深淺水自升式平臺深水化技術研究

深淺水自升式平臺深水化技術研究

目前，世界上約有400個自改平臺，占所有海上鉆孔設備的40%以上。自升式平臺造價隨作業(yè)水深加大而急劇上升,目前世界上這種平臺作業(yè)水深最大的是168m,作業(yè)水深大于120m的自升式鉆井平臺只有20余座,我國自升式平臺17座,最大作業(yè)水深大于90m的僅有4座,且均為進口技術?，F(xiàn)有自升式平臺由浮體、樁腿、升降機械等構成,整個平臺設計為一個整體。受拖航穩(wěn)性、結構剛度等影響,這種模式之下繼續(xù)增加作業(yè)水深已經非常困難。為了逐步向深淺海邁進,研發(fā)經濟性好的深淺海自升式平臺,或充分利用現(xiàn)有淺海自升式平臺進行深水化改造,解決現(xiàn)有自升式平臺造價隨水深加大而急劇上升的問題,是一種有益嘗試。1考慮到1.1自升式平臺的一種新材料移動式平臺受拖航穩(wěn)性限制,平臺重心不能過高,具體到自升式平臺,也就是升降樁腿不能太長。這樣為了適應深淺海作業(yè),使用較長樁腿,只有加大平臺浮體主尺度以保證拖航穩(wěn)性,而且由于各樁腿分別獨立,各樁腿剛度和強度要求都很高,樁腿重量及占用的甲板作業(yè)面積很大,相應地需要加大升降能力,升降系統(tǒng)造價十分昂貴。同時,自升式平臺在深淺海作業(yè)時,由于支撐結構不能進行剛性連接,平臺受外力作用時上部位移較大,引起的偏心附加應力也影響平臺的安全性。美國發(fā)明了用于淺海20m以內淺海的層疊混凝土島式鉆井系統(tǒng)。這一系統(tǒng)由鉆井駁船、試油駁船以及若干塊混凝土增高墊所組成的,根據不同工作水深范圍選用不同組合的增高墊與之配合使用,以適應水深11～20m范圍內的工作需要。該技術不適于水深較大或水深變化較大的工況。筆者提出在自升式平臺下部加上較高的一個底座,實現(xiàn)有效提高自升式平臺的作業(yè)水深,并適于較大水深變化范圍。這個底座的剛性容易保證,材料性能要求不高,而造價不會急劇上升。但相應地也存在對接、調平等技術問題。1.2平臺下部分對接分體自升式平臺主要由自升主平臺、坐底支撐結構、對接引導裝置、壓載系統(tǒng)等構成。自升主平臺結構見圖1。綜合考慮平臺拖航、對接、就位、拆分等各項性能,將平臺分為均具有漂浮性能的兩大分體。作業(yè)時在海上自行上下對接成一座平臺。自升主平臺與常規(guī)自升式平臺基本相同,各升降樁腿頂部安裝導向輪,底部截面中心設有導向套;坐底支撐結構,下部為平臺下箱體,隔成數(shù)個壓載艙室,各壓載艙室均設有通?？?平臺下箱體上方設有與升降樁腿位置對應、數(shù)量相同的固定樁腿,各固定樁腿也分別設壓載艙,平臺下箱體、固定樁腿及多個桿件組焊為一個剛性整體;對接引導絞車安裝在自升主平臺上,配屬的引導索沿導向輪、導向套,穿過升降樁腿后固定在固定樁腿的頂部截面中心,通過收緊引導索,升降樁腿底端可以與固定樁腿頂端基本對準,此時對接處的錐度結構可使兩者精確對位;壓載系統(tǒng)的空壓機組安裝在自升主平臺上,配屬的壓載控制氣路與坐底支撐結構上所設各壓載艙分別相連,利用氣壓控制海水進出壓載艙,各壓載艙可分別控制,調整坐底支撐結構在尚未坐底時的平衡。坐底支撐結構由于結構重心低,加上固定樁腿的浮力作用,采用柱穩(wěn)式平臺成熟設計技術可以使其不僅具有漂浮穩(wěn)性,還具有沉浮穩(wěn)性,確保海上對位、拆分過程的平穩(wěn)、安全。自升主平臺通過升降樁腿支坐在坐底支撐結構的固定樁腿上,完全依靠自升主平臺重量來保持其豎向穩(wěn)定,對接完成后樁腿不承受拉力;橫向由對接處的錐度結構限位,通過局部加強滿足對接部位接觸應力和剪切應力要求。升降樁腿結構計算時在對接處簡化為鉸支。1.3平臺起浮拆分和降樁．平臺拖航時,自升主平臺、坐底支撐結構分開浮在水面上,用拖船拖航。平臺海上就位對接時,壓載系統(tǒng)控制各壓載艙進水,使坐底支撐結構沉至升降樁腿下端以下,同時對接引導裝置卷收引導索,使升降樁腿與固定樁腿對中相接(見圖2),然后降放升降樁腿,直至坐底支撐結構坐落于海底,此后按普通自升式平臺升船程序執(zhí)行,調整至作業(yè)狀態(tài);在海底存在輕度傾斜時,靠升降樁腿調節(jié)以保持自升主平臺的狀態(tài)。平臺鉆修作業(yè)與其它平臺沒有區(qū)別(見圖3)。平臺起浮拆分時,先將平臺上箱體降至水面,提升升降樁腿同時放松引導索,用拖船將自升主平臺移出坐底支撐結構的上方區(qū)域,利用壓載系統(tǒng)排出壓載艙內的水,使坐底支撐結構浮起。平臺近距離轉移井位時,可以不進行拆分,將坐底支撐結構提離海底并使其具備一定浮力后即可拖航。平臺在淺水區(qū)應用時,可以直接用自升式主平臺進行作業(yè)。2平臺設計、規(guī)劃、技術等技術研究1)上下兩大分體對接過程中,受力大小受海上浪流、坐底支撐結構質量、振搖頻率、引導索彈性等影響,決定對接系統(tǒng)的設計參數(shù),需要進行理論分析、試驗模擬研究,并可考慮在引導索與坐底支撐結構之間增加彈簧結構,吸收振搖力。2)海底不平會引起平臺坐底支撐結構傾斜,造成偏心力矩,是不安全因素。但上部平臺樁腿與固樁區(qū)存在一定間隙,允許各樁腿間有小范圍的“八字”,對接時不會引起對中錯位和過大內應力,加之各樁腿高度可自由調節(jié),平臺上箱體可以保持水平。當然,仍需要根據坐底支撐結構的主尺度及偏心限制等計算確定海底不平度上限。3)坐底支撐結構下沉入水和起浮出水過程中需要防止失穩(wěn),可以采取柱穩(wěn)式平臺設計技術。由于坐底支撐結構不象柱穩(wěn)式平臺上部帶有甲板及作業(yè)設備,重心較低,設計上相對容易保證沉浮穩(wěn)性,但支撐結構仍有高度限制?？梢钥紤]采用自升式主平臺上附帶的吊車或鉆井井架大鉤輔助下沉。4)設計、計算方法需要慎重研究。特別是平臺整體抗滑穩(wěn)定性、平臺對接與拆分作業(yè)過程受力、平臺對接處結構及受力等,以前沒有先例,應該采用理論計算和試驗結合的方法進行研究,技術可行后可以結合現(xiàn)有平臺深水化改造進行試驗。5)平臺整體壓載需要深化研究。作為組合式平臺,其整體重量中相當大部分是在水下,需要考慮平臺整體預壓載。6)作為新型平臺,需要探索規(guī)范的適應性問題,滿足平臺安全性要求。3坐底支撐設計技術1)采用分體結構,平臺升降樁腿長度成倍減小,降低了重心,大大提高了平臺漂浮穩(wěn)性,從而可以顯著減小平臺上浮體的尺度、重量,相應降低了平臺對其樁腿的剛度、強度的要求和對整套升降機械升降能力的要求,平臺所受環(huán)境載荷也隨之減少。2)兩大分體均具備自浮能力,就位時無需浮吊等輔助作業(yè),且平臺不會出現(xiàn)拔樁困難。其中坐底支撐結構可以利用柱穩(wěn)式平臺設計技術,保證平臺入水穩(wěn)性。3)坐底支撐結構不必受平臺升降功能限制,焊接為一個整體,比相互獨立的樁腿結構性好,不易發(fā)生變形及振動,充分發(fā)揮材料效能,不必使用昂貴的高強度鋼材。且平臺上部位移小,偏心附加應力小。4)坐底支撐結構可以對升降主平臺的樁腿進行精確限位,有利于降低普通自升式平臺固樁載荷,提高了平臺安全性。5)可以比較容易地突破目前自升式平臺作業(yè)水深的上限。6)對現(xiàn)有自升