自升式钻井平台悬臂梁迁航状态滑移分析研究

樊敦秋

（1.中国海洋大学 青岛266100；2.胜利油田钻井工艺研究院 东营257000）

0 引 言

自升式钻井平台具有操作灵活、适应水域广、自存能力强和可重复使用等特点，在浅海油气勘探开发中得到了广泛应用，现代自升式钻井平台均设有悬臂梁，是自升式钻井平台的标准配置。悬臂梁主要功能［1］有：

（1）作为钻井设备和钻井工具的主要载体；

（2）实现井架的纵、横移动，提高了平台一次就位钻井数量和平台操作的灵活性与安全性。在钻井作业时，平台处于平稳的座底状态，悬臂梁不会发生滑移，而迁航过程中在平台摇摆运动作用下悬臂梁具有较大的滑移力。因此开展悬臂梁拖航状态滑移力的组成及计算研究对确保平台安全具有重要意义。

1 悬臂梁滑移系统组成

目前常见的悬臂梁结构型式有XY型和X型两种，XY型悬臂梁可以X、Y两个方向移动，而X型悬臂梁只能沿一个方向运动，是常规结构型式，目前应用也最广泛，本文仅对X型悬臂梁进行分析研究。

悬臂梁滑移系统组成如图1所示。

图1 悬臂梁结构组成

该系统包括：基座及锁紧机构、悬臂梁、横向轨道、钻台及井架、钻杆堆场和驱动系统。基座及锁紧机构固定焊接在平台主甲板上，悬臂梁安装在基座和锁紧机构中并能在其中沿平台纵向移动，锁紧机构在悬臂梁外移过程中始终“拉住”悬臂梁而不会发生旋转倾覆；横向轨道、钻杆堆场固定焊接在悬臂梁上，钻台（包括绞车、井架等设备）安装在横向轨道上并能在横向轨道上滑动；驱动系统是悬臂梁和钻台移动的动力源。通过悬臂梁的纵向移动和钻台的横向移动，平台可以在同一地点钻探多口井。悬臂梁移动时会带动钻杆堆场及钻具、横向轨道、钻台及钻井设备同时移动。悬臂梁滑移系统是本文重点研究的对象。

2 滑移力分析

拖航时悬臂梁滑移力来自摇摆惯性力、重力和风载荷。为了便于分析，建立图2所示的计算模型。

图2 悬臂梁惯性力计算模型

其坐标原点取在平台漂心位置，由船舶静水力学［2］可知，平台的漂心即是摇摆中心。

2.1 一般计算方法

《海上拖航指南》［3］给出了作用在货物平行于甲板的纵向作用力Fx的一种计算方法：

式中：Fq为风作用力；Fw为海水飞溅冲击力；Ax为纵向加速度。平台拖航一般采用首拖，悬臂梁位于平台尾部，故Fw可不计。Ax按下式计算：

运用该种方法计算悬臂梁滑移力时，公式（2）中的β、r两参数无法直接获得，现场实际勘验悬臂梁装载时无法获得准确数据，影响了计算结果的准确度；另外需要对悬臂梁各个组成部分的纵向加速度分别计算，工作量较为繁琐。针对该种情况，本文从悬臂梁滑移力的组成进行分析，提出了一种简便、准确的计算方法。

2.2 摇摆惯性力

摇摆惯性力是悬臂梁滑移力的重要组成部分，由于悬臂梁只能沿平台纵向滑移，本文只考虑纵摇惯性力。

2.2.1 平台纵摇运动

在分析悬臂梁纵摇惯性力时，可以忽略阻尼作用而将平台纵摇简化为简谐运动，运动方程表示为：

式中：θ为平台任意时刻的纵摇角；A为平台最大单边纵摇角；ω为纵摇圆频率。由此可得到纵摇角加速度α：

当平台纵摇达到最大单边纵摇角时，纵摇角速度为0，纵摇角加速度达到最大值αm：

式中：T为平台纵摇周期，s；角度单位为弧度。

2.2.2 悬臂梁惯性力

悬臂梁通常由上、下面板和腹板组成，其截面呈“工”形结构，其中悬臂梁腹板为大尺寸立面构件，首先对腹板惯性力分析。设悬臂梁腹板尺寸为L×H，平均面密度为 ρ，在腹板（x，y）处选取一微块 dxdy（如图2所示），则该微块惯性力dIB为：

将dIB分解为平行于悬臂梁轴线的滑移惯性力dIBH和垂直于轴线的垂向惯性力dIBV有：

在悬臂梁腹板范围内积分可得到悬臂梁腹板滑移惯性力IBH和垂向惯性力IBV为：

式中：MB为悬臂梁腹板质量，YB为悬臂梁腹板质心纵坐标。同理得：

式中：XB为悬臂梁腹板质心横坐标。

将式（7）、式（8）推广到整个悬臂梁移动系统，则悬臂梁总的滑移惯性力IH和垂向惯性力IV为：

式中：Mi为悬臂梁所拖带的物体质量，t；

Xi，Yi为该物体的质心坐标，m。

为了便于应用，公式（11）可进一步表示为：

从公式（12）、（13）中可以看出，Xi与可以方便准确地得到，再利用平台自身已知的参数值，经过简单运算便可得出悬臂梁拖航惯性力。与传统计算方法相比，该方法具有便捷、准确的优点。

2.2.3 重力及风载荷

将重力分解为平行于悬臂梁轴线的分力GH和垂直于该轴线的分力GV，GH对悬臂梁产生滑移作用，GV起到压力作用，则有：

风载荷引起悬臂梁滑移作用，依据移动平台规范［4］计算风载荷，风力Fq按以下公式计算：

式中：Si为受风构件正投影面积，m2；Chi为受风构件高度系数；Csi为受风构件形状系数；P为基本风压，kPa。

3 悬臂梁滑移分析

运用上面介绍的基本方法，结合平台实例进行悬臂梁滑移分析。

3.1 滑移分析工况

目前自升式钻井平台悬臂梁迁航状态滑移分析还没有明确的工况要求，本文参考自升式钻井平台迁航状态桩腿强度计算工况及平台稳性分析要求［4］，推荐按照以下两种工况对悬臂梁进行滑移分析：

工况1：油田内迁航，风速36 m/s，周期为平台固有纵摇周期，纵摇单摆摆幅6°；工况2：远洋迁航，风速51.5 m/s，纵摇周期为10 s，纵摇单摆摆幅15°。其中平台纵摇自摇周期 TL可采用式（17）［5］计算得到：

式中：f为系数，可查相关图表得到；B为平台型宽，m；L为平台型长，m；KG为平台重心到平台基线的高度，m；GML为平台未计及自由液面修正的纵倾初稳性高，m。

3.2 滑移判定方法

悬臂梁与基座和锁紧机构之间的摩擦力起到阻碍悬臂梁滑移作用，当摩擦力大于或等于滑移力时悬臂梁不会滑移，即：

式中：f为摩擦系数。为了减小平台作业期间的滑移阻力，常在悬臂梁和基座、锁紧机构之间涂抹黄油，一般选取摩擦系数0.13。

3.3 实例分析

实例平台为三桩腿自升式钻井平台，设计作业水深50 m（含天文潮和风暴潮），最大钻井深度7 000 m（使用4.5 inch钻杆），平台一次就位可钻探30口井，平台主要参数如下：

计算坐标系如图2所示。首先进行悬臂梁系统质量、质心计算（见表 1），然后对风载荷（表 2）、惯性力载荷（表3）、重力（表4）以及摩擦力进行计算，最后对摩擦力和滑移力进行比较得到计算结果，见表5。

表1 悬臂梁系统质量、质心计算

表2 风载荷计算

表3 纵摇惯性力计算

表4 重力计算

表5 滑移分析

表5中的计算结果表明，拖航时悬臂梁具有较大的滑移力。工况2为控制工况，应按照该工况进行悬臂梁拖航固定加强，加强方式可采用楔形块或插销等方式，强度应满足有关规范的要求。

4 结 论

（1）本文采用理论分析和实例验证的方法，从摇摆惯性力、重力和风载荷等方面对自升式钻井平台悬臂梁进行迁航状态滑移分析研究，提出了一种便捷、准确的悬臂梁滑移力计算方法，尤其是多个物体组成的系统滑移力分析计算。

（2）在参考自升式平台桩腿和平台稳性分析条件基础上，提出悬臂梁滑移力分析计算工况理念，为悬臂梁设计和平台安全操作提供参考。

（3）悬臂梁系统的质量及质心高度对悬臂梁滑移力有较大影响，因此在平台迁航时尽量减少钻台、钻杆堆场上的物料数量，以降低悬臂梁滑移力，确保悬臂梁安全性。

［1］樊敦秋，董胜，蒙占彬.自升式钻井平台悬臂梁设计研究［J］.中国造船，2011，52（增刊 2）：138-144.

［2］盛振邦，杨尚荣，陈雪深.船舶静水力学［M］.北京：国防工业出版社，1984.

［3］中国船级社.海上拖航指南［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］中国船级社.海上移动平台入级造规范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］中华人民共和国海事局.船舶与海上设施法定检验规则［S］.北京：人民交通出版社，2006.