自升式海洋石油平台多功能转换

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司， 天津 300450)

0 引 言

在海上石油工业的发展进程中，自升式海洋石油平台一直发挥着重要的作用。一口油气井的开采过程涉及多个阶段，包括前期钻探、导管架安装、钻开发井和完井、生产模块安装，以及后期的钻调整井、修井作业等各种不同的作业类型[1]。在开展每项作业的过程中，需提供钻完井、钻完井工程辅助支持、生活支持，以及原油处理、储存和外输等各种不同类型的服务。

在当前石油市场低迷的情况下，自升式海洋石油平台能根据行业需求，快速实现平台的多功能升级转换，是保证其在竞争日益激烈的市场中获得一席之地的重要法宝[2]。

1 平台概况

1.1 平台主要参数

某国内自升式海洋石油平台拥有悬臂梁纵移、钻台横移和纵移等3个滑移系统，可保证不同作业工况下的滑移能力和场地需求。

平台主要参数为：平台型长L=54 m，平台型宽B=49 m，平台型深H=5.2 m，油田拖航满载平均吃水3.49 m、轻载平均吃水3.40 m，远洋拖航满载平均吃水3.49 m、轻载平均吃水3.40 m。

1.2 平台多功能转换

该平台可实现以下几种作业工况(见图1)。

(1) 钻井状态：平台上有钻台及钻井设备。

(2) 工程支持1状态：平台上有200人生活模块及相应设施，没有钻台及钻台以上设备。此工况可提供生活支持，同时由于没有安装钻台，可保证提供足够的场地支持。

(3) 工程支持2状态：平台上有200人生活模块和钻台并存，并包含200人生活模块的相应设施。此工况可提供生活支持，但由于钻台的存在，限制了场地支持的能力。

(4) 工程支持3状态：平台上有10个住人集装箱和钻台并存，并包含200人污水处理装置。此工况可提供生活支持，且只要将住人集装箱和污水处理装置拆除吊装后，即可满足平台钻完井作业的需求。

(5) 电力外输支持状态：平台上有200人生活模块和临时电站模块共存。此工况可提供电力外输支持。

图1 各种作业支持状态

2 平台多功能转换后的稳性计算

在平台完成多功能转换后，需要对整个平台的完整稳性进行计算，验证其能否满足规范要求。以平台在现存200人生活模块基础上加装钻台后的稳性计算为例，验证其完整稳性。

按中国船级社《海上移动平台入级与建造规范(2016)》(下文简称“规范”)计算平台拖航状态完整稳性，用上海交通大学PANB稳性计算程序进行校核。建立坐标系如图2所示，原点位于平台中心线尾端，x轴向艏为正，y轴向左舷为正。

图2 坐标系示例

2.1 进水口坐标

对计入淡水舱和燃油舱的自由液面进行修正。根据有关图纸，用程序对相对危险的进水口进行计算比较。各个方向容易进水的通风头进水口坐标如表1所示。

表1 进水口坐标

平台拖航时,上述通风头都有可能处于开启状态,根据不同方向角,选取最危险的进水点进行进水角计算。

2.2 风载荷计算

在计算平台风载荷时，平台各构件的受风面积及其形心位置以总布置图为计算依据，并假定受风构件正投影面积的形心即为风力作用中心[3]。

拖航状态时假定3条桩腿完全升起，钻井状态时平均水深40 m，工程辅助支持状态时平均水深35 m。桩腿由高73 m、直径3.2 m的圆柱体桩腿(两侧各附有高0.4 m的齿条)和高1.65 m的正八面体桩靴组成；前后桩腿中心之间的纵向垂直间距为41.5 m，左右桩腿中心之间的横向间距为37.5 m。

根据本平台的环境条件要求，平台的风载荷计算工况如表2所示。

表2 平台风载荷计算工况及计算风速 m/s

对于拖航工况，从0°到180°每隔30°计算1次平台所受的风载荷(分0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等7个方向)；对作业和自存工况，分别计算平台横向(Φ=90°或270°)、纵向(Φ=0°或180°)和斜向(Φ=65.4°或294.6°)受风时所受风载荷如图3所示，与波浪入射方向相同。

图3 风载荷受风图

规范中风压P和作用于构件上的风力F计算式[4]分别为

P=0.613×V2

(1)

F=Ch×Cs×S×P

(2)

式(1)和式(2)中：V为设计风速， m/s；Ch为暴露在风中构件的高度系数；Cs为暴露在风中构件的形状系数；S为受风构件的正投影面积， m2。

由式(1)和式(2)得出F的具体计算式为

F=0.613×Ch×Cs×S×V2

(3)

M=F×Zs

(4)

式(3)和式(4)中：F为作用于构件上的风载荷，N；M为作用于构件上的风力矩，N· m；Zs在拖航状态时为受风构件形心距平台一半吃水的垂直距离，m，在作业和风暴自存状态时为受风面积形心距泥面以下3 m的垂直距离，m。

参照平台风载荷计算书，远洋拖航(满载)的风载荷计算结果如表3所示。

表3 远洋拖航(满载)状态风速为51.5 m/s的风载荷计算结果

2.3 拖航状态质量重心计算

根据原平台操作手册计算加装钻机的质量、重心，对加装钻台后平台的满载拖航质量、重心进行重新核算，如表4所示。

表4 拖航状态质量重心计算结果

2.4 拖航状态浮态计算

根据平台排水量，查静水力曲线图的平均吃水、浮心纵向位置、浮心垂向位置、纵稳心半径及漂心纵向位置[5]。

(1) 每厘米纵倾力矩：

Mcm=D·ML/(100L)

(5)

式中：D为平台排水量，t；ML=O+J-Q。其中：ML为纵稳心高，m；O为浮心高度，m；J为纵稳心半径，m；Q为计算状态的重心高度，m。

(2) 纵倾力矩：

M= (Xg-Xc)·D

(6)

式中：Xg为重心纵向位置(通过质量重心计算表得到), m；Xc为浮心纵向位置(由静水力曲线查得)， m。

(3) 横倾力矩：

MT=(Yg-Yc)·D

(7)

式中：Yg为重心横向位置(通过质量重心计算表得到)，m；Yc为浮心横向位置(由静水力曲线查得)， m。

(4) 艏艉吃水差：

ΔT=M/(100Mcm)

(8)

艏吃水：

TF= (L-Xf)·ΔT/L+T

(9)

艉吃水：

TA= -Xf·ΔT/L+T

(10)

式中：Xf为漂心距艉， m；T为平均吃水， m。

注意：纵向是艉前为正，艉后为负；横向是左舷为正，右舷为负；垂向是基线以上为正，基线以下为负；ΔT增加为+，减少为-。

对该平台拖航状态浮态进行计算，结果如表5所示。

表5 平台拖航状态浮态计算结果

2.5 稳性计算结果汇总

根据以上计算结果，用上海交通大学PANB稳性计算程序计算平台完整稳性结果如表6所示。

表6 拖航状态的稳性计算结果汇总

使用计算程序得出的稳性计算结果表明，平台在拖航状态完整稳性满足规范要求。

图4 平台现场作业照片

3 现场应用及建议

目前，上述作业工况已经在现场得到应用(见图4)，但从现场应用情况来看，还有可改进之处。根据平台在多功能转换实践过程中的关键点提出建议如下：

(1) 平台需要配备横、纵滑移系统，保证在功能转换过程中对作业场地的不同需求；

(2) 平台需要预留好多功能转换所需要的结构固定、电源等接口，便于随时拆卸安装；

(3) 平台在设计过程中需要充分考虑在不同作业工况下安全、环保设备设施的配备情况；

(4) 平台须保证各种工况下的强度、稳性安全要求；

(5) 平台操船手册须涵盖所要经历的各种作业工况并得到CCS相关船检部门的认可。

4 总 结

在当前国际油价低迷的形势下，多功能平台可以根据钻完井、钻完井工程支持、生活支持以及原油处理、储存和外输等各种不同类型的服务需求进行快速功能转换，以满足海洋石油装备发展的需求。

以某自升式平台为例，对其多功能转换的内容以及稳性计算进行了详细描述，同时根据平台在多功能转换实践过程中的关键点提出了相关建议，为海洋石油大型装备的发展提供开拓性的思路与启示，提供行业参考依据，适应潮流发展需求。