蔡元浪，黃曙光，楊俊，楊亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

自升式鉆井平臺(tái)用于生產(chǎn)采油平臺(tái)的整體性能研究

蔡元浪，黃曙光，楊俊，楊亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

邊際油田產(chǎn)量不確定，如果使用常規(guī)的生產(chǎn)采油平臺(tái)開采，投資大且風(fēng)險(xiǎn)高。移動(dòng)式平臺(tái)具有可以移動(dòng)特點(diǎn)，如果對(duì)其加以改造，用于生產(chǎn)采油平臺(tái)將不受油田產(chǎn)量限制，如果產(chǎn)量少可以移動(dòng)到另外一個(gè)井口，這將降低投資風(fēng)險(xiǎn)。該文按照固定平臺(tái)及移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范，就鉆井平臺(tái)用于生產(chǎn)采油平臺(tái)的整體性能進(jìn)行研究，分析其可行性，為開發(fā)邊際油田提供一條可行的思路。

邊際油田；生產(chǎn)采油平臺(tái)；自升式鉆井平臺(tái)；動(dòng)力放大效應(yīng)；P-data效應(yīng)

0 引言

海洋石油開采以高風(fēng)險(xiǎn)、高科技和高投入著稱，隨著石油價(jià)格高漲，邊際油田的開發(fā)逐漸受到油公司的青睞，但邊際油田因?yàn)楫a(chǎn)出油氣少，開采周期具有很大的不確定性，如果按照常規(guī)的開采模式，如建造固定采油平臺(tái)，因其不可移動(dòng)性，前期投入很大，可能收不回開發(fā)成本，如果采油裝置能夠在開采完一個(gè)井口移到另外一個(gè)井口，將會(huì)大大降低投資風(fēng)險(xiǎn)。自升式鉆井平臺(tái)具有可移動(dòng)的特點(diǎn)，但因作業(yè)特點(diǎn)不同，還需要研究鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)的可行性。目前國(guó)外已有實(shí)例，如在印尼海域作業(yè)的Maleo Producer鉆井平臺(tái), 已于2006年正式投產(chǎn)，但國(guó)內(nèi)還未有此模式作業(yè)的鉆井平臺(tái)，所以有必要進(jìn)行相關(guān)研究。

1 鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)關(guān)注重點(diǎn)

生產(chǎn)平臺(tái)用于海上油氣的開采，一般由生產(chǎn)處理模塊、導(dǎo)管架和樁組成，在海上安裝后固定在一個(gè)地方作業(yè)十幾年乃至幾十年；自升式鉆井平臺(tái)用于海上油氣打探井和生產(chǎn)井，一般由鉆井模塊、船體和樁腿組成，在一個(gè)地方鉆修井一般為十幾天或幾個(gè)月，然后移到另一個(gè)地方，五年進(jìn)塢大修，可見兩者作業(yè)具有很大的不同點(diǎn)。如果鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)，則需要將鉆井模塊移除，同時(shí)增加生產(chǎn)處理模塊，研究鉆井平臺(tái)在一個(gè)固定地點(diǎn)長(zhǎng)期作業(yè)的可行性，前者改造工作與常規(guī)的組塊設(shè)計(jì)相似，沒有太大的難度，所以整體性能研究應(yīng)該成為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

與固定采油平臺(tái)相比，鉆井平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)剛度較小，在風(fēng)暴條件下產(chǎn)生較大的變形，所以必須考慮P-deta效應(yīng)，即由二次變形引起的彎矩，同時(shí)樁腿剛度小也使得鉆井平臺(tái)的自振周期較固定平臺(tái)大，更加接近波浪周期，所以由波浪引起的動(dòng)力放大效應(yīng)也必須考慮。鉆井平臺(tái)在移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范中因經(jīng)常檢驗(yàn)及5年進(jìn)行大修，所以不考慮海生物和腐蝕的影響，但如果用做固定平臺(tái)，海生物及鋼材腐蝕就必須加以考慮。

鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期作業(yè)于固定海域，對(duì)于樁腿鎖緊裝置的能力、樁靴承載力、鉆井平臺(tái)的整體穩(wěn)性以及樁腿結(jié)構(gòu)的譜疲勞也需要詳細(xì)分析。鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)就需要根據(jù)固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來做分析，主要從風(fēng)暴自存、地震及疲勞幾個(gè)工況來做整體性能研究。

2 實(shí)例分析

選取目標(biāo)海域水深100 m，環(huán)境條件如下：1分鐘平均風(fēng)速28.4 m/s，最大波高11.3 m，最大波周期12.4 s，表面流速1.7 m/s，泥面流速0.9 m/s，海生物密度1.297 t/m3，在飛濺區(qū)內(nèi)的腐蝕量按0.75 mm考慮，強(qiáng)度與韌性地震加速度分別為0.15 g和0.3 g。

選取的目標(biāo)平臺(tái)為400英尺鉆井平臺(tái)，主要參數(shù)如下：平臺(tái)為獨(dú)立樁腿式平臺(tái)，齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)，船體長(zhǎng)×寬×型深 70.4 m×76 m×9.4 m，樁腿長(zhǎng)度167 m，氣隙19.8 m。生產(chǎn)處理模塊重4 000 t，連續(xù)作業(yè)5年。

采用固定平臺(tái)設(shè)計(jì)常用軟件SACS來建立400英尺鉆井平臺(tái)的三維有限元模型，船體部分采用等效剛度的梁?jiǎn)卧?，樁腿采用SACS內(nèi)置樁腿單元，船體與樁腿之間根據(jù)鎖緊裝置約束類型進(jìn)行相關(guān)自由度的釋放，用等效質(zhì)量的方法模擬鉆井處理模塊的重量，樁腿底部采用泥面下3 m鉸接的邊界條件，SACS模型如圖1所示。

圖1 SACS 三維有限元模型

2.1 整體性能分析

通過試算，發(fā)現(xiàn)海生物對(duì)平臺(tái)的整體性能影響較大，主要原因由于海生物增大了樁腿的直徑，增加了附連水質(zhì)量，從而誘導(dǎo)了更多的波浪力，另一方面海生物增加了鉆井平臺(tái)質(zhì)量，從而增大了鉆井平臺(tái)的自振周期，使得動(dòng)力效應(yīng)增加，二次彎矩也大大增加。表1、表2列出了考慮不同厚度海生物厚度下鉆井平臺(tái)的風(fēng)暴自存及地震作業(yè)下的整體性能：

表1 0 cm海生物條件下鉆井平臺(tái)整體性能

表2 10 cm海生物條件下鉆井平臺(tái)整體性能

由表1、表2可以看出：10 cm 海生物和0 cm海生物下的鉆井平臺(tái)整體性能均滿足作業(yè)要求，但前者鉆井平臺(tái)的各項(xiàng)性能較后者下降很多，所以在作業(yè)中應(yīng)該做好定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)清除海生物，降低其對(duì)作業(yè)性能的影響。

鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)整體性能的另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)是樁腿疲勞。海生物和有無陽極保護(hù)對(duì)樁腿疲勞部具有較大影響，表3列出了考慮不同海生物及有無陽級(jí)保護(hù)下的樁腿疲勞壽命。

表3 不同海生物及陽極保護(hù)下鉆井平臺(tái)疲勞壽命

由表3可知：海生物和陽級(jí)保護(hù)在自升式平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)時(shí)的疲勞也具有很大的影響，在鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期作業(yè)時(shí)應(yīng)在平臺(tái)上增設(shè)陽級(jí)保護(hù)，同時(shí)還應(yīng)該對(duì)海生物及時(shí)清理，以提高鉆井平臺(tái)作業(yè)的安全性。

3 結(jié)論

自升式鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)從整體性能上來說是可行的。通過整體分析得出：因移動(dòng)鉆井平臺(tái)規(guī)范不同，作業(yè)特點(diǎn)不同，除需要將鉆井處理模塊移除并增設(shè)處理模塊外，海生物和陽極保護(hù)裝置對(duì)鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期在固定海域作業(yè)的性能具有較大影響，所以應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及增設(shè)陽級(jí)塊等方式對(duì)船體的樁腿進(jìn)行保護(hù)。自升式鉆井平臺(tái)用做生產(chǎn)平臺(tái)的開發(fā)模式大大降低了邊際油田開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，是一條可行的思路。

[1] 孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

[2] ABS.Mobile Offshore Drilling Unit[S]. 2012.

[3] API 2A.Recommended Practice for Planning, Designing and constructing Fixed Offshore Platform - Working Stress Method[S].2007.

Study the Whole Performance for Mobile Offshore Drilling Unit Used as Fixed Platform

CAI Yuan-lang, HUANG Shu-guang, YANG Jun

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin, 300451， China)

It has high investment cost and risk in developing marginal oil filed for oil company because the product output cannot be determined using conventional fixed platform to explore oil which can’t even withdraw the develop cost. The mobile offshore drilling unit can be moved from one place to another unlike the fixed platform limited to one place as it’s designed. The operation mode will reduce the risk of investment. This paper will study the whole performance of mobile offshore drilling unit used as fixed platform to explore the marginal oil field and give some using conclusion and valuable ideas.

marginal oil field; fixed platform; mobile offshore drilling unit; dynamic amplify effect; P-data effect

2013-09-23; 修改稿收到日期： 2014-02-15

蔡元浪(1975-)，男，高級(jí)工程師。

1001-4500(2014)04-0025-04

P75

A