移动式自安装井口平台拖航稳性分析

翟梓皓(中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

随着国内海洋石油领域的蓬勃与飞速发展，渤海、东海及南海等大量流域的边际断块油田逐渐成为关注热潮。而传统的海洋油田开采模式过于老旧，难以帮助经济的有效提升，也容易造成部分海洋不可挽回的污染，所以需要及时建立以新型海洋探测装备为中心的独立开发体系。

在多年的努力下，具有自升结构平台的移动式自安装井口平台被成功研制，此平台可根据项目作业的实际特点在工程场地至大范围海域进行较长距离的迁航。在多种海上工作项目中，平台拖航是相对比较危险的作业之一，且在国内外海资源探测史上都有过详细的记载和沉痛的教训。

尤其在实际进行拖航工作时，桩腿收起后其高耸的形状会使受风面积显著扩大，从而导致风倾力矩增加。与此同时，由于桩腿与桩靴的自重比很大，在升桩时自安装井口平台的重心就会得到显著提升，则会极大地影响拖航的稳定性。

1 移动式自安装井口平台基本概况

1.1 基本结构与工作流程

1.1.1 移动式自安装井口平台基本结构

移动式自安装井口平台主要由多个沉垫、支撑设备、立柱、上方平台以及整个升降装置共同组成。其中，沉垫个数大多为四个，且每个沉垫可分为四个水密舱，平台的拖航方向将对应着四个沉垫的集中方向，同时沉垫内还设有油水分离功能，这样可实现沉垫设备的储油功能，为拖航工程提供助力。

1.1.2 移动式自安装井口平台工作流程

现代的移动式自安装井口平台是简易的井口平台，且在海域附近上充分设置与安装后，再放置其拖轮上，拖航至工作海域中。在拖航的整个过程中，主要由四个沉垫来为平台提供浮力，等平台到达指定项目位置时，通过准确的定位来帮助井口的隔水套管成功套至平台立柱中。同时为了保护生产立管的安全，也可将生产立管靠在立柱边上，在平台逐渐下沉时，及时为四个沉垫灌入水，且速度要均匀缓慢。当整个平台主体降落至预先提供的浮态并灌入水时，立即开启升降设备，使整个立柱和沉垫没入海底。与此同时，当沉垫触到海底后，立即顶甲板使其上升，再依靠平台自身的重量优势使沉垫进入海泥中。当平台进行移位时，先把平台上的甲板降到预先设计的浮态让其保持吃水状态，并将沉垫内的油和水彻底排净，并开启升降设备，最后利用其浮力及升降装置的力量成功拔出沉垫。

1.2 工作特点

当前国内的海洋油资源探查企业主要使用的传统井口平台大多为桩基导管架固定式平台，这些传统平台的缺点是难以重复使用，同时其经济性较差，难以获得理想的收益效果。因此，可重复使用的简易平台的研究与创造是很有必要的，也可帮助国内实现经济的飞速发展。据此，国内滩海油田率先提出了可移动自升式单柱平台，该类型平台的主要特点首先为使采油、储油、输油等多种工作项目融为一体，且操作系统更加简单，投资成本数量更少，回收效果显著、时间较短，非常适合滚动的开发模式，其次移动式自安装井口平台具有自浮能力，可直接被拖船拖航至需要作业的海域中，方便后续的资源勘查、能源开发等工作。除此以外，移动式自安装井口平台是简易平台，工作人员可直接采用液压升降系统，在对一个油田进行项目管理后，可直接将平台运转至另一位置进行下一次的直接使用，最后由于移动式自安装井口平台是单柱平台，下放有沉垫设备。这种装置既可缓冲自身平台的较大结构重量，还可直接缩短桩中的人混深度和重量，既可以减少材料浪费和资金成本费用，还可大幅度减少压装费用。

2 现代移动式自安装井口平台稳性规范要求

2.1 完整稳定性质

与船舶等领域类似，现代移动式自安装井口平台的完整稳定性质主要是指当平台在未破损状态时，通过外力作用下导致偏离其平衡位置，最终产生倾斜时，其在外力逐渐消失后自身直接恢复到原始平衡位置的稳定能力。与此同时，平台的完整稳定性质会随着运输或装载状态的不同而发生巨大变化，为了计算在完成的装载状态下平台的哪些时刻具备理想的稳性，需要对几种固定的装载工况进行稳性对比与分析。根据国内规范的详细记载，现代移动式自安装井口平台稳性计算的重点是准确计算复原力矩，即当现代移动式自安装井口平台处在最危险的状况时，其平台抵抗外力矩的极限能力[1]。计算风倾力矩，即在面对恶劣海况下，巨大的海风对现代移动式自安装井口平台影响时的动倾力矩，再计算二者之间的比，其数值为稳性衡准系数，当数值大于或等于1时即可满足当前的现代移动式自安装井口平台稳性要求。所以对现代移动式自安装井口平台，复原力矩与风倾力矩再次进入交点，或者当进水角处的复原力矩曲线下面积中的较小者至少应比同一限定倾角范围内风倾力矩曲线下的面积大40%，即复原力矩与风倾力矩曲线面积之比大于或等于1.4。而此时的比例数值就等于面积比即稳性衡准系数，所以其对应的倾角则为第2交点或现代移动式自安装井口平台入水点，如有两个计算值则选择两者间的较小者。

2.2 破舱稳定性质

破舱稳定性质主要是指当现代移动式自安装井口平台损坏后，依靠其自身倾斜后的复原力矩，并在规范的外力风压的始终作用下仍能保持停水继续进水的能力值。由此可见，计算破舱稳定性质时应选取最负面的工作状态，而不是稳定状态，并考虑此时的现代移动式自安装井口平台处于完全自主的漂浮和约束情况，但此时拖带约束的效果对稳性产生不利影响时也可对其加以考虑。据此，计算破舱稳性数值时，其全部或部分处在的渗透率应符合以下几点要求：首先在储物处所时，其渗透率应为60%以内；而在起居处所时，其渗透率应为95%以内；在机器处的位置时，其渗透率应为85%以内；在空舱处的位置时其渗透率应为95%以内；最后在液体处所时，其渗透率应为0%或95%之间，同时因何故导致较严重的后果时渗透率可达到95%以上。综上所述，现代移动式自安装井口平台在设计初时应广泛具备足够的干舷、储备浮力优势和稳定性，以便现代移动式自安装井口平台在进行任何海洋项目作业或迁移状况下减少损失。除此以外，当移动式自安装井口平台的某个舱室受到规范规定的破损程度后，并考虑所有方向，和风速的风倾力矩作用下，以及平台下沉、纵倾和横倾的相互影响后，最终平台的水线应显著低于可能发生浸水现象的所有开口的下方边界处，以此来判断移动式自安装井口平台的损坏情况。

3 现代移动式自安装井口平台稳定计算流程

3.1 当前移动式自安装井口平台介绍

本文实验分析采用的现代移动式自安装井口平台是四桩腿自升式的可移动井口平台，其自身为钢质且非自航体系，整个平台设计的最大项目深度为46 m，且项目中包含天文潮和风暴潮，以保证实验客观性。同时移动式自安装井口平台的主体形状为长方体箱形结构，并设有4根圆柱形桩腿，以艉二艏二的分布来设置，且在桩腿的下端安置桩靴设备，四个桩靴皆可完全收回至可移动井口平台体内。在平台的升降系统中直接采用液压插销的方式，再利用平台自身的升降系统，将平台主体伸展于理想的固定高度。

同时此次移动式自安装井口平台的艉部将设有井口槽装置，槽内将为井口隔水套管安装支撑结构，可直接符合多个隔水管的全部支撑要求，且每个隔水管的间距约为2.6 m。除此以外，井口隔水套管的支撑管架结构大都采用液压齿条升降系统来直接调整管架的实际高度，并在井口槽两侧安装井模块纵向滑动的轨道来方便移动。通过具体测量，本次四桩腿自升式的可移动井口平台具体平台长度为56 m，整体宽度为45 m，实际深度为5.5 m，在轻载状态时拖航进水3.21 m，重载状态时拖航进水3.56 m，且平台的桩腿数量为四根，各个桩腿的尺寸大约为3.5 m×82 m，桩腿间的纵向差距为39.5 m，横向差距为36 m，且正八边形的桩靴的对边长度约为7.4 m，整体高度约为2.0 m，并在艏部位安置两层的工程房间，房间层高为4.0 m，以及一层生活楼，楼内的层高为3.2 m。

3.2 三维实体建模

根据坐标系获得此次可移动井口平台的准确坐标，并通过MOSES软件来进行三维实体建模，再对得到的建模进行实际的安装与测量，检测到可移动井口平台的主要结构特征和位置分布。其破舱稳性计算选取的舱室组合内容与分布主要为以下几个特征：首先中心部位为置换泵舱，其周围舱室为升降液压舱和机修舱，在机修仓前后主要为燃油舱和生活污水舱，且容易存在破损情况；其次往外延伸的舱室为淡水舱和海水缓冲舱，其上方存在兼工业淡水舱；最后部分主要为左、右压载舱，并在以上所有舱室中共模拟出破损情况16处，以供实验参考[2]。

3.3 工况模拟分析

在进行实验的工况模拟分析时，将可移动井口平台的远洋拖航选取满载工况，即修井拖航工况、轻载工况、采油拖航工况和空船工况等作为主要实验素材，并设计出平台拖航项目的计算模型，以及测量可移动井口平台的荷载重量和重心分布情况。同时平台进水点的设置主要考虑了平台主甲板上的通风口、透气管道和下舱梯道门的进水点等实际影响因素，再对所处空气湿度、测量时间、注入系统等位置状态进行控制，最后各舱室的破损情况以及进水点的坐标如表1所示。

表1 各舱室的破损情况以及进水点的坐标

3.4 风载荷计算

现代可移动井口平台无论是完整性质还是稳定性质都需要进行计算风载荷的计算，并给予各种工况下基本条件，将构件上的风载荷数据主要按公式(1)进行计算，即：

式 中：P为 风 压,即P=0.613×10-3V2(kPa)；V为实际风速(m/s)；F为所需风荷载数值(kPa)；Ch为模拟实验物体的高度数值，根据实际的高度测量可得到；Cs为模拟实验物体的形状系数；S为可移动井口平台在进行正常漂浮或倾斜状态时所得到的正向投影面积值(m2)[3]。

4 移动式自安装井口平台稳性计算结果分析

4.1 完整稳定性质

根据现代可移动井口平台的形态特点，计算出横向90°、斜向43°、纵向0°受风时的完整稳性数值。根据国家标准规范取得模拟风速数值为52.6 m/s，并在平台进行拖航时将桩靴彻底收入主船体中，此次现代可移动井口平台采用湿式桩腿型式，其与海水相互连通，保证桩腿在拖航时进入水中。除此以外，平台桩腿的浮力只需考虑桩腿壁厚直接产生的能力，且由于桩靴采用正八边形结构，其外侧一圈则不与海水直接连通，此部分直接算入排水量，最后计算结果如表2所示。

表2 稳性计算结果

根据国家关于拖航工作的明确规范要求，其最终完整稳性的衡准数F应满足大于1.4，同时初稳心高GM应大于15 m，实验成果表明其完整稳性满足规范要求。

4.2 破舱稳定性质

在计算该实验中可移动井口平台破舱稳定性质时，主要对满载拖航、轻载拖航与空船拖航的实际工况进行重点检测，并按照国家规范要求对各舱室或处所选取合适位置的容积渗透率。其次根据要求假定垂向范围内自底板向上无约束，且水平贯入距离为1.5 m，同时设定水平有效范围内的实际水密舱壁之间，以及距离最近台阶部位的有效长度大于3 m。再设置各工况情况下的进水点数值均大于0°，使其破损水位低于继续进水口的下方位置，以此满足实验标准要求。

通过对满载拖航的实际工况的实验结果进行充分计算，得到其在平台16个破损状态下的θm(°)与θs(°)数值均满足国家规定，同时计算出ROS值，即

θm-θs(°)均保证在10～32°之间，最后得到Max(7°+1.5θs)的最终数值均维持在10°～11°之间，即现代可移动井口平台满足国家对破舱稳定性质的衡准要求。同理平台轻载拖航与空船拖航相关稳性计算与满载拖航的实际计算方法一致，且通过实验分析后其结果也满足当前国家规定的范围内，则充分表明现代移动式自安装井口平台的完整稳定性质与破舱稳定性质均满足当前海洋能源企业的生产需要，并为其今后的长久发展创设理想条件。

5 结语

通过近几年的调查显示，平台海损事件中因拖航稳性不足导致的事故大约占总量的三分之一，所以拖航稳性问题始终是平台设计部门、实际操作部门和成果检验部门关注的焦点。针对某型移动式自安装井口平台为重点研究对象，通过对平台拖航的完整稳性和破舱稳性进行充分剖析与研究，同时将研究成果为以后的类似平台稳性分析提供参考数据，达到为移动式自安装井口平台的安全拖航提供技术支持目的。据此，本文率先介绍了移动式自安装井口平台的基本概况，并浅析了现代移动式自安装井口平台稳性规范要求；其次展示了移动式自安装井口平台稳定计算流程；最后提出了移动式自安装井口平台稳性计算结果以及后续分析，旨在为日后移动式自安装井口平台拖航稳性分析提供理论基础。