40自升式钻井平台桩腿加长实践

高德友，李洪涛，金学义

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 燕郊 101149;2.中国船级社天津分社，天津 300452)

40自升式钻井平台桩腿加长实践

高德友1，李洪涛2，金学义1

(1.中海油田服务股份有限公司，河北 燕郊 101149;2.中国船级社天津分社，天津 300452)

平台老龄化已成为中海油服钻井装备发展的瓶颈，船龄在30年以上的平台已占现有平台的30%～40%。如何充分发挥这些平台的作业能力，使其在原有设计的基础上，进行重新评估，改造提升其作业能力及适应范围，使其能完成典型区域的作业，已成为重要课题列入装备管理的日程中。本文主要介绍了一国产平台通过论证、计算并对桩腿进行加长，使其在满足作业环境工况及设计规范情况下，适应了作业任务。

屈服屈曲分析;风暴自存;有限元分析;五阶波理论;多普勒效应;载荷校核

0 引言

平台桩腿加长适应性设计改造属于海洋工程专业，项目的实施对渤海湾的油气开发具有跨时代的意义。由于目前开发形式的需要，部分区块的某些井位入泥较深(如LD21区块/QHD35区块)，而国内现有平台的设计入泥均不能满足要求。因此，提出对国产平台桩腿加长适应性设计、改造项目。项目的完工将填补部分区块，利用目前自升式平台无法勘探开发的空白。在项目的主要设计阶段查看了平台船体结构、平台桩腿结构、平台升降、冲桩系统等相关图纸;对平台的桩腿结构强度、工作稳性、漂浮稳性进行了计算;引用了平台安全评估的理论参数，对平台桩腿加长可行性设计进行了论证，认为平台桩腿可以加长2 m，此项目可以满足CCS关于平台建造的相关规范。

项目的主要内容包括项目的可行性研发设计和根据研发定论进行项目的具体实施。根据可行性设计结果及桩腿材料特性，制定桩腿加长位置的方案，论证各种方案的可行性，最终得出在底部加长为最佳方案;进行焊接工艺评定的试验、制定并通过CCS的验收并执行了改造安装工程，从而使研发项目转变为生产力。

1 改造思路

国产自升式钻井船根据作业海区的需求，准备对40自升式钻井平台桩腿底部接长2 m，以满足入泥深度要求和保持足够气隙。计算分析针对此次桩腿改造加长，按原设计环境条件，对平台在作业和风暴自存工况下的桩腿结构进行屈服及屈曲分析，从而确认桩腿加长的可行性。不但拓展了平台钻井作业适应范围，同时通过理论的计算及产业化的论证，成功的实践了一条崭新的平台改造思路。

国产40型自升式平台桩腿加长适应性设计改造，对该平台各种工作状态的强度、稳性进行可行性论证，以确定它是否满足特殊区块的作业要求，这本身就是一项创新。同时开创了平台改造，从单纯的提高设备性能到提高设备性能与平台拓展适应水域及入泥深度相结合的改造思路的先河。这不仅是技术的创新，同时又是平台管理及设备改造思路的创新。

2 计算模型

本次通过对国产40型自升式平台桩腿加长的可行性分析，建立有限元计算模型，包括平台几何结构的模拟和平台载荷条件的模拟，建立数据库成为平台永久的技术性档案。

2.1 建模及有限元分析

国产40型自升式钻井平台的结构分析采用工作应力方法，满足CCS MODU RULER［2005］。根据本次计算分析主要针对桩腿强度，建模中对桩腿采用圆管单元进行模拟，并计算实际桩腿内的纵向加筋对惯性矩的影响;船体结构采用刚性梁进行有限元建模，保证结构的合理性以及力传递的合理性;固桩结构采用刚性梁进行建模，采用PIN杆件来模拟上下环梁的插销，并对杆件末端力进行合理释放;采用CHC杆件模拟固桩区上下楔块，并对杆件末端力进行合理释放。建立有限元计算模型，包括平台几何结构的模拟和平台载荷条件的模拟，建立数据库成为平台永久的技术性档案。根据平台设计尺寸及结构图纸，输入相关信息建立平台原有有限元模型，并将所有平台的检测板厚数据输入并比对。加入外表载荷，通过软件自行计算分析。

2.2 计算程序

采用美国EDI公司的海工专用软件 SACS(version5.2)，针对海上固定、移动式结构物进行结构有限元分析，完成包括静力、动力以及疲劳分析在内的各种分析计算。

2.3 载荷要素及模拟

作用于平台上的外载荷主要包括固定载荷、可变载荷、环境载荷以及P－Delta力。固定载荷主要包括平台结构的自重和设备载荷。可变载荷主要涉及到各液舱的配载，平台钻井作业时相关载荷、甲板吊机载荷、其他生活供应设备等，模型中将此重量载荷作为节点力作用于固桩区甲板位置，保证此载荷由船体合理传递到桩腿。环境载荷主要为风、波浪和海流载荷。波浪载荷采用Morison公式计算波浪对构件产生的作用力，水质点的速度与加速度用Stokes五阶波理论计算。通过充分考虑渤海区域内的地质、海况及作业特点的相互影响，制定一套平台载荷模拟的计算方式，提高了工作效率。

国产40型自升式钻井船适应的工作条件为入泥+水深＜52 m。因此计算分析针对此次桩腿改造加长，按原设计环境条件，对平台在操作和风暴自存工况下的桩腿结构进行屈服及屈曲分析，从而确认平台桩腿结构是否满足强度要求，并就此提出可行性分析。

2 .3 .1 “渤海9号”自升式钻井船桩腿改造后参数

满载排水量:6 570 t

桩腿中心横向间距:27.4 m

桩腿中心纵向间距:34.8 m

桩腿总长(接长之后):80 m

桩腿分段(自底向上)主要特性见表1。

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1)钻井作业状态

平台结构及设备4 843.16 t;

大钩及立杆盒负荷450 t;

可变载荷1 500 t;

总计6 793.16 t。

2)风暴自存状态

平台结构及设备4 843.16 t;

大钩及立杆盒负荷0;

可变载荷1 000 t;

总计5 843.16 t。

2 .3 .2 固定载荷、可变载荷

固定载荷和可变载荷在模型中为节点力作用于固桩区甲板位置，保证这些载荷由船体合理地传递到桩腿。

2 .3 .3 环境载荷

杭州瑞年贸易有限公司技术研究员何金钢介绍：“多数蔬菜和瓜果类作物从前期生根到后期膨果阶段对钙的需求量非常高，甚至超过常见的大量元素。但因种植者钙肥施用方式不合理和方法不科学，导致钙肥吸收利用率一直上不去，甚至缺失，从而出现一些生理性病害。”

平台计算所使用坐标系原点位于平台中心线尾端，X轴向首为正，Y轴向左舷为正，角度定义为与X轴正向成的夹角。对于平台着底状态(作业和自存)，环境载荷作用方向分别取为 0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和180°共8 个角度。

1)风载荷

平台处于作业状态时，计算风速为36 m/s;平台为自存状态时，计算风速为51.5 m/s。作用于平台的风载荷按操船手册取得，见表2(水深25 m，风速10 m/s)。

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因风力和风力矩与风速的平方成正比，所以可由表2中的风力及力矩求得在36 m/s和51.5 m/s风速下的实际风力，此值在载荷组合时由载荷系数调整得到。本计算将风力平移到船体，将风力施加到桩腿固桩区甲板位置，因实际风压中心要高于船体，所以产生风力附加弯矩，模型中将此弯矩转化为向上和向下的力偶作用于固桩区甲板节点。

2)波浪载荷

采用Morison公式计算波浪对构件产生的作用力，水质点的速度与加速度用Stokes五阶波理论计算，

?

式中:ρ为海水密度，kg/m3;Cd为垂直于构件轴线的曳力系数，由试验确定，当实验资料不足时，对圆形构件，可以取Cd=0.6～1.0，本平台Cd取1;Cm为惯性力系数，由试验确定，当实验资料不足时，对圆形构件，可以取Cm=2.0，本平台可取Cm=2.0;D为圆形构件直径，m;u为垂直于构件轴线的水质点相对于构件的速度分量，为其绝对值，当海流与波浪联合作用于平台时，u为波浪水质点的速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量，计算中假设海流沿水深呈线性分布。

根据API RP 2A－WSD(“海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法”)规定，对温带风暴，波浪传递系数为0.95～1.0，本计算取1.0～5。

该规定中还指出，海流通过相邻构件时应考虑其堵塞系数，对大密度构件堵塞系数取0.70，对小密度构件堵塞系数取0.90。本计算堵塞系数取0.85。

本计算还考虑了海流对波浪周期的影响作用，即多普勒效应。

对每个方向入射的波浪，将多个波峰位置依次加到平台结构上以决定引起最大基底剪力和最大倾覆弯矩的波峰相位角。波流载荷由SACS程序自动搜索计算完成，如表3所示。

3)流载荷

流载荷的计算与波浪力计算的拖曳力相似。将流速加到波浪水质点速度上去，代入Morison方程中进行计算，其结果便是流力与波浪力的组合。

4)P－Delta力

由于在波、流以及风力的作用下，船体重心将产生横向位移，因此在重力作用下对结构产生2次弯矩，此过程是一迭代过程，往往计算到2次即可满足精度要求。此P－Delta效应可由程序自动计算完成。

5)载荷组合

作业、自存工况下取水深25 m，平台基线距水面8 m。在作业及自存条件下，载荷的基本工况如表4所示。

2.4 计算结果

通过对国产40型钻井平台的建模及不同工况下的载荷模拟计算分析，对该平台各种工作状态的强度、稳性进行论证，平台桩腿加长适应要求，满足规范要求。

3 结语

通过本课题的论证，开创了平台改造，从单纯的提高设备性能到提高设备性能与平台拓展适应水域及入泥深度相结合的改造思路的先河。这不仅是技术的创新，同时又是平台管理、设备改造思路的创新。

［1］中国船级社.海上移动平台建造与入级规范［M］.北京:人民交通出版社.

［2］AISC(美国钢结构协会规范).Allowable Stress Design 9th［S］.

［3］SACS version5.2［Z］.Engineering Dynamics，Inc.

［4］SNAME Technical Bulletin 5-5［Z］.A“Site Specific Assessment of Jack-Up”，2000.

Practice of lengthening jack up drilling rigs'legs

GAO De-you1，LI Hong-tao2，JIN Xue-yi1
(1.Chian Oilfield Service Limited Company，Yanjiao 101149，China;2.China Classification Society-Tianjin，Tianjin 300452，China)

The aging of the drilling rigs has become the choke point for the development of offshore drilling equipments.At present，the drilling rigs over 30 years account for 30% ～40%of the current drilling rigs in cosl.The issue of demonstrating their capabilities at the full capacity，finishing the operations in the typical fields through re-evaluation，upgrade to strengthen their abilities and applicable scope have already been regarded as outstanding subjects and been listed in the schedule of equipment management.This essay introduces the practice of lengthening the rig legs after precise proving and calculation，which enables the operations under the basis of meeting the operation environment and following the guidance of the design standard.

yield analysis;storm deposit;finite element analysis;stocks 5thorder wave theory;Doppler effect;loading evaluation

P752

A

1672－7649(2012)03－0130－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.030

2011－04－08;

2011－12－02

高德友(1972－)，男，工学学士，专业方向为海洋钻井平台设计。