自升式海洋石油平臺多功能轉(zhuǎn)換

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司， 天津 300450)

0 引 言

在海上石油工業(yè)的發(fā)展進程中，自升式海洋石油平臺一直發(fā)揮著重要的作用。一口油氣井的開采過程涉及多個階段，包括前期鉆探、導管架安裝、鉆開發(fā)井和完井、生產(chǎn)模塊安裝，以及后期的鉆調(diào)整井、修井作業(yè)等各種不同的作業(yè)類型[1]。在開展每項作業(yè)的過程中，需提供鉆完井、鉆完井工程輔助支持、生活支持，以及原油處理、儲存和外輸?shù)雀鞣N不同類型的服務(wù)。

在當前石油市場低迷的情況下，自升式海洋石油平臺能根據(jù)行業(yè)需求，快速實現(xiàn)平臺的多功能升級轉(zhuǎn)換，是保證其在競爭日益激烈的市場中獲得一席之地的重要法寶[2]。

1 平臺概況

1.1 平臺主要參數(shù)

某國內(nèi)自升式海洋石油平臺擁有懸臂梁縱移、鉆臺橫移和縱移等3個滑移系統(tǒng)，可保證不同作業(yè)工況下的滑移能力和場地需求。

平臺主要參數(shù)為：平臺型長L=54 m，平臺型寬B=49 m，平臺型深H=5.2 m，油田拖航滿載平均吃水3.49 m、輕載平均吃水3.40 m，遠洋拖航滿載平均吃水3.49 m、輕載平均吃水3.40 m。

1.2 平臺多功能轉(zhuǎn)換

該平臺可實現(xiàn)以下幾種作業(yè)工況(見圖1)。

(1) 鉆井狀態(tài)：平臺上有鉆臺及鉆井設(shè)備。

(2) 工程支持1狀態(tài)：平臺上有200人生活模塊及相應(yīng)設(shè)施，沒有鉆臺及鉆臺以上設(shè)備。此工況可提供生活支持，同時由于沒有安裝鉆臺，可保證提供足夠的場地支持。

(3) 工程支持2狀態(tài)：平臺上有200人生活模塊和鉆臺并存，并包含200人生活模塊的相應(yīng)設(shè)施。此工況可提供生活支持，但由于鉆臺的存在，限制了場地支持的能力。

(4) 工程支持3狀態(tài)：平臺上有10個住人集裝箱和鉆臺并存，并包含200人污水處理裝置。此工況可提供生活支持，且只要將住人集裝箱和污水處理裝置拆除吊裝后，即可滿足平臺鉆完井作業(yè)的需求。

(5) 電力外輸支持狀態(tài)：平臺上有200人生活模塊和臨時電站模塊共存。此工況可提供電力外輸支持。

圖1 各種作業(yè)支持狀態(tài)

2 平臺多功能轉(zhuǎn)換后的穩(wěn)性計算

在平臺完成多功能轉(zhuǎn)換后，需要對整個平臺的完整穩(wěn)性進行計算，驗證其能否滿足規(guī)范要求。以平臺在現(xiàn)存200人生活模塊基礎(chǔ)上加裝鉆臺后的穩(wěn)性計算為例，驗證其完整穩(wěn)性。

按中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范(2016)》(下文簡稱“規(guī)范”)計算平臺拖航狀態(tài)完整穩(wěn)性，用上海交通大學PANB穩(wěn)性計算程序進行校核。建立坐標系如圖2所示，原點位于平臺中心線尾端，x軸向艏為正，y軸向左舷為正。

圖2 坐標系示例

2.1 進水口坐標

對計入淡水艙和燃油艙的自由液面進行修正。根據(jù)有關(guān)圖紙，用程序?qū)ο鄬ξｋU的進水口進行計算比較。各個方向容易進水的通風頭進水口坐標如表1所示。

表1 進水口坐標

平臺拖航時,上述通風頭都有可能處于開啟狀態(tài),根據(jù)不同方向角,選取最危險的進水點進行進水角計算。

2.2 風載荷計算

在計算平臺風載荷時，平臺各構(gòu)件的受風面積及其形心位置以總布置圖為計算依據(jù)，并假定受風構(gòu)件正投影面積的形心即為風力作用中心[3]。

拖航狀態(tài)時假定3條樁腿完全升起，鉆井狀態(tài)時平均水深40 m，工程輔助支持狀態(tài)時平均水深35 m。樁腿由高73 m、直徑3.2 m的圓柱體樁腿(兩側(cè)各附有高0.4 m的齒條)和高1.65 m的正八面體樁靴組成；前后樁腿中心之間的縱向垂直間距為41.5 m，左右樁腿中心之間的橫向間距為37.5 m。

根據(jù)本平臺的環(huán)境條件要求，平臺的風載荷計算工況如表2所示。

表2 平臺風載荷計算工況及計算風速 m/s

對于拖航工況，從0°到180°每隔30°計算1次平臺所受的風載荷(分0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等7個方向)；對作業(yè)和自存工況，分別計算平臺橫向(Φ=90°或270°)、縱向(Φ=0°或180°)和斜向(Φ=65.4°或294.6°)受風時所受風載荷如圖3所示，與波浪入射方向相同。

圖3 風載荷受風圖

規(guī)范中風壓P和作用于構(gòu)件上的風力F計算式[4]分別為

P=0.613×V2

(1)

F=Ch×Cs×S×P

(2)

式(1)和式(2)中：V為設(shè)計風速， m/s；Ch為暴露在風中構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為暴露在風中構(gòu)件的形狀系數(shù)；S為受風構(gòu)件的正投影面積， m2。

由式(1)和式(2)得出F的具體計算式為

F=0.613×Ch×Cs×S×V2

(3)

M=F×Zs

(4)

式(3)和式(4)中：F為作用于構(gòu)件上的風載荷，N；M為作用于構(gòu)件上的風力矩，N· m；Zs在拖航狀態(tài)時為受風構(gòu)件形心距平臺一半吃水的垂直距離，m，在作業(yè)和風暴自存狀態(tài)時為受風面積形心距泥面以下3 m的垂直距離，m。

參照平臺風載荷計算書，遠洋拖航(滿載)的風載荷計算結(jié)果如表3所示。

表3 遠洋拖航(滿載)狀態(tài)風速為51.5 m/s的風載荷計算結(jié)果

2.3 拖航狀態(tài)質(zhì)量重心計算

根據(jù)原平臺操作手冊計算加裝鉆機的質(zhì)量、重心，對加裝鉆臺后平臺的滿載拖航質(zhì)量、重心進行重新核算，如表4所示。

表4 拖航狀態(tài)質(zhì)量重心計算結(jié)果

2.4 拖航狀態(tài)浮態(tài)計算

根據(jù)平臺排水量，查靜水力曲線圖的平均吃水、浮心縱向位置、浮心垂向位置、縱穩(wěn)心半徑及漂心縱向位置[5]。

(1) 每厘米縱傾力矩：

Mcm=D·ML/(100L)

(5)

式中：D為平臺排水量，t；ML=O+J-Q。其中：ML為縱穩(wěn)心高，m；O為浮心高度，m；J為縱穩(wěn)心半徑，m；Q為計算狀態(tài)的重心高度，m。

(2) 縱傾力矩：

M= (Xg-Xc)·D

(6)

式中：Xg為重心縱向位置(通過質(zhì)量重心計算表得到), m；Xc為浮心縱向位置(由靜水力曲線查得)， m。

(3) 橫傾力矩：

MT=(Yg-Yc)·D

(7)

式中：Yg為重心橫向位置(通過質(zhì)量重心計算表得到)，m；Yc為浮心橫向位置(由靜水力曲線查得)， m。

(4) 艏艉吃水差：

ΔT=M/(100Mcm)

(8)

艏吃水：

TF= (L-Xf)·ΔT/L+T

(9)

艉吃水：

TA= -Xf·ΔT/L+T

(10)

式中：Xf為漂心距艉， m；T為平均吃水， m。

注意：縱向是艉前為正，艉后為負；橫向是左舷為正，右舷為負；垂向是基線以上為正，基線以下為負；ΔT增加為+，減少為-。

對該平臺拖航狀態(tài)浮態(tài)進行計算，結(jié)果如表5所示。

表5 平臺拖航狀態(tài)浮態(tài)計算結(jié)果

2.5 穩(wěn)性計算結(jié)果匯總

根據(jù)以上計算結(jié)果，用上海交通大學PANB穩(wěn)性計算程序計算平臺完整穩(wěn)性結(jié)果如表6所示。

表6 拖航狀態(tài)的穩(wěn)性計算結(jié)果匯總

使用計算程序得出的穩(wěn)性計算結(jié)果表明，平臺在拖航狀態(tài)完整穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

圖4 平臺現(xiàn)場作業(yè)照片

3 現(xiàn)場應(yīng)用及建議

目前，上述作業(yè)工況已經(jīng)在現(xiàn)場得到應(yīng)用(見圖4)，但從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，還有可改進之處。根據(jù)平臺在多功能轉(zhuǎn)換實踐過程中的關(guān)鍵點提出建議如下：

(1) 平臺需要配備橫、縱滑移系統(tǒng)，保證在功能轉(zhuǎn)換過程中對作業(yè)場地的不同需求；

(2) 平臺需要預(yù)留好多功能轉(zhuǎn)換所需要的結(jié)構(gòu)固定、電源等接口，便于隨時拆卸安裝；

(3) 平臺在設(shè)計過程中需要充分考慮在不同作業(yè)工況下安全、環(huán)保設(shè)備設(shè)施的配備情況；

(4) 平臺須保證各種工況下的強度、穩(wěn)性安全要求；

(5) 平臺操船手冊須涵蓋所要經(jīng)歷的各種作業(yè)工況并得到CCS相關(guān)船檢部門的認可。

4 總 結(jié)

在當前國際油價低迷的形勢下，多功能平臺可以根據(jù)鉆完井、鉆完井工程支持、生活支持以及原油處理、儲存和外輸?shù)雀鞣N不同類型的服務(wù)需求進行快速功能轉(zhuǎn)換，以滿足海洋石油裝備發(fā)展的需求。

以某自升式平臺為例，對其多功能轉(zhuǎn)換的內(nèi)容以及穩(wěn)性計算進行了詳細描述，同時根據(jù)平臺在多功能轉(zhuǎn)換實踐過程中的關(guān)鍵點提出了相關(guān)建議，為海洋石油大型裝備的發(fā)展提供開拓性的思路與啟示，提供行業(yè)參考依據(jù)，適應(yīng)潮流發(fā)展需求。