張宇凡，趙建亭

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

自升式鉆井平臺具有作業(yè)靈活、適用范圍廣、自存能力強(qiáng)和移動(dòng)性佳等特點(diǎn)，在淺海油氣勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1]。懸臂梁是目前自升式鉆井平臺的標(biāo)準(zhǔn)配置，作為鉆井設(shè)備和鉆井工具的主要載體，能實(shí)現(xiàn)鉆臺模塊的縱向和橫向移動(dòng)，提高平臺一次就位鉆井的概率。

在進(jìn)行船型開發(fā)時(shí)，需對懸臂梁系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化，以提高整個(gè)平臺的作業(yè)效率和作業(yè)能力；懸臂梁系統(tǒng)需有合理的主尺度及與其相適應(yīng)的懸臂梁滑移系統(tǒng)，以保證懸臂梁具有有效的作業(yè)范圍、緊湊的設(shè)備布置和合適的承載能力。

本文以SJ350自升式鉆井平臺（以下簡稱“SJ350”）為依托，對國內(nèi)外自升式鉆井平臺主流的懸臂梁系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出一種適合該平臺的懸臂梁系統(tǒng)解決方案。

1 項(xiàng)目概況

SJ350的結(jié)構(gòu)呈三角形，帶有3個(gè)具備獨(dú)立樁靴的桁架式樁腿；平臺最大作業(yè)水深為350 ft （1ft=0.3048m），入級美國船級社。平臺示意見圖1。

SJ350設(shè)計(jì)作業(yè)要求示意見圖2。

1) 井口作業(yè)范圍為

2) 懸臂梁最大外伸距為

式(1)和式(2)中： L0為井口縱向作業(yè)范圍； T0為井口橫向作業(yè)范圍； L1為懸臂梁最大外伸距； L2為井口初始工作位置； T1為井口橫向移動(dòng)距離。

圖 1 平臺示意

圖 2 SJ350 設(shè)計(jì)作業(yè)要求示意

2 作業(yè)方式分析

懸臂梁和鉆臺是鉆井作業(yè)的主要載體。在作業(yè)時(shí)，只有將鉆臺的井口伸至平臺外沿才能進(jìn)行鉆井工作。為適應(yīng)在平臺一次就位、多個(gè)井口作業(yè)的需求，懸臂梁和鉆臺需多次滑移。

目前自升式鉆井平臺井口位移主要有常規(guī)懸臂梁滑移、X-Y懸臂梁滑移和旋轉(zhuǎn)滑移等3種型式，結(jié)構(gòu)方面可分為封閉式和開敞式2種（見表1）。

表1 懸臂梁型式匯總

2.1 常規(guī)懸臂梁滑移

常規(guī)懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁滑移和鉆臺滑移2部分實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，懸臂梁在平臺主甲板面縱向移動(dòng)，鉆臺在懸臂梁上橫向移動(dòng)。

懸臂梁滑移裝置分為2組，布置在2個(gè)主甲板縱向滑移軌道上；鉆臺滑移裝置分為2組，布置在2個(gè)橫向滑移的懸臂梁軌道上。

2.2 X-Y懸臂梁滑移

X-Y懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁自身在縱、橫2個(gè)方向上的整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2套滑移裝置集成為1組，采用銷孔方式分別與主甲板軌道和懸臂梁底部軌道連接。共有4組滑移裝置在2套滑移軌道之間移動(dòng)，其中：下側(cè)裝置沿主甲板軌道橫向移動(dòng)；上側(cè)裝置推動(dòng)懸臂梁縱向移動(dòng)。

2.3 旋轉(zhuǎn)懸臂梁滑移

旋轉(zhuǎn)懸臂梁滑移的井口位移由懸臂梁旋轉(zhuǎn)基座和懸臂梁縱移軌道實(shí)現(xiàn)。液壓油缸與旋轉(zhuǎn)基座固定在主甲板上，旋轉(zhuǎn)懸臂梁的角度，懸臂梁可沿縱向軌道伸出平臺。文獻(xiàn)[2]所述的旋轉(zhuǎn)型懸臂梁擁有較大的作業(yè)覆蓋范圍。

3種懸臂梁作業(yè)方式比較見表2。

表2 3種懸臂梁作業(yè)方式比較

對懸臂梁作業(yè)方式進(jìn)行分析后認(rèn)為：應(yīng)用較廣且不受專利保護(hù)限制的常規(guī)懸臂梁滑移方案作為 SJ350船型開發(fā)的懸臂梁作業(yè)方式較為合適。

3 懸臂梁主尺度規(guī)劃

常規(guī)懸臂梁滑移分為懸臂梁縱向滑移和鉆臺橫向滑移2部分。在規(guī)劃懸臂梁主尺度時(shí)，需綜合考慮井口作業(yè)范圍的需求、平臺的主尺度限制和設(shè)備布置空間的需求等。懸臂梁長度優(yōu)化方法見圖3。

懸臂梁的長度需滿足懸臂梁最大外伸距、月池區(qū)域、滑移裝置布置和懸臂梁反扣區(qū)域等方面的需求，因此懸臂梁型長為

式(3)中：SL為滑移裝置長度；TL為反扣區(qū)域長度；AL為縱向結(jié)構(gòu)裕量。

懸臂梁寬度及高度優(yōu)化方法見圖4。

圖 3 懸臂梁側(cè)向示意

圖 4 懸臂梁縱向示意

懸臂梁內(nèi)部空間用于儲存防噴器組、采油樹等大型設(shè)備。懸臂梁寬度需滿足防噴器組等設(shè)備的儲存區(qū)域和橫向滑移所需的寬度，因此懸臂梁型寬為

式(4)中：BW 為防噴器組等設(shè)備的儲存空間；AW 為橫向結(jié)構(gòu)裕量。

鉆臺軌道長度需滿足井口橫向滑移距離和鉆臺底腳間距需求，因此鉆臺軌道長度為

式(5)中： WrA為鉆臺軌道結(jié)構(gòu)裕量。

懸臂梁型高H需通過懸臂梁型寬和懸臂梁型長選取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模量之后確定，以確保懸臂梁結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。鉆臺軌道高度 Hr由防噴器組和井口設(shè)施的吊運(yùn)高度需求決定。

SJ350項(xiàng)目懸臂梁優(yōu)化之后的主尺度見表3。

表3 SJ350項(xiàng)目懸臂梁優(yōu)化之后的主尺度

4 懸臂梁結(jié)構(gòu)

懸臂梁主要有門型開敞式和箱型封閉式2種結(jié)構(gòu)。

4.1 門型開敞式結(jié)構(gòu)

門型開敞式結(jié)構(gòu)由2根側(cè)向工字梁、上部工字梁和甲板及內(nèi)部平臺組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)在縱向形成一個(gè)“門”字；懸臂梁內(nèi)部區(qū)域敞開，井口和月池區(qū)域位于懸臂梁艉部，堆場位于懸臂梁上甲板。

4.2 箱型封閉式結(jié)構(gòu)

箱型封閉式結(jié)構(gòu)由2根側(cè)向工字梁、上部工字梁和甲板及內(nèi)部甲板和艙室組成，為全封閉的箱型結(jié)構(gòu)。井口和月池區(qū)域位于懸臂梁艉部，泥漿處理設(shè)備位于懸臂梁中部，配電和控制單元位于懸臂梁艏部，堆場位于懸臂梁上甲板。

2種懸臂梁結(jié)構(gòu)型式取決于不同的鉆井作業(yè)流程理念，其中：門型開敞式結(jié)構(gòu)懸臂梁應(yīng)用廣泛，整體重量較輕；箱型封閉式結(jié)構(gòu)懸臂梁整體重量較大，內(nèi)部設(shè)備布置較多。2種懸臂梁結(jié)構(gòu)型式比較見表4。

表4 2種懸臂梁結(jié)構(gòu)比較

對2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后認(rèn)為：布置空間較大、自重較輕且通用性較強(qiáng)的門型開敞式結(jié)構(gòu)作為SJ350項(xiàng)目的懸臂梁結(jié)構(gòu)較為合適，可為布置于甲板面上的滑移裝置液壓泵站和控制臺提供空間；同時(shí)，控制臺視野較為開闊，方便操作員觀察左右兩側(cè)滑移裝置的工作狀態(tài)和位移情況。

進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型進(jìn)行分析后認(rèn)為：懸臂梁結(jié)構(gòu)通過兩側(cè)大梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載，主要高應(yīng)力區(qū)集中于縱向梁下部、艉端壁支撐和懸臂梁艏端下部反扣區(qū)；同時(shí)，剪應(yīng)力自艉部支撐和艏部反扣區(qū)位置起，呈斜向分布，為典型的多點(diǎn)支撐梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布模式。

5 滑移裝置方式分析

為實(shí)現(xiàn)懸臂梁滑移，需布置相應(yīng)的滑移裝置，目前有以下幾種較為常見的滑移裝置型式。

5.1 棘爪推移方式

棘爪推移裝置主要由棘爪裝置、液壓缸、滑移座板和滑移軌道組成。軌道上開有方形的固定口。在作業(yè)時(shí)，液壓缸伸長，棘爪從移動(dòng)底座邊板上的矩形孔處自動(dòng)松開，滑塊移動(dòng)1個(gè)節(jié)距后液壓缸縮回，同時(shí)棘爪自動(dòng)卡進(jìn)相應(yīng)的矩形鎖緊孔中鎖緊，從而拖動(dòng)懸臂梁移動(dòng)1個(gè)節(jié)距[3]。

5.2 液壓缸銷軸推移方式

液壓缸銷軸推移系統(tǒng)主要由2組液壓缸基座、推進(jìn)液壓缸和滑移銷軸等組成，懸臂梁導(dǎo)軌上開有一定間距的圓孔，用于固定插銷。在作業(yè)時(shí)，左右液壓缸同時(shí)伸出或縮進(jìn)，帶動(dòng)銷軸運(yùn)動(dòng)。銷軸移動(dòng)1個(gè)節(jié)距后打入軌道上的小孔中鎖緊，左右液壓缸再次縮進(jìn)或伸出，推動(dòng)懸臂梁移動(dòng)。

5.3 齒輪齒條滑移方式

齒輪齒條滑移系統(tǒng)主要由齒條軌道、傳動(dòng)齒輪和樁邊馬達(dá)組成。在作業(yè)時(shí)，樁邊馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱，將動(dòng)力傳遞給與齒條嚙合的傳動(dòng)齒輪，從而帶動(dòng)懸臂梁移動(dòng)。齒條設(shè)置在懸臂梁的主梁上，每根齒條對應(yīng)1組傳動(dòng)齒輪[4]。

比較現(xiàn)階段的滑移方案可知：銷軸滑移方案因在操作性能和成本方面具有一定的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用；齒輪齒條方案具有優(yōu)異的移動(dòng)速度和連貫性。3種常規(guī)懸臂梁滑移裝置比較見表5。

表5 3種常規(guī)懸臂梁滑移裝置比較

對幾種滑移裝置進(jìn)行分析后認(rèn)為：安裝方便、運(yùn)行可靠的銷軸滑移方案作為SJ350項(xiàng)目的懸臂梁滑移裝置較為合適。

5.4 滑移裝置推移載荷

鉆臺滑移能力需滿足鉆臺和井架的自重、風(fēng)載荷及立根盒載荷等方面的要求。懸臂梁滑移能力不僅包含上述鉆臺的載荷，還需滿足懸臂梁自重和懸臂梁堆場載荷的要求；同時(shí)，考慮鉆臺在最大橫向位移工況下懸臂梁縱向滑移產(chǎn)生的額外負(fù)載。目標(biāo)平臺鉆臺滑移系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需應(yīng)力見表6。

表 6 目標(biāo)平臺鉆臺滑移系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需應(yīng)力 單位：kN

懸臂梁滑移設(shè)計(jì)除了考慮滑移裝置本身以外，還要結(jié)合反扣裝置和基座的載荷強(qiáng)度。懸臂梁橫向滑移載荷為：動(dòng)態(tài)載荷10250kN；靜態(tài)載荷14600kN。

上述載荷作為滑移設(shè)備選型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，相關(guān)設(shè)計(jì)信息都需得到船級社取證認(rèn)可[4]。

6 懸臂梁組合載荷分析

懸臂梁除了承受結(jié)構(gòu)和設(shè)備等自身的重量及鉆臺井架結(jié)構(gòu)和設(shè)備的重量以外，還需承受大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、立根盒載荷和導(dǎo)管張緊載荷等作業(yè)載荷[5]。

各項(xiàng)作業(yè)載荷在作業(yè)過程中并不同時(shí)出現(xiàn)，從作業(yè)方法和懸臂梁極限承載的角度提出懸臂梁的最大組合載荷，優(yōu)化懸臂梁設(shè)計(jì)[6]。SJ350項(xiàng)目的2種懸臂梁組合載荷方案見表7，懸臂梁載荷圖譜見圖5和圖6。

表 7 SJ350 項(xiàng)目的 2 種懸臂梁組合載荷方案 單位：t

圖 5 907t大鉤載荷懸臂梁載荷圖譜

圖 6 680t大鉤載荷懸臂梁載荷圖譜

從圖5和圖6中可看出，2種組合載荷方案給出了不同的大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤載荷和懸臂梁最大組合載荷，分別影響了組合載荷圖譜曲線。

懸臂梁結(jié)構(gòu)可根據(jù)2種組合載荷進(jìn)行調(diào)整：在滿足大鉤載荷方案的基礎(chǔ)上，對小鉤載荷方案的懸臂梁主壁板厚進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低懸臂梁自身重量 8%左右，應(yīng)對不同作業(yè)需求。根據(jù)懸臂梁組合載荷參數(shù)，鉆臺橫向滑移的載荷情況見表8。

表8 鉆臺橫向滑移的載荷情況

7 結(jié) 語

通過調(diào)研國內(nèi)外同類型自升式鉆井平臺，對不同的懸臂梁形式、結(jié)構(gòu)型式和滑移裝置進(jìn)行了對比分析，完成了目標(biāo)平臺的懸臂梁系統(tǒng)方案和主尺度設(shè)計(jì)。對懸臂梁組合載荷進(jìn)行分析，提出了滿足不同作業(yè)要求的組合載荷圖譜。

SJ350項(xiàng)目懸臂梁采用傳統(tǒng)滑移方式，開敞式門型結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)布置方便，結(jié)構(gòu)簡單。組合載荷按照實(shí)際作業(yè)工序?qū)︺@井模塊的各設(shè)備載荷進(jìn)行組合，得到更加合理的載荷方案。此外，對目標(biāo)平臺2種組合載荷情況進(jìn)行了計(jì)算分析，優(yōu)化了懸臂梁自身重量。