(中海油能源發(fā)展股份有限公司 監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津 300452)

在海洋石油勘探開發(fā)中鉆井平臺的拖航、就位和升降平臺作業(yè)過程中存在著重大風(fēng)險源，鉆井平臺的穩(wěn)性與壓載計算是識別海上風(fēng)險源的重大專項技術(shù)之一。油田拖航與遠(yuǎn)距離拖航都要控制和保持鉆井平臺的穩(wěn)性。掌握鉆井平臺穩(wěn)性與壓載計算方法可降低和消除平臺拖航、就位和升降作業(yè)過程中的重大事故的發(fā)生。國家相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，穩(wěn)性壓載人員應(yīng)當(dāng)接受穩(wěn)性與壓載技術(shù)培訓(xùn)，并取得合格證書；穩(wěn)性計算結(jié)果要由平臺檢驗部門審核認(rèn)可，然后由其簽發(fā)適拖確認(rèn)書，方可降平臺拖航。因此，研究并掌握鉆井平臺穩(wěn)性與壓載計算方法具有重要的意義和實際應(yīng)用價值。

1 鉆井平臺拖航穩(wěn)性的相關(guān)條件

鉆井平臺穩(wěn)性是指平臺受傾斜力矩作用離開其平衡位置而傾斜，當(dāng)傾斜力矩消除后能自行恢復(fù)原平衡位置的性能，包括平臺拖航時的漂浮穩(wěn)性和升起狀態(tài)的站立穩(wěn)性。鉆井平臺拖航穩(wěn)性條件要求，保持鉆井平臺的水密性、檢查控制鉆井平臺的重心高度。影響鉆井平臺拖航穩(wěn)性的不利因素如下。

1)新增設(shè)備增重。重量增加以后干舷會減小，還可能引起不必要的縱傾或橫傾。

2)環(huán)境載荷增重。附著的冰雪。

3)其它增重。海生物或樁靴上部表面沉積的泥土。

4)甲板貨物移動。拖航中，平臺體顛簸搖擺或海浪沖擊可能導(dǎo)致甲板固定的貨物移動。

5)液艙未滿，自由液面系數(shù)大，會降低鉆井平臺穩(wěn)性。

2 平臺拖航穩(wěn)性計算

鉆井平臺飄浮(拖航)狀態(tài)的穩(wěn)性計算，主要是平臺體重量大小和重心位置的計算，將計算結(jié)果與允許值進(jìn)行對比，驗證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺的拖航穩(wěn)性達(dá)到要求。

2.1 平臺拖航穩(wěn)性計算中幾個要說明的問題

計算需要用到的資料包括：平臺體布置總圖、艙室布置圖、靜水力參數(shù)圖表及規(guī)格化的穩(wěn)性計算書。重量重心計算目的是校核載荷情況，檢查吃水是否符合拖航條件；需要校核重心高度，不得超過拖航時的允許值；調(diào)整縱、橫傾，便于拖航；按計算表進(jìn)行計算。

2.2 平臺拖航穩(wěn)性計算的基本步驟

1)確定空平臺重量和重心并造表登記(平臺操作手冊中均可以查到)。

2)統(tǒng)計各液艙艙容，由艙容表找出它們的重量和重心(縱橫垂三心)，計入載荷。

3)統(tǒng)計全平臺固體可變載荷，將其重量和重心(縱橫垂三心)計入載荷。

4)合計上述三項，最后計算出鉆井平臺最后的排水量和重心位置，通過多次調(diào)整縱、橫傾，達(dá)到拖航要求，根據(jù)靜水力曲線圖確認(rèn)平臺體浮心、重心在合適的位置上。

2.3 平臺拖航穩(wěn)性計算應(yīng)用實例

以某平臺實例進(jìn)行計算，沉墊式、自升式平臺拖航穩(wěn)性計算應(yīng)都是一樣的。

1)按表1，空平臺數(shù)據(jù)已知。其中：三種力矩是由空平臺重量(kN)分別乘以三心距而得。

2)統(tǒng)計測量各液艙容(深度)，得出重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

3)統(tǒng)計測算平臺上各處固體可變載荷重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

4)按豎行分別算出重量合計、縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩合。

5)用縱向力矩、橫向力矩及垂向力矩分別除以總重量，得出三心坐標(biāo)位置。

6)計算匯總得表2。

表1某平臺拖航穩(wěn)性計算表(一)

平臺名： 穩(wěn)性計算書 制表人： 日期：

序號項目重量/kN縱向重心Xg/m力矩Mt/(kN·m)橫向重心Yg/m力矩Mh/(kN·m)垂向重心Zg/m力矩Mz/(kN·m)1空平臺26 086.716.007417 573-0.01-258.69.56249 296.12燃油46015.57 130-13.5-6 2101.096504.163淡水55028.87515 881.25-3.06-1 6830.926509.34人員及糧食100282 8005.25205備品及雜物300123 6005.21 5606海水艙88028.87525 4103.062 692.81.4181 247.847鉆具30014.54 3508.22 4608壓載艙1929.641.51 394.4610.759 993.631.341 134.169壓載艙24201.5630-10.75-4 5150.6253.5合計豎行相加30 026.34除法算出15.945豎行相加478 768.71除法算出0.000 7豎行相加19.83除法算出8.575+自由液面修正數(shù)豎行相加257 485.06

表2某平臺拖航穩(wěn)性計算表(二)

平臺名： 穩(wěn)性計算書 制表人： 日期：

從匯總表得計算得序號內(nèi)容1每厘米縱傾力矩MCM=D·(Zb+BMl-Zg)/(100 L) (kN·m)/cm1排水量 D=?t <拖航允許排水量t2縱傾力矩 Mt=(Xg-Xb)·D kN·m2重心高 Zg=?m <許用重心高m3艏艉吃水差 △T=M/(100MCM) m3重心縱向位置 Xg=?m 舯前或后4艏吃水 TF=(L-Xf)·△T/L+T m4橫傾力矩 Mh=?kN·m 左或右傾5艉吃水 TA=-Xf·△T/L+T m從靜水力曲線得6序號內(nèi)容71平均吃水 T=?m < 許用吃水 m82浮心縱向位置 Xb=?m93漂心縱向位置 Xf=?m104縱穩(wěn)心半徑 BMl=?m115橫穩(wěn)心半徑 BM=?m126浮心高 Zb=?m137平臺水線長 L=?m14

注：“？”為未知數(shù)。

總排水量D(t)要小于拖航允許排水量。

重心高與滿載拖航重心高相比，要小于允許值。

重心縱向位置Xg/m的提示：用平臺長的1/2減去縱向重心，得出用平臺舯為零點表示的數(shù)據(jù)。按總重量在靜水力曲線表中查浮心縱坐標(biāo)，與重心縱坐標(biāo)相比，重心縱坐標(biāo)在浮心縱坐標(biāo)之后，達(dá)到艉吃水要求，艏艉吃水差約0.3 m。

橫傾力矩Mh(kN·m) (左或右傾)最好達(dá)到重心橫坐標(biāo)為零(理想狀態(tài))，沒有初橫傾。

7)從靜水力曲線得：

平均吃水T,m<吃水允許值,m；

浮心縱向位置Xb,m；

漂心縱向位置Xf,m；

浮心高Zb,m；

8)最后計算得每厘米縱傾力矩：

Mcm=D·(Zb+BMl-Zg)/(100L)

(1)

式中：D——排水量，t；

Zb——浮心高度，m；

BMl——縱穩(wěn)心半徑，m；

Zg——計算重心高度，m；

L——平臺型長，m；

縱傾力矩為

Mt=(Xg-Xb)·D

(2)

式中：Xg——計算重心縱向位置；

Xb——浮心縱向位置。

艏艉吃水差：△T=M/(100Mcm)

艏吃水：TF=(L-Xf)·△T/L+T

艉吃水：TA=-Xf·△T/L+T

3 平臺壓載計算方法及應(yīng)用

為了保證平臺升起狀態(tài)時的穩(wěn)定平衡，平臺升起到鉆井作業(yè)狀態(tài)前要進(jìn)行預(yù)壓載，保證在鉆井作業(yè)過程中樁腿入泥不會再有變化，即樁腿反力始終小于壓載時的樁腿反力。壓載計算結(jié)果應(yīng)與允許值進(jìn)行對比，驗證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺的站立穩(wěn)性達(dá)到要求。

3.1 平臺壓載計算原理

與平臺拖航穩(wěn)性計算中的調(diào)載計算相同，壓載計算就是加壓載水載荷產(chǎn)生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態(tài)數(shù)據(jù)。壓載作業(yè)需要適當(dāng)?shù)剡x取每次的壓載艙和壓載艙的加液量。計算中適當(dāng)掌握壓載次數(shù)和每次加載后的觀察時間。

3.2 平臺壓載計算中需說明的幾個問題

平臺壓載過程中，其壓載水量是根據(jù)平臺預(yù)期裝載的可變載荷總量、外力矩引起的樁腿垂直載荷并結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)條件確定的。預(yù)壓狀態(tài)的可變載荷總量不得小于允許最大可變載荷，以防止平臺作業(yè)、自存時刺穿底層或下陷傾斜。

平臺壓載前，應(yīng)向有關(guān)部門索取淺層地質(zhì)資料，見圖1。淺層地質(zhì)資料中給出單樁腿最大壓載量及其入泥深度，根據(jù)地層情況確定壓載次數(shù)的多少。為保證平臺結(jié)構(gòu)安全和防止穿透蛋殼地層，確認(rèn)壓載量值不超過地層支撐力、樁腿結(jié)構(gòu)支持力和升降裝置支持力。

圖1 極限樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線

3.3 平臺壓載計算方法

壓載基本過程為初始預(yù)壓-單樁腿預(yù)壓-最后預(yù)壓。每一步壓載程序應(yīng)明確選取每次的壓載艙和壓載艙的加液量，并計算出樁腿反力見表3。

表3 樁腿反力計算

壓載計算結(jié)果滿足平臺操作手冊規(guī)定的允許平臺最大預(yù)壓載荷與各樁腿最大反力，壓載水載荷產(chǎn)生的縱向重心和橫向重心保持不變或接近漂浮狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿足平臺升起時的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3.4 平臺壓載計算應(yīng)用實例

平臺壓載計算應(yīng)用實例見表4。

表4 某平臺壓載計算表

從表4可見：壓載后的縱向重心與穩(wěn)性計算中的縱向重心比較相差不大。橫向重心在中心線上或接近中心線旁(表4中橫向重心坐標(biāo)接近為零，橫向力矩僅為4 kN·m。壓載后的平臺縱向重心和橫向重心變化不大。

4 結(jié)論

移動式鉆井平臺在進(jìn)行拖航作業(yè)之前，要利用適當(dāng)?shù)姆椒▽ζ脚_進(jìn)行穩(wěn)性計算。平臺在升起狀態(tài)時應(yīng)維持穩(wěn)定平衡，保證鉆井作業(yè)過程中平臺樁腿入泥不會再有變化；平臺升起到鉆井作業(yè)狀態(tài)前應(yīng)按照步驟進(jìn)行壓載計算，其計算結(jié)果應(yīng)與允許值進(jìn)行對比，驗證其在允許值內(nèi)，從而保證鉆井平臺的站立穩(wěn)性達(dá)到要求。

[1] 王富華，米中彪.船舶管理[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2008.