海洋石油平台课程设计

《海洋石油平台设计》课程设计
目录
第一章综述 (1)
1.1 平台概述 (1)
1.1.1 海洋平台的分类 (1)
1.1.2海洋平台结构的发展历史及现状 (3)
1.1.3海洋平台结构的发展趋势 (6)
1.2 海洋环境荷载 (7)
1.2.1海风荷载 (7)
1.2.2海流荷载 (8)
1.2.3波浪荷载 (9)
1.2.4海冰荷载 (10)
1.2.5地震作用 (11)
1.3 ANSYS软件介绍 (12)
1.3.1 ANSYS 的发展历史 (12)
1.3.2 基本功能 (13)
1.3.3分析过程 (15)
第二章导管架平台整体结构分析 (21)
2.1 导管架平台简介 (21)
2.2 平台整体模型建立 (21)
2.2.1工程实例基本数据: (21)
2.2.2平台几何模型的建立 (22)
2.3、波流耦合作用下导管架平台整体结构静力分析 (31)
2.3.1结构整体静力分析 (31)
2.3.2 静力结果分析 (34)
2.4 导管架平台整体结构模态分析 (38)
2.4.1结构模态计算 (38)
2.4.2观察模态分析结果 (39)
2.5 波浪作用下平台结构瞬态动力分析 (45)
2.5.1瞬态动力分析 (45)
2.5.2动力分析结果处理 (49)
第三章平台桩腿与海底土相互作用模拟 (55)
3.1 基础数据 (55)
3.2前处理过程 (56)
3.3静力求解计算 (62)
3.4 结构模态分析 (70)
第四章总结 (77)
第一章综述
1.1 平台概述
海洋平台是一种海洋工程结构物,它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。

随着海洋开发事业的迅速发展,海洋平台得到了广泛的应用,如海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、海洋波浪能的利用、建造海上机场及海上工厂等。

目前应用海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探与开发。

用于海上油气资源勘探与开发的洋平台按功能划分主要分为钻井平台和生产平台两大类,在钻井平台上设有钻井设备,在生产平台上则设有采油设备。

若按结构型式及其特点来划分,海洋平台大致可分为三大类固定式平台、移动式平台和顺应式平台。

1.1.1 海洋平台的分类
1.固定式平台
固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底,目前用于海上石油生产阶段的大多数是固
定式平台,它又可分为桩式平台和重力式平台两个类别。

桩式平台通过打桩的方法固定于海底,其中的钢质导管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台；而重力式平台则是依靠自身重量直接置于海底,这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础沉箱,由三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构。

2.移动式平台
移动式平台是一种装备有钻井设备,并能从一个井位移到另一个井位的平台,
它可用于海上石油的钻探或生产。

移动式平台可分为坐底式平台、自升或平台、钻井船和半潜式平台四个类别。

坐底式平台一般用于水深较浅的海域,工作水深通常在60米以内；自升式平台具有能垂直升降的桩腿,钻井时桩腿着底,平台则沿桩腿升离海面一定高度,移位时平台降至水面,桩腿升起,平台就像驳船可由拖轮把它拖移到新的井位。

自升式平台的优点主要是所需钢材少,造价低,在各种情况下都能平稳地进行钻井作业,缺点是桩长度有限,使它的工作水深受到限制,最大的工作水深约在120米左右；钻井船是在船中央设有井孔和井架,它靠锚泊系统或动力定位装置定位于井位上。

它漂浮于水面作业,能适应更大的水深,同时它的移动性能最好,便于自航。

但由于它在波浪上的运动响应大,稍有风浪就会引起很大的运动,使钻井作业无法再进行下去,风浪更大时船还得离开井位,这是钻井船得不到大发展的主要原因；半潜式平台是由坐底式平台演变而来的,它上有平台甲板,在水面以上不受波浪侵袭,下有浮体,沉于水面以下以减小波浪的扰动力,连接于其间的是小水线面的立柱。

由于半潜式平台具有小的水线面面积,使整个平台在波浪中的运动响应较小,因而它具有出色的深海钻井的工作性能。

半潜式平台可用锚泊定位和动力定位,锚泊定位的半潜式平台一般适用于200~500米水深的海域。

3.顺应式平台
顺应式平台是一种适于深海作业的海洋平台,它在波浪作用下会产生水平位移。

顺应式平台又可分为张力腿式平台和牵索塔式平台两个类别。

张力腿式平台的上部类似于半潜式平台，整个平台是通过张力腿（实为系泊钢管或钢索）垂直向下固定于海底,它是一种新开发的深海平台,与导管架平台相比,导管架平台的
造价与水深关系大致呈指数关系增加,而张力腿式平台的造价则随水深的增加变化较小。

此外,由于每个张力腿都有很大的预张力,因此张力腿式平台在波浪中的运动幅度远小于半潜式平台；牵索塔式平台由甲板、塔体和牵索系统三部分组成。

塔体是一个类似于导管架的空间钢架结构,牵索则围绕着塔体对称布置,牵索系统可以吸收由外力产生的能量以保证塔体的运动幅度在规定的范围内。

1.1.2海洋平台结构的发展历史及现状
海洋平台的建造历史可以追溯到1887年在美国加里福尼亚所建造的第一座用于钻探海底石油的木质平台。

而钢质导管架平台则是在1947年首次出现于墨西哥湾6米水深的海域,此后,海洋平台得到了迅速发展。

到1978年,钢质导管架平台的工作水深已达312米,而不久前高度为486米的巨型导管架平台也已安装于墨西哥湾411米水深的海域。

第一座坐底式平台是1949年在墨西哥湾钻井的“环球40号”。

在50年代建造了近30座坐底式平台。

50年代末,坐底式平台的工作水深已达到27.43米（90英尺）。

1963年出现了一座大型坐底式平台,其工作水深达53.34米（175英尺）。

此后10年中,坐底式平台没有发展。

直到1973~1974年间,由于原油价格暴涨,人们对适合于水深小于30米的浅水区工作的坐底式平台的需求再一次表现出来,于是在70年代后半期又建造了一些坐底式平台,此后又趋冷落。

由于我国有大片的浅水及海滩地区需要勘探开发,在所采用的钻探装备中,坐底式平台占有重要的地位。

1979年建成并投入使用的“胜利一号”坐底式平台是我国设计、制造的第一座坐底式平台,它的作业水深范围为2~5米。

为了适应在不同水深范围内钻井,1954年出现了第一座自升式钻井平台——
“加里福尼亚号”。

到1960年,大约有30座自升式平台在使用中,最大工作水深约50~60米。

60年代，自升式平台不仅在数量上大为增加,而且在结构上也得到了不断的改进,到60年代末,自升式平台的工作水深已达到91.44米（300英尺）。

在70年代,为了满足全世界勘探的需要,自升式钻井平台的数量迅速增加,到70年代末,自升式钻井平台占移动式钻井装置的总数的一半。

而到了1985年,此比例已达到60%，自升式钻井平台的最大工作水深已达137.16米（450英尺）。

1962年出现的第一座半潜式平台是由一带有稳定立柱的坐底式平台改建而成,60年代共建造了大约30座半潜式平台。

半潜式平台的数量在70年代迅速增加,设计重点表现在自推进、动力定位、恶劣海况、更大的工作水深（1830米）及更大的钻井深度（9144米）。

在此期间,运动补偿装置的使用提高了钻井效率。

80年代,半潜式平台的最大工作水深能力为3048米,半潜式平台已开创了在北纬60°以北的北海海域钻井的记录。

自1973年北海建成第一座棍凝士重力式平台Ekofisk Tank平台后,相继又有20余座混凝土重力式平台投人使用。

混凝土重力式平台的安装水深也在逐渐增大,由最初的70米水深已发展到305米水深（1995年安装的Troll平台）。

张力腿平台的研究始于1954年，R·O·Marsh Jr.首先提出了张力索组平台概念。

从1954年到70年代末期,基本上各国学者都致力于理论与实验的概念性的研究。

70年代末期以后,各国学者才真正致力于工程性的研究和实施。

1984年世界上第一个由美国CONOCO公司建造的张力腿平台正式安装在147米深的Hutton油田,目前在深水海域投人使用和在建的张力腿平台近20座,其工作水深已接近1000米。

据文献介绍,牵索塔式平台在水深为300米左右时,与固定式平台造价几乎相
等；在水深为300~600米范围内时,优于固定式平台；而在水深大于600米时,则让位于张力腿式平台。

目前已有一座牵索塔式平台用于墨西哥湾水深305米的海域。

海上油气资源的开发在不断向深海进军的同时,浅海边际油气资源的开发利用也引起了人们的日益关注,研究和开发适合于浅海边际油气资源开发的固定式简易平台得到了广泛的重视。

自80年代以来,简易平台的应用日趋广泛,墨西哥湾地区尤为突出。

近年来,在北海南部海域也已开始应用,其中应用较多的简易平台主要有MOSS Ⅱ型、MantisⅠ型Guardian、Seashore及独桩平台等。

MOSS平台由CBS工程公司于1987年首次设计用于墨西哥湾,共有4种型式,其中MOSS Ⅱ型使用最广,已有80余座用于该地区。

MOSS Ⅱ型平台用钻井隔水套管作支柱并有两根斜撑在水面上加以支持,斜掸在泥线处用桩固定于海床,这种结构的适用水深可达45米。

在支柱顶端,可设一层或两层甲板,其面积可达150平方米。

这种平台可用作井口平台也可作为生产平台。

MantisⅠ型平台由DEG公司设计,也采用钻井隔水套管作为支柱,其适用水深为9~43米,原设计主要用于天然气生产。

平台可以支持一个223平方米的甲板,以及一个58平方米的标准直升机甲板。

MantisⅠ型平台具有较高的刚性,除两根斜撑的桩用整体底座固联为一体外,各主要节点均不用卡装或销接等机械联接方式。

Guardian平台是Petro-Marine工程公司设计的一种单桩平台,它也用钻井隔水套管作为平台支柱,不同之处在于这种平台用两根斜桩取代了前述两种平台的斜撑和直桩。

这种平台适用于30米以下的浅水域。

Seashore平台于1984年首次用于墨西哥湾,此后又用于北海南部海域以及东南亚,迄今已有150余座投人使用,其
最大特点是用金字塔形的水下构架和宽大的底座。

Seashore平台具有较大的灵活性,可以作为井口平台,也可以用作生产平台,其适用水深一般至45米,也可用于至90米的较深水域。

独桩平台(又称为独柱支撑平台)的上部甲板结构由单一钢管桩支撑,隔水层管则置于钢管桩内。

由于其具有结构简单,制造、安装方便,造价低等特点,目前在北海地区、美国墨西哥湾、意大利亚得利亚海以及我国的渤海等海域已经得到应用,其适用水深可达40米。

1.1.3海洋平台结构的发展趋势
人们对海上油气资源需求的不断增加,促使海洋平台结构不断地向前发展。

今后一段时间,海洋平台结构应加强以下几个方面的研究。

1.深海平台结构的研究
随着海上油气生产向着更深的海域推进,以张力腿平台为代表的深海平台必将继续受到广泛的重视和发展,研究热点主要在于：寻求更为经济有效的结构型式,以适应极深海油田或极深海边际油田开发的需要；深海平台结构的非线性动力分析,尤其是会危及平台安全的长周期慢漂运动,以及高频响应中所产生的二阶和频力和高阶脉冲力；张力腿平台的张力腿（系索）系统的研究,尤其是张力腿的极限承载能力、疲劳断裂可靠性以及维修问题；张力腿平台的锚固基础的研究,尤其是筒型（吸力）基础和以压载控制的可回收基础的研究。

2.简易平台结构的研究
在石油价格不断上涨以及开发海上边际油田需要的推动下,简易平台（又称轻型平台）在国外应运而生,迄今应用甚广,并不断发展而日趋成熟。

我国正在开始大规模的滩海油田开发,其中不乏分散而且小块的边际性油田。

在我国油田开
发正在由过去的地质储量管理转变为经济可采储量管理的形势下,引人简易平台的概念并结合我国实际情况积极开展简易平台结构的研究、开发和应用,对于加快我国滩海油田的开发和使更多边际性油田能够达到开发经济界限,从而使这些宝贵的储量资源得到开发和利用将具有十分现实和重要的意义。

3.结构控制技术在海洋平台结构中的应用研究
结构振动控制（简称结构控制）技术在航空航天领域较早得到了应用,近年来,在土木工程结构的振动控制中也已开始得到应用。

由于海洋平台结构所处的海洋环境更为恶劣,只靠传统的结构加强措施来抵御外部环境载荷以满足结构的可靠性是很不经济的,如果将结构控制技术引人到海洋平台结构的振动控制中,那么海洋平台结构的可靠性将得到进一步的提高,尤其对于简易平台结构来说,采用结构控制技术可以使其结构型式更趋简单、合理,因而可以获得更大的经济效益。

1.2 海洋环境荷载
海洋石油的开发的所有活动都离不开海水存在的环境，因此对于海洋石油工程结构物而言，就要受到来自海洋各种环境荷载的影响。

下面简要对海洋结构物所受到的风、海流、波浪、海冰以及地震等基本理论进行介绍。

1.2.1海风荷载
大风对海洋石油结构物的工作影响很大，风力随着季节及地区的不同而有所区别。

我国东南沿海夏季受台风的威胁较大；北部沿海冬季受蒙古及西伯利亚寒流影响较大，风力最大可达12级，其风速约为1060帕。

例如，1978年9月25
日，我国南海二号半潜式钻井平台正在台风中心附近，当时平均风速达50节二最大风速达82节。

对于海洋结构物进行强度计算时，一般取风压不得小于800帕。

1.2.2海流荷载
海流载荷分为潮汐、海流载荷，它们是作用于海上结构物的主要载荷形式，对深海海洋结构的稳定性有着重大的影响，其情况很复杂，对于深海条件下常常伴有对流等情况发生。

然而，潮汐不会发生，所以在本书中不予考虑。

海水水平或竖直的从某一海区流向另一海区的大规模质量转移称为海流，按照其成因可以分为以下几类：
（1）风海流：由于风在海平面吹过，对海面产生切应力，使海水产生运动，称为风海流；
（2）梯度流：梯度流是等压面发生倾斜时，水平压强梯度力和地转偏向力达到平衡时的稳定
海流；
（3）潮流：潮流是潮汐中水质点的运动，亦即在水平引潮力作用和潮汐涨落同时发生的海水
在水平方向上的周期性的流动；
（4）波浪流：在近岸海区由于波浪引起的海水流动称为波浪流；
（5）入海径流：由于融并或大量降雨等原因而显著增加的河川径流。

入海后继续向河口方向
或沿海区延伸而形成的海流；
（6）定常流：周期性流和短期流按照海流随时间变化而划分，则可分为定常流，周期流和短期流。

定常流是指基本上不随时间变化的海流，理论上讲，其速度，方向，及强度不随时间的变化。

周期流是指在一定时间范围重复出现的具有周期变化规律的海流，如季风流，潮流等。

短期流是指由于短暂的外界条件变化而引起的偶然性的海流，如气旋通过时产生的风海流和气压梯度流等；
（7）暖流和寒流：温度较周围水为高，向周围传送或传播热能的海流称为暖流，反之，称为寒流；
（8）盐水流和淡水流：盐度较周围水高的海流称为盐水流。

反之，称为淡水流；
（9）补偿流：海水流动的结果导致某些海水匮乏，另一海区海水集聚，于是根据水的不可压缩性和连续性，海水必定从集聚的海域流向匮乏的海域，这种海水的补偿成为海水的补偿流。

1.2.3波浪荷载
波浪力是波动的海水作用于物体上的力，一般可以分为五个主要的力，即：（1）阻力：它是和稳定流动条件下的阻力相类似的力，仍是流体动能的函数。

（2）惯性力：它是水下结构物排出的流体的质量与流体的质点的加速度的乘积的函数。

（3）撞击力：它是物体撞击所产生的力，当波峰穿过空气打击在结构物上，发生冲击或波浪破碎时引起的突然冲击的载荷，这时由于空气被波浪所包围，不断压缩常使之爆炸，发出轰鸣声，撞击力一般可按总阻力在波峰部的惯性力的几
分之几来计算，有时采用五分之一。

（4）压差力：这种力是由于海水通过沉没水中的物体的压力差所造成的，当有沉没于水中的物体时，还是很重要的一种力，经验表明：压差力等于静压差的一半与投影面积的乘积。

（5）动量反射力：当波浪作用在沉没于水中的大型物体时，将出现一个反动量，这一能量反射将在大型结构上作用一个相当的力，即称为动量反射力，一般对于高度相当大的大型沉没物必须要考虑此力。

1.2.4海冰荷载
我国海岸线长，有的地区如北部海域每年最低温度有时达到-18.3 摄氏度，在每年的12 月至次年3 月间常发生冰冻现象。

因此在进行海洋石油结构物计算时还要考虑冰压力的作用。

目前对冰载荷的研究方法可以分为试验和理论分析两种方法。

（1）理论分析方法
理论分析方法主要有理论模型和有限元数值模拟方法。

理论模型是基于力学原理对海冰材料，海冰与结构作用方式进行简化，得到可以求解的力学模型，运用数学方法求解海冰力。

如果假设合理，模型建立适当，理论模型分析可以揭示物理过程的内在规律，具有重要意义。

但由于自然界中海冰材料物理力学行为的复杂性，海冰与结构接触过程和边界条件的复杂性，建立合适的理论模型并求解具有很大的难度。

有限元数值模拟方法是将海冰与结构的作用简化为有限元模型，用现有商业软件或者自行编制有限元程序对模型进行数值求解。

其优点是可以处理较复杂的力学模型，对一些无法用解析法求解得到的模型可以得到数值
解。

但是目前这一方法在冰载荷分析中运用的还不够多。

有限元理论发展相当成熟，有很多手段可以用于处理这一问题，这方面还有很多工作有待开展。

（2）试验方法
试验方法包括原型结构上开展的现场测量和室内试验。

现场测量即在原型结构上安装测量海冰力的压力盒，直接测量海冰作用在真实结构上的海冰力。

理论上，这种方法得到的海冰力数据真实可靠，是对海冰力的最好估计。

但是，由于现场环境条件恶劣，设计合适的压力传感器有很大难度。

而且现场的冰情不可控制，结构形式固定，不能得到完备的数据，因而难以得到具有一般性的海冰力计算方法。

尽管如此，由于现场测量可以得到各海域真实的冰荷载情况，因此现场数据是研究冰荷载的最重要的资料。

工程界对现场试验得到的结论十分重视，在各个设计标准中，基本都采用了现场试验得到的结论。

目前国际上在原型结构上冰力测量进行的并不是很多。

出于商业考虑，有些测试结果至今仍然处于保密阶段。

1.2.5地震作用
1900 年，日本大森房吉教授提出了静力理论。

静力理论不考虑结构物的动力特性。

假设结构物为绝对刚性，地震时结构物的运动与地面运动完全一致，结构物的最大加速度等于地面运动的最大加速度。

结构物所受的最大地震载荷F 等于其质量m 与地面最大加速度的乘积，即：
F=m*a
由于这种方法比较简单，且用这种方法设计的建筑物大多经受了一般地震的考验，所以，它稍作修改后至今仍被某些国家的地震设计规范所采用。

但是这种
方法完全忽略了结构本身动力特性的影响。

因为只有当结构的基本固有周期比地面运动周期小得多时，结构在地震时才有可能不产生变形而被视为刚体。

所以静力理论只适用于低矮的、刚性较大的建筑如路基、挡土墙和重力式桥台等。

1.3 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是融结构、流体、热、电场、磁场、声场于一体的大型CAE通用有限元分析软件。

由美国ANSYS软件公司开发，是第一个通过ISO9001质量认证的分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局（NQA）及近一十个专业技术协会认证的标准分析软件，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。

功能强大、使用灵活。

该软件可在大多数计算机及操作系统（如Windows、UNIX、Linux）中运行，从PC 机到工作站直至巨型计算机，ANSYS 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。

它开发了第一个集成的计算流体动力学（CFD）功能，也是第一个且是唯一一个开发了多物理场分析功能的软件。

ANSYS 多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热—结构耦合、磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合，在PC 机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS 对多领域多变工程问题的求解。

1.3.1 ANSYS 的发展历史
ANSYS公司从建立之初到现在，已经历将近40年的历史。

公司成立于197
年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。

近40年来，ANSYS公司一直致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，其用户遍及全世界各地。

ANSYS 软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能，像当时的大多数程序一样，它只能是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。

20 世纪70 年代初，ANSYS 软件中融入了新的技术以及用户的要求，从而使程序发生了很大的变化，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。

70 年代末，交互方式的加入是该软件最为显著的变化，它大大地简化了模型生成和结果评价。

在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成之后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。

目前该软件已发展到ANSYS11.0 版本，其功能更加强大，使用更加便利。

ANSYS 分析模拟工具易于使用、支持多种工作平台。

同时该软件提供了一个不断改进的功能清单，包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限元转动功能以及利用ANSYS 参数化设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。

1.3.2 基本功能
ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

软件提供了100 种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料。

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分。