摘　要：國內(nèi)外都在加速對海洋油氣資源的開發(fā)利用，而惡劣的環(huán)境則是影響近海自升式平臺(tái)作業(yè)安全的主要因素之一，國外近年來有20多條平臺(tái)因颶風(fēng)(臺(tái)風(fēng))沉沒或嚴(yán)重受損；國內(nèi)目前對自升式平臺(tái)在極限環(huán)境條件下的安全性研究較少，在作業(yè)中采取了比較保守的策略，加之向海外市場擴(kuò)張，使我國有限的鉆井平臺(tái)資源供需矛盾日漸凸顯。為此，通過運(yùn)用動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法，對鉆井平臺(tái)承受的風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷、慣性力和自身載荷等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)對其樁腿、升降／鎖緊系統(tǒng)、船體等主要結(jié)構(gòu)和預(yù)壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能、最大彈性變形量等主要參數(shù)進(jìn)行了校核，并以現(xiàn)今主流的JU2000E船型自升式鉆井平臺(tái)為例，進(jìn)行了相關(guān)的環(huán)境參數(shù)的校核演算。該項(xiàng)技術(shù)已在中國沿海及海外自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)市場進(jìn)行了100余次應(yīng)用檢驗(yàn)。結(jié)果表明，準(zhǔn)靜態(tài)分析法的分析過程簡捷，評估的準(zhǔn)確性高，平臺(tái)作業(yè)的安全性取得了滿意效果。

關(guān)鍵詞：海洋  自升式  鉆井平臺(tái)  準(zhǔn)靜態(tài)分析  環(huán)境載荷  平臺(tái)主結(jié)構(gòu)  強(qiáng)度校核

Quasi-static analysis of the dynamic effect of a jack-up rig’s work load during safe drilling operation

Astract：Severe sea environment is a major disadvantage affecting the safety of jack up rig operation in offshore drilling．In recent years，more than 20 rigs sank or were severely damaged due to hurricanes(typhoons)in foreign countries．Since few researches have been conducted in China on the jack-up rig safety under extreme environmental conditions，domestic operation adopts relatively conservative practices．With limited rig resources at home，the imbalance continuously grows between the supply and demand．In view of this，a quasi static analysis of dynamic effect was conducted through calculating parameters born by the jaek-up rig including inertia force，self-load，and such environmental loads as wind，wave and current．In addition，other main structures and parameters were calibrated，including legs，lifting／locking systems and hulls，as well as pre loading performance，spudcan loading capacity，overturning resistance，and maximum elastic deformation．Moreover，JU2000E jackgup rig．the current mainstream rig，was taken as an example for calibrating and calculating relevant environmental parameters．This technology has been tested in over l00 applications in the jack-up rig operation market in the coastal area at home and abroad．According to the results，the quasi static analysis is simple in process and accurate in evaluation，and the rig operation safety is improved with a satisfactory effect．Therefore，this technology can benefit and promote the rig operation safety and acceleration of developing and utilizing subsea oil and gas resources．

Key words：sea，jack-up rig，quasi-static analysis，environmental load，rig main structure，strength calibration

隨著我國及世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油需求量的逐步提高，海洋油氣開發(fā)已處于越來越重要的地位，自升式鉆井平臺(tái)是近海油田開發(fā)的重要設(shè)備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業(yè)。我國自升式平臺(tái)作業(yè)范圍已從中國沿海擴(kuò)展到了緬甸、印尼爪哇、澳大利亞西北大陸架、東帝汶、里海及墨西哥灣等海域，由于平臺(tái)作業(yè)向海外市場擴(kuò)張，使得我國有限的平臺(tái)資源供需矛盾日漸凸顯。

根據(jù)美國內(nèi)務(wù)部礦產(chǎn)資源管理機(jī)構(gòu)(Minerals Management Service，MMs)和英國健康安全管理機(jī)構(gòu)(HSE)所作的統(tǒng)計(jì)和研究結(jié)果^[1-4]，自升式鉆井甲臺(tái)在站立作業(yè)狀態(tài)下，惡劣的環(huán)境是影響平臺(tái)作業(yè)安全的主要因素之一，例如：墨西哥灣近年受到Andrew、Lili、Ivan、Katrina、Ritad等颶風(fēng)的肆虐，至少造成6條自升式平臺(tái)沉沒，10多條平臺(tái)嚴(yán)重受損。因而隨之產(chǎn)生如何評估平臺(tái)作業(yè)性能與環(huán)境匹配性的問題。

1　平臺(tái)載荷動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法

自升式平臺(tái)在站立狀態(tài)的受力情況可簡化成一種彈性振動(dòng)體模型^[5]，其固有振動(dòng)頻率與平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、作業(yè)載荷和升船高度等因素有關(guān)，其承受的風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷是對平臺(tái)固有振動(dòng)的一種激勵(lì)，即在平臺(tái)上附加一種慣性力。因此在計(jì)算平臺(tái)壓載量時(shí)既要計(jì)算平臺(tái)自身載荷，還要考慮風(fēng)、波、流產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷。

計(jì)算平臺(tái)所受動(dòng)態(tài)載荷一般采用準(zhǔn)靜態(tài)分析法^[6]，包括兩個(gè)步驟：①建立分析結(jié)構(gòu)的等效有限元分析模型，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷分析；②將動(dòng)態(tài)載荷和風(fēng)、波、流產(chǎn)生的橫向載荷代入有限元模型，分析結(jié)構(gòu)安全性。在第二步中實(shí)際用靜態(tài)力代替波浪產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此分析過程叫做準(zhǔn)靜態(tài)分析，其流程^[3]如圖l所示，由此可計(jì)算出平臺(tái)所承受的環(huán)境載荷總量。

1．1　動(dòng)態(tài)放大系數(shù)

動(dòng)態(tài)放大系數(shù)DAF(Dynamic Amplification Factor)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)的比值，用于近似計(jì)算各種結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如平臺(tái)的傾覆力矩、船體的橫向載荷／橫向位移等，一般DAF可用式(1)計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果的精度要求比較嚴(yán)格時(shí)，可按SNAME 5-5A給出的時(shí)域或頻域隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算^[7]。平臺(tái)設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用DAF的上限值，避免平臺(tái)固有頻率與波浪頻率接近時(shí)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的歧變。

DAF＝{[1-(Tp／T)²]²+(2zTp／T)²}^-1/2   　　　(1)

式中Tp為平臺(tái)自振周期，s；T為波浪周期，s；z為阻尼系數(shù)，一般取值0.05～0.07。

1．2　建立等效有限元模型

按照平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)圖建立等效有限元模型，一般包括4種單元：梁單元、管單元、浸沒管單元及質(zhì)量單元^[8]。梁單元主要用于模擬樁腿弦桿和船體主要承載結(jié)構(gòu)；管單元用于模擬樁腿各種撐管；浸沒管單元用于模擬波流施加在樁腿的載荷；質(zhì)量單元用于模擬平臺(tái)設(shè)備重量并按傾斜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整平臺(tái)重心。

1．3　載荷計(jì)算方法

1．3．1波流載荷計(jì)算

一般利用Stokes五階波理論和Morison公式計(jì)算海流和波浪對平臺(tái)樁腿的作用力。

1．3．2模態(tài)分析和慣性載荷計(jì)算

按ABS規(guī)范，采用SDOF(Single Degree of Freedom)單自由度法將平臺(tái)簡化成質(zhì)量一彈簧阻尼器系統(tǒng)，它是計(jì)算平臺(tái)動(dòng)態(tài)載荷最簡單的一種方法，普遍用于鉆井平臺(tái)基本設(shè)計(jì)之中。因此，平臺(tái)受到的附加慣性載荷Fi可按式(2)計(jì)算：

Fi＝(DAF-1)×(FWmax-FWmin)／2 　　　　   (2)

式中FWmax、FWmin分別為波流力最大值和最小值。

1．3．3風(fēng)載荷計(jì)算

平臺(tái)基本設(shè)計(jì)給出了相對于平臺(tái)各方位的風(fēng)載荷，將結(jié)果直接用于有限元計(jì)算。

1．3．4二次彎曲效應(yīng)

由于風(fēng)浪流的作用，平臺(tái)沿作用力的方向產(chǎn)生重心橫向位移△距離，這種現(xiàn)象稱作二次彎曲，亦稱歐拉放大效應(yīng)，即在平臺(tái)上施加了PD (P為平臺(tái)站立質(zhì)量)的力矩。

1．4　平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析重點(diǎn)

自升式平臺(tái)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析^[8-10]的內(nèi)容至少應(yīng)包括樁腿強(qiáng)度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等，其中前3項(xiàng)指標(biāo)的完整性系數(shù)UC(Unity Check)值應(yīng)小于等于l；風(fēng)暴自存時(shí)，平臺(tái)抗傾覆性能安全系數(shù)(OTM，OverTurning Moment)應(yīng)大于1.3^[11]。

2　模擬載荷計(jì)算案例

2．1　相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以現(xiàn)今主流的400Ft自升式JU2000E船型為基礎(chǔ)建立等效有限元模型，選取我國東海黃巖海域?yàn)槟M環(huán)境海區(qū)，平臺(tái)自身性能參數(shù)如表l所示，海區(qū)環(huán)境參數(shù)基本數(shù)據(jù)如表2所示。

對比表2中數(shù)據(jù)，得知該海域的最大浪高、表面和底部流速等環(huán)境參數(shù)數(shù)值已超過平臺(tái)操船手冊^[12]規(guī)范的數(shù)值，因而在正常條件下，該型平臺(tái)不能在該海域進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

2．2　環(huán)境載荷及彎矩

表3、4分別為平臺(tái)在該海域所受到各方向環(huán)境載荷、彎矩計(jì)算結(jié)果。

2．3　結(jié)構(gòu)完整性校核

平臺(tái)進(jìn)行樁腿強(qiáng)度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能的完整性系數(shù)校核，其結(jié)果如表5所示。

平臺(tái)各主結(jié)構(gòu)的UC值大多小于等于1，符合規(guī)范要求，部分超標(biāo)值均在各船級社UC值不大于l.05的許用范圍內(nèi)。

2．4　抗傾覆性能安全系數(shù)校核

其校核結(jié)果如表6所示。

平臺(tái)抗傾覆性能安全系數(shù)(OTM)校核值大于1.3。

運(yùn)用本文闡述方法進(jìn)行綜合校核評估的結(jié)果：該型平臺(tái)可在該海域環(huán)境參數(shù)條件下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

3　應(yīng)用

技術(shù)成果在中海油田服務(wù)股份有限公司(以下簡稱COSL)16條國內(nèi)作業(yè)平臺(tái)和ll條海外作業(yè)平臺(tái)上成功應(yīng)用，區(qū)域涉及中國沿海及海外作業(yè)區(qū)塊，相關(guān)作業(yè)者包括國內(nèi)石油公司及道達(dá)爾、SPC、PEMAX、HUSKY等國外公司或合資公司，評估的準(zhǔn)確性和作業(yè)的安全性幾乎達(dá)到100％，使COSL的作業(yè)安全率遠(yuǎn)高于國內(nèi)、國外同行業(yè)的水平。

1)中國沿海：包括黃海、南海的所有區(qū)域，主要應(yīng)對臺(tái)灣海峽的海流、表層海床的鐵板砂及臺(tái)風(fēng)影響。近年來，在東海南海都遇到了200年一遇的臺(tái)風(fēng)，因此每年都要根據(jù)臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)進(jìn)行作業(yè)井位設(shè)計(jì)、平臺(tái)的作業(yè)窗口安排及平臺(tái)資源配置。

2)海外：海外作業(yè)中可能遇到各種作業(yè)者(甲方)，有的作業(yè)者安全意識(shí)較弱，如要求平臺(tái)在霍爾木茲海峽這種流速極高的區(qū)域進(jìn)行水檢作業(yè)。最終通過分析計(jì)算及與作業(yè)者的協(xié)商，選定流速較小的區(qū)域進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，既保持了與作業(yè)者良好的關(guān)系，又保證了平臺(tái)的安全。

4　結(jié)論

1)運(yùn)用動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法對鉆井平臺(tái)承受的環(huán)境載荷進(jìn)行計(jì)算，并對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核的方法，評估白升式鉆井平臺(tái)作、業(yè)環(huán)境適用性能，是對現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)章節(jié)的完善補(bǔ)充。

2)利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)分析法對自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)環(huán)境適用性能評估，可以達(dá)到在風(fēng)險(xiǎn)可控條件下，擴(kuò)大其作業(yè)適用范圍的目的。

3)截至目前，該項(xiàng)技術(shù)已在中國沿海及海外自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)市場的進(jìn)行了l00余次應(yīng)用檢驗(yàn)，其評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和平臺(tái)作業(yè)的安全性均取得滿意效果。

參考文獻(xiàn)

[1]MMS．Post mortem failure assessment of MODUS during hurricane Lili[R]．Washington，D．C．：US Minerals Management Service，2002．

[2]MMS．Post mortem failure assessment of MODUs during hurricane Ivan[R]．Washington，D．C．：Us Minerals Management Service，2004．

[3]MMs．Post mortem failure assessment of Jack-up MODUs during hurricanes Katrina＆．Rita[R]．Washington，D．C．：US Minerals Management Service，2005．

[4]DIER A，CARROLLB，ABOLFTHI S．Guidelines for jack-up rigs with particular reference tO foundation integrity[R]．London：Health and Safety Executive．2004．

[5]WILLIAMS M S，THOMPSON R S G，HOULSBY G T．A parametric study of the non linear dynamic behaviour of an offshore jack-up unit[J]．Engineering Structures，1999，21(5)383-394．

[6]American Bureau of Shipping．Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]．Houston：ABS，2008．

[7]FRIEZE T，HOUSE H．Sname 5-5B WSD 0：Comparison with Sname 5-5A LRFD and the Sname 5-5A North Sea Annex[R]．London：Health and Safety Executive，2001．

[8]王建軍，宋林松，黎劍波，等．自升式平臺(tái)作業(yè)適應(yīng)性分析[J]．船舶工程，2010，32(5)：63-66．

WANG Jianjun，SONG Linsong，LI Jianbo，et al．Site specific adaptability analysis of jack up platform[J]．Ship Engineering，2010，32(5)：63-66．

[9]International Organization for Standardization(ISO)．ISO／DIS l9905-1-2010 Assessment of mobile offshore units[S]．Geneva：ISO，2010．

[10]中海油田服務(wù)股份有限公司．Q／HS YFl61—2011自升式鉆井平臺(tái)井位評估指南[S]．廊坊：中海油田服務(wù)股份有限公司，2011．

China Oilfield Services Limited．Q／HS YFl61—201l Guidelines for research and application of site specific assessment technique of jack up rigs[S]．Langfang：COSL，2011．

[11]中國船級社．海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2005．

China Classification Society．Rules for construction and classification of mobile offshore drilling units[S]．Beijing：China Communications Press，2005．

[12]Friede&Goldman United．Marine operating manual of 941 rig[R]．Houston：F&G Uniled，2006．

本文作者：顏波  宋林松  胡明蘭

作者單位：中海油田服務(wù)股份有限公司