自升式钻井平台的发展综述

文章编号:1001-4500(2007)06-0001-06
自升式钻井平台的发展综述
陈　宏1,李春祥2
(1.岸外技术发展有限公司,新加坡629353;2.上海大学,上海200072)
摘　要:简要回顾了自升式钻井平台的发展历程,列举了当前主要深水自升式钻井平台的
参数,最后总结了新一代自升式钻井平台的发展趋势。

关键词:自升式钻井平台;悬臂梁;厚壁钢管节点;齿条锁定系统;RPD;带裙边的桩靴;动力
放大系数
中图分类号: P75 文献标识码:A
1　自升式钻井平台的发展历程
美国人Samuel Lewis早在1869年最先申请了自升式钻井平台专利。

从图1给出的自升式钻井平台的主要发展里程碑可知,直到1954年,世界上第一座自升式钻井平台“德隆1号”(DeLo ng No.1,又称Off2 shore No.51)才问世。

它有10条桩腿,每条桩腿直径1.8m(6ft),长48.8m(160ft),采用了L.B.德隆设计的升降系统。

在“德隆1号”建成后6个月,由Bet hlehem公司设计的第一座沉垫支撑自升式钻井平台“嘎斯先生1号”(Mr.Gus1)建造完毕。

1956年,美国发明家R.G.Le Tourneau(图2)设计的第一座三腿自升式钻井平台“天蝎号”(Zapata Scorpion)建成交付Zapata Off shore公司使用。

美国前总统乔治.布什时任Zapata Off shore总裁,他大胆采用了Le Tourneau创新的桁架式桩腿及齿条和齿轮升降系统的平台设计。

“天蝎号”平台型长56.7m(186ft),型宽45.7m(150ft),桩腿长42.7m(140ft),总重4000t,是独立桩腿式平台,也是现代自升式钻井平台的雏形。

1963年,第一座由Le Tourneau公司[2]设计的斜桩腿式平台“Dixi2 lyn250号”建造完毕。

第一座可在北海常年工作的自升式钻井平台“猎户星座号”(Off shore Orion)于1966年建成。

第一座自航式平台“水星号”(Off shore Mercury)于1969年下水。

这两座平台皆由当前全球最大的海洋钻井承包商Transocean Inc.的前身之一滨海公司(Off shore Company)设计。

收稿日期:2007207224
作者简介:陈宏(1968Ο),男,博士,高级工程师。

主要从事海洋结构工程研究。

图4　波勃.帕尔麦号
随着材料、设计与建造水平的不断进步,自升式
钻井平台的工作水深不断提高(图3)。

2003年建成
的Rowan “波勃.帕尔麦号”(Bob Palmer )是Le 2Tourneau 公司的“Super G orilla XL ”设计型号,它
创下了在墨西哥湾168m (550ft )水深工作的记录(图4),总高度约273m ,已达到金茂大厦总高度的2/3。

据RIGZON E 网站统计,到2002年底,全世界
共有397座自升式钻井平台。

20世纪60年代,中国船舶与海洋工程设计院为中国海洋石油总公司研究设计了国内第一座自升式钻井平台“渤海1号”,由大连造船厂于1971年建造完毕[16]。

2006年5月31日,国内首座122m (400ft )水深自升式钻井平台、总投资逾10亿元人
民币的“海洋石油941”
(美国F &G J U2000E 设计型号)在大连船舶重工集团有限公司建成交付中海油使用。

6月26日,“海洋石油941”在拖船的拖带下驶向南海北部湾进行钻井作业。

11月15日,开钻涠洲11-1油田第一口生产井。

更多的国内进展请参阅文献[17]。

图5　自升式钻井平台术语[2]
2　当前国际上主要深水自升式钻井平台
世界上主要的自升式钻井平台设计公司有,美国的Le Tourneau [2],F &G [3],BASS [4]与BMC [5],荷
兰的MSC [6],日本的三井海洋开发[7]与Hitachi Zo sen 以及法国的CFEM 。

每个公司已经形成多种型号的系列产品。

当前占技术领先地位的是Le 2Tourneau ,MSC 和F &G 。

美国的Le Tourneau 公司是自升式钻井平台设计的先驱,全世界1/3的自升式平台是Le Tourneau 的型号,“116-C ”型号共建造了39艘。

荷兰的MSC 公司设计了一系列自升式钻井平台,工作于超恶劣海况的海域,例如挪威北海与加拿大东海岸。

20世纪80年代初,美国的F &G 公司首次申请了齿条锁定系统(Rack Chock Fixation System )专利,这一创新使得自升式钻井平台能够进入更深与更恶劣海况的海域工作。

F &G 从80年代初推出了L -780系列自升式钻井平台取得了很大的成功,共建造了39艘。

三井海洋开发、Hitachi Zo sen 和CFEM 在最近20多年,既没有新型号平台推出,也没有老型号平台的再建。

不同的海上建筑物,深水的定义是不同的,对于自升式钻井平台来说,水深超过100m (350ft )就属于深水。

据世界主要自升式钻井平台设计公司与海
洋钻井承包商的网站信息[2-15],下表列举了具有代表性的深水自升式钻井平台的关键参数,表中术语参见图5。

目前世界上已建与在建的深水自升式钻井平台约100艘[1]。

值得注意的是,下表和图3中的工作水深皆指平台的入级工作水深。

也就是船级社批准的,对于给定风浪流,平台可变荷载,气隙高度和桩腿入土深度等参数下,平台可以安全工作的最大水深。

由于不同的船级社采用的规范,环境荷载定义,计算参数的选取都有所不同,所以不能按入级工作水深来推断自升式钻井平台承载力的高低。

例如,“玛士基创新者号”(Maersk Innovator)对于北海的入级工作水深是150m,小于“波勃.帕尔麦号”的168m工作水深。

如果“玛士基创新者号”的桩腿加长40m,它可以在墨西哥湾190m(625ft)水深工作,比“波勃.帕尔麦号”多22m。

其中一个主要因素是“玛士基创新者号”的桩腿间距比“波勃.帕尔麦号”大5.3%,这样能更加有效地抵御风浪流引起的基底倾覆力距。

可以对“玛士基创新者号”在南海作业能力作一探讨。

墨西哥湾与南海皆属非恶劣海况的海域,假设极限波高16.8m,气隙高度15.2m,基底土层强度较低,桩腿入土深度14m,工作水深190m,提升系统框架顶部高出船体甲板约12.2m,船体型深11.6m,根据美国自升式钻井平台规程SNAM E[19],桩腿最小剩余长度1.5m,那么桩腿总长是245m(=1.5+12.2+11.6+15.2+190+14)。

“玛士基创新者号”在非恶劣海况190m水深的作业能力,接近了南海油气开发的浅海与深海的200m水深分界点。

表　世界主要深水自升式钻井平台
设计型号F&G
J U-2000E
BMC375
CFEM
T-2005-C
MODEC
400C-35
船名GSF
Constellation I
Awilco
WilPower
Noble
Al White
Transocean
Trident9
建成年份/年2003200619821982
工作水深/m(ft)122(400)114.3(375)110(360)122(400)
极限波高/m(ft)18(60)13.7(45)8.5(28)
波周期/s14.115北海海况12
风速/m/s51.551.544.8
海面流速/m/s0.770.64具体不详 1.54
气隙高度/m(ft)40(12)15.2(50)具体不详
桩腿入土深度/m(ft)3(10)3(10)18(60)
型长/m(ft)70.4(231)72.1(237)74.7(245)75.9(249)
型宽/m(ft)76.2(250)68.4(224)86.3(283)75.0(246)
型深/m(ft)9.5(31)8.5(28)7.6(25)8.5(28)
桩腿中心纵向间距/m(ft)45.7(150)44.3(145)57.0(187)40.2(132)
桩腿中心横向间距/m(ft)47.6(156)47.3(155)65.8(216)46.6(153)
桩腿总长/m(ft)166.9(548)154.4(506)150.6(494)157.9(518)桩靴直径/m(ft)18(59)16.9(55)15.0(49.2)17.5(57.3)最大可变载荷/t(kips)6532(14400)4536(10000)2858(6300)2450(5401)钻深/m(ft)9144(30000)9144(30000)9144(30000)6401(21000)悬臂梁最大悬挑距离/m(ft)22.9(75)21.3(70)13.7(45)13.7(45)
(续上表)
设计型号F&G
L-780Mod V I
MSC
C J62-120S
MSC
CJ70-150MC
Le Tourneau
Super G orilla XL
船名GSF
G alaxy I
Maersk G allant
Maersk
Innovator
Rowan
Bob Palmer
建成年份/年1991199320022003
工作水深/m(ft)122(400)120(394)150(492)168(550)
极限波高/m(ft)26(84)28.5(94)29(95)
波周期/s161616墨西哥湾海况
风速/m/s454049
海面流速/m/s0.79 1.0 1.0具体不详
气隙高度/m(ft)20.7(68)17.8(58.4)24(78.7)
桩腿入土深度/m(ft)3(10) 1.6(5.25)3(9.8)7.6(25)
型长/m(ft)74.4(244)78.2(257)88.8(291)93.3(306)
型宽/m(ft)76.2(250)90.3(296)102.5(336)91.4(300)
型深/m(ft)11.0(36)10.8(35)11.5(38)11.0(36)
桩腿中心纵向间距/m(ft)47.9(157)53.7(176)60.6(199)57.6(189)
桩腿中心横向间距/m(ft)52.7(173)62(203)70(230)66.4(218)
桩腿总长/m(ft)170.7(560)175(575)205(673)217(713)
桩靴直径/m(ft)18.2(59.7)19.5(64.0)21.9(72)20.6(67.6)
最大可变载荷/t(kips)4717(10400)5000(11023)10000(22046)5670(12500)
钻深/m(ft)7620(25000)7620(25000)9144(30000)10668(35000)
悬臂梁最大悬挑距离/m(ft)20.4(67)19.5(64)27.4(90)22.9(75)
3　新一代自升式钻井平台的发展趋势
3.1　悬臂梁与钻井深度
图5给出了自升式钻井平台术语。

F&G J U2000E液压驱动移动式悬臂梁的最大悬挑距离22.9m,钻台在悬臂梁上可移动距离为9.1m,一次定位最多能钻30多口的丛式井。

MSC发明的XY悬臂梁可整体沿纵向与横向移动,最大悬挑距离27.4m,横向可移动距离19.8m,一次定位最多能钻56口井。

通过优化设计,自重减轻20%,在悬臂梁整个移动范围内,可承受1400t可变载荷力。

随着泥浆泵,钻机绞车能力的提高与顶部驱动的应用,自升式钻井平台的最大钻深能力已达10668m(35000ft)。

悬臂梁的另一重要发展是由Le Tourneau公司最先提出与实现的可脱离式(Skid Off)技术,即悬臂梁伸出钻井船体艉部,移到导管架平台,然后脱离自升式钻井平台,最后坐落到导管架平台顶部进行钻井作业。

此技术使得自升式钻井平台可以在风暴情况下,更安全与高效地进行钻井作业,但对悬臂梁的设计、分析与施工提出更高要求。

3.2　桩腿
新一代自升式钻井平台多采用超高强度钢、大壁厚、小管径壁厚比的主弦管与支撑管,以减小水阻力与波浪载荷。

一般采用具有高强度、高刚度的“X”与逆“K”型管节点,并减少节点数量。

在逆“K”型水平撑管上多采用叠加式节点,以提高节点抗剪强度。

图4中“波勃.帕尔麦号”采用了逆“K”式支撑管型式,图6中
图6　MSC C J 70平台生活区的设计[6]
MSC CJ 70采用了“X ”式支撑管型式。

大连船舶重工集团公司,在建造国内首座122m (400ft )水深钻井平台时,依靠自主创新,经过了一年多上千次的实验、分析,成功解决了桩腿中690M Pa 屈服强度178mm 厚的主弦管齿条板的焊接、探伤等一系列的工艺和建造技术。

目前各国海洋结构规范中钢管节点的强度公式,主要适用于具有大管径壁厚比的导管架海洋平台,对于自升式钻井平台的主弦管与支撑管节点并不精确,已有学者对厚壁钢管节点的强度展开研究[18]。

超高强度钢更易产生疲劳破坏,在节点构造上要给予重视。

3.3　RPD (Rack Phase Difference )
自升式钻井平台到达钻井场地,必须进行插桩与预压作
业程序。

如果基底不平整、土层强度较低、或者强度不均匀,
导致桩靴快速插入平台倾斜或桩腿偏心受压而产生侧向移
动,进而在船体底部的桩腿横截面产生很大弯距。

在预压作业程序时,船体由齿轮升降系统提升,每个齿轮上的力比较均匀。

由于桩靴侧向力产生的桩腿弯距,主要被提升系统框架顶部的上导向板与船体底部的下导向板形成的力偶所平衡,进而在支撑管产生较大轴压力。

采用齿条锁定系统的新一代自升式钻井平台的支撑管管径,相对于不采用齿条锁定系统的平台有所减小,以减小水阻力、增加工作水深,这样支撑管更易在轴压力作用下屈曲。

RPD (Rack Phase Difference )指的是,两相邻主弦管的具有相同标高的齿条板相对于提升系统框架顶部的竖向位移的绝对差值,一条桩腿上的最大RPD 与支撑管的轴压力是紧密相关的。

根据OilOnline 网站,F &GJ U -2000E 的极限RPD 是203mm (8in )。

超过此值,支撑管将会屈曲。

所以F &GJ U -2000E 上安装了RPD 监视系统,一旦RPD 超越76mm (3in ),监视系统发出警告,船体升降操作必须停止,随后要按操作规程调整升降系统齿轮的扭距,使船体恢复水平,以减小支撑管的轴压力,然后方可再进行船体升降操作。

BMC375上也安装了类似的监视系统。

3.4　工作水深
自升式钻井平台的工作水深得以不断增加,主要基于两个方面的原因。

首先在结构上,采用高强度、高刚度重量比、低水阻力的桩腿设计。

安装齿条锁定系统,用桩腿主弦管轴向力形成的力距,来主要地平衡由环境荷载产生的作用于船体底部的桩腿横截面弯距,减小支撑管轴向力,减小支撑管管径。

“玛士基创新者号”的船体宽达102.5m ,桩腿间距大,更加有效地抵御风浪流引起的基底倾覆力距,降低桩腿基地反力。

对于北海大部分海底是较好地基的情况,“玛士基创新者号”采用了带2.5m 高裙边的桩靴,增加了地基对桩腿的转动固结度,降低自振周期,使结构远离波浪峰值周期,降低动力效应。

另一方面,波浪理论和随机振动理论的发展,使得能够更加精确地计算由于随机波浪作用而产生的动力效应。

SNAM E 规定,可以采用单自由度法、频域法和时域法求解动力放大系数(DA F -Dynamic Amplifica 2tion Factor )。

单自由度法运用简单快速,但适用范围有限,对某些范围精度较低。

频域法必须对结构和波浪载荷作线性化修正,计算精度好于单自由度法,计算效率高于时域法。

时域法可以统一考虑结构非线性、结构与地基的相互作用及波浪载荷的非线性效应,计算精度最高,但计算量也最大。

SNAM E 考虑的随机波浪是作用在一个平面里的,而实际上波浪是沿着海面扩散的。

最近,Smit h 等[20]考虑了波浪的扩散效应,应用时域法对动力放大系数作更精确的计算,以提高自升式钻井平台的工作水深。

3.5　平台船体设计
自升式钻井平台的船体采用模块化设计与施工,加大甲板主尺寸和作业面积,增大可变载荷和钻井物资储放能力,延长在偏远恶劣海域作业的自持力。

将平台生活区移到船艏,采用挑出式与包络式设计(图6),
既可减少悬臂梁钻井作业发生事故时,对船员造成的伤害,也可以腾出甲板中部空间给作业堆料。

另一方面,悬臂梁悬挑作业时,会将平台整体重心往船艉移动。

平台生活区的前移,可以减少平台重心的后移量,减少左舷与右舷桩腿轴力的增加量。

4　结论
自升式钻井平台在经历半个多世纪发展后,在工作水深、抗风暴能力、可变载荷、钻井能力和操作性能等方面取得了巨大进步。

它可以用来进行常规水面完井、钻海底井,也可以用来完成钻井以外的作业,例如安装导管架平台和上部模块、安装岸外风力发电机、河口导堤建设的抛石和整平工作。

利用自升式钻井平台进行安装工作可以降低成本、加快工作进程和灵活性、减少风险。

自升式钻井平台也发展成移动式采油平台,用来开采边际油田,使之能重复使用,降低固定式平台的成本。

随着海洋石油开发需求的进一步增长,自升式钻井平台可以在满足经济性的前提下,向更深水域发展。

参考文献
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[14]　Rowan Companies Inc.
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INTROD UCTION OF DEVE LOPMENT IN JACK-UP
D RILL ING PLATFORM
CHE N H ong1,LI Chunxiang2
(1.Off shore Tech.Dev.Pte Lt d,Singapore629353;
2.Depart ment of Civil Engineering,Shanghai U niversity,Shanghai200072,China) Abstract:　The historic develop ment of jack-up drilling platforms is briefly presented,t hen t he major models of deep water jack-up s are listed,and finally t he innovations in deep water jack-up s are summa2 rized.
K ey w ords:　jack-up,cantilever,t hick-walled t ubular joint,rack chock fixation system,RPD,skirted sp udcan,DA F。