自升式钻井平台安全作业载荷动态效应的准静态分析

颜波 宋林松 胡明兰

中海油田服务股份有限公司

随着我国及世界经济的快速发展，对石油需求量的逐步提高，海洋油气开发已处于越来越重要的地位，自升式钻井平台是近海油田开发的重要设备，可用于海洋石油的钻井、修井、试油和试采等作业。我国自升式平台作业范围已从中国沿海扩展到了缅甸、印尼爪哇、澳大利亚西北大陆架、东帝汶、里海及墨西哥湾等海域，由于平台作业向海外市场扩张，使得我国有限的平台资源供需矛盾日渐凸显。

根据美国内务部矿产资源管理机构（Minerals Management Service，MMS）和英国健康安全管理机构（HSE）所作的统计和研究结果［1－4］，自升式钻井平台在站立作业状态下，恶劣的环境是影响平台作业安全的主要因素之一，例如：墨西哥湾近年受到Andrew、Lili、Ivan、Katrina、Ritad等飓风的肆虐，至少造成6条自升式平台沉没，10多条平台严重受损。因而随之产生如何评估平台作业性能与环境匹配性的问题。

1 平台载荷动态效应的准静态分析法

自升式平台在站立状态的受力情况可简化成一种弹性振动体模型［5］，其固有振动频率与平台的结构、作业载荷和升船高度等因素有关，其承受的风、波、流等环境载荷是对平台固有振动的一种激励，即在平台上附加一种惯性力。因此在计算平台压载量时既要计算平台自身载荷，还要考虑风、波、流产生动态载荷。

计算平台所受动态载荷一般采用准静态分析法［6］，包括两个步骤：①建立分析结构的等效有限元分析模型，以便进行动态载荷分析；②将动态载荷和风、波、流产生的横向载荷代入有限元模型，分析结构安全性。在第二步中实际用静态力代替波浪产生的动态响应，因此分析过程叫做准静态分析，其流程［3］如图1所示，由此可计算出平台所承受的环境载荷总量。

1．1 动态放大系数

动态放大系数DAF（Dynamic Amplification Factor）是动态响应和静态响应的比值，用于近似计算各种结构响应，如平台的倾覆力矩、船体的横向载荷／横向位移等，一般DAF可用式（1）计算，对计算结果的精度要求比较严格时，可按SNAME 5－5A给出的时域或频域随机动态分析法计算［7］。平台设计公司在设计时通常采用DAF的上限值，避免平台固有频率与波浪频率接近时出现计算结果的歧变。

式中Tp为平台自振周期，s；T为波浪周期，s；ζ为阻尼系数，一般取值0．05～0．07。

1．2 建立等效有限元模型

按照平台船体结构图建立等效有限元模型，一般包括4种单元：梁单元、管单元、浸没管单元及质量单元［8］。梁单元主要用于模拟桩腿弦杆和船体主要承载结构；管单元用于模拟桩腿各种撑管；浸没管单元用于模拟波流施加在桩腿的载荷；质量单元用于模拟平台设备重量并按倾斜实验数据调整平台重心。

1．3 载荷计算方法

1．3．1 波流载荷计算

一般利用Stokes五阶波理论和Morison公式计算海流和波浪对平台桩腿的作用力。

1．3．2 模态分析和惯性载荷计算

按 ABS规范，采用SDOF（Single Degree of Freedom）单自由度法将平台简化成质量—弹簧—阻尼器系统，它是计算平台动态载荷最简单的一种方法，普遍用于钻井平台基本设计之中。因此，平台受到的附加惯性载荷Fi可按式（2）计算：

式中FWmax、FWmin分别为波流力最大值和最小值。

1．3．3 风载荷计算

平台基本设计给出了相对于平台各方位的风载荷，将结果直接用于有限元计算。

1．3．4 二次弯曲效应

由于风浪流的作用，平台沿作用力的方向产生重心横向位移Δ距离，这种现象称作二次弯曲，亦称欧拉放大效应，即在平台上施加了pΔ（p为平台站立质量）的力矩。

1．4 平台结构强度分析重点

自升式平台需要进行结构强度分析［8－10］的内容至少应包括桩腿强度、升降锁紧系统的承载性能、预压载性能、桩靴承载性能、抗倾覆性能等，其中前3项指标的完整性系数UC（Unity Check）值应小于等于1；风暴自存时，平台抗倾覆性能安全系数（OTM，Over Turning Moment）应大于1．3［11］。

2 模拟载荷计算案例

2．1 相关基础数据

以现今主流的400Ft自升式JU2000E船型为基础建立等效有限元模型，选取我国东海黄岩海域为模拟环境海区，平台自身性能参数如表1所示，海区环境参数基本数据如表2所示。

表1 JU2000E船型平台基础数据表

表2 黄岩海域环境基础数据表

对比表2中数据，得知该海域的最大浪高、表面和底部流速等环境参数数值已超过平台操船手册［12］规范的数值，因而在正常条件下，该型平台不能在该海域进行生产作业。

2．2 环境载荷及弯矩

表3、4分别为平台在该海域所受到各方向环境载荷、弯矩计算结果。

表3 平台承受环境载荷计算结果表

表4 平台承受环境弯矩计算结果表

2．3 结构完整性校核

平台进行桩腿强度、升降锁紧系统的承载性能、预压载性能、桩靴承载性能的完整性系数校核，其结果如表5所示。

平台各主结构的UC值大多小于等于1，符合规范要求，部分超标值均在各船级社UC值不大于1．05的许用范围内。

2．4 抗倾覆性能安全系数校核

其校核结果如表6所示。

平台抗倾覆性能安全系数（OTM）校核值大于1．3。

运用本文阐述方法进行综合校核评估的结果：该型平台可在该海域环境参数条件下进行生产作业。

表5 平台完整性校核计算结果表

表6 平台抗倾覆性能安全系数校核计算结果表

3 应用

技术成果在中海油田服务股份有限公司（以下简称COSL）16条国内作业平台和11条海外作业平台上成功应用，区域涉及中国沿海及海外作业区块，相关作业者包括国内石油公司及道达尔、SPC、PEMAX、HUSKY等国外公司或合资公司，评估的准确性和作业的安全性几乎达到100%，使COSL的作业安全率远高于国内、国外同行业的水平。

1）中国沿海：包括黄海、南海的所有区域，主要应对台湾海峡的海流、表层海床的铁板砂及台风影响。近年来，在东海南海都遇到了200年一遇的台风，因此每年都要根据台风和季风进行作业井位设计、平台的作业窗口安排及平台资源配置。

2）海外：海外作业中可能遇到各种作业者（甲方），有的作业者安全意识较弱，如要求平台在霍尔木兹海峡这种流速极高的区域进行水检作业。最终通过分析计算及与作业者的协商，选定流速较小的区域进行相关作业，既保持了与作业者良好的关系，又保证了平台的安全。

4 结论

1）运用动态效应的准静态分析法对钻井平台承受的环境载荷进行计算，并对其主要结构进行强度校核的方法，评估自升式钻井平台作业环境适用性能，是对现行规范相关章节的完善补充。

2）利用动态效应的准静态分析法对自升式钻井平台进行作业环境适用性能评估，可以达到在风险可控条件下，扩大其作业适用范围的目的。

3）截至目前，该项技术已在中国沿海及海外自升式钻井平台作业市场的进行了100余次应用检验，其评估结果的准确性和平台作业的安全性均取得满意效果。

［1］MMS．Post mortem failure assessment of MODUs during hurricane Lili［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2002．

［2］MMS．Post mortem failure assessment of MODUs during hurricane Ivan［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2004．

［3］MMS．Post mortem failure assessment of Jack－up MODUs during hurricanes Katrina ＆ Rita［R］．Washington DC：US Minerals Management Service，2005．

［4］DIER A，CARROLL B，ABOLFTHI S．Guidelines for jack－up rigs with particular reference to foundation integrity［R］．London：Health and Safety Executive．2004．

［5］WILLIAMS M S，THOMPSON R S G，HOULSBY G T．A parametric study of the non－linear dynamic behaviour of an offshore jack－up unit［J］．Engineering Structures，1999，21（5）383－394．

［6］American Bureau of Shipping．Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］．Houston：ABS，2008．

［7］FRIEZE T，HOUSE H．Sname 5－5BWSD 0：Comparison with Sname 5－5ALRFD and the Sname 5－5ANorth Sea Annex［R］．London：Health and Safety Executive，2001．

［8］王建军，宋林松，黎剑波，等．自升式平台作业适应性分析［J］．船舶工程，2010，32（5）：63－66．WANG Jianjun，SONG Linsong，LI Jianbo，et al．Site specific adaptability analysis of jack－up platform［J］．Ship Engineering，2010，32（5）：63－66．

［9］International Organization for Standardization（ISO）．ISO／DIS 19905－1－2010Assessment of mobile offshore units［S］．Geneva：ISO，2010．

［10］中海油田服务股份有限公司．Q／HS YF161—2011自升式钻井平台井位评估指南［S］．廊坊：中海油田服务股份有限公司，2011．China Oilfield Services Limited．Q／HS YF161－2011Guidelines for research and application of site specific assessment technique of jack－up rigs［S］．Langfang：COSL，2011．

［11］中国船级社．海上移动平台入级与建造规范［S］．北京：人民交通出版社，2005．China Classification Society．Rules for construction and classification of mobile offshore drilling units［S］．Beijing：China Communications Press，2005．

［12］Friede ＆ Goldman United．Marine operating manual of 941rig［R］．Houston：F ＆ G United，2006．