摘　要：國內外都在加速對海洋油氣資源的開發(fā)利用，而惡劣的環(huán)境則是影響近海自升式平臺作業(yè)安全的主要因素之一，國外近年來有20多條平臺因颶風(臺風)沉沒或嚴重受損；國內目前對自升式平臺在極限環(huán)境條件下的安全性研究較少，在作業(yè)中采取了比較保守的策略，加之向海外市場擴張，使我國有限的鉆井平臺資源供需矛盾日漸凸顯。為此，通過運用動態(tài)效應的準靜態(tài)分析法，對鉆井平臺承受的風、波、流等環(huán)境載荷、慣性力和自身載荷等參數(shù)進行了計算，同時對其樁腿、升降／鎖緊系統(tǒng)、船體等主要結構和預壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能、最大彈性變形量等主要參數(shù)進行了校核，并以現(xiàn)今主流的JU2000E船型自升式鉆井平臺為例，進行了相關的環(huán)境參數(shù)的校核演算。該項技術已在中國沿海及海外自升式鉆井平臺作業(yè)市場進行了100余次應用檢驗。結果表明，準靜態(tài)分析法的分析過程簡捷，評估的準確性高，平臺作業(yè)的安全性取得了滿意效果。

關鍵詞：海洋  自升式  鉆井平臺  準靜態(tài)分析  環(huán)境載荷  平臺主結構  強度校核

Quasi-static analysis of the dynamic effect of a jack-up rig’s work load during safe drilling operation

Astract：Severe sea environment is a major disadvantage affecting the safety of jack up rig operation in offshore drilling．In recent years，more than 20 rigs sank or were severely damaged due to hurricanes(typhoons)in foreign countries．Since few researches have been conducted in China on the jack-up rig safety under extreme environmental conditions，domestic operation adopts relatively conservative practices．With limited rig resources at home，the imbalance continuously grows between the supply and demand．In view of this，a quasi static analysis of dynamic effect was conducted through calculating parameters born by the jaek-up rig including inertia force，self-load，and such environmental loads as wind，wave and current．In addition，other main structures and parameters were calibrated，including legs，lifting／locking systems and hulls，as well as pre loading performance，spudcan loading capacity，overturning resistance，and maximum elastic deformation．Moreover，JU2000E jackgup rig．the current mainstream rig，was taken as an example for calibrating and calculating relevant environmental parameters．This technology has been tested in over l00 applications in the jack-up rig operation market in the coastal area at home and abroad．According to the results，the quasi static analysis is simple in process and accurate in evaluation，and the rig operation safety is improved with a satisfactory effect．Therefore，this technology can benefit and promote the rig operation safety and acceleration of developing and utilizing subsea oil and gas resources．

Key words：sea，jack-up rig，quasi-static analysis，environmental load，rig main structure，strength calibration

隨著我國及世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石油需求量的逐步提高，海洋油氣開發(fā)已處于越來越重要的地位，自升式鉆井平臺是近海油田開發(fā)的重要設備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業(yè)。我國自升式平臺作業(yè)范圍已從中國沿海擴展到了緬甸、印尼爪哇、澳大利亞西北大陸架、東帝汶、里海及墨西哥灣等海域，由于平臺作業(yè)向海外市場擴張，使得我國有限的平臺資源供需矛盾日漸凸顯。

根據(jù)美國內務部礦產(chǎn)資源管理機構(Minerals Management Service，MMs)和英國健康安全管理機構(HSE)所作的統(tǒng)計和研究結果^[1-4]，自升式鉆井甲臺在站立作業(yè)狀態(tài)下，惡劣的環(huán)境是影響平臺作業(yè)安全的主要因素之一，例如：墨西哥灣近年受到Andrew、Lili、Ivan、Katrina、Ritad等颶風的肆虐，至少造成6條自升式平臺沉沒，10多條平臺嚴重受損。因而隨之產(chǎn)生如何評估平臺作業(yè)性能與環(huán)境匹配性的問題。

1　平臺載荷動態(tài)效應的準靜態(tài)分析法

自升式平臺在站立狀態(tài)的受力情況可簡化成一種彈性振動體模型^[5]，其固有振動頻率與平臺的結構、作業(yè)載荷和升船高度等因素有關，其承受的風、波、流等環(huán)境載荷是對平臺固有振動的一種激勵，即在平臺上附加一種慣性力。因此在計算平臺壓載量時既要計算平臺自身載荷，還要考慮風、波、流產(chǎn)生動態(tài)載荷。

計算平臺所受動態(tài)載荷一般采用準靜態(tài)分析法^[6]，包括兩個步驟：①建立分析結構的等效有限元分析模型，以便進行動態(tài)載荷分析；②將動態(tài)載荷和風、波、流產(chǎn)生的橫向載荷代入有限元模型，分析結構安全性。在第二步中實際用靜態(tài)力代替波浪產(chǎn)生的動態(tài)響應，因此分析過程叫做準靜態(tài)分析，其流程^[3]如圖l所示，由此可計算出平臺所承受的環(huán)境載荷總量。

1．1　動態(tài)放大系數(shù)

動態(tài)放大系數(shù)DAF(Dynamic Amplification Factor)是動態(tài)響應和靜態(tài)響應的比值，用于近似計算各種結構響應，如平臺的傾覆力矩、船體的橫向載荷／橫向位移等，一般DAF可用式(1)計算，對計算結果的精度要求比較嚴格時，可按SNAME 5-5A給出的時域或頻域隨機動態(tài)分析法計算^[7]。平臺設計公司在設計時通常采用DAF的上限值，避免平臺固有頻率與波浪頻率接近時出現(xiàn)計算結果的歧變。

DAF＝{[1-(Tp／T)²]²+(2zTp／T)²}^-1/2   　　　(1)

式中Tp為平臺自振周期，s；T為波浪周期，s；z為阻尼系數(shù)，一般取值0.05～0.07。

1．2　建立等效有限元模型

按照平臺船體結構圖建立等效有限元模型，一般包括4種單元：梁單元、管單元、浸沒管單元及質量單元^[8]。梁單元主要用于模擬樁腿弦桿和船體主要承載結構；管單元用于模擬樁腿各種撐管；浸沒管單元用于模擬波流施加在樁腿的載荷；質量單元用于模擬平臺設備重量并按傾斜實驗數(shù)據(jù)調整平臺重心。

1．3　載荷計算方法

1．3．1波流載荷計算

一般利用Stokes五階波理論和Morison公式計算海流和波浪對平臺樁腿的作用力。

1．3．2模態(tài)分析和慣性載荷計算

按ABS規(guī)范，采用SDOF(Single Degree of Freedom)單自由度法將平臺簡化成質量一彈簧阻尼器系統(tǒng)，它是計算平臺動態(tài)載荷最簡單的一種方法，普遍用于鉆井平臺基本設計之中。因此，平臺受到的附加慣性載荷Fi可按式(2)計算：

Fi＝(DAF-1)×(FWmax-FWmin)／2 　　　　   (2)

式中FWmax、FWmin分別為波流力最大值和最小值。

1．3．3風載荷計算

平臺基本設計給出了相對于平臺各方位的風載荷，將結果直接用于有限元計算。

1．3．4二次彎曲效應

由于風浪流的作用，平臺沿作用力的方向產(chǎn)生重心橫向位移△距離，這種現(xiàn)象稱作二次彎曲，亦稱歐拉放大效應，即在平臺上施加了PD (P為平臺站立質量)的力矩。

1．4　平臺結構強度分析重點

自升式平臺需要進行結構強度分析^[8-10]的內容至少應包括樁腿強度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等，其中前3項指標的完整性系數(shù)UC(Unity Check)值應小于等于l；風暴自存時，平臺抗傾覆性能安全系數(shù)(OTM，OverTurning Moment)應大于1.3^[11]。

2　模擬載荷計算案例

2．1　相關基礎數(shù)據(jù)

以現(xiàn)今主流的400Ft自升式JU2000E船型為基礎建立等效有限元模型，選取我國東海黃巖海域為模擬環(huán)境海區(qū)，平臺自身性能參數(shù)如表l所示，海區(qū)環(huán)境參數(shù)基本數(shù)據(jù)如表2所示。

對比表2中數(shù)據(jù)，得知該海域的最大浪高、表面和底部流速等環(huán)境參數(shù)數(shù)值已超過平臺操船手冊^[12]規(guī)范的數(shù)值，因而在正常條件下，該型平臺不能在該海域進行生產(chǎn)作業(yè)。

2．2　環(huán)境載荷及彎矩

表3、4分別為平臺在該海域所受到各方向環(huán)境載荷、彎矩計算結果。

2．3　結構完整性校核

平臺進行樁腿強度、升降鎖緊系統(tǒng)的承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能的完整性系數(shù)校核，其結果如表5所示。

平臺各主結構的UC值大多小于等于1，符合規(guī)范要求，部分超標值均在各船級社UC值不大于l.05的許用范圍內。

2．4　抗傾覆性能安全系數(shù)校核

其校核結果如表6所示。

平臺抗傾覆性能安全系數(shù)(OTM)校核值大于1.3。

運用本文闡述方法進行綜合校核評估的結果：該型平臺可在該海域環(huán)境參數(shù)條件下進行生產(chǎn)作業(yè)。

3　應用

技術成果在中海油田服務股份有限公司(以下簡稱COSL)16條國內作業(yè)平臺和ll條海外作業(yè)平臺上成功應用，區(qū)域涉及中國沿海及海外作業(yè)區(qū)塊，相關作業(yè)者包括國內石油公司及道達爾、SPC、PEMAX、HUSKY等國外公司或合資公司，評估的準確性和作業(yè)的安全性幾乎達到100％，使COSL的作業(yè)安全率遠高于國內、國外同行業(yè)的水平。

1)中國沿海：包括黃海、南海的所有區(qū)域，主要應對臺灣海峽的海流、表層海床的鐵板砂及臺風影響。近年來，在東海南海都遇到了200年一遇的臺風，因此每年都要根據(jù)臺風和季風進行作業(yè)井位設計、平臺的作業(yè)窗口安排及平臺資源配置。

2)海外：海外作業(yè)中可能遇到各種作業(yè)者(甲方)，有的作業(yè)者安全意識較弱，如要求平臺在霍爾木茲海峽這種流速極高的區(qū)域進行水檢作業(yè)。最終通過分析計算及與作業(yè)者的協(xié)商，選定流速較小的區(qū)域進行相關作業(yè)，既保持了與作業(yè)者良好的關系，又保證了平臺的安全。

4　結論

1)運用動態(tài)效應的準靜態(tài)分析法對鉆井平臺承受的環(huán)境載荷進行計算，并對其主要結構進行強度校核的方法，評估白升式鉆井平臺作、業(yè)環(huán)境適用性能，是對現(xiàn)行規(guī)范相關章節(jié)的完善補充。

2)利用動態(tài)效應的準靜態(tài)分析法對自升式鉆井平臺進行作業(yè)環(huán)境適用性能評估，可以達到在風險可控條件下，擴大其作業(yè)適用范圍的目的。

3)截至目前，該項技術已在中國沿海及海外自升式鉆井平臺作業(yè)市場的進行了l00余次應用檢驗，其評估結果的準確性和平臺作業(yè)的安全性均取得滿意效果。

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本文作者：顏波  宋林松  胡明蘭

作者單位：中海油田服務股份有限公司