟件計算結(jié)果趨勢一致，存在超應(yīng)力桿件，結(jié)構(gòu)需加強。縱桁和強橫梁骨材及扶強材大部分應(yīng)力均小于288 MPa，但水密性需進一步求證。

圖7 環(huán)境荷載0°下平臺的應(yīng)力云圖 圖8 環(huán)境荷載30°下平臺的應(yīng)力云圖

圖9 環(huán)境荷載60°下平臺的應(yīng)力云圖 圖10 環(huán)境荷載90°下平臺的應(yīng)力云圖

圖11 環(huán)境荷載120°下平臺的應(yīng)力云圖 圖12 環(huán)境荷載150°下平臺的應(yīng)力云圖

圖13 環(huán)境荷載180°下平臺的應(yīng)力云圖 圖14 樁腿局部應(yīng)力詳圖

通過評估，該平臺的樁腿存在超應(yīng)力桿件，若繼續(xù)使用，需采取加強措施。考慮到材質(zhì)均為高強鋼，焊接性能差，故在改造方案中替換板材組時，需工程人員對精度和焊接變形控制重點關(guān)注。

3 結(jié) 論

自升式鉆井船具有安裝、棄置方便和海上施工費用低等優(yōu)點。本文從閑置鉆井船改造為固定平臺的可行性著手，對規(guī)范、功能和使用環(huán)境條件的變化進行分析，重點對改造后平臺強度開展計算，給出評估結(jié)果。可得出以下結(jié)論：

(1) 固定平臺規(guī)范對承載力安全因數(shù)要求高，改造后的平臺經(jīng)受的環(huán)境條件更惡劣，加上沖刷對淺基礎(chǔ)承載力的折減，基礎(chǔ)可行性往往是控制因素。

(2) 對于開采期短、經(jīng)濟效益差的邊際油田，建議：降低環(huán)境條件重現(xiàn)期的選取標準，進而提高被改造物的經(jīng)濟性[8]；引入完整性管理思維，確保老舊設(shè)施運維安全。

(3) 鉆井平臺主腿間無水平撐、斜撐連接以傳遞荷載，致使結(jié)構(gòu)整體剛度較柔且冗余度低，在在位工況下晃動位移大，對設(shè)備操作、結(jié)構(gòu)安全和人員居住帶來不利影響，在改造設(shè)計中應(yīng)給予適當重視。

(4) SACS軟件完成平臺的整體性能評估，ANSYS軟件完成船體、固樁區(qū)板材局部強度校核，兩者的分析結(jié)果可互相印證、互為補充，更好地為設(shè)計者使用。