諸國(guó)華 馬網(wǎng)扣
(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011; 2.中船郵輪科技發(fā)展有限公司 上海 200137)
自升式鉆井平臺(tái)具有定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),是目前使用最廣泛的移動(dòng)式鉆井平臺(tái)[1-2]。盡管目前海洋油氣生產(chǎn)正逐步走向深水,但深水油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大、生產(chǎn)成本高,而且需要遠(yuǎn)距離輸送[3],因此,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),海洋油氣生產(chǎn)仍以淺水為主,作業(yè)水深100 m以上的高規(guī)格自升式鉆井平臺(tái)仍有很大的市場(chǎng)需求。近年來(lái),我國(guó)船企陸續(xù)建造了一批深水自升式鉆井平臺(tái),國(guó)內(nèi)三大石油公司也陸續(xù)裝備了10多條深水自升式鉆井平臺(tái),但這些平臺(tái)一般都采用國(guó)外的基本設(shè)計(jì),真正的自主品牌少之又少。因此,亟需開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高規(guī)格深水自升式鉆井平臺(tái),這既是國(guó)家能源戰(zhàn)略的需要,也是提升我國(guó)海工裝備制造核心競(jìng)爭(zhēng)力的需要[4-6]。
SJ350型鉆井平臺(tái)是我國(guó)自主研發(fā)的高規(guī)格自升式鉆井平臺(tái),設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深106.7 m,最大鉆井深度10 668 m,大鉤載荷907 t。本文詳細(xì)介紹了該船型的主尺度和總體布置,進(jìn)行了設(shè)計(jì)環(huán)境條件、拖航穩(wěn)性、抗傾穩(wěn)性、拖船海況限制條件、插樁性能等關(guān)鍵總體性能分析校核,并開(kāi)展了風(fēng)洞試驗(yàn)及水池試驗(yàn),從而為該船型的穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
SJ350采用三角箱形主船體,船體長(zhǎng)70 m,寬66 m,型深8.5 m。主船體內(nèi)左右距中9 m各設(shè)1道邊縱艙壁,設(shè)4道橫艙壁及2層平臺(tái),其中機(jī)械甲板距基線1.8 m,中間甲板距基線5.15 m。V型生活樓位于主船體首部,共4層,層高均為3 m,能滿足120人生活居住。輕型懸臂梁位于主船體中后部,長(zhǎng)51.8 m、寬18 m、高7.5 m,最大外伸距離22.86 m,最大組合載荷1 360 t。鉆臺(tái)位于懸臂梁后端頂部,左右最大滑移距離±4.57 m。3根自帶樁靴的X型桁架式樁腿分別位于主船體首部、尾部左舷和右舷,樁腿總長(zhǎng)149 m,縱向間距44 m,橫向間距48 m。SJ350整體外形如圖1所示。SJ350的主甲板上共設(shè)左、中、右等3個(gè)管子堆場(chǎng),堆場(chǎng)總面積520 m2。共設(shè)3臺(tái)電-液驅(qū)動(dòng)甲板吊,尾部1臺(tái)主鉤吊質(zhì)量為35 t,首部2臺(tái)主鉤吊質(zhì)量為50 t,主鉤最大吊距均為40 m。主甲板四角各設(shè)1臺(tái)定位錨絞機(jī)。
圖1 SJ350外形圖Fig.1 Outline drawing of SJ350
SJ350的主船體內(nèi)3個(gè)圍井區(qū)和船體周界均為預(yù)壓載艙。機(jī)械甲板上設(shè)有機(jī)艙、輔機(jī)艙、變壓器艙、空壓機(jī)艙、泥漿泵艙、袋裝品庫(kù)、泥漿池、灰罐艙等,中間甲板上設(shè)配電板間、變頻器間、倉(cāng)庫(kù)、重型工具間、橡膠品庫(kù)、設(shè)備艙等,雙層底內(nèi)設(shè)燃油艙、淡水艙、鉆井水艙、基油艙、鹽水艙、雨水泄放艙等。機(jī)艙內(nèi)設(shè)5臺(tái)1 800 k W柴油發(fā)電機(jī)組,泥漿泵艙內(nèi)設(shè)3臺(tái)1 615 k W、51.7 MPa(7 500 psi)高壓泥漿泵。
SJ350的生活樓艙室居住條件滿足UK HSE標(biāo)準(zhǔn),生活樓整體用作臨時(shí)避難所。生活樓將住宿區(qū)與生活區(qū)分開(kāi)布置,以盡量保持住艙的安靜。住宿區(qū)位于生活樓的左側(cè),內(nèi)設(shè)6個(gè)單人間,57個(gè)雙人間。生活樓右側(cè)布置廚房、餐廳、冷庫(kù)、更衣室、洗衣間、醫(yī)院、休息室、娛樂(lè)室、健身房、會(huì)議室、辦公室、儲(chǔ)藏室等公共服務(wù)艙室。無(wú)線電室和升降控制室位于生活樓頂部。生活樓前部設(shè)1個(gè)直升機(jī)甲板,能起降S61N/S92A機(jī)型。
SJ350采用比較有特色的縱向滑移輕型懸臂梁設(shè)計(jì),固控設(shè)備、固井設(shè)備、錄井設(shè)備布置在主甲板上,而不隨懸臂梁移動(dòng),從而有利于降低懸臂梁自重,增加鉆井組合載荷。懸臂梁為開(kāi)敞式門(mén)型結(jié)構(gòu),內(nèi)部左右側(cè)各設(shè)一層平臺(tái),布置BOP控制單元、馬達(dá)控制單元、撇油柜、計(jì)量泵等。月池區(qū)設(shè)一層甲板,用于布置套管張力系統(tǒng)、BOP運(yùn)送系統(tǒng)。懸臂梁頂部設(shè)300 m2的管子堆場(chǎng)、1套20 t貓道機(jī)、1臺(tái)3.5 t運(yùn)管折臂吊。
SJ350的鉆臺(tái)自動(dòng)化程度高,司鉆房視野良好,設(shè)雙鼠洞實(shí)現(xiàn)離線接單根來(lái)提高鉆井效率。井架高度54.5 m,底部橫向跨距13.4 m,縱向跨距12.2 m。SJ350的樁腿弦管間距11 m,齒條板厚度165 mm。多邊形樁靴截面積170 m2,最大對(duì)地均布?jí)毫?9 t/m2。樁靴底部設(shè)1 m高的小尖錐,特別適合硬質(zhì)地基的插樁作業(yè)。齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動(dòng),共54個(gè)小齒輪,最大升降能力15 120 t。
表1詳細(xì)列舉了SJ350與國(guó)際主流的106.7 m最大作業(yè)水深自升式鉆井平臺(tái)船型的比較,可以看出,SJ350的主要性能指標(biāo),包括鉆井深度、大鉤載荷、可變載荷、懸臂梁組合載荷、井位覆蓋范圍、環(huán)境條件、定員、升降能力等已達(dá)到或超過(guò)同類國(guó)際主流品牌船型。
表1 SJ350與國(guó)際主流自升式鉆井平臺(tái)的比較Table1 Contrast of SJ350 with international famous jack-up drilling units
ABS規(guī)范要求至少按50年一遇的重現(xiàn)期來(lái)確定SJ350自存工況的設(shè)計(jì)環(huán)境條件,并且風(fēng)、浪、流同時(shí)同向出現(xiàn),風(fēng)速不低于51.4 m/s。北海是世界主要海上油氣產(chǎn)區(qū)之一,也是自升式鉆井平臺(tái)利用率和日費(fèi)率最高的海域之一。北海南部靠近英國(guó)、荷蘭、丹麥的海區(qū)處于大陸架上,水深特別適合自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)。但受冬季風(fēng)暴的影響,北海風(fēng)大浪高,是深水自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要參考海況。
基于北海的氣象資料,該海域的風(fēng)速和波高均呈現(xiàn)北面大、南面小的特點(diǎn)。北海南部50年回歸期、海面以上10 m高度的1 h平均風(fēng)速為34 m/s,折合成1 min平均風(fēng)速為40 m/s。北海南部50年回歸期的有義波高為9 m,對(duì)應(yīng)的波高極值為有義波高的1.75倍,即15.75 m。另外,北海南部50年回歸期的1 h平均風(fēng)暴潮流速為0.6 m/s。綜合規(guī)范要求和北海海況,最終確定SJ350自存工況下的設(shè)計(jì)環(huán)境條件(表1)。
SJ350依靠拖船拖帶調(diào)遣,裝載多變。綜合完整和破艙穩(wěn)性確定不同吃水下滿足穩(wěn)性要求的許用重心高度(AVCG),拖航配載時(shí)實(shí)際重心高度小于同吃水的AVCG即可。
對(duì)于自升式平臺(tái)直壁船型,拖航時(shí)將樁靴清空能降低吃水,增加干舷,對(duì)提高穩(wěn)性極為有利[4]。但深水自升式平臺(tái)樁靴的體積龐大,將壓載水完全排空費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外,也有部分自升式平臺(tái)在拖航時(shí)將樁腿下放一段或從頂部截去一段,以降低重心,減小風(fēng)傾力矩,提高拖航穩(wěn)性;但樁腿下放會(huì)造成拖航阻力增加較大,航道淺時(shí)樁腿還有觸底的風(fēng)險(xiǎn),而且將樁腿截去一段拖航到作業(yè)地點(diǎn)再連接的方案代價(jià)高昂,可操作性差[6]。
SJ350拖航時(shí)樁腿完全回收至主船體內(nèi),樁腿既不下放也不截短,樁靴滿載,無(wú)需清空。SJ350拖航穩(wěn)定性計(jì)算使用NAPA軟件,風(fēng)傾力矩由風(fēng)洞試驗(yàn)確定,進(jìn)水點(diǎn)按照?qǐng)D2所示的外部水密和風(fēng)雨密邊界取值,確定油田拖航和遠(yuǎn)洋拖航在各個(gè)吃水下的許用重心高度,如圖3所示。
圖2 SJ350外部水密和風(fēng)雨密邊界(半寬)Fig.2 External watertight and weathertight border of SJ350(half-width)
圖3 SJ350拖航許用重心高度曲線Fig.3 AVCG curve of SJ350 towing condition
表2 SJ350典型遠(yuǎn)洋拖航裝載工況Table2 Typical ocean towing loadingcondition of SJ350
表3 SJ350抗傾穩(wěn)性校核Table3 Overturning stability check of SJ350
站立工況下,SJ350應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力,即抗傾穩(wěn)性。抗傾穩(wěn)性通過(guò)抗傾安全系數(shù)Kq來(lái)表示,即
式(1)中:MF為抗傾復(fù)原力矩,N·m;Mq為傾覆力矩,N·m。
為了保守起見(jiàn),計(jì)算MF時(shí)不考慮土壤給予平臺(tái)的任何有利效應(yīng),如粘聚力、吸附力、拔樁力等,應(yīng)考慮裝載和安裝的最不利偏心的影響。Mq應(yīng)包括風(fēng)、浪、流引起的傾覆力矩、動(dòng)力放大效應(yīng)引起的傾覆力矩以及P-Δ效應(yīng)引起的二次彎矩的同向疊加[7]。
SJ350抗傾穩(wěn)性校核時(shí),按規(guī)范假定50%的可變載荷,MF計(jì)算時(shí)考慮了重心縱向0.50 m和橫向0.25 m的不利偏心的影響。SJ350抗傾穩(wěn)性的傾覆軸定義如圖4所示。
圖4 SJ350坐標(biāo)系和傾覆軸定義Fig.4 Definition of coordinate system and overturning axis of SJ350
SJ350抗傾穩(wěn)性校核結(jié)果如表3所示,經(jīng)計(jì)算,SJ350抗傾安全系數(shù)Kq均大于ABS規(guī)范要求的1.1,滿足規(guī)范要求。
SJ350拖航時(shí)樁腿完全回收至主船體內(nèi),高聳的樁腿受到慣性力、風(fēng)力和自身重力的作用。如果海況惡劣,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)大,會(huì)在樁腿底部約束處產(chǎn)生較大的彎矩而造成樁腿損壞,或發(fā)生直升機(jī)甲板入水砰擊,因此須對(duì)SJ350拖航時(shí)的海況條件加以限制。
SJ350的典型遠(yuǎn)洋拖航裝載工況如表2所示,計(jì)算結(jié)果顯示考慮自由液面影響后的實(shí)際重心高度為19.61 m,初穩(wěn)性高余量為4.90 m,滿足規(guī)范要求。
有義波高Hs與平均跨零周期Tz的關(guān)系可按百年一遇極限波陡公式推算,即
式(2)中,Hs最大不超過(guò)16 m。設(shè)計(jì)波波高H取3 h短期預(yù)報(bào)(1/1 000超越概率)的波高極值,即Hmax=1.86Hs。SJ350拖航時(shí)直升機(jī)甲板的靜氣隙為18.9 m,考慮1.5 m的氣隙余量,則允許的直升機(jī)甲板與波面間的最大垂向相對(duì)位移為17.4 m。由平臺(tái)的水池運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)提取各個(gè)周期、各浪向下單位波高的最大垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而推算出滿足氣隙限制的最大允許Hmax和Hs。
SJ350樁腿在上導(dǎo)向處的彎矩按下式計(jì)算:
式(3)中:MW為風(fēng)傾力矩,風(fēng)速20 m/s對(duì)應(yīng)的MW=10.3 MN·m,該值由風(fēng)洞試驗(yàn)確定;MI為橫搖或縱搖引起的慣性力彎矩,MN·m;MG重力垂向分量引起的彎矩,MN·m。
SJ350橫搖或縱搖引起的慣性力彎矩按下式計(jì)算:
式(4)中:h1為上導(dǎo)向高度,取值16.8 m;h2為樁腿高度,取值149 m;m為樁腿單位長(zhǎng)度質(zhì)量,取值8.06 t/m;θm為最大橫搖或縱搖角,(°);T為波浪周期,s。
SJ350樁腿重力分量引起的彎矩按下式計(jì)算:
式(5)中:g為重力加速度,m/s2。
已知SJ350上導(dǎo)向處的許用彎矩為390 MN·m。由平臺(tái)的水池運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)提取各個(gè)周期下單位波高的最大橫搖或縱搖角,進(jìn)而推算出滿足樁腿強(qiáng)度限制的最大允許Hmax和Hs。
圖5給出了直升機(jī)甲板氣隙、樁腿強(qiáng)度、極限波陡公式各自對(duì)應(yīng)的Hs許用值曲線。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,SJ350拖航時(shí)的海況條件由樁腿強(qiáng)度最終限制,最大Hs=5.3 m;綜合規(guī)范要求的拖航海況條件,實(shí)取Hs=5 m。
圖5 拖航時(shí)的許用波高曲線Fig.5 Allowable wave height curve of towing condition
自升式平臺(tái)插樁過(guò)深時(shí)有2個(gè)弊端:一是氣隙不能保證,影響站立狀態(tài)下的安全;二是拔樁困難,影響平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性。自升式平臺(tái)的插樁深度主要取決于樁靴對(duì)地壓力和地基承載力2個(gè)因素,樁靴對(duì)地壓力越大,入泥越深。地基承載力越小,入泥也越深;自升式平臺(tái)作業(yè)地點(diǎn)靈活多變,會(huì)面臨各種地質(zhì)條件及相應(yīng)的地基承載力,因此在每次插樁作業(yè)前都要詳細(xì)勘察地質(zhì)資料以確定樁深度,避免發(fā)生穿刺。換言之,具有普遍適用性的樁靴設(shè)計(jì)是不存在的[8]。
SJ350采用大樁靴設(shè)計(jì)以降低對(duì)地壓力,樁靴的最大對(duì)地均布?jí)毫?9 t/m2,小于CJ46-X100-D的53 t/m2的指標(biāo)。初步選擇我國(guó)沿海某井位海底地質(zhì)資料(表4),按《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》的方法[9]進(jìn)行SJ350插樁分析,分析時(shí)未考慮土體回填,最終計(jì)算得到SJ350樁靴入泥深度與地基承載力的關(guān)系曲線如圖6所示。根據(jù)圖6,SJ350的安全插樁深度為9.9 m,最大極限承載力為82.39 t/m2,由此可以算出穿刺安全系數(shù)為1.68,大于規(guī)范要求的穿刺相對(duì)安全系數(shù)1.50。若再進(jìn)一步考慮最大作業(yè)水深、安全氣隙,升樁室頂部之上的樁腿長(zhǎng)度不低于1.5 m,滿足作業(yè)要求。
表4 中國(guó)沿海某井位海底地質(zhì)資料Table4 Seabed geological data of a well location off the coast of China
圖6 SJ350樁靴入泥深度與地基承載力關(guān)系曲線Fig.6 Relation between spudcan penetration depth and seabed bearing capacity of SJ350
SJ350上結(jié)構(gòu)物、設(shè)備眾多,生活樓、甲板室、樁腿、懸臂梁、鉆臺(tái)、井架等之間存在遮蔽,遮蔽程度又因風(fēng)向而異。規(guī)范計(jì)算、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)是3種常用的確定風(fēng)載荷的方法,其中風(fēng)洞試驗(yàn)精度最高,但代價(jià)也最高[10-11]。SJ350采用風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)確定風(fēng)載荷,從而合理評(píng)估穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)等性能,優(yōu)化船型設(shè)計(jì)。SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P桶?∶150的縮尺比制作,拖航工況下,風(fēng)向角0°~360°,間隔15°,平臺(tái)吃水4~6 m,間隔1 m;站立工況下,風(fēng)向角0°~360°,間隔15°,氣隙15.2、22.86 m和懸臂梁外伸4.57、22.86 m的組合,該工況下的試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D7所示。
通過(guò)在風(fēng)洞工作段前方適當(dāng)設(shè)置尖劈和地面粗糙元(圖8),以獲得所要求的風(fēng)速剖面和紊流結(jié)構(gòu)。風(fēng)速剖面指數(shù)律模型為
式(6)中:U0為海面以上10 m高度的1 h平均風(fēng)速,m/s;z為距海面的剖面高度,m。
圖7 SJ350站立工況下風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P虵ig.7 Wind tunnel test model of SJ350 in standing condition
圖8 SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)尖劈和地面粗糙元設(shè)置Fig.8 Layout of wedge and floor roughness element for SJ350 wind tunnel test
圖9為SJ350站立工況下的試驗(yàn)?zāi)P桶惭b示意圖,模型的水面以上部分位于轉(zhuǎn)盤(pán)之上,轉(zhuǎn)盤(pán)與模擬海平面的地板間留有轉(zhuǎn)動(dòng)間隙;模型安裝在六分量應(yīng)變測(cè)力天平上,模型的漂心與天平坐標(biāo)原點(diǎn)在同一垂直線上;測(cè)力天平安裝在與轉(zhuǎn)盤(pán)相連的支座上,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)支座可實(shí)現(xiàn)不同的風(fēng)向角。
圖9 SJ350站立工況下風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P桶惭b示意圖Fig.9 Sketch of wind tunnel test model installation of SJ350 in standing condition
表5 SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)所得風(fēng)載荷試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較(站立工況,風(fēng)速25.7 m/s)Table5 Contrast of wind load test value and theorial calculation value in SJ350 wind tunnel test(standing condition,wind speed 25.7 m/s
表5列出了風(fēng)速25.7 m/s、氣隙15.2 m、懸臂梁外伸4.6 m的站立工況下,SJ350風(fēng)載荷的試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較,可以看出:各個(gè)風(fēng)向角下風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)載荷均小于理論計(jì)算值,風(fēng)力最大相對(duì)誤差為29.1%,風(fēng)傾力矩最大相對(duì)誤差32.3%;風(fēng)向角180°和0°時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)力相差不大,但風(fēng)向角180°時(shí)的風(fēng)傾力矩卻要比0°時(shí)大出23%,這是因?yàn)轱L(fēng)向角180°時(shí)直升機(jī)甲板處于迎風(fēng)面,甲板下方發(fā)生氣流堵塞,對(duì)甲板產(chǎn)生垂向升力,從而加大了風(fēng)傾力矩。其余站立工況和飄浮工況的規(guī)律相似,只是相差程度不同。
SJ350的直升機(jī)甲板不宜設(shè)置過(guò)高,否則對(duì)控制生活樓規(guī)模、降低受風(fēng)面積和重心高度不利。SJ350采用水池試驗(yàn)來(lái)確保直升機(jī)甲板的高度設(shè)置合理,拖航狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生入水砰擊。SJ350水池試驗(yàn)?zāi)P筒捎?∶50的縮尺比制作,如圖10所示,并在圖11所示的3個(gè)位置布置浪高儀。
圖10 SJ350拖航狀態(tài)下的水池試驗(yàn)?zāi)P虵ig.10 Pool test model of SJ350 at towing condition
圖11 SJ350直升機(jī)甲板氣隙試驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)Fig.11 Measure points of heli-deck airgap test in SJ350
試驗(yàn)時(shí)首先在水池中造流,待流剖面達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)期剖面后啟動(dòng)造風(fēng)系統(tǒng),待風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后下達(dá)造波指令開(kāi)始造波。SJ350直升機(jī)甲板氣隙水池試驗(yàn)的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件為:風(fēng)向角180°、165°、150°,波浪譜JONSWAP,有義波高5 m,譜峰周期為9.5 s,峰值系數(shù)為2.4,風(fēng)速20 m/s,流速0.51 m/s。
表6列出了SJ350直升機(jī)甲板氣隙水池試驗(yàn)結(jié)果,最小氣隙為0.46 m,出現(xiàn)在迎浪時(shí)甲板的首部中間位置。總體來(lái)看,SJ350直升機(jī)甲板的高度設(shè)置合理,拖航時(shí)既不會(huì)發(fā)生入水砰擊,氣隙又不至過(guò)于保守。
表6 SJ350直升機(jī)甲板氣隙試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of SJ350 heli-deck airgap test m
本文詳細(xì)介紹了我國(guó)自主研發(fā)的SJ350型自升式鉆井平臺(tái)的主尺度和總體布置,分析了其整體性能,并開(kāi)展了風(fēng)洞試驗(yàn)及水池試驗(yàn),結(jié)果表明SJ350的主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了同類型國(guó)際主流品牌船型。目前該船型的基本設(shè)計(jì)已通過(guò)ABS的審查認(rèn)證,并取得了ABS的原則認(rèn)可證書(shū),其船級(jí)符號(hào)為“ABS+A1 Self-Elevating Drilling Unit”。當(dāng)然,要把SJ350真正建成一個(gè)優(yōu)秀船型,還需對(duì)其開(kāi)展更深入的設(shè)計(jì)分析及論證,通過(guò)實(shí)船建模和使用驗(yàn)證來(lái)優(yōu)化改善該船型的具體細(xì)節(jié)。