深水域自升式平臺深水化改造新模式

深水域自升式平臺深水化改造新模式

0現(xiàn)有自升式平臺使用分析自升平臺是一種廣泛應(yīng)用于海上工具的海洋勘探設(shè)備，是海上運輸設(shè)備中最便宜的設(shè)備?，F(xiàn)有自升式平臺由浮體、樁腿、升降機械等構(gòu)成,整個平臺設(shè)計為一個整體。受拖航穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)剛度等影響,隨著作業(yè)水深的增加,其造價急劇上升。目前世界上共有自升式平臺約400座,占全部海洋鉆井裝置的40%以上,這種平臺作業(yè)水深最大為150m,作業(yè)水深大于120m的自升式鉆井平臺只有20座;我國自升式平臺最大作業(yè)水深多數(shù)在50m以內(nèi),最大作業(yè)水深大于90m的僅有4座;中石油和中石化的自升式平臺多數(shù)僅能在水深25m以內(nèi)使用,無法滿足渤海海域勘探開發(fā)需要。為了逐步向深淺海邁進,以較低成本對現(xiàn)有平臺進行深水化改造,不失為一條可以選擇的途徑。勝利石油管理局鉆井工藝研究院結(jié)合自升式平臺、坐底式平臺、半潛式平臺技術(shù),發(fā)明了一種分體自升式平臺,可以用于現(xiàn)有自升式平臺深水化改造,也可以用于新型自升式平臺設(shè)計,對解決現(xiàn)有自升式平臺隨水深加大造價急劇上升的問題,是一種有益嘗試。1平臺深水化改造的深水化模式1.1平臺浮體主尺度自升式平臺受拖航穩(wěn)性限制,平臺重心不能過高,受吃水深度影響,拖航式平臺樁腿必須完全升文章編號:1001-2206(2007)04-0013-03起,這就決定了平臺升降樁腿不能太長。為了適應(yīng)深淺海作業(yè),要使用較長樁腿,只有加大平臺浮體主尺度,才能保證拖航穩(wěn)性,而且由于各樁腿分別獨立,各樁腿剛度和強度要求都很高,樁腿重量及占用的甲板作業(yè)面積很大,相應(yīng)地需要加大升降能力。升降系統(tǒng)造價十分昂貴,平臺造價隨之急劇上升。同時,自升式平臺在深淺海作業(yè)時,由于長樁腿之間不能進行剛性連接,平臺受外力作用時上部位移較大,引起的偏心附加應(yīng)力也影響平臺的安全性?，F(xiàn)有淺海自升式平臺配備了齊全的鉆井/作業(yè)設(shè)備,只要能夠在其底部增加一套穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu),并安全可靠地完成海上對接,就可以到水深50m乃至100m以上的海區(qū)作業(yè)。這個底座的剛性容易保證,材料性能要求不高,而造價不會急劇上升。這就提出了一種自升式平臺的新模式———分體坐底自升式平臺。1.2平臺主要參數(shù)設(shè)計分體坐底自升式平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由平臺上體(也稱自升式主平臺或原自升式平臺)、平臺下體(也稱坐底支撐結(jié)構(gòu))、對接引導(dǎo)裝置、壓載系統(tǒng)構(gòu)成。平臺上體,與常規(guī)自升式平臺基本相同,各樁腿頂部安裝導(dǎo)向輪,底部截面中心設(shè)有導(dǎo)向套,這樣除安裝對接用機械設(shè)備外,原有自升式平臺基本不進行改造。平臺下體由平臺下箱體、固定樁腿及多個桿件組焊為一個剛性的平臺下體,通過合理設(shè)計可以使之具備漂浮穩(wěn)性和沉浮穩(wěn)性。平臺下箱體被隔成數(shù)個壓載艙室,各壓載艙室均設(shè)有通?？?對接引導(dǎo)裝置包括絞車和配屬引導(dǎo)索、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向套,絞車安裝在平臺上體上,引導(dǎo)索沿導(dǎo)向輪、導(dǎo)向套,穿過升降樁腿后固定在固定樁腿的頂部截面中心,通過收緊引導(dǎo)索,升降樁腿底端可以與固定樁腿頂端基本對準,此時對接處的錐度結(jié)構(gòu)可使兩者精確對位。壓載系統(tǒng)包括空壓機組和配屬壓載控制氣路,空壓機組安裝在平臺上體,壓載控制氣路與平臺下體所設(shè)各壓載艙分別相連,利用氣壓控制海水進出壓載艙,進行平臺下體的沉浮操作。拖航時平臺上體、下體均漂浮在水面上;作業(yè)時在海上自行上下對接成一座平臺。平臺下體,由于結(jié)構(gòu)重心低,加上固定樁腿的浮力作用,采用柱穩(wěn)式平臺成熟設(shè)計技術(shù)可以使其不僅具有漂浮穩(wěn)性,還具有沉浮穩(wěn)性,確保海上對位、拆分過程的平穩(wěn)、安全。平臺下體為大型空間剛架整體結(jié)構(gòu),受外力變形很小。平臺上體通過升降樁腿支坐在平臺下體的固定樁腿上,完全依靠自身重量和壓載重量來保持其豎向穩(wěn)定,不會出現(xiàn)受拉狀況,而橫向則由對接處的錐度結(jié)構(gòu)限位。計算時結(jié)構(gòu)簡化為鉸支。1.3平臺升船程序調(diào)整平臺拖航時,平臺上體、平臺下體分開浮在水面上(見圖1),用拖輪拖航。平臺海上就位對接時,壓載系統(tǒng)控制各壓載艙進水,使平臺下體沉至升降樁腿的下端,同時對接引導(dǎo)裝置卷收引導(dǎo)索,使升降樁腿與固定樁腿對中相接(見圖2),然后降放升降樁腿,直至平臺下體坐落于海底,此后按普通自升式平臺升船程序執(zhí)行,調(diào)整至作業(yè)狀態(tài);在海底存在輕度傾斜時,靠升降樁腿調(diào)節(jié)以保持平臺上體的正常狀態(tài)。正常作業(yè)狀態(tài)的分體自升式平臺如圖3所示,該平臺鉆修作業(yè)與其他平臺沒有區(qū)別。平臺起浮拆分時,先將平臺上箱體降至水面,提升升降樁腿,同時放松引導(dǎo)索,用拖輪將平臺上體移出平臺下體的上方區(qū)域,利用壓載系統(tǒng)排出壓載艙內(nèi)的水,使平臺下體浮起。平臺近距離轉(zhuǎn)移井位時,可以不進行拆分,將平臺下體提離海底并使其具備一定浮力后即可拖航。平臺在淺水區(qū)應(yīng)用時,可以直接用自升式主平臺進行作業(yè)。2技術(shù)經(jīng)濟分析2.1平臺設(shè)計方面國內(nèi)尚未設(shè)計過作業(yè)水深超過60m的自升式平臺,但水深低于60m的淺海自升式平臺設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)成熟,已經(jīng)設(shè)計、改造了10余座此類平臺。坐底式平臺、半潛式平臺設(shè)計技術(shù)也屬于成熟技術(shù)。該新型平臺設(shè)計或改造可以借用這些成熟技術(shù),因此,在技術(shù)上是可行的,主要體現(xiàn)在以下3個方面:(1)采用分體結(jié)構(gòu),平臺升降樁腿長度大大縮短,降低了重心,大大提高了平臺漂浮穩(wěn)性,從而可顯著減小平臺上浮體的尺度、重量,相應(yīng)降低了平臺對其樁腿剛度、強度的要求和對整套升降機械升降能力的要求,平臺所受環(huán)境載荷也隨之減少。(2)兩大分體均具備自浮能力,就位時無需浮吊等輔助作業(yè),且平臺不會出現(xiàn)拔樁困難的問題。其中平臺下體可以利用柱穩(wěn)式平臺設(shè)計技術(shù),保證平臺入水穩(wěn)定性。利用現(xiàn)有技術(shù),在平臺下部增加高度50~60m的平臺下體是現(xiàn)實的,從而可以比較容易地突破目前自升式平臺作業(yè)水深150m的上限,達到200m或更深海域。而對于淺海自升式平臺的深水化改造就更加可行。(3)平臺下體不必受平臺升降功能限制,焊接為一個整體,比相互獨立的樁腿結(jié)構(gòu)性好,不易發(fā)生變形及振動,充分發(fā)揮材料效能,不必使用昂貴的高強度鋼材,且平臺上部位移小,偏心附加應(yīng)力小。2.2平臺體的造價現(xiàn)有淺海自升式平臺,如勝利五號~九號鉆井平臺和勝利三號、四號作業(yè)平臺及中國石油天然氣集團公司新近建造的一些自升式鉆井、作業(yè)平臺,多數(shù)只能在25m以內(nèi)使用。這些平臺配備了齊全的鉆井/作業(yè)設(shè)備,只要能夠在其底部增加一套平臺下體,就可以到50m乃至100m以上海區(qū)作業(yè)。這種底座的剛性容易保證,材料性能要求不高,技術(shù)成熟,造價不會急劇上升。按照目前一般概算,現(xiàn)有的一座60m水深的自升式鉆井平臺造價約為5億元,而一座120m水深自升式平臺造價約為12億元。如果用一座60m水深的自升式平臺加上一個60m高的平臺下體,即制造一座分體坐底自升式平臺,其造價只比現(xiàn)有的60m水深的自升式平臺增加約1.5億元,其前期投資節(jié)省巨大。對現(xiàn)有自升式平臺進行深水化改造,可緩解今后淺海勘探開發(fā)工作量不足而深淺海鉆井裝備能力不足的矛盾,具有現(xiàn)實和潛在的國內(nèi)外應(yīng)用市場。3平臺方面,平臺高、固樁平臺與平臺不穩(wěn)定以上介紹了自升式平臺深水化改造分體模式的總體構(gòu)思,但要具體實施還有很多技術(shù)問題需要解決:(1)上下兩大分體對接過程中,受力大小受海上浪流、平臺下體質(zhì)量、振搖頻率、引導(dǎo)索彈性等影響,決定對接系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。可考慮在引導(dǎo)索與平臺下體之間增加彈簧結(jié)構(gòu),吸收振搖力。(2)海底不平會使平臺存在一定傾斜,從而帶來不安全因素。設(shè)計時可使上部平臺樁腿與固樁區(qū)存在一定間隙,允許樁腿在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),同時還需要確定使用時海床不平度的上限要求。(3)平臺下體下沉入水和起浮出水過程中,需要防止失穩(wěn),可以采取柱穩(wěn)式平臺設(shè)計技術(shù)。由于平臺下體不象柱穩(wěn)式平臺上部帶有甲板及作業(yè)設(shè)備,中心較低,設(shè)計上相對容易保證沉浮穩(wěn)性,但支撐結(jié)構(gòu)太高仍存在沉浮穩(wěn)性設(shè)計難度,可以考慮采用自升式主平臺上附帶的吊車或鉆井井架大鉤輔助下沉。(4)上部平臺壓載能力可能不足,平臺整體壓載需要深化研究。作為組合式平臺,其整體重量大部分是在水下,需要考慮平臺整體預(yù)壓載。可以