移动式钻井平台稳性与压载计算方法及应用

(中海油能源发展股份有限公司 监督监理技术公司，天津 300452)

在海洋石油勘探开发中钻井平台的拖航、就位和升降平台作业过程中存在着重大风险源，钻井平台的稳性与压载计算是识别海上风险源的重大专项技术之一。油田拖航与远距离拖航都要控制和保持钻井平台的稳性。掌握钻井平台稳性与压载计算方法可降低和消除平台拖航、就位和升降作业过程中的重大事故的发生。国家相关法律法规规定，稳性压载人员应当接受稳性与压载技术培训，并取得合格证书；稳性计算结果要由平台检验部门审核认可，然后由其签发适拖确认书，方可降平台拖航。因此，研究并掌握钻井平台稳性与压载计算方法具有重要的意义和实际应用价值。

1 钻井平台拖航稳性的相关条件

钻井平台稳性是指平台受倾斜力矩作用离开其平衡位置而倾斜，当倾斜力矩消除后能自行恢复原平衡位置的性能，包括平台拖航时的漂浮稳性和升起状态的站立稳性。钻井平台拖航稳性条件要求，保持钻井平台的水密性、检查控制钻井平台的重心高度。影响钻井平台拖航稳性的不利因素如下。

1)新增设备增重。重量增加以后干舷会减小，还可能引起不必要的纵倾或横倾。

2)环境载荷增重。附着的冰雪。

3)其它增重。海生物或桩靴上部表面沉积的泥土。

4)甲板货物移动。拖航中，平台体颠簸摇摆或海浪冲击可能导致甲板固定的货物移动。

5)液舱未满，自由液面系数大，会降低钻井平台稳性。

2 平台拖航稳性计算

钻井平台飘浮(拖航)状态的稳性计算，主要是平台体重量大小和重心位置的计算，将计算结果与允许值进行对比，验证其在允许值内，从而保证钻井平台的拖航稳性达到要求。

2.1 平台拖航稳性计算中几个要说明的问题

计算需要用到的资料包括：平台体布置总图、舱室布置图、静水力参数图表及规格化的稳性计算书。重量重心计算目的是校核载荷情况，检查吃水是否符合拖航条件；需要校核重心高度，不得超过拖航时的允许值；调整纵、横倾，便于拖航；按计算表进行计算。

2.2 平台拖航稳性计算的基本步骤

1)确定空平台重量和重心并造表登记(平台操作手册中均可以查到)。

2)统计各液舱舱容，由舱容表找出它们的重量和重心(纵横垂三心)，计入载荷。

3)统计全平台固体可变载荷，将其重量和重心(纵横垂三心)计入载荷。

4)合计上述三项，最后计算出钻井平台最后的排水量和重心位置，通过多次调整纵、横倾，达到拖航要求，根据静水力曲线图确认平台体浮心、重心在合适的位置上。

2.3 平台拖航稳性计算应用实例

以某平台实例进行计算，沉垫式、自升式平台拖航稳性计算应都是一样的。

1)按表1，空平台数据已知。其中：三种力矩是由空平台重量(kN)分别乘以三心距而得。

2)统计测量各液舱容(深度)，得出重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

3)统计测算平台上各处固体可变载荷重量和三心距，依次填入空白表格1中并算出三力矩。

4)按竖行分别算出重量合计、纵向力矩、横向力矩及垂向力矩合。

5)用纵向力矩、横向力矩及垂向力矩分别除以总重量，得出三心坐标位置。

6)计算汇总得表2。

表1某平台拖航稳性计算表(一)

平台名： 稳性计算书 制表人： 日期：

序号项目重量/kN纵向重心Xg/m力矩Mt/(kN·m)横向重心Yg/m力矩Mh/(kN·m)垂向重心Zg/m力矩Mz/(kN·m)1空平台26 086.716.007417 573-0.01-258.69.56249 296.12燃油46015.57 130-13.5-6 2101.096504.163淡水55028.87515 881.25-3.06-1 6830.926509.34人员及粮食100282 8005.25205备品及杂物300123 6005.21 5606海水舱88028.87525 4103.062 692.81.4181 247.847钻具30014.54 3508.22 4608压载舱1929.641.51 394.4610.759 993.631.341 134.169压载舱24201.5630-10.75-4 5150.6253.5合计竖行相加30 026.34除法算出15.945竖行相加478 768.71除法算出0.000 7竖行相加19.83除法算出8.575+自由液面修正数竖行相加257 485.06

表2某平台拖航稳性计算表(二)

平台名： 稳性计算书 制表人： 日期：

从汇总表得计算得序号内容1每厘米纵倾力矩MCM=D·(Zb+BMl-Zg)/(100 L) (kN·m)/cm1排水量 D=?t <拖航允许排水量t2纵倾力矩 Mt=(Xg-Xb)·D kN·m2重心高 Zg=?m <许用重心高m3艏艉吃水差 △T=M/(100MCM) m3重心纵向位置 Xg=?m 舯前或后4艏吃水 TF=(L-Xf)·△T/L+T m4横倾力矩 Mh=?kN·m 左或右倾5艉吃水 TA=-Xf·△T/L+T m从静水力曲线得6序号内容71平均吃水 T=?m < 许用吃水 m82浮心纵向位置 Xb=?m93漂心纵向位置 Xf=?m104纵稳心半径 BMl=?m115横稳心半径 BM=?m126浮心高 Zb=?m137平台水线长 L=?m14

注：“？”为未知数。

总排水量D(t)要小于拖航允许排水量。

重心高与满载拖航重心高相比，要小于允许值。

重心纵向位置Xg/m的提示：用平台长的1/2减去纵向重心，得出用平台舯为零点表示的数据。按总重量在静水力曲线表中查浮心纵坐标，与重心纵坐标相比，重心纵坐标在浮心纵坐标之后，达到艉吃水要求，艏艉吃水差约0.3 m。

横倾力矩Mh(kN·m) (左或右倾)最好达到重心横坐标为零(理想状态)，没有初横倾。

7)从静水力曲线得：

平均吃水T,m<吃水允许值,m；

浮心纵向位置Xb,m；

漂心纵向位置Xf,m；

浮心高Zb,m；

8)最后计算得每厘米纵倾力矩：

Mcm=D·(Zb+BMl-Zg)/(100L)

(1)

式中：D——排水量，t；

Zb——浮心高度，m；

BMl——纵稳心半径，m；

Zg——计算重心高度，m；

L——平台型长，m；

纵倾力矩为

Mt=(Xg-Xb)·D

(2)

式中：Xg——计算重心纵向位置；

Xb——浮心纵向位置。

艏艉吃水差：△T=M/(100Mcm)

艏吃水：TF=(L-Xf)·△T/L+T

艉吃水：TA=-Xf·△T/L+T

3 平台压载计算方法及应用

为了保证平台升起状态时的稳定平衡，平台升起到钻井作业状态前要进行预压载，保证在钻井作业过程中桩腿入泥不会再有变化，即桩腿反力始终小于压载时的桩腿反力。压载计算结果应与允许值进行对比，验证其在允许值内，从而保证钻井平台的站立稳性达到要求。

3.1 平台压载计算原理

与平台拖航稳性计算中的调载计算相同，压载计算就是加压载水载荷产生的纵向重心和横向重心保持不变或接近漂浮状态数据。压载作业需要适当地选取每次的压载舱和压载舱的加液量。计算中适当掌握压载次数和每次加载后的观察时间。

3.2 平台压载计算中需说明的几个问题

平台压载过程中，其压载水量是根据平台预期装载的可变载荷总量、外力矩引起的桩腿垂直载荷并结合当地的土质条件确定的。预压状态的可变载荷总量不得小于允许最大可变载荷，以防止平台作业、自存时刺穿底层或下陷倾斜。

平台压载前，应向有关部门索取浅层地质资料，见图1。浅层地质资料中给出单桩腿最大压载量及其入泥深度，根据地层情况确定压载次数的多少。为保证平台结构安全和防止穿透蛋壳地层，确认压载量值不超过地层支撑力、桩腿结构支持力和升降装置支持力。

图1 极限桩脚载荷与桩脚尖入泥深度关系曲线

3.3 平台压载计算方法

压载基本过程为初始预压-单桩腿预压-最后预压。每一步压载程序应明确选取每次的压载舱和压载舱的加液量，并计算出桩腿反力见表3。

表3 桩腿反力计算

压载计算结果满足平台操作手册规定的允许平台最大预压载荷与各桩腿最大反力，压载水载荷产生的纵向重心和横向重心保持不变或接近漂浮状态数据，满足平台升起时的稳定平衡状态。

3.4 平台压载计算应用实例

平台压载计算应用实例见表4。

表4 某平台压载计算表

从表4可见：压载后的纵向重心与稳性计算中的纵向重心比较相差不大。横向重心在中心线上或接近中心线旁(表4中横向重心坐标接近为零，横向力矩仅为4 kN·m。压载后的平台纵向重心和横向重心变化不大。

4 结论

移动式钻井平台在进行拖航作业之前，要利用适当的方法对平台进行稳性计算。平台在升起状态时应维持稳定平衡，保证钻井作业过程中平台桩腿入泥不会再有变化；平台升起到钻井作业状态前应按照步骤进行压载计算，其计算结果应与允许值进行对比，验证其在允许值内，从而保证钻井平台的站立稳性达到要求。

[1] 王富华，米中彪.船舶管理[M].大连:大连海事大学出版社,2008.