B01 自升式钻井平台简论

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四桩结构桩腿一般呈矩形排列。 四桩结构在主
对两个有相同船体型线的平台来说,其中一个 吃水较深,多出来的质量可能是由于空船质量或是 可变的甲板载荷所致。 相应的深吃水的平台就比浅 吃水的平台拥有较少的储备浮力。 对于具有同样船 体结构和桩腿长度的钻井平台来说,具有更大干舷 也就意味着具有更大的稳性边际。 1.2 桩腿及桩靴结构
自升式钻井装置的桩腿及桩靴有钢结构组成。 当平台处于坐底模式时对主船体起到支撑作用,同 时提供稳性抵抗侧向载荷。 桩靴增大了土壤的受力 面积,相应地减小了对土壤强度的要求。 桩腿及桩 靴对处于坐底模式和漂浮模式钻井船特性都有重要 的影响。 对不同形式的桩腿及桩靴结构将在后文予 以说明。
桩靴式桩基结构具有很多优点,其最大的优势 在于能够适应不同的海底地形。 无论海底土层是软 是硬,或是海底布有管线或其他障碍物,钻井船都能 够顺利地实现插桩操作。 除此之外,桩靴的压载并 没有严格的顺序要求。
与沉垫式桩基相比较,桩靴式自升式钻井装置 在底部会受到更大的轴向压力,桩靴在海底软层土 壤处会留下深深的印痕。 当另一艘钻井船日后在同 一区域工作时,在桩靴滑向已有印痕的过程中,一个 或几个桩腿会受到水平力的作用,也是自升式钻井 平台比较危险的工况。 2.2 圆柱式桩腿与桁架式桩腿
更大的主船体结构同样会产生一些负面的影 响,例如会承受更大的风、浪和流载荷。 船体更大的 自升式钻井装置需要更大马力的升降装置,实现船 体的升降及固定。 更大的自重也会影响自升式钻井 装置在升降模式下的自然周期。
船体吃水,或者说从水线到船体基线的距离,对 于在漂浮状态下主甲板的承载能力有直接的影响。 船体吃水与干舷(水线面到主甲板上沿的距离)逆向 相关,每单位长度的吃水的增加就会减少相应长度 的干舷。
[收 稿 日 期 ]2011-08-24 [作者简介]王 越(1983—),男,硕士,助理工程师,从事海洋工程和船舶结构设计工作。
杨 亮(1982—),男,硕士,助理工程师,从事海洋工程和船舶结构设计工作。
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增刊(总第 128 期) 2011 年 11 月
船舶设计通讯 JOURNAL OF SHIP DESIGN
钻井船的桩腿结构在拖航状态下完全缩进主船 体内时可能达到高于海面 500 英尺的高度。 由于其 巨大的尺寸,桩腿结构对漂浮状态下的船舶稳性通 常会产生不利的影响。 很大程度上提高了装置的重 心,增大了受风面积,都会对船舶稳性产生不利的影 响。 对于拥有相同的船体型线及吃水的平台而言, 更大的桩腿结构会减小船舶稳性。
三桩结构的钻井平台桩腿呈三角形布置。 三桩 结构的最大优点是三角形具有极好的稳定性而不需 要额外建造桩腿。 较少的桩腿受到的波浪力较小, 除此之外,对于给定的主船体尺寸,能够节省更多的 甲板空间;同时能够减少升降装置的数量,也间接减 少了对能源的需求、减轻了结构质量,减少了成本。 三腿结构最大缺点在于需要预压载水舱。
Extra edition(Serial NO.128) November 2011
总体上说,主船体的长度及宽度越大,结构布置 形式就越多样。这一点对浮式结构物来说尤是如此。
同样,更大的主船体结构能够提供更大的舱室 空间来安装设备,更大的主甲板空间布置管线、安装 第三方设备,更明确的工作区域。 更大的主船体结 构提供更大的预压载能力实现更加灵活的预压载方 案。
通过预先计算的预压载水量保证当船体升离海 面指定高度后对桩腿施以足够载荷以得到海底的稳 定支撑[1]。 现代典型的自升式钻井平台能够在水深 500 英尺(1 英尺=25.4 cm)的恶劣的环境中工作(波 高达 80 英尺,风速超过 100 kn)。 本文主要是就钻
井平台在不同的作业模式下进行简单探讨。 由于不 同的设计准则和作业环境,钻井船可以有多种不同 的形式。 本文主要关注其中一种三桩腿结构形式。 首先介绍关于钻井船各个组成部分的一些背景知 识,然后分章介绍钻井船的特性、作业模式、船级社 的入级。
圆柱式桩腿结构最大的优势在于体积较小,占 用较少的甲板面积,因而建造工艺比较简单。 桁架 式桩腿结构由弦管及撑管构成。 总体上说,撑管提 供桩腿抵抗剪切应力的能力,而弦管提供轴向及弯 曲刚度。 桁架式桩腿结构使钢材的利用达到最佳配 置,减轻了结构质量减小了拖曳力载荷。 2.3 三腿结构对四腿结构
世界上绝大多数自升式钻井平台装腿结构都不 超过四根。 但出于稳性考虑又不能少于三根。 确有 多于四个桩腿的钻井装置出现,但不在本文的考虑 之列。
几乎所有的自升式钻井平台都有桩基结构。 桩 基的作用是增大桩腿的受力面积,相应的降低对土 壤强度及插桩深度的要求。 目前世界上主要有两种 桩基结构:沉垫式和桩靴式。
沉垫式将自升式钻井装置的所有桩腿固定在一 个桩基结构上。 通常呈矩形结构,上下水平,没入水 中后桩基内舱室注水。 沉垫式桩基结构主要有两大 优势:第一,面积更大,因此所受轴向压力小于桩靴 结构,这点在土质不能承受较大轴向压力时显得尤 为重要。 第二,在漂浮拖航模式下,沉垫式桩基提供 更大浮力,相应提高了钻井平台的载重能力。 沉垫 式桩基结构的主要缺点是对于不平坦或具有较大斜 面的海底并不适用。 桩基结构及桩腿会因此受到较 大弯矩。抵抗如此大的弯矩需要相当重的桩基结构。 沉垫式(重力式)桩基结构在海底铺有管线等其他障 碍物时同样不适用。 重力式桩基结构的最后一个主 要的缺点是拖航到指定地点进行降桩作业时,桩基 内必须充水;而桩基充水顺序必须严格按照规程才 不至于产生大的倾斜力矩和降低稳性。 当需要从新 升起桩腿时,桩基内的水必须泵出,而泵水设备在独 立式桩腿结构中是没有的。
自升式钻井装置搭载设备因使用目的的不同而 有所差异。 反过来设备又影响着船体型线和空船质 量。 钻井平台上的设备通常可分为三类:海事设备、 完成使用功能的必要设备、升降设备。
所谓“水上设备”指的是钻井平台上除完成使用 功能那一部分以外的设备。 无论是外形和功能都能 够在任何海船上找到。 包括主柴油机、燃油管线、配 电盘、救生艇、通信设备、厨房设备等。 海事设备虽 然不与钻井船的使用目的直接相关,但与航行安全 和后勤保障息息相关,所有的海事设备的质量都应 包括在空船质量之内。
升降设备是指自升式钻井平台用于升降桩操作 及锁定桩腿与船体相对位置设备的总称。 这些设备 将在 2.5-2.8 节中详细探讨。
王 越 杨 亮:自升式钻井平台简论
2 自升式钻井平台的基本结构
自升式钻井平台包括很多通用的结构,但由于 设计理念和具体操作规程的不同而有细微的差别。 自升式钻井装置最大的不同在于桩腿结构、升降系 统、桩腿与船体之间的载荷传递系统。 这里将详细 说明这些不同点。 2.1 沉垫式与桩靴式桩基系统
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自升式钻井平台简论
王越杨亮
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)
钻井平台到达指定海域后通过预压载系统保证 在桩基失效或土壤失效情况下能够提供组工的桩基 反力。 桩腿的插入深度取决于土壤属性、桩腿的垂 向应力、桩基范围等因素。 大体上说,在垂向应力和 土壤属性相同的情况下,桩基的范围越大,需要的插 桩深度就越小。 有多种的预压载技术,例如单腿预 压载法和最小气隙法等。 所谓最小气隙法是指在降 桩过程中保持最小气隙以减小土壤突然失效产生的 风险。 在指定海域进行降桩操作时,事先收集土壤 信息和绘制插桩曲线是十分必要的。 强烈建议在插 桩操作的预压载环节时记录相关数据以便与预先绘 制的插桩曲线进行对比。 这些数据为以后进行插桩 计算提供了可靠的参考。 1.4 设备
Brief Introduction on Jack Up Drilling Units
Wang Yue Yang Liang
(Offshore Oil Engineering CO.,LTD,Tianjin 300451) Abstract: Jack up drilling units have enormous contribution to the development of offshore oil industry. Constituents and their function,basic structure and operation mode were described in this article. And also the introduction on design and survey of jack up drilling were given. Keywords: jack up drilling units;leg;elevation system;operation mode
1 自升式钻井平台组成及各部分功能
自升式钻井平台主要由ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ船体、桩腿结构、机械 设 备 三 部 分 组 成 [2]。 1.1 主船体
自升式钻井平台的主船体部分是一个水密结 构,用以承载机械,实现钻井采油功能。 当其浮于 海面上时,主船体部分产生的浮力用以平衡桩腿、机 械、结构等的重力。 主船体的不同设计参数影响整 个装置的性能。 现介绍如下:
[摘 要]自升式钻井平台对海洋石油开发过程起着积极推动作用。 介绍了自升式钻井平台的组成和各部分功能,基
本结构和作业模式。 最后介绍自升式钻井平台的设计和检验。
[关键词]自升式钻井平台;桩腿;升降系统;作业模式
[中 图 分 类 号 ]U661.43
[文 献 标 志 码 ]A
[文章编号 ]1001-4624(2011)增刊-0073-08
当处于坐底模式下,桩腿受到风浪流的等载荷 的共同作用。
不同设计形式和尺寸的桩腿具有不同的侧向刚 度(产生单位变形所需要的载荷值)。 钻井船的刚度 随着水深的增加而减小(更精确地说,随着桩靴到船
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体与桩腿交点距离的增大而减小)。 进一步地,对于 更大水深, 弯曲刚度的影响遮蔽剪切刚度的影响。 在坐底状态下,桩腿的刚度直接影响着整个钻井船 系统的刚度, 进而影响整个系统的横荡及自然周 期。 1.3 预压载及插桩深度
带有独立式桩靴的桩基结构的桩靴数量与桩腿 数量相同。 桩靴通常是锥型结构,顶面和底面都具 有一定的坡度(图 1)。 带有坡度的顶面有助于清除 桩靴在插桩过程中聚集的上面的淤泥。 带有坡度的 底面保证了即使土层硬度很大也能顺利实现插桩操
图 1 桩靴
作。 桩靴通常设计成在没入水中时自动充水,而在 检修时又能将内部的水排干。
所有的自升式钻井平台都具有桩腿结构。 桩腿 结构的作用是保证船体升离水面到一定高度而不必 承受波浪载荷。 桩腿结构主要有两种形式:圆柱式 和桁架式。
圆柱式桩腿结构由中空的钢管组成。 钢管内部 可能具有加强结构。 在桩腿外壳处装有齿条或开孔 实现船体的升降。 圆柱式桩腿适用作业水深小于 300 英尺, 当水深大于 300 英尺时通常使用桁架式 桩腿结构。 这主要是因为在抵抗相同的环境载荷时 圆柱式桩腿结构需要更多的钢材。
“必要设备”是指钻井平台用来完成指定任务而 必不可少的设备。根据任务的不同分类也多种多样。 对于两艘同样用于勘探钻井的钻井船,必要设备也 可能不一样。
必要设备包括钻塔、泥浆泵、泥浆管线、钻井控 制系统、生产设备、起重机、可燃气体检测器及报警 系统等。 必要设备的质量并不总是包括在空船质量 之内,一些特定设备,通常因它并不总是安装在钻井 船上而把它归结到可变载荷中。
0 引言
自升式钻井平台至上世纪 50 年代起加入海洋 石油开发大军,至今已成功应用在海洋石油开采、钻 井、生产、储存、平台维护等各个方面。 随着新技术 的不断涌现,自升式钻井装置不断打破原有设计准 则的限制。 这些突破包括平台的有效载荷(浮于海 面及升离海面),环境的限制,钻井条件的限制,土壤 的限制等各个方面。取得以上突破应归于向更深水, 更恶劣海况进军的热望及在某些海域海底土壤的不 稳定性。
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