某自升式沉垫型平台抗滑移风险分析

周伟兴，周 炳

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

某自升式沉垫型平台抗滑移风险分析

周伟兴，周 炳

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

随着海上油田的进一步开发，海上钻井平台钻探任务不断加重，自升式平台需要在不同油田的井位进行就位作业，为了保障就位作业的顺利进行，需要进行自升式平台在该井位的入泥深度及稳定性分析。在自升式平台作业期间，可能会遭遇恶劣的海况，需要研究分析自升式平台在某井位作业时发生侧滑的可能性，并推算可承受的最大风速。通过建立某自升式平台沉垫入泥深度模型和侧滑移模型，根据 QHD32-6平台场址工程地质调查，结合抗滑移软件计算得出该自升式沉垫平台裙板在该井场场址的入泥深度、稳定性和极限环境条件。

自升式平台；沉垫；模型；软件；抗滑移

0 引言

抗滑移能力是指处于支撑状态下的自升式平台，在最不利的组合载荷下抵抗滑移的能力。足够的抗滑移能力是保证自升式平台安全、正常作业的基本条件。抗滑移能力的分析是自升式平台总体性能中不可缺少的重要作用部分，尤其是自升式平台的所有桩腿的底部都连结在一个整体平底大沉垫上，抗滑移能力比较差，容易发生滑移［1］。本文以某沉垫型平台在QHD32-6井位就位进行滑移能力分析。

1 自升式平台抗滑移理论研究

1.1 自升式平台沉垫入泥深度模型［2］

沉垫式基础承载力计算一般应用Buisman-Terzaghi提供的计算公式，表示为：

但是式（1）尚未考虑到基础的形状，当考虑了基础的形状因素，式（1）则变为式（2）：

1.2 抗滑移阻力模型［3］

当平台桩脚坐落于土层中，因其上部结构受到海流、风浪等作用可能发生横向滑移。目前一般应用Terzaghi所给出的计算横向土阻力的传统理论方法进行分析，计算公式表示如下：

1.3 环境载荷模型

海洋石油结构物的主要特点之一是承受由海洋环境所带给的载荷。这些作用在结构物上的外力可以分成作用力和反作用力。作用力是使结构物产生运动倾斜的力；反作用力是抵抗使设备运动倾斜的力。虽然海洋石油结构物在所有这些力作用下必须保持平衡，但是其内效应力及应变等却直接关系着设备本身的强度。因此，要研究海洋石油结构物的强度计算问题，必须要首先正确解决海洋环境载荷的计算问题，本文围绕着这一问题进行介绍，为后续的海洋石油结构物计算奠定理论基础。海上结构物所承受的环境载荷主要有风压力、波浪力、冰压力、地震力及其反作用力等，此外在随机海浪的作用下，还有其动力反应问题。

1）海风载荷

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，其风速是33m/s，风压约为1060Pa。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50kn（约为25.7m/s），而最大风速达82kn（约为43.14m/s）。对于海洋石油结构物进行强度计算时，一般取风压不得小于800Pa。

2）海流载荷

海流荷载分为潮汐载荷和海流载荷，它们是作用于海上结构物的主要载荷形式，对深海海洋结构物的稳定性有着重大的影响，其情况很复杂，深海条件下常常伴有对流等情况发生。由于海流可近似看作一种稳定的平面流动，因此，海流力计算中海流与圆柱形结构物的相互作用可用平面流与铅直圆柱载荷公式来表示。

3）波浪载荷

指不同尺度结构物的波浪力计算。波浪力计算中常根据结构物的尺度与波长的比值分成小尺度波浪力计算和大尺度波浪力计算。当比值D/L≤0.2时，称为小尺度物体（其中D是物体的特征长度，对于圆柱体D为直径，L是波长）；当D/L＞0.2时，称为大尺度物体，它必须考虑物体的自由表面效应和相对尺度效应，被合起来称为绕射效应［4］。

1.4 抗滑移条件

按照API的规范《API RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms一Working Stress Design，（21st）》，浅基础在破坏形式为滑动破坏的情况下，基础应该具有1.5以上的安全系数。按照规范说明，根据现场情况，可以允许增加安全系数。

2 某自升式沉垫平台基础数据及抗滑移软件介绍

2.1 某自升式沉垫平台的基本数据

某自升式平台为沉垫自升式，适合于渤海海域软土层座底作业。该平台基本数据：长51.816m，宽32.614m，型深4.267m，沉垫长51.816m，沉垫宽40.234m，沉垫型深3.353m，裙板高0.610m，桩腿长52.730m（4根），桩腿外径1.829m，空船重量6698.9t，平台满载吃水2.134m，满载排水量7576.3t。

该自升式平台沉垫的外形为大“A”字形，主尺度为51.816m×40.234m×3.353m，在站立作业时，沉垫支撑由四条桩腿传递下来的平台的压力。按照该自升式平台操船手册，能够现场作业的设计值如表1所示。

表1 自立号现场作业设计值

2.2 某自升式平台抗滑移软件介绍

1）功能简介

（1）项目管理。由用户建立作业信息表，添加、编辑各次就位作业；建立项目信息表，添加、编辑各次就位。

（2）数据录入功能。针对当前选中的作业，能够输入平台位置信息、环境参数、地质调查信息等，这些数据将用于后续计算。

（3）入泥深度计算功能。根据当前压载量和地质参数，计算裙板尖入泥深度，并绘制入泥深度分析曲线。

（4）稳定性分析功能。根据入泥深度计算结果及艏向、载荷方位等，计算平台的抗滑阻力、总载荷力、抗滑移系数等，进行抗倾覆能力校核。

2）技术特点

操作人员可在取得某次就位方案后，从方案中提取船艏向、气隙、作业水深、地质参数等，查询关键环境参量，录入到软件中，软件完成入泥深度计算、抗滑移能力评估；基于软件得出的关于某次就位方案的计算值及评估值，用户可评估该就位方案的稳定性和合理性。

3 某自升式沉垫平台在 QHD32-6区域就位抗侧滑分析

3.1 QHD32-6海底土力学性质分析

在自升式沉垫平台就位之前，由生产单位委托勘探服务单位对QHD32-6井位进行海洋工程地质调查。调查内容一般包括井位的土质分布状况、各层土的工程地质性质等。经过在QHD32-6平台场址、自升式沉垫平台就位的位置进行调查研究，调查得到QHD32-6井对应平台测试位置的海底土特性如表2所示。

表2 QHD32-6井海底土特性

QHD32-6井位土质调查资料：土质调查位置坐标如表3所示；钻孔柱状图，如图1所示。表3和图1均来QHD32-6井场工程地质勘查资料。

3.2 自升式平台入泥深度计算

根据QHD32-6井场土质调查资料及海底土力学分析得到如表4所示QHD32-6井场自升式平台设计参数。

表3 QHD32-6井场中心点坐标

图1 QHD32-6井场钻孔柱状图

表4 QHD32-6井钻井船设计参数根据

QHD32-6平台场址工程地质调查报告书提供的海底土特性参数，利用抗滑移软件进行计算，经过计算处理得出该自升式平台在该孔位的海底土承载力曲线以及入泥深度，如图2所示。根据软件计算得的裙板尖入泥深度为1.61m。

图2 自立号钻井船沉垫入泥深度分析

3.3自升式平台侧滑计算

根据入泥深度计算所得的裙板尖入泥深度以及环境载荷参数，计算得到裙板尖入泥深度为1.61m，如载荷来向与船首的夹角为135°条件下的抗滑移土体阻力为12.15MN。在拖曳力系数1.05和和惯性力系数1.20下，计算得到总载荷力为2.96MN，其中风、浪、流载荷分别为：903 096.18N、1466 230.22N、590 538.75N。

自升式平台由于倾斜，会增加侧滑的趋势。根据不同的倾斜角度，计算得到由于船体倾斜造成的侧滑力：倾斜0°时为0MN；1°时为1.47MN；2°时为2.94MN；3°时为4.4MN。

结合风浪流荷载，在不同的船体倾斜角度，可以得到不同的抗滑移安全系数：倾斜0°时为4.1；倾斜1°时为2.7；倾斜2°时为2.1；倾斜3°时为1.6。

可以看出，满足了《API RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms 一 Working Stress Design，（21st）》关于抗滑移安全系数大于1.5的要求。

对自升式平台平台进行抗倾覆校核，最终的倾覆校核结果为：恢复力矩为1 397MN·m，倾覆力矩93MN·m，抗倾覆安全系数15。

在抗滑移阻力一定的条件下，分别控制风、浪、流载荷中的两者条件不变，计算第三者的极限条件，得到不同船体倾角情况下的极限环境条件，如表 5所示。

表5 极限环境条件

4 结论

1）根据QHD32-6平台场址工程地质调查，该自升式平台裙板在该井场场址的入泥深度为1.61m。

2）根据该海域海况条件，对该自升式平台进行稳定性分析，结果显示，该自升式平台在QHD32-6海域倾覆风险小。

3）在 QHD32-6平台场址，分别控制风、浪、流载荷中的两者条件不变，计算第三者的极限条件，可以得到极限环境条件。

［1］ 孙东昌， 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究［M］.上海： 上海交通大学出版社， 2008.

［2］ 张其一. 自升式平台桩基土体变形规律与破坏机理分析［J］. 中国海洋大学学报（自然科学版），2012，42（11）： 111-116.

［3］ 陈国舟， 周国庆. 考虑土拱效应的滑移面间竖向应力研究［J］. 中国矿业大学学报， 2014，43（3）： 374-379.

［4］ 李燕初， 蔡文理. 波浪变形的数学模型［J］. 台湾海峡，1999，18（2）： 154-158.

IMO于2016年1月8日发布了IMDG规则的最新修订、对油船安装稳性仪的要求、对救生衣的新测试要求。

1）国际海运危险货物规则（IMDG规则）37-14修正案。IMDG规则37-14修正案于2016年1月1日起其强制性要求生效。其中包括更新了有关放射性物质的要求，反映了国际原子能机构（IAEA）对放射性物质的最新（2012年）规定。有关“外包装”和“救助”的新要求以及对各类独立包装要求的更新。

2）油船强制安装稳性仪。MAARPOL附则I、散装运输危险化学品船舶构造和设备规则（BCH规则）、国际散装运输危险化学品船舶构造和设备规则（IBC规则）和国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则（IGC规则）修正案联合强制要求油船和化学品运输船安装稳性仪，该强制性要求于2016年1月1日起正式生效。

3）救生设备规则测试。《国际救生设备规则》中有关救生设备测试的修正案。成人救生设备测试的要求有更新，儿童救生设备测试再添新规定，包括实现用人体模型代替真人实验的可能性。

4）IGC规则的修订。全面修订并更新的《IGC规则》于2016年1月1日生效，并于7月1日起适用。

此次修订是基于全面的五年期审查而展开的，并充分考虑了科技的最新发展。

（来源：IMO）

Risk Analysis of Anti-slipping for Jack-up Platform with Mat Type

Zhou Wei-xing， Zhou bing
（CNOOC Energy Technology & Services Ltd.， Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

With the further development of offshore oil field， the task of offshore drilling platform is increasing. Jack-up platform needs to be in place of operation in different oil wells. In order to guarantee in place operation smoothly， it needs to be analyzed the well depth into the mud and the stability of the jack-up platform. During the period of operation of the jack-up platform， it may encounter rough sea conditions，which requires study and analysis of the possibility of side slip of the jack-up platform occurring in some wells and requires the calculation of the maximum wind speed that can be withstood. Through the establishment of a jack-up platform mat into the mud depth model and side slip model， according to the site engineering geological survey of the QHD32-6 platform， combined with the software， it is calculated the depth of the anti-slip mat apron in the site into the mud， the stability and the utmost environment conditions of the jack-up platform.

jack-up platform； mat； model； software； anti-slipping

2016年1月1日起生效的修正案

U661.43

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.012

周伟兴（1984—），男，工程师，国家注册安全工程师，研究方向：海洋石油安全管理。