自升式钻井船用作固定采油平台的强度分析

(中北大学 理学院， 山西 太原030051)

0 引 言

伴随着2014年国际油价断崖式下跌，石油公司纷纷减少勘探和钻井需求以降低支出，维持油田运营成本。次年，全球石油勘探开发投资金额从2014年的5 710亿美元降低至2015年的4 760亿美元，降幅达16%，直接导致全球钻井业务大幅减少[1]。油田技术服务公司出现人员过剩、作业设备大量闲置的现象。

已发现在中国渤海湾和北部湾海域待开采油田中存在一些储量小、分布零散、经济回报效益差的边际油田，常以简易平台结构为依托进行开采。例如典型的“三一”模式的油气田设施开发技术：1条海底管线+1条海底电缆+1座简易平台[2-4]。新建平台存在投资周期长、一次性投入资金多等缺点。为了经济有效地开采边际油田并利用闲置或租赁便宜的设施，将自升式钻井平台(见图1)改造成为采储平台是一种可行的选择。钻井平台具有以下特点：

图1 自升式采储平台示例

(1) 可移动功能，可重复利用。将单个平台的成本分散至多个边际油田的开发中，减少每个海上边际油田工程设施的投资成本。

(2) 综合性，多功能。能集生产、储油和外输于一体，使其减少对周边工程设施的依赖，解决小型边际油田开发对周边设施的依托饱和或无依托的困难。

(3) 自安装能力。能实现自安装，减小对大型施工机具的依赖，增加施工资源选择的灵活性，降低施工费用，同时缓解施工机具超负荷给工程进度带来的压力。平台的自安装功能，还能有效减少工程设施的弃置费用。

本文将某钻井平台改造成为固定平台，用于北部湾油田开采，对规范、功能、环境和平台质量等方面的变化进行对比，同时借助有限元软件对结构强度进行计算分析，给出加强方案和运营维护注意事项，对类似设施的改造评估方法进行总结，具有一定的现实意义。

1 工程概况

1.1 钻井船简介

中国北部湾海域存在很多分布零散、储量偏小、采用常规固定平台开发、投标回报欠佳的油气田，如何对其进行经济有效的开发一直是工程设计者思考的问题。本文对目标钻井船进行改造，给出强度校核方面的注意事项和结果，为方案的推行提供技术支持。

图2 钻井平台示例

该钻井船为三腿桁架式结构，如图2所示：船体长宽高尺寸为65 m×54 m×6 m；桩腿间距为37 m×37 m，桩长为110 m；升降装置爬升齿轮数为36个，属机械式固桩器，含有生活楼、起重机、动力模块和钻机等配套系统。计划将其用于中国北部湾海域，水深约34 m，电力依托周边平台，产液通过外输海管送至邻近平台。同时，在艉部增加3口井(两采一注)，尺寸为914 mm×25 mm，入泥50 m，船体甲板增设海水处理设施和注水设备。

考虑到利用外来钻井船钻修井，所以平台自身的钻机设施全部拆除，包括滑道梁、井架和泥浆罐等设备及管线。在保证结构完整性的前提下，最大限度地拆除无用设施，以减轻平台自身质量。经评估，改造后平台的在位操作质量约5 700 t，较钻井船原设计质量略轻，如表1所示。

表1 钻井船改造前后质量变化 t

1.2 规范变化

移动钻井平台改造为固定平台后需长期固定于作业油田，改造后平台的稳性、强度需按照固定平台有关规范[5]进行校核，其与移动钻井平台设计规范[6]最大的不同是对基础承载力安全因数的要求，如表2所示。

表2 操作和极端工况下不同规范对不同校核内容的要求

从表2可知，固定平台规范要求更严格。主要原因在于固定平台不能像移动平台一样进行年检，而且在遇到极端气候时也不能撤离。因此，规范要求固定平台的安全裕度更大，保证在遭遇极端海况时，平台不倒塌，不出现人员伤亡、环境污染等次生灾害。

1.3 环境变化

钻井船原设计水深与目前依托开发的油田水深相近，但此海域百年一遇的流速较原设计流速增加约1倍，如表3所示。考虑到改造后平台艉部增设井口采油装置，桩腿增加阳极和海生物等因素，钻井平台的在位环境荷载大幅提高，平台在在位工况下的强度需重点关注。

表3 环境条件对比

图3 SACS软件搭建平台模型

2 有限元计算

2.1 模型说明

SACS软件基于二力杆系单元对钻井平台进行建模，完成整体性能分析以及桩腿杆件和节点强度计算[7]；为了模拟船体刚度，船身使用刚性单元模拟，但不参与强度校核，如图3所示。

船身强度校核借助ANSYS软件对板壳单元进行模拟；根据平台特点，在建模中采用管单元、板壳单元、梁单元、质量单元的适当组合。利用PIPE59管单元模拟桩腿结构(波流荷载通过程序自动计算)；主船体甲板采用SHELL 63单元进行模拟；纵骨、纵桁、横梁采用BEAM 188单元进行模拟；船体上的设备如甲板室、工程房、直升飞机平台等没有直接建模，使用MASS 21质量单元进行凝聚模拟。如图4所示。

图4 ANSYS搭建的船体模型

2.2 荷载和边界约束

按照设备布置总图，对模型施加竖向载荷，由于钻井平台沿中轴线对称，选取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等7个海洋环境荷载(风、波、流)来向进行平台强度校核。根据API规范要求，极端工况选取百年一遇的环境条件，杆件许用应力可放大1.33倍。

对于钻井平台这种浅基础结构，基础的约束模拟直接影响计算结果。考虑基础结构和土壤的非线性特性，依据ABS《建造和分级规则》——移动钻井平台2012版的第三部分《船体建造和设备》中的规定，土壤转动刚度的最大值为

(1)

式中：Kmax为土壤转动刚度的最大值，N·m/rad；E为桩腿材料的弹性模量， GPa，钢材的E为200 GPa；I为桩腿的等效惯性矩，m4。

(2)

(3)

式中：As为桩腿的等效剪切面积，m2；L为桩腿的长度，即船体底部至桩腿嵌固点的距离，m。

(4)

式中：A为桩腿的等效轴向面积，m2；Fg为反映桩腿个数的参数，三腿平台取1.125，四腿平台取1.0；Y为反映桩腿间距离的参数，三腿平台取一腿中心到另外两腿中心连线的距离，四腿平台取前后两腿中心连线的距离。

由式(1)计算出的刚度值，可通过弹簧单元施加到基础上，并且考虑弯矩释放。在有限元模型计算中，船体与桩腿间的模拟单元也应释放弯矩，仅传递轴向荷载，以真实模型模拟实际齿轮咬合情况，模型的其他部位均按刚性连接考虑，用于分析计算。

2.3 SACS计算结果

计算得知，该平台的第一阶自振周期约为4.1 s，阵型如图5所示，在极端工况下船体最大位移为85.82 cm。34 m水深的结构物整体刚度偏柔，主要原因是主腿之间无水平横撑连接，立面无斜撑传力。桩腿水平撑杆、斜撑和齿条屈服强度为586 MPa，弦杆和弦杆贴板屈服强度为482.7 MPa，均为高强钢。从图6可以看出，船体下方的桩腿部位存在超应力杆件，主要原因是在钻井船改造为固定平台后，考虑海生物、阳极等附件的影响，水平荷载较原设计值增加，杆件出现受弯破坏多。同时，依据API规范对管节点进行校核，几乎全部节点的构造应力无法满足规范要求。

图5 平台第一阶阵型

图6 极端工况下桩腿应力云图

2.4 ANSYS计算结果

图7～图14为平台von-Mises应力分布图，计算表明：在固桩区附近因存在局部应力集中而出现最大应力。桩腿最大应力发生在桩腿与船体连接的部位，分析结果与SACS软件计算结果趋势一致，存在超应力杆件，结构需加强。纵桁和强横梁骨材及扶强材大部分应力均小于288 MPa，但水密性需进一步求证。

图7 环境荷载0°下平台的应力云图 图8 环境荷载30°下平台的应力云图

图9 环境荷载60°下平台的应力云图 图10 环境荷载90°下平台的应力云图

图11 环境荷载120°下平台的应力云图 图12 环境荷载150°下平台的应力云图

图13 环境荷载180°下平台的应力云图 图14 桩腿局部应力详图

通过评估，该平台的桩腿存在超应力杆件，若继续使用，需采取加强措施。考虑到材质均为高强钢，焊接性能差，故在改造方案中替换板材组时，需工程人员对精度和焊接变形控制重点关注。

3 结 论

自升式钻井船具有安装、弃置方便和海上施工费用低等优点。本文从闲置钻井船改造为固定平台的可行性着手，对规范、功能和使用环境条件的变化进行分析，重点对改造后平台强度开展计算，给出评估结果。可得出以下结论：

(1) 固定平台规范对承载力安全因数要求高，改造后的平台经受的环境条件更恶劣，加上冲刷对浅基础承载力的折减，基础可行性往往是控制因素。

(2) 对于开采期短、经济效益差的边际油田，建议：降低环境条件重现期的选取标准，进而提高被改造物的经济性[8]；引入完整性管理思维，确保老旧设施运维安全。

(3) 钻井平台主腿间无水平撑、斜撑连接以传递荷载，致使结构整体刚度较柔且冗余度低，在在位工况下晃动位移大，对设备操作、结构安全和人员居住带来不利影响，在改造设计中应给予适当重视。

(4) SACS软件完成平台的整体性能评估，ANSYS软件完成船体、固桩区板材局部强度校核，两者的分析结果可互相印证、互为补充，更好地为设计者使用。