自升式钻井平台

关键词： 载荷 自升式

自升式钻井平台（精选九篇）

自升式钻井平台 篇1

自升式钻井平台为近海石油开采的大型勘探设备, 其作业稳定性与竖直方向的插桩作业以及水平方向的抗滑移能力关系尤为密切[1]。现有插桩作业的稳性研究只是基于经典理论公式与数值计算的结果, 忽略了水平载荷的影响, 单纯地将水平载荷与竖直载荷分离开讨论。而挪威船级社 (Dn V) 中的地基稳定临界曲线明确指出了水平环境载荷与竖直插桩载荷存在一定的联系, 并且相互影响[2]。现有经典理论公式计算结果与实际相差较大, 会导致穿刺或插桩不到位现象;而数值方法很多参数都是基于经验得到, 与实际工况存在很大差别。

因此, 本文在挪威船级社规范的基础上, 以水平滑移载荷逆推出在插桩作业时的临界插桩载荷, 并与试验结果和经典插桩理论值进行对比分析, 验证推导出公式的合理性, 以弥补现有研究的不足, 提高自升式平台的作业稳性。

1 自升式平台作业载荷分析

1.1 竖直载荷分析

目前应用比较广泛的理论公式为Skempton公式[3]:

式中, Fv为黏性土壤中的竖直载荷;qu为黏性土壤的极限承载力;Nc为承载力系数, 文献[4]给出了计算方法;su为不排水抗剪强度;γ′为土壤的容重;D为海底面距桩靴的深度;p0′为土壤回流到桩靴上部的覆土重力, 因不考虑回流, p0′=0;V为桩靴排开土的体积;A为桩靴的最大截面面积。

1.2 水平载荷分析

水平载荷与桩靴尺寸、海底土质的性质以及平台整体所受的环境载荷等因素有关。桩靴的尺寸影响桩靴周边的摩擦力;海底土质影响土壤的凝聚力;环境载荷包括风、浪、流所产生的载荷, 风载荷为船的主体、甲板以上的设备和生活楼所受风力;浪、流载荷主要因海面上的波浪引起。美国船级社对环境载荷做出了具体的规定[5]。

(1) 风载荷。

式中, Fw为海洋平台所受风载荷;Cs为结构物形状系数;Ch为结构物高度系数;V为风速;A为结构物所受风力的投影面积。

(2) 浪载荷。

当T≥0.332L0.5时:

当T<0.332L0.5时:

式中, Fs为海洋平台所受浪载荷;H为有效浪高;B为船横向宽;L为船长;T为海浪的周期。

(3) 流载荷。

式中, Fc为总的流载荷;Fa为海流作用于平台船体的载荷;Fr为海流作用于隔水管的载荷;Fm为海流作用于缆和链的载荷。

总的环境载荷则为风、浪、流载荷的矢量和:

为避免自升式平台在作业过程中发生滑移现象, 需要对滑移力进行校核, 自升式平台在海上工作存在两种工况, 分别为作业和自存状态, 用抗滑移安全系数KH来评价。

作业状态:

自存状态:

式中, RH为抗滑阻力, 由桩靴周边摩擦力Rcf和土壤凝聚力Rc组成:

式中, Ams为海底土壤与桩靴的接触面积;Amb为埋入海底并平行于滑移方向的桩靴侧面积。

1.3 竖直载荷与水平载荷的关系

挪威船级社规范中提出了完全不排水状况下的地基稳定临界曲线[2], 该曲线是平台处于极限条件下竖直载荷与水平载荷的关系, 如图1所示。

当竖直载荷为0时, 水平载荷不为0, 极小的水平力就有可能使地基土发生破坏, 自升式平台将会发生滑移风险。当水平载荷在1~6.1 MN的范围时, 水平载荷与竖直载荷呈线性增长关系;当水平载荷在6.4~6.69 MN的范围时, 竖直载荷随水平载荷的变化而陡增;但当竖直载荷足够大时, 即Fv大于23 MN时, 水平载荷随竖直载荷反向变化。Allersma等通过开展土工离心模型试验, 验证了该曲线的合理性和有效性[6]。

为了更好地描述水平载荷与竖直载荷所满足的规律, 本文利用1st Opt和ORIGIN两种软件拟合出该曲线方程, 由于图1中FH与Fv不存在单独映射关系, 因此变化FH与Fv的位置关系, 并进行拟合, 如图2所示。

根据ORIGIN软件可以直接得到公式 (11) , 该公式表达形式较长, 但与原始曲线的吻合度达到99.917%, 因此能够较为准确地描述地基稳定临界曲线所满足的规律。

2 计算实例

以大连船舶重工集团有限公司建成的“海洋石油941”自升式平台为例, 分析该平台的抗滑移能力并计算其临界插桩载荷[7]。

黄海近海作业水深150 m, 桩腿直径为3.5 m, 该钻井平台配有圆形桩靴, 尺寸为L=6 m、h1=1.95 m、h2=0.4 m, 插桩深度D=10 m, 如图3所示。

黄海附近海域经勘测, 其海底土壤容重γ随水深关系如式 (12) 所示, 单位:k N/m3。

海底土壤不排水抗剪强度与水深的关系如式 (13) 所示, 单位:k Pa。

2.1抗滑移阻力计算

桩靴周边摩擦力:

土壤凝聚力:

则抗滑移阻力:

采用抗滑移安全系数KH来预测平台所能承受的最大环境载荷, 取自存状态下进行计算, KH为1.2, 则环境载荷FH为341.17 k N。因此, 在自升式钻井平台作业之前可以进行环境载荷的评估, 从而降低滑移与作业风险。

2.2 插桩载荷计算

同样以该自升式钻井平台为计算对象, 可得出基于传统理论的插桩载荷, 其中Nc为9:

2.3 载荷对比分析

以得到的环境载荷FH为依据, 再根据地基稳定临界曲线公式, 可以求出竖直临界承载力Fv′为512 k N, 通过比较发现:Fv′远远大于原始理论公式计算出的插桩载荷, 而根据现场得出的试验数据, 插桩阻力为508 k N, 该值与基于水平载荷计算出的阻力值吻合度较好, 如果以传统的计算结果进行插桩作业, 将会造成插桩不到位等现象, 这体现了传统理论公式的保守性。

3 结语

本文基于水平载荷推导出自升式钻井平台的插桩最大载荷, 该结果与现场的试验值非常接近, 而现阶段的插桩理论公式并不能准确预测插桩阻力, 容易导致平台发生失稳现象。因此, 本文的研究结果能够弥补现有公式的不足, 为提高平台作业的稳定性提供理论指导。

参考文献

[1]唐文献, 吴文乐, 杨栋, 等.自升式平台插/拔桩阻力影响因素数值分析[J].江苏科技大学学报:自然科学版, 2016, 30 (1) :74-78.

[3]中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S], 2005.

[4]付丽娜.自升式钻井船桩靴承载能力研究[D].天津:天津大学, 2008.

[5]廖谟圣.海洋石油钻采工程技术与装备[M].北京:中国石化出版社, 2010.

[6]陈宏, 李春祥.自升式钻井平台的发展综述[J].中国海洋平台, 2007, 22 (6) :1-6.

我国自升式钻井平台的发展与前景 篇2

我国自升式钻井平台的发展与前景

自升式钻井平台属于海上移动式平台,由于定位能力强和作业稳定性好,在大陆架的勘探开发中居主力军地位.阐述自升式钻井平台的`组成和作业范围,以及在我国海洋油气勘探开发中的发展与前景.

作 者：汪张棠 赵建亭 WANG Zhang-tang ZHAO Jian-ting 作者单位：中国船舶工业集团公司第七○八研究所,上海,11刊 名：中国海洋平台 ISTIC英文刊名：CHINA OFFSHORE PLATFORM年，卷(期)：“”(4)分类号：P75关键词：自升式钻井平台 发展 前景

自升式钻井平台 篇3

摘 要：自升式钻井平台升降基础分段的结构形式复杂且空间紧密，板材厚，全部为全焊透结构，建造难度大。本文利用Solidworks软件对升降基础分段的各个零部件进行建模，根据建造流程策划对升降基础分段进行虚拟装配，并通过制作动画对建造流程进行仿真分析。根据仿真结果对流程进行优化，得到最优化建造流程，提前预知建造过程的难点，制定合理施工步骤，确保升降基础分段的建造质量。

关键词：自升式钻井平台；升降基础结构；Solidworks软件；建模；建造流程仿真

中图分类号：U671.4 文献标识码：A

Abstract：The structure of gear unit support foundation on the Jack up drilling unit is complex， the inside space is very small， the plates of gear unit support foundation are relatively thick and the well seams are full penetration welded， therefore it is very difficult to complete the structures construction. In this paper， the structures 3D modeling is established with the 3D CAD software olidworks， the virtual assembly for gear unit support foundation block is completed and the animation is made to carry on the simulation analysis of the whole construction process. Through the analysis， the most optimized construction process is obtained to visually describe the whole construction process， guide site construction and to ensure the construction quality of the structure.

Key words： Jack up drilling unit； Structure of Gear Unit Support Foundation； Software Solidworks； Modeling； Construction Process simulation

1 前言

升降基础结构是自升式钻井平台的关键结构，是升降装置和缩紧装置的载体，为桩腿升降提供导向，起到连接桩腿和主船体的作用。基于它的特殊用途，其板材多为高强度厚板，结构复杂，形式紧密。升降基础分段的建造是整个平台建造的难点和关键，需要根据其结构特点进行建造流程策划。由于其结构复杂，空间狭小，单纯的根据二维图纸对建造流程进行策划难度很大，而且也容易出错。另外，虽然通过CAD绘图方法能将二维再转成三维，可以直观地观察升降基础的结构特点，但由于不能进行仿真，故容易犯同样的错误。

本文以R-550D自升式钻井平台的升降基础为载体，采用简单便捷的三维建模方法对升降基础分段的各个零部件进行建模，利用其仿真功能校验初步策划的建造流程，对可行的流程进行优化，从而确定最优化的建造流程，通过三维视图等轴的形式，直观地描述整个建造流程，指导建造实施。

2 升降基础分段建模

2.1 仿真要求下solidworks建模的原则

要对升降基础分段的建造进行仿真，首先需要在Solidworks软件内建立升降基础分段的模型。在Solidworks软件内，建模对象分为零件与装配体。零件是最基本的模型单元，装配体由多个零件组成，单个零件不能单独移动，单独移动的操作对象仅为装配体。升降基础分段的结构复杂，零部件繁多，考虑到仿真的需要，在建立模型时每个零件应作为单独的装配体进行建模，以实现仿真时的独立移动。

2.2 升降基础分段的建模

R-550D自升式钻井平台升降基础分为下基础分段和上基础分段，下基础分段结构形式相对简单，上基础分段结构形式紧密且复杂，仿真的对象重点在于上基础分段。

在初步策划升降基础分段建造流程时，下基础分段分成下导向结构、下箱形结构、中间导向结构和上箱型结构四个中组件进行建造；上基础分段分成锁紧装置区域结构、齿轮箱和上导向结构三个中组件进行建造。根据以上策划，在建模时下基础分段分成四部分建模仿真，上基础分段分成三部分建模仿真，通过Solidworks软件建立的下基础分段和上基础分段如图1、图2所示。

对狭窄区域的结构，需要开设作业工艺孔以满足施工的要求，因此工艺孔的位置也应在建模的过程中体现在模型内，以检查工艺孔的设置是否合理。

对于结构复杂的上基础分段，各中组件的模型如图3、图4、图5所示。

3 建造流程仿真

3.1 Solidworks仿真的原理

在Solidworks软件中，对于已建立的模型可以通过设置爆炸视图和建立运动算例来实现仿真。通过爆炸视图的功能，按照策划的建造流程的各个步骤，逐步反推每个装配体（即各个零件）的发散顺序，合理设置每个装配体的移动距离，使整个模型发散变成由装配体组成的状态，然后通过运动算例，使各个装配体按照设想的顺序逐一组装在一起，从而实现仿真，检查建造流程中各个组装步骤的正确与否进而优化。

3.2下基础的仿真endprint

在下基础分段内，较复杂的结构为下导向结构和中间导向结构，其空间狭小且完工后密闭，需要对建造流程进行模拟仿真。

对于下导向结构，在组件建造过程中是单面开口的箱型结构，其内部被5档竖隔板分隔，考虑到该结构在安装到平台上后会形成密闭空间，对于该结构的建造流程仿真，主要是考虑建造流程是否对焊接顺序、施工空间、建造精度及方便性有利。基于以上要求，在4档竖隔板上设置工艺孔，先安装竖隔板于水平封板上，然后安装四周的围壁板。

对于中间导向结构，是全封闭的箱型结构，相对于下导向结构，在部件建造阶段增加了一块水平封板，其建造流程与下导向结构差别不大。

3.3 上基础的仿真

上基础分段的三个中组件均为复杂紧密结构，对施工顺序有严密的要求，需要通过仿真动画对建造流程的每一步进行反复的论证，找出可能导致无法施工的位置，通过优化调整确定适合现场施工的建造流程。

齿轮箱结构是整个升降基础最复杂的部分，与其他位置的结构不同，齿轮箱结构在相同的高度空间内分成了两层空间，后壁板与中壁板之间形成了一个高度仅为431 mm的全密闭空间，而且该空间内存在大量的焊接工作，如果建造顺序不合理会产生大量无法焊接的位置，导致该结构的强度无法满足要求，故而齿轮箱结构的建造流程仿真过程是：将齿轮箱结构合理的分解成各个装配体，必要时可增加结构焊缝，以优先满足该狭小密闭空间的焊接要求。初步确定以齿轮箱后壁板为基面，先确定加强筋、方套、肘板等易于焊接的其他装配体的发散顺序，再按照可焊接的顺序，依次调整后壁板与中壁板之间的各个结构的发散顺序，然后通过算例进行动画组合，找出不合理的顺序再进行调整优化，如此反复，得出最合理的建造流程，以保证完成该狭小密闭空间内的焊接工作。

锁紧装置区域结构，在安装锁紧装置位置处的跨度尺寸较大，容易产生各种变形，在与齿轮箱结构相接处位置也存在狭小空间，不利于焊接施工，对建造流程的要求主要是便于精度控制，满足狭小空间施工。基于以上要求，在该结构的建造流程仿真中重点对锁紧装置安装位置的结构及狭小空间的结构处的建造流程进行检验，以后壁板为基面，先确定狭小空间处封板的装配顺序，再确定前壁板及左右壁板的装配顺序，最后确定各水平横档结构的装配顺序。

对于上导向结构，在组件建造过程中也是单面开口的箱型结构，与齿轮箱大组立后也会形成密闭空间，其建造流程与下导向结构差别不大。

根据仿真分析的结果，相应调整需要优化的步骤，形成最优化的建造流程，然后根据建造流程逐步制定相应的建造工艺，通过三维视图直观地表达每一个建造步骤，以指导现场施工。在实际施工过程中，仿真分析得出的建造流程为现场施工提供了指引，保障了升降基础分段建造的顺利开展。图6为上基础分段结构。

4 结论

自升式钻井平台的雷击风险评估方法 篇4

自升式海上钻井平台是一种用于钻探井的海上结构物, 由平台、桩腿和升降机构组成, 并装备钻井、动力、通讯、导航等设备。据不完全统计, 近十年来, 中国海油已有十多座自升式钻井平台遭受不同程度的雷电灾害, 造成顶驱编码器、电子司钻服务器、顶驱变频器内部电路板、钻井仪表主机、视频监控设备、气体监测装置等关键设备损坏, 造成数十小时的故障停机以及一定的直接经济损失。

为了有效减少自升式钻井平台遭受的雷灾损失, 应正确开展防雷设计和施工工作。而防雷设计施工的前提, 就是通过开展雷电灾害风险评估, 确定平台是否需要防雷以及需要怎样的防雷措施, 确保防雷设计施工安全可靠、技术先进、经济合理。该文中, 笔者结合自升式钻井平台的现场调研情况以及GB/T21714.2-2008针对建筑物的雷击风险评估理论, 提出了海上自升式钻井平台的雷击风险评估方法。

1 调研平台简介

实地调研的是一座典型的自升式钻井平台——中海油服所属的BH10平台, 由新加坡马拉松船厂制造。该平台注册于由美国船级社 (ABS) , 主要在我国渤海海域开展钻探井作业。

该平台如图1所示, 由一个焊接的钢质单层船体组成, 船壳外形大致为三角形, 具有三根橇架式桩腿, 每根桩腿端有一个桩靴。该平台总长64.72 m, 宽53.65 m, 型深6.10 m, 井架长度44.2 m, 桩腿总长109.83 m, 平台凹槽12.19 m×15.8 m, 桩靴直径12.19 m, 桩靴高度6.52 m, 桩靴面积147.25 m2, 直升飞机平台直径21.34 m, 最大悬臂长度12.19 m, 转盘面至船底16.67 m。

2 调研平台现有防雷措施及缺陷

BH10平台现场勘察发现, 平台井架、船身和桩腿可作为优良的直击雷接闪和泄放装置; (1) 发电机输出端配有高压防浪涌装置, 然而弱电系统的防雷措施还很不完善:平台线路大多露天布设或走半开放式桥架, 屏蔽措施不符合防雷要求; (2) 顶驱电磁阀和编码器、顶驱变频器、司钻控制台、钻井仪表、钻井仪表控制设备、各现场传感器、视频监控等均未采取浪涌抑制措施, 等等。

3 风险评估

对自升式钻井平台进行雷击风险评估, 是为了评估平台在现有防雷措施下的雷灾风险是否超出可接受的风险范围。如果雷灾风险超出风险允许值, 应采取相应的防雷措施降低该风险。

3.1 风险组成

雷电流是引起自升式钻井平台雷电灾害的主要原因, 损害成因根据雷击点位置的不同可分为以下两种。

(1) S1, 雷击平台自身;

(2) S2, 雷击平台附近区域。

上述形式的雷电影响可对自升式钻井平台产生以下损害。

(1) D1, 雷击对作业人员造成的伤害;

(2) D2, 雷击对平台设备设施造成的物理伤害;

(3) D3, 雷击对电气电子设备造成的误动作或损坏。

每种损害, 不论单独出现或与其他损害共同作用, 会在自升式钻井平台产生以下各种损失。

(1) L1, 人员伤亡损失;

(2) L2, 平台供电、信号传输等中断的损失;

(3) L4, 经济损失 (设备设施失效或永久损坏) 。

雷电风险是由雷击造成的年均可能损失与需要保护对象总价值的比值, 为了评估自升式钻井平台遭受雷电影响时可能出现的各种损失的概率, 应计算人员伤亡损失风险R1、平台供电及信号传输等中断的风险R2以及经济损失风险R4。

3.2 风险分量

对于自升式钻井平台来说, 应加以考虑取决于雷击点位置的下列风险分量:

(1) 雷击平台自身。

RA:在平台外部甲板上, 由接触和跨步电压导致对人员伤害的风险分量。可能会出现L1的损失类型;

RB:在平台上由危险火花引发的火灾或爆炸引起设备设施物理损害的风险分量。可能会出现L1, L2, L4的损失类型;

RC:因雷电电磁脉冲引起的平台电气电子设备失效的风险分量。在任何情况下都会涉及L2和L4的损失, 对于有爆炸危险的区域, L1损失也要加以考虑;

RU:平台内部由于接触和跨步电压导致的对人员伤害的风险分量。这是由于雷电流注入电力、信号等线路引起的, 可能会出现L1损失;

RV:因雷电流通过或沿着电力、信号等线路导入所致的平台设备设施物理损害的风险分量, 可能会出现L1, L2, L4损失;

RW:因电力、信号等线路中感应产生并导入平台内部的感应过电压引起电气电子设备失效的风险分量。在任何情况下, L2和L4损失都会涉及, 对于有爆炸危险的区域, L1损失也要加以考虑。

(2) 雷击平台附近区域。

RM:因雷电电磁脉冲引起的平台电气电子设备失效的风险分量。在任何情况下都会涉及L2和L4损失, 对于有爆炸危险的区域, L1损失也要加以考虑;

RZ:因电力、信号等线路中感应产生并导入平台内部的感应过电压引起的电气电子设备失效的风险分量。在任何情况下, L2和L4损失都会涉及。对于有爆炸危险的区域, L1损失也要加以考虑。

3.3 风险计算

各个风险分量可用以下通用表达式来表示 (3) :

式中, Nx为年均危险雷击次数, Px表示年均雷击损害概率, Lx表示每次雷击损害导致的损失率。

(1) 雷击平台自身产生的各个风险分量计算:

(2) 雷击平台附近区域产生的的各个风险分量计算

3.4 风险评估步骤

(1) 评估自升式钻井平台是否需要防雷的具体步骤。

评估自升式钻井平台是否需要防雷时, 应考虑风险R1、R2并采取以下步骤 (图2) :

(2) 评估自升式钻井平台采取保护措施成本效益的步骤。

除了对自升式钻井平台是否需防雷的评估外, 也有必要对减少经济损失L4而采取防雷措施的成本效益做出评估 (图3) 。

(3) 防雷措施的选取。

依据GB/T21714.3、GB/T21714.4、GB/T21714.5, 按照雷电损害类型选择防护措施以相应地降低风险。对自升式钻井平台进行防雷设计时, 应根据每一风险分量在总风险中所占比例并考虑各种不同保护措施的技术可行性及造价, 单独或组合采用最合适的防护措施。 (图4) 。

4 结语

为了确保海上自升式钻井平台防雷设计施工安全可靠、技术先进、经济合理, 笔者根据钻井平台调研的实际情况并结合GB/T21714.2-2008的理论, 制定了一套切实可行的自升式钻井平台雷电灾害风险评估方法, 为类似海上设施的雷电灾害风险评估提供参考。

摘要：笔者依据GB/T21714.2-2008有关建筑物雷击风险评估的理论, 结合海上自升式钻井平台的现场调研情况, 提出了适用于自升式钻井平台的雷击风险评估方法。这套方法对其他钻井平台、油气生产平台、FPSO等海上油气设施也具有借鉴意义。

关键词：钻井平台,雷击,风险评估,防护措施

参考文献

[1]中国船级社.海上移动平台入级规范[M].北京:人民交通出版社, 2012.

[2]SH/T3164-2012石油化工仪表系统防雷工程设计规范[S].北京:中国标准出版社, 2012.

自升式钻井平台 篇5

升降系统是自升式海洋钻井平台的关键部分。其位置位于平台的主体和桩腿的交接处, 作用是让桩腿和船体作相对的上下运动, 从而使得平台主体能上下移动并将其固定在桩腿的某一位置。

根据升降系统结构形式的不同, 一般可分为液压油缸式升降系统和齿轮齿条式升降系统。液压油缸式的优点是:油缸的结构简单, 力的传递直接, 安全性高。缺点是:桩腿升降框架的结构庞大, 用钢量很大, 操作的工序相对更复杂。齿轮齿条式的优点是:升降运动连续性好, 传动的速度快, 可调速, 受载均匀, 操作简单, 井位易对准。缺点是:齿轮齿条的制作难度大, 成本高, 控制相对复杂。由于海洋环境比较恶劣, 平台升降所需要的时间对于平台的安全性就显得非常重要, 同时运用齿轮齿条式升降平台可减少平台的就位费用, 因此目前多采用此类系统。

2 齿轮齿条升降系统的设备组成

齿轮齿条式升降系统通常由升降装置、升降框架、导向装置、桩腿以及电控系统组成。

升降装置一般由电动机、减速箱、制动器、小齿轮等组成, 如图1所示。电动机以前常用的是滑差式电机, 后来变频技术越来越成熟, 而且控制方便, 于是逐渐取代了滑差式电动机。减速箱一般由平行轴轮系和行星轮系两部分构成, 速比很大, 有的甚至上万。制动器通常选择的是电磁圆盘式, 其扭矩一般不小于1.2倍的暴风载荷。小齿轮由高强度合金钢经特殊工艺加工而成, 齿数一般为7齿, 模数通常为80以上, 目前世界上最大的小齿轮模数已经达到了110。

升降框架一般为封闭性环梁结构, 如图2所示, 它是连接升降装置和平台主体的框架, 起承上启下的作用。一般升降框架和平台都进行一体化的设计, 这样的设计有很高的结构强度, 但对焊接工艺提出了极高的要求。

导向装置, 所有的自升式平台都有引导桩腿的导向装置, 导向装置的一个关键作用就是为了保证齿轮和齿条的合理间隙要求。导向装置通常都是一块垂直于齿牙的高强度耐磨板, 但是这不是导向装置的唯一形式, 另外还有如圆柱形桩腿的导向装置。考虑到将来的更换方便, 导向装置通常设计成可更换的形式。图3分别所示的就是桁架式桩腿的导向装置和圆柱形桩腿的导向装置。

桩腿, 所有的自升式平台都有桩腿, 同时桩腿下部带有桩靴。桩腿和桩靴是钢质结构, 用来在站立模式下支撑平台主体以及提供稳性来抵抗横向载荷。桩靴用来增加土壤承载面积, 降低土壤强度的需要。在自升式平台中, 桩腿的主要作用就是使平台主体升起来, 避开风暴引起的波浪的波峰。常用的有圆柱式和桁架式桩腿两种形式。

电控系统, 升降系统的电控系统是典型的机、电、液一体化控制系统, 系统复杂、控制要求高, 是升降装置作业系统的关键设备。控制系统包括驱动电机、制动器、桩腿高度指示、爬升齿轮载荷检测装置、平台水平检测装置、控制台和显示屏等。电控系统可以实时显示各升降装置的载荷, 还可以显示各桩腿的位差, 能自动调平, 以达到同步控制的目的。

3 齿轮齿条升降系统的技术难点

由于海洋环境恶劣、工况复杂, 故对平台的重量和空间有一定限制, 因此要求升降系统中的减速机构越小越好, 但是其所承受重量却非常大, 所以设计和制造的难度较大。同时升降系统中的小齿轮为超大模数齿轮, 由于缺乏强度计算的相关标准和理论指导, 故其设计和制造也都非常困难;另外, 由于小齿轮单齿承重很大, 所以其材质和热处理工艺也是一个技术难点。最后, 因为升降系统与整个平台的安全性息息相关, 所以对于升降机构传动系统的安全可靠性要求也很高。

4 结束语

随着人类对海洋的不断开发, 对于海洋工程装备的需求也越来越多, 从自升式海洋平台升降系统的设计来看, 可通过对大速比减速机和高强度超大模数齿轮的研究开发来提高系统的性能, 并力求达到轻量化的目标。

摘要：随着世界经济的飞速发展, 海洋开发己经成为世界技术革新的重要内容, 而海洋油气田的开发又是现今海洋资源开发利用的重中之重。自升式海洋钻井平台是海洋油气勘探和开发的主要装备。目前, 国内使用的钻井平台中的控制系统基本都由国外制造, 国内对其升降系统的分析相对较少。所以, 探讨和研究这一方面的内容意义深远。

关键词：自升式平台,升降系统,齿轮齿条式

参考文献

[1]黄维学, 刘放.自升式海上钻井平台升降系统技术特点分析[J].设计与计算, 2011, 2 (1) .

自升式钻井平台 篇6

关键词：RPD (Rack Phase Difference) ,固桩区,压载

0前言

近年来, 随着海洋油气田的开发和利用, 自升式钻井平台不断向深水领域进军, 其自身的结构安全越来越受到各方的关注, 尤其表现在平台就位、升降船、压载等工况下。如果遇到海底地质情况复杂, 海床不平、地层强度不均等因素, 影响平台的作业安全, 导致平台升降、压载作业不能顺利完成, 严重的会引起桩腿撑管变形及设备受损。如能及时了解和掌握桩腿与平台的水平状态, 弦管与固桩区间隙是否符合升降作业要求, 就能有效避免事故发生。为此, 国内外先后对桩腿受力状态及升降边界条件进行分析和研究, 推出了RPD监测系统。

1升降系统RPD介绍及测量方法

1.1升降系统简介

海洋石油943平台为JU2000E船型, 该平台船型为三角形船体, 带有3个三角形桁架式结构的桩腿, 每个桩腿由下端的桩靴支撑。升降系统采用NOV-BLM公司的C150EF产品, 每个桩腿18套升降单位, 全船共54套。每个升降单元上安装负荷传感器, 显示升降齿轮受力情况, 升降速度为每分钟0.46m。

1.2 RPD监测装置

在每个桩腿弦管各安装一套高度传感器 (Height Detector) , 用于监测平台与桩腿的相对距离, 即升降船的高度。RPD (Rack Phase Difference) 监测装置便利用高度传感器的反馈信号, 通过简单逻辑运算, 最终在中控操作台上显示RPD值, 即每个桩腿的3个弦管相对于桩腿标高的偏差。在RPD监测系统中, 可以设定RPD报警值, 便于及时发现和预警异常情况, 极大减小和降低了风险。

1.3 RPD测量与计算

1.3.1 RPD值测量方法

简单的说, RPD值 (Rack Phase Value) 也是每个弦管相对于固桩区水平面的偏差。一般使用专用工具 (RPD Tool) 进行测量, 具体测量方法大概可以分为3种。

1) 在固桩区每个角上, 预先各设置1个测量板 (Reference Plate) , 该测量板表面应进行研磨以保证测量准确可靠;在安装测量板时, 每个桩腿的3个测量板必须保证在同一水平面上。测量期间, 利用专用工具对准桩腿齿条, 推出计量标尺, 读数并记录, 依次测出每个桩腿弦管的RPD值 (图1) 。

2) 在固桩区 (Jack House) 顶部靠近每个弦管处, 选定一个测量点, 对表面进行处理, 使每个桩腿3个弦管处的测量点在同一水平面上。

3) 在每个弦管处设置一根测量杆, 每个桩腿3个测量杆底部应在一个水平面上, 并且测量杆应垂直于水平面, 选用简易测量工具进行测量。

1.3.2 RPD值的计算

对于3.1节介绍的3种测量方法, 不论选用哪种进行测量, 所测得值都需进行简单计算, 然后录入RPD监测系统, 标定最新的RPD值。简单计算方法可参考表1:

2 RPD值原因分析及操作建议

2.1 RPD值偏差主要特征

在平台工作地点海底不平整、土层强度不均匀等情况, 使桩靴受力不均匀, 引起平台水平偏差, 在测量时表现为主弦管与水平标高的差值。

从结构受力分析为, 主要指在桩腿与主船体接触部分产生较大弯矩, 这种附加弯矩引起桩腿弹性变形, 但并不是所有的RPD都会导致桩腿变形 (图2) 。

2.2 RPD值偏差原因分析及操作建议

从作业情况分析, 主要包括以下几种情况:

1) 平台插桩位置有以前平台作业的桩靴脚印。类似平台在此处作业后, 新平台就位的脚印不能完全重合, 就位时应反复上提、下放桩腿, 使桩靴接触区域受力均匀, 确保RPD值到达理想状态。

2) 海床倾斜、海底地层不平整。平台在就位前, 应对海底地层进行勘探, 根据扫海图选择合理的站桩区域。

3) 海底土层强度不均匀。一般作业前都会海底土层取样分析, 局部区域土层强度不均匀会引起RPD偏差, 因此在就位前应结合地质报告分析。

4) 桩腿倾斜。桩腿倾斜会引起明显的RPD变化, 因此在操作期间, 应注意观察显示面板上的RPD值, 如RPD变化趋势加剧或达到报警值, 应立即停止升降作业, 检查倾斜趋势, 以便及时进行调整。

5) 快速插桩入泥。主要发生在压载作业期间, 被压桩腿快速下沉或遇到“鸡蛋壳”。因此在压载作业前, 应结合地质勘探报告, 分析站桩区域的地质情况, 采用多组压载或漂浮压载。

6) 平台重量分布不均匀。对平台上可变载荷应进行调配, 舱室液位尽量保持空舱或满舱, 移动物件应进行固定, 摆放时居中和靠下的原则。

7) 海底潮流较大。在就位时, 应结合海域的潮汐表, 选择平潮、平流下放桩腿。

3小结

自升式平台的钻井能力逐渐向深海发展, 后期还可能出现更加复杂、恶劣的未知海域, 因此在平台作业时合理运用RPD知识, 有助于及时掌握平台升降作业状态, 避免事故发生。本文详细介绍了RPD定义和测量方法, 归纳和总结了RPD偏差形成原因, 提出了操作指导性建议, 供大家采纳。

参考文献

[1]ABS MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS 2014[Z].

[2]CCS海上移动平台入级与建造规范[S].2012.

[3]结构力学[Z].

自升式钻井平台 篇7

21世纪是海洋世纪。海洋工程装备是海洋油气开发不可或缺的利器。面对国内外海洋油气业开发的良好局面,尤其是我国海洋油气开发的飞速发展,大力发展海洋工程制造业,积极开展海洋工程技术装备开发和制造的关键技术研究,对于我国海洋工程技术装备的开发、建造、改装和修理,并带动一大批相关产业的发展,有着非常重要和深远的战略意义。目前,国务院把海洋工程装备制造业作为战略性新兴产业来推进,做大做强,争取在较短时间内使我国在主流海洋工程装备市场占有一席之地。随着国内海洋工程装备建造能力的提升,我国在设计、建造领域取得了一些重大自主创新成果和突破,但我国发展基础和研发、设计能力仍比较薄弱,关键设计技术和核心装备仍主要依赖引进,专业化体系尚未形成,与国外先进水平存在较大差距。

目前,国内外在设计建造海洋工程装备方面主要遵循船级社规范、油田所在位置政府主管部门法律与要求、有关国际公约和国际通用标准,其中:船级社规范和政府主管部门的法律与要求是必须予以满足的标准,有关国际公约和国际通用标准是业主根据油田的具体情况和海洋结构物的基本设计功能,有选择地进行使用。但是,我国仅参照船级社规范、国际公约和国际通用标准来研制海洋工程装备是远远不够的,仍需要大量海洋工程装备标准予以支撑。据统计,我国船舶行业现有针对海洋工程装备设计建造的专用标准数量很少,仅有数十项,且大多数标准标龄较长,无法形成对海洋工程装备发展的配套支撑,不能满足实际使用需要,必须在海洋平台设计建造、配套产品研制、海洋工程基础共性技术等领域抓紧开展标准研究与制定工作,填补行业空白,支撑产业发展。而传统的标准化研究方法,是仅仅将标准的制定作为标准管理的重点,特别是在企业标准化管理过程中,由于追求目标不一致性,产生两张皮的情况,对于标准解决实际问题的能力,没有起到积极的作用。运用综合标准化开展一个项目的标准化工作将是有益的尝试并将最佳体现标准解决实际问题的能力。

2 自升式钻井平台的技术特点

自升式钻井平台主要由平台主体、桩腿、升降系统、钻井装置等组成,通过升降装置的动作,平台主体或桩腿可垂直升降。升降装置采用电动机或液压马达驱动齿轮、齿条,或由销子、销孔及顶升油缸组成液压装置。在自升式平台的结构中,桩腿是自升式钻井平台的重要构件之一。桩腿结构形式有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构,其断面有圆柱形和方箱形两种,一般用于作业水深60m以下的自升式平台;水深加大,波浪载荷剧增,结构重量增大时,宜采用由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成的桁架式桩腿。外高桥建造的JU2000E型自升式平台就采用桁架式桩腿。桩腿可按海底地质条件情况设置桩靴,桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形。

自升式钻井平台设计的关键技术主要体现在波浪与海流载荷的计算、风浪流联合作用下的动力响应分析、平台总体性能优化、桁架式桩腿结构设计优化、桩腿锁紧装置设计、国产配套设备研制技术等。桁架式桩腿自升式钻井平台由于作业水深较大,环境载荷对整个平台的安全性起着至关重要的作用。但环境载荷中的波浪与海流载荷的准确计算一直比较困难。随着作业水深的不断增加,风、浪、流等环境载荷剧增,平台的作业工况更加恶劣和复杂,需要考虑动力效应,对平台的振动、动力响应等进行分析。与此同时,作业水深的增加必然导致平台桩腿长度的增加,势必影响平台拖航状态稳性等总体性能,也需要对弦杆间距、水平撑杆节距、斜撑杆布置形式及以上构件尺度等进行优化,对保证桩腿结构的安全性及降低桩腿结构重量与造价具有重要意义。

当前,国际海事组织(IMO)、各船级社等相继提高海洋平台环保标准,并对泥浆和岩屑的不落地回收、零排放、压载水等提出了更高要求,新开发的中深水自升式平台应满足QHSE相关要求。

3 自升式钻井平台综合标准化要素构成

自升式钻井平台是一个由复杂系统和设备组成的大型装备。作为综合标准化研究对象,自升式钻井平台也是一项具体工程,涉及到总体布置与设计、结构设计与计算、舾装产品、机械设备、电气电子等专业领域及相关的配套产品。根据自升式钻井平台的设计和建造特点,将综合标准化要素分为物质性要素和非物质性要素两大类。

物质性要素的标准是综合标准化对象物理实体所需要的标准,如自升式钻井平台建造所需的原材料、零部件、配套制品、辅助材料等标准,还会涉及配套设施设备、工艺装备等有关标准。主要包括以下4类。

(1)主体结构及相关模块。这一类要素是组成自升式钻井平台最重要的结构,包括了平台主体结构以及相应的生活模块等的标准。

(2)主要系统及设备。这一类要素是实现自升式钻井平台各种功能的重要部分,包括了轮机系统、电气系统、钻井系统、辅助系统等,以及这些系统中的发电机、各类泵、污水处理装置、部分变电和配电设备、照明灯具、电缆、电气安装件、井架、钻井液系统、提升系统、井控系统及设备、钻井装置等方面的标准。

(3)材料和通用件。这一类要素通用性强,包括自升式钻井平台建造所需的各类材料及通用部件的设计要求和产品标准,如型材板材、焊接材料、涂料、电缆、管材、舱室材料等各类材料及制品等。

(4)各种工艺装备。这一类要素与建造方法和过程密切相关,包括建造时用到的胎架、吊耳等。

非物质要素的标准是实现综合标准化目标必不可少的规范性文件,如设计、工艺方面的标准以及设计文件和工艺文件,测试和试验方面的标准、操作维修标准和管理标准等。主要包括以下4类。

(1)管理标准。包括自升式钻井平台设计、建造、检验等过程中的管理要求,如建造管理、质量管理、综合管理等。

(2)基础标准。包括自升式钻井平台设计、建造、检验过程中所需的基础、通用标准,如通用技术语言、图样与技术文件、专业工程标准、环保与职业安全等。

(3)建造技术及工艺标准。包括自升式钻井平台建造过程中各类安装、操作等工作规范、工艺文件等,如船体建造方面的各类工艺规范、舾装(含电舾装、内外舾装)和涂装方面的各类工艺规范等;

(4)试验与检验标准。包括自升式钻井平台建造各阶段所涉及的为保证平台质量、功能而做的试验与检验等,如总体性能试验、建造试验与检验、设备及系统调试等。

4 自升式钻井平台标准综合体构建

4.1 标准综合体构建步骤

构建自升式钻井平台标准综合体,主要过程归纳为以下4步。

(1)确定目标。自升式钻井平台综合标准化的目标来源于自升式钻井平台设计建造的目的,也就是开展综合标准化所要达到的预期结果。结合上海外高桥造船有限公司承建的JU2000E型自升式钻井平台,经综合分析,选择以提高建造质量及效率、提高平台系统设备可靠性及作业效率、满足操作维修要求、降低平台自身重量、满足强度稳性要求、满足环境及职业安全要求作为目标,以立足解决实际问题为出发点,统筹考虑目标的明确性和可行性,并对平台建造过程中核心问题进行研究,以通过该目标的确定与实现,从而提升设计与建造质量。

(2)明确相关要素。运用系统分析方法,确定对总体目标的实现发生影响的主要因素(包括环境因素),分析相互之间的影响和联系。在理清关系的基础上,对目标进行分解,分析各相关要素达到什么目标和满足哪些要求。这些要素均以总体目标为导向,追求整体效益最佳。

(3)编制标准体系表和标准综合体规划。根据6个目标所涉及的相关要素,分析需要哪些标准项目,以及如何通过这些标准去保证目标的实现。这是一个艰苦、细致的工作过程。在这一阶段,项目组分析了1,175项国内外相关标准,并形成了298项国内外标准的适用性分析报告,开展了二十余项自主关键技术分析研究并形成了相应的分析报告。根据综合分析提炼,形成相应的标准项目,按照标准体系的构建原则,形成了并列式和串列式相结合的混合式标准体系框架,列出了1,076项标准项目清单,并对需要编制的标准列出了详细的标准编制计划。

(4)编制标准并建立标准综合体。按规划和计划完成自升式钻井平台标准体系表中相关标准的制定和修订,经过必要的试验验证,履行批准手续,从而形成正式标准。有些要素(如稳性要求)用一个标准就可以解决,有些要素(如建造质量)只用一个标准难以规范,需要制定多个标准,或者制定一个核心标准和多个卫星标准。这些标准包括了各种级别的标准,如国家标准、行业标准、企业标准等。

4.2 自升式钻井平台标准综合体的框架结构和特点

标准综合体是用来解决问题的标准化工具,是一个把人的因素、物的因素、技术因素、管理因素组织起来并为它们指明方向的系统管理工具。

针对自升式钻井平台特点,运用综合标准化原理,体现了自升式钻井平台典型模块的标准综合体概念,结合其大小模块的相互匹配、划分协调后,在国内外标准资源适用性分析的基础上,基于业务模块和系统分析,基本构建了自升式钻井平台标准综合体。该标准综合体是指导自升式钻井平台设计、制造、试验、管理的依据,其体系结构如图1所示。

该标准综合体主要具有以下特点。

(1)目标明确,便于分解实施

综合标准化不仅一开始就有明确的目的,并将目的转化为总目标作为主攻方向,将总目标分解为若干个分目标并分别落实到相关标准的制定任务中。自升式钻井平台综合标准化示范项目确定的降低平台自身重量、提高建造效率等六大目标,需要通过标准综合体的实施等因素来实现。标准综合体的建立,将围绕目标的实现,运用系统分析的方法,形成标准综合体,标准之间相互协调,最终达到综合标准化的总目标。

(2)覆盖全面,突出综合效果

标准综合体的建立,综合考虑了平台在设计建造中的整体协调一致性,这是推行综合标准化的基本要求,它体现了综合标准化的巨大优越性,标准综合体的设置考虑了标准化对象的总效果。它要求每个标准承担起整体目标所赋予它的功能,而不是刻意追求每个标准或单项指标达到最高水平。体系中的标准设置覆盖了平台的全过程和全方位,对于钻井平台概念中所涉及到的内容,体系中均有所体现。

(3)标准成套,方便实施管理

综合标准化不是一次只制定一个标准,而是在一定时间内制定一整套对实现既定目标起保障和支撑作用的标准。综合标准化对象不是一个孤立的个体,而是一个整体。自升式钻井平台标准综合体的建立,既考虑了系统标准的完整性,也考虑了系统与系统之间的协调性,既方便制定标准,也便于标准的宣贯和实施,以及对实施的监督管理。

(4)国际接轨,借鉴先进经验

国内海工设计建造起步晚于其他先进海工建造国家,技术标准的数量和水平有较大差距。通过更多地借鉴国外先进经验,如API、ANSI、ASME、DNV、NORSOK等,可以较快推动我国海工技术的发展。以这些国外先进标准规范为基础,梳理所涉及的自升式平台所涉及的专业领域,从而提出相应的标准需求项目。以借鉴国外成熟经验为基础,减少建立我国海工标准体系的盲目性,少走弯路,为编制标准体系内的项目提供指导和依据。

(5)动态管理,保持相互协调

在消化吸收国外先进经验的同时,综合考虑了自升式平台的标准现状,融合现有的相关标准项目,使所建立的自升式钻井平台标准综合体能够对现有的标准项目有所继承,同时结合技术发展对体系中的标准项目进行补充完善,实现动态管理。充分考虑国际公约及相关船级社的要求,以及相关标准的规定,保持技术内容的先进性和协调统一,提高标准的可操作性。

5 结论

自升式钻井平台标准综合体的建立,旨在基于预定目标,通过建立健全一整套现代化标准化体系和编制形成各类级别的相应标准,是规范产品设计建造行为、固化成熟和先进技术、缩短研制周期、确保产品质量、控制建造成本、推广新技术应用以及提高技术和管理水平的重要手段。该标准综合体为后续自升式钻井平台的研发提供了标准化依据,促进了海洋钻井平台的研发,为我国自升式钻井平台的设计建造提供技术支撑,加快海洋工程装备设计建造技术以及管理水平的提高。

该标准综合体的构建贯彻了综合标准化的理念和方法,紧密结合JU2000E自升式钻井平台设计建造推进项目实施,较第一座承建的JU2000E自升式钻井平台而言,第二座平台总体实现了一次报验合格率提高11%,设计和建造效率分别提升26.7%和25.5%,平台自身重量在理论设计基础上降低205吨,设计和建造成本降低5%。这些效果的取得,体现了标准与产品的良性互动,将标准与技术创新有机结合,以标准创新推动促进科技创新,体现标准化在海洋工程领域研究中的主导和引领作用,加快健全完善我国自升式钻井平台标准体系,充分发挥标准化在海洋工程装备产业创新发展过程中引领带动和技术支撑作用。

摘要：自升式钻井平台标准综合体的构建是一个系统工程,不仅涉及到船舶工业,还涉及石油工业、检验机构等。本文通过对自升式钻井平台综合标准化的研究,结合自升式钻井平台的特点,运用综合标准化的理念,采用系统分析的方法,围绕项目目标,初步构建了自升式钻井平台标准综合体。该标准综合体具有整体性、目的性、成套性、动态管理的特点。

关键词：自升式钻井平台,标准综合体,构建

参考文献

[1]李春田.现代标准化方法——综合标准化[M].北京:中国标准出版社,2011.

[2]李春田.综合标准化的特点[J].品牌与标准化,2011,(16).

[3]刘卓军,黄冲.标准综合体再认识[J].中国标准化,2015,(2).

[4]赵祖明.论标准综合体与标准体系的结合[J].标准科学,2012,(10).

自升式钻井平台 篇8

经济增长不仅依赖于大量财力、人力和物力的投入,还依赖于用这些投入所创造出有价值的生产率,从而获得更好的经济效益和社会效益。综合标准化不是以制定标准为目的,而是以解决问题为目的。综合标准化追求标准之间相互关联、相互协调,能形成一个最佳的有机整体。在构建自升式钻井平台综合标准体之前,便确定将提高建造质量及效率、提高平台系统设备可靠性及作业效率、满足操作维修要求、降低平台自身重量、满足强度稳性要求、满足环境及职业安全要求作为目标,标准综合体的相关标准主要围绕这些目标而提出和编制,并在陆续建造的各型自升式钻井平台中得以贯彻实施,效果非常明显。

2 标准实施效果分析的基本方法和原则

标准化的经济效果是制定与实施标准所获得的有用效果与所付出的劳动耗费之比,是衡量标准化活动成果的重要标志,只有通过标准化经济效果在数量上的分析和计算,才能正确有效地反映出标准化活动的成果,才能被企业和社会认可和接受。根据GB/T3533.1-2009《标准化经济效果评价第1部分:原则和计算方法》的规定,评价和计算标准化经济效果时应充分考虑现代科学技术的发展及我国国情,全面考虑标准化经济效果发生的环节,集中分析效果显著的项目,着眼于生产领域和非生产领域的效果,避免同一效果在不同环节上的重复计算等。

GB/T3533.1-2009还规定了评价和计算标准化经济效果考虑的主要因素,这是分析自升式钻井平台综合标准化实施效果的重要基础。标准明确规定,对于产品标准,在研制阶段应考虑减少设计工作量,进行制图和描图的劳动量,提高设计效率和设计水平等;在生产阶段应考虑提高产品质量和降低不合格品率,增加产品产量,降低劳动量,降低原料、材料、燃料、动力的消耗,减少材料和零部件的储备量,扩大生产批量,降低单位产品的企业管理费、折旧费,减少流动资金的占用,缩短生产准备时间和生产周期等。对于基础标准,应考虑提高零部件互换性,提高产品可靠性和延长使用寿命,避免名词、术语、图形符号、代号、代码混乱,提高信息传递效率等。对于试验和检验方法标准,应考虑提高试验检验质量,减少纠纷,缩短试验和检验时间,节省试验和检验设备的费用等。

标准化的经济效益分为标准有效期内统计的总经济效益和年经济效益两种。对示范项目而言主要统计某座平台在建造期内的总经济效益,其计算方法见公式(1)。

式中,为平台建造期内统计的标准化总节约额,K为标准化投资,t为标准实施的期间。

综合标准化的实施效果与单一标准的实施效果还有所不同,除考虑单个标准的效益外,还需考虑相关标准的关联关系以及标准综合体实施的整体效果。这也是综合标准化效果分析区别于一般标准效益分析的特点之一。

3 自升式钻井平台综合标准体实施的整体效果

按照标准体系构建原则,以上海外高桥造船有限公司在建的自升式钻井平台为综合标准化研究对象,紧密围绕自升式钻井平台研制过程中所涉及的产品开发一生产设计一建造完工等全过程,通过关键技术研究和国内外标准对比分析,将综合标准化的理论与自升式钻井平台的设计建造紧密结合,初步构建了自升式钻井平台标准体系表,并通过相关标准编制而形成标准综合体。在自升式钻井平台及后续船的设计建造过程中,标准综合体中的各项标准被各个专业应用和验证,取得了较好的效果。

自升式钻井平台标准综合体其按专业领域进行了分类,其中管理技术标准73项、基础标准179项、总体与结构标准77项、钻井系统标准18项、平台支持系统标准151项,建造技术及工艺标准159项、材料及通用件标准225项、试验与检验标准194项。根据分析,其中有638项标准由于方便了设计选型、优化了平台制作与安装,在提高建造质量及效率方面起到了关键的作用;有107项标准由于标准管理的支持和设计要求的规范,为平台降低设计和建造成本;有37项标准由于合理选择设备,优化设计方案,降低了平台自身重量。这8类标准的总体应用效果如下。

●管理技术类标准涉及自升式钻井平台设计、建造、检验等过程中的管理要求,主要应用于自升式钻井平台的建造管理诸如材料使用、工时定额、项目建造、调试作业、机械完工、重量控制等,建造质量管理,以及包括文控、计划、商务、采办、客户服务、信息化及标准化等综合管理。形成了自升式钻井平台建造项目标准化、信息化管理,特别是在工时的定额管理、调试作业的流程规范、重量控制的管控等方面,节约了大量工时,降低了项目管理成本,提高了项目管理及建造效率。

●基础标准类标准涉及自升式钻井平台设计、建造、检验过程中所需的基础性、通用性标准,主要应用于自升式钻井平台相关的术语和定义、图形符号、分类代码、各类编码等通用技术语言规定,图样与技术文件的设绘与编制要领,相关安全风险评估分析与方法,以及环境监测、污染物排放、安全防护等环保与职业安全。形成了规范的设计图纸模式及出图要领,提高了设计质量和效率,同时在设计阶段就明确了生产过程中零部件的物流顺序,大大提高了流转效率。

●总体与结构类标准涉及自升式钻井平台总体性能和结构的设计方法与要求,主要应用于自升式钻井平台环境载荷、运动响应、布置、稳性、防火、逃生、振动、噪声等总体性能设计,以及平台结构设计。优化自升式钻井平台总布置,并结合结构强度计算,优化平台结构设计,特别是在平台构件的开孔与补强、重要设备的基座设计与加强等方面,减轻平台结构重量。

●钻井设备及系统设计类标准涉及自升式钻井平台钻井系统的设计要求及相关设备的产品标准,主要应用于包括井架及起升系统、旋转系统、管子处理系统、井口辅助设备、套管张力系统、防喷器组处理系统、钻井控制系统等由钻机设备供应商提供的成套设备及系统,以及诸如高压泥浆系统、泥浆储存输送系统、泥浆配置系统、泥浆处理系统、钻井液配料辅助(基油、盐水、海水、淡水)系统、散料储存输送系统、高压固井系统、试油系统、钻井液压系统等钻井支持设备及系统。优化钻井设备及系统的设计特别是泥浆系统,优化了系统管系的布置,节约了管系耗材及阀件的使用。

●平台支持系统类标准涉及升式钻井平台支持系统及其设备的设计要求和产品标准,主要应用于自升式钻井平台升降锁紧系统,钻台和悬臂梁滑移系统,动力系统,电力系统,控制系统及仪表,通讯导航系统,空冷通、消防、救生、舱室设备等辅助系统,甲板机械等。优化平台支持系统的设计,节约了相关耗材的使用。

●建造技术及工艺类标准涉及自升式钻井平台建造过程中各类安装、操作等工作规范、工艺文件,主要应用于自升式钻井平台建造工法及技术、质量要求,船体建造、舾装、涂装等建造工艺,以及建造过程中所需各类工艺装备、工装设备等。形成了自升式钻井平台从分段建造到总段搭载的一整套船体建造工艺,以及舾装、涂装等工艺,推进了新工艺工法的应用以及工装设备的提升与改进,提高了建造效率,减少了建造工时,缩短了坞期占用,降低了建造成本。

●材料及通用件类标准涉及自升式钻井平台建造所需的各类材料及通用部件的设计要求和产品标准,主要应用于自升式钻井平台建造所需的型材板材、焊接材料、涂料、电缆、管材、舱室材料等各类材料及制品,以及自升式钻井平台建造所需铁舾件、管舾件、电舾件、通风附件等各类舾装件。通过自升式钻井平台建造所需的各类材料及通用部件的标准化,降低了采购成本,同时减少了相关材料及通用件的剩余和库存,降低了建造成本。

●试验与检验类标准涉及自升式钻井平台建造各阶段所需试验与检验的方法和要求,主要应用于自升式钻井平台模型试验、系泊试验、倾斜试验等总体性能试验,建造试验与检验,设备及系统调试等。形成了自升式钻井平台建造各阶段产品的试验与检验规程,大大提高了一次报验合格率,并形成一整套设备及系统调试作业标准指导书,缩短了调试作业时间。

通过本项目的实施,在提高自升式钻井平台的建造质量及效率、控制平台自身重量、降低设计和建造成本等方面取得了显著的效果,总体实现自升式钻井平台建造一次报验合格率提高11%,设计和建造效率分别较第一座平台提升26.7%和25.5%,平台自身重量在理论设计基础上降低205吨,设计和建造成本较第一座平台降低约5%(详见表1)。

4 重点标准的实施效果举例

此处以自升式钻井平台桩腿与桩靴合拢工艺优化、预压载系统遥控阀门优化设计的相关标准为例对效益进行分析。

案例1:自升式钻井平台桩腿与桩靴合拢工艺优化

主要涉及标准:CB/T 4403-2014《自升式平台桁架式桩腿建造要求》、《自升式钻井平台搭载工艺规范》(外高桥企业标准)等。

应用情况:在自升式钻井平台建造过程中,桩腿与桩靴通常以分段为阶段分开建造,在总装合拢阶段合拢成整体。散装的支撑管完全在船坞内进行安装,施工空间狭小,施工环境恶劣,TKY节点的装配、焊接和探伤难度非常高,不仅浪费了人力物力,而且严重影响了坞期。优化后,将原本在第一段桩腿与桩靴连接施工时安装的部分支撑管和结构提前至第一段桩腿分段制作阶段安装。

应用效果:改善了装配焊接及探伤的施工环境,将工作量前移,缩短船坞施工周期一个月,节约成本约1,200万元。图1为第一段桩腿完工状态示意图。

案例2:作业标准书的编制与实施

主要涉及标准:《JU2000E自升式钻井平台调试作业标准书》,主要为各专业的调试作业标准书(外高桥企业标准)共135份。

应用情况:作业标准书是针对某一特定而具体的作业活动而制定的指导书,内容包含作业名称、岗位、场地、作业人数和工种(岗位)、使用的工具和设备、劳动保护用品、作业内容与方法、HSE以及质量要求等,并按作业前、作业中和作业后分别进行介绍和详述。编制过程力求简单、明了、无歧义,并具有良好的可操作性。使用过程针对岗位或工种,直接发放到现场作业人员,作业人员可通过阅读标准书,全面掌握作业的方法和要求;同时,还应用于新人上岗培训以及新业务培训等。

应用效果:通过实施调试作业指导书,JU2000E的钻井平台投入调试工作师从首制船55人缩减到目前平均仅需36人左右,节省了35%左右的劳动力投入。通过实施21份海工文控作业标准书,已在新人、新业务培训中发挥了重要作用。文控人员的数量也由单项目4人降低为每项目0.8人左右。

案例3:作业管理标准的编制与实施

主要涉及标准:《全程升降作业管理标准》、《CTP海上吊装作业管理标准》、《BOP海上吊装作业管理标准》、《CTU负载试验作业管理标准》、《拔桩作业管理标准》、《称重作业管理标准》、《悬臂梁井架负载试验作业标准》(均为外高桥企业标准)。

应用效果:通过实施大型作业管理标准,规范实施人员操作,确保安全和危险事故发生率为零;效率显著提升,周期明显缩短。原计划2天才能完成的全程升降试验,已压缩在1天完成;原井架和悬臂梁负载试验以前为全员参与、工作连轴转,导致人员疲倦不堪,现各岗位人员各司其职、轮流上岗,工作压力得到有效缓解、效率提升30%～40%。

5 结论与建议

自升式钻井平台综合标准体的构建与实施,为平台的设计建造提供了指导和依据,基本实现了综合标准体的整体目标,在节约成本、提高效率、保证质量等方面具有很好的效果。但标准综合体不是一成不变的,需要不断进行补充完善,从而达到更好的效果。为此提出几点建议:一是进一步加强技术积累,不断提高目标,补充标准综合体;二是要加强标准实施过程中的数据积累,使统计的数据更加科学准确,更好地反映客观实际;三是强化实施过程的意见反馈,以便进一步为完善标准综合体提供技术支撑。

摘要：综合标准化是以追求标准化对象整体效益最佳为目标而开展的标准化活动。自升式钻井平台综合标准化示范项目在围绕提高建造质量及效率、降低设计和建造成本、降低平台自升重量等目标的基础上,将标准综合体的相关标准在自升式钻井平台实际建造中进行贯彻实施,在降低成本、提高效率等方面取得了很好的效果。

关键词：自升式钻井平台,综合标准化,实施效果

参考文献

[1]戚彬芳,宋明顺,方兴华,郑素丽.ISO标准经济效益评估方法的实证研究[J].标准科学,2012,(11).

[2]卜海,高圣平,王玉英,邵男.国内外标准经济效益评价方法现状及发展趋势[J].石油工业技术监督,2015,(7).

[3]邵雅文.标准经济效益评价:用事实说话[J].中国标准化,2012,(8).

自升式钻井平台 篇9

自升式钻井平台作业任务完成以后,都需要移至新的作业井位,移位之前必须进行拔桩作业,即将支撑于海底的桩腿拔出。由于每次作业地点的海底土体性状不同,部分地方地层复杂、地质疏松,平台插桩时桩腿入泥过深,且插桩破坏的土体重新成浆回淤,形成新的附着土体稳定在桩腿上,长时间固结后将具有一定强度,由此导致平台拔桩阻力过大及拔桩困难[1,2,3]。历史上多次出现过因入泥过深造成拔桩时间过长、平台受损的事故[4]。因此,钻井平台都安装有冲桩系统,在拔桩前对桩腿桩靴进行冲桩,以减小拔桩阻力。早在1987年Lin[5]就通过试验对冲桩消除吸附力和减小拔桩阻力的问题进行过研究。文献[6,7,8]对拔桩吸附力、冲桩效果与机理进行了深入研究,充分论证了冲桩减阻的可行性与可靠性。但是现有冲桩系统在实际使用过程中,长期以来存在泥沙“倒灌”冲桩喷嘴,造成冲桩喷嘴堵塞以及个别冲桩喷嘴导通以后其他冲桩喷嘴就无法打开等问题。这类冲桩问题在国内外多数钻井平台上存在,在桩靴入泥较浅的情况下,尚可通过其他一些辅助设备或措施进行拔桩;但对于入泥过深的情况,拔桩阻力大大超过了平台结构所能承受的极限拔桩能力,单靠个别导通的喷嘴冲桩,很难起到通过冲桩减小拔桩阻力的效果,从而造成平台拔桩困难。为了保证平台作业安全以及扩大作业范围,必须对平台现有冲桩系统进行改造。

本文根据目前平台冲桩系统存在的问题,以不改变平台稳定性、不减小平台可变载荷、尽量利用平台现有动力设备为基本原则,从降低拔桩难度、减小拔桩载荷以及提高拔桩效率和平台结构安全性的目的出发,对平台的冲桩系统加以适应性改造,研制出大排量单向液压驱动冲桩控制阀,用于解决长期以来存在的泥沙“倒灌”冲桩喷嘴和个别管线导通后其他管线无法冲桩的问题。

1 方案设计

考虑到海底环境的复杂性,设计时将液压驱动冲桩控制阀安装于平台桩靴内部,这样更可靠、更安全,使用效果更好。该控制阀主要由三大部分组成:控制阀主体、桩靴底面连接法兰及进出水口。控制阀主体包括阀体、阀芯、复位弹簧与球头弹簧座、密封圈等。控制阀内部结构及试验样机如图1所示。

冲桩控制阀安装于桩靴内部底板上,通过锥形头线密封堵住出水口,同时隔绝外界泥沙进入冲桩管线内部。锥形头与活塞杆、活塞环做成一体,通过液压力推动活塞整体上移,出水口被打开,此时冲桩水经锥形头流出,进行冲桩作业。活塞杆内部放置有复位弹簧,在平台插桩或作业期间不需要冲桩时,依靠弹簧实现锥形头与出水口的闭合,从而阻止泥沙进入冲桩管线内。活塞杆和活塞环与活塞缸内壁采用两道密封圈实现完全密封,避免海水或泥沙进入活塞环内以及液压油进入弹簧室内部。一旦液压油泄漏到弹簧室内部,由于液压油不可压缩导致无法推动活塞杆移动,从而无法打开冲桩控制阀,因此在弹簧室底座上设置两个安全控制阀,以避免上述风险。安全控制阀出口加有薄膜片,防止桩靴内部海水进入弹簧室内部,当弹簧室内部压强达到一定值时,薄膜片才会被弹簧室内压力挤破,释放压力。设计时为防止剪力扭断弹簧,增加了球头弹簧座,极大地改善了工况。为了保证弹簧长期稳定工作,对弹簧进行加温强压处理、高频淬火处理,以提高其疲劳寿命和抗松弛能力。在综合考虑防腐性能、价格及强度等要求后,选用不锈钢316L(加钛)作为冲桩控制阀的材料。阀杆的锥形头部分经常接触到海水,需进行镀铬处理以保证硬度高、耐磨性好以及耐腐蚀。密封材料选用PTFE耐海水材料,复位弹簧采用OCr18Ni9Ti钢丝,螺栓和法兰均选用耐海水腐蚀的不锈钢材料。

冲桩控制阀设计方案的优点和特点是:①安装在桩靴内部,对桩靴改造程度非常小,海底工作的安全性和可靠性更高;②通过弹簧使锥形头与喷嘴出口闭合,避免发生堵塞;③依靠液压系统可以保证所有冲桩口同时打开,冲水效果更好;④底座法兰与桩靴底面采用焊接密封,活塞杆、活塞环与活塞缸内壁采用整体密封设计,保证了整个系统的完全密封;⑤具有两种打开方式,一种是靠冲桩管线内的高压水打开冲桩控制机构,另一种是靠液压管线内的液压打开冲桩控制机构。

2 样机试验

依据上述设计方案制造样机,在此基础上进行模拟实际工况试验,测试各项参数指标,为该控制阀在实际工程中的应用打下基础。根据试验要求,建立图2、图3所示的试验台,整个试验系统用一个水箱提供水源,管路采用与桩靴内部实际冲桩管线相同尺寸的钢管,内径为48mm。为达到平台实际冲桩水压,水从水箱出来后先经过一台增压泵(0.92MPa)加压,再经过电磁流量计测量进口流量,压力变送器测量进口压力,然后经过控制阀出口测量出口压力,最后经回流管线回到水箱或放空,进口流量及压力调节可通过控制流量的电磁流量计来实现。同时冲桩控制阀液压接头与液压泵相连,控制冲桩控制阀的开启与关闭。在试验过程中,实时采集进出口流量及水压力,试验台数据采集与控制系统利用数据采集控制模块与各仪表和电动调节阀相连,并通过USB接口与计算机进行通信。编写相应软件实现数据采集、数据输出、流量调节阀控制等功能。

对试验样机进行试验研究主要包括以下两个方面:一是试验样机整体结构设计的科学合理性;二是试验样机在不同水压下运行的稳定性。根据上述试验原理,结合试验台实际情况开展相关试验,试验过程主要分为以下步骤:①检查各试验设备,使其均达到试验要求;②打开各设备电源的同时准备好数据采集系统;③关闭冲桩控制阀,打开增压水泵,流量调节阀全开,液压机构打开冲桩控制阀,稳定运行1min后调整流量调节阀开50%,再次稳定运行1min后,通过液压机构关闭冲桩控制阀;④试验完毕,停止数据采集系统运行的同时关闭各试验设备。

试验过程中进行了冲桩控制阀在一定压力下的液压开启性能测试,测试了两种水压力条件下的过水能力以及在一定压力条件下的关闭性能。在试验第一阶段冲桩控制阀关闭,试验增压泵开启后进口压力达到最大值0.91MPa,出口压力和流量为零;第二阶段开启冲桩控制阀,同时流量调节阀全开,进水口压力为0.87MPa,对应流量为66.12m3/h,此时出口压力为0.34MPa;第三阶段调节流量调节阀开50%,进口压力下降到0.59MPa,对应流量为53.84m3/h,此时出口压力为0.24MPa;第四阶段关闭液压系统,冲桩控制阀在弹簧恢复力作用下自动关闭。整个试验过程中的进出口压力与流量关系曲线如图4所示。

在整个试验过程中,总体测试了冲桩控制阀在实际大排量工况条件下的性能参数。进口压力与流量对比分析表明,冲桩控制阀完全能满足实际工况条件下的使用,在平台实际水压冲桩时,冲桩控制阀过流能力可达到66m3/h,因此平台只需安装6个冲桩控制阀就能满足400m3/h的冲桩需要。

3 冲桩效果分析

自升式钻井平台的拔桩过程是一个桩土相互作用的过程,受环境荷载及海土非线性的物理力学性质等因素的影响,自升式平台拔桩阻力的确定是一个非常复杂的问题,目前尚没有被普遍接受的计算方法,但有一点是被普遍认可的,就是在持力层为黏土层的情况下,拔桩阻力往往很大,主要原因是吸附力占很大一部分,据相关试验研究,吸附力甚至可以占到总拔桩阻力的70%[8]。因此,最大限度地减小吸附力对于减小平台拔桩阻力至关重要,这也是冲桩系统的主要目的。国内外文献对比分析表明,自升式钻井平台在拔桩过程中的吸附力产生于桩靴、土体以及孔隙水之间的相互作用,吸附力由土与桩靴底面间的黏着力、桩靴提升过程中产生的负孔隙水压力以及桩靴底部土体的抗剪强度组成[9,10,11]。在平台作业过程中,插桩产生的超孔隙水压力随着时间的推移而逐渐消散,土体发生固结。根据Terzaghi有效应力原理,固结过程实质上就是超孔隙水压力向土体有效应力转化的过程,因此在该过程中土体有效应力增加,土体强度恢复,导致平台拔桩过程中吸附力增大[12]。平台冲桩时,通过冲桩喷嘴往桩靴底部土体中注入高压水,可人为改变桩靴底部土体中的孔隙水压力大小与分布,通过桩靴底部土体中产生超孔隙水压力来消除拔桩吸附力,通过桩靴底部土体中的孔隙水压力来反映冲桩效果。

下面就以某平台在某井位的拔桩作业过程为例(桩靴尺寸及冲桩阀布置如图5所示),对不同工况下的冲桩情况进行数值分析,将改造前后冲桩系统的冲桩效果进行对比,从而验证冲桩系统改造的必要性与本文研制的高效冲桩控制系统的实用性。平台在该井位插桩入泥深度为28m,由于入泥过深,经初步计算拔桩阻力已经超出平台的拔桩能力,且吸附力占到总拔桩阻力的36%,吸附力消除以后剩下的拔桩阻力能满足平台拔桩能力要求。因此,希望通过冲桩作业尽可能地消除吸附力,进而完成拔桩作业。但是,由于平台在该井位作业时间较长,很可能已经形成了冲桩孔“倒灌”现象。如前所述,“倒灌”现象往往导致只有一个冲桩孔被打开的尴尬局面,这将使冲桩效果大打折扣,吸附力很难被消除,从而造成拔桩困难,如果强行拔桩可能会导致拔桩事故的发生。但是如果桩靴上所有冲桩孔被打开,大排量冲桩后能很好地消除吸附力,同时冲桩水能影响桩靴上部固结土体强度,同样能减小部分拔桩阻力,在此基础上实现平台顺利拔桩。

为了对改造前后冲桩系统的冲桩效果进行对比分析,本文就改造前后的冲桩系统假设了4种工况,如图6所示,图中黑点表示冲桩过程中实际工作的冲桩孔,即被打开的冲桩孔。其中,工况1(中间1孔冲桩)对应“倒灌”现象发生的情况,即冲桩系统改造前的冲桩效果;工况2(中间6孔冲桩)、工况3(边缘12孔冲桩)和工况4(全部18孔冲桩)分别对应冲桩控制阀使用后,即冲桩系统改造后的冲桩效果。通过上述4种工况冲桩效果的对比分析,论述平台现有冲桩系统改造的必要性。

结合平台实际作业冲桩条件,平台大排量冲桩水压力为0.9MPa,平台在该井位的持力层为黏土层,其渗透系数取10-7cm/s。计算结果如图7、图8所示,分别为冲桩3h后桩基土中的孔隙水压力云图和桩基土中平均孔隙水压力随冲桩时间的变化曲线图。4种工况下的冲桩效果显而易见,工况1冲桩波及面积最小,桩基土平均孔压增幅也最小,冲桩效果最差;后3种工况无论是波及面积还是桩基土平均孔压都有显著改善,其中,工况4(全部18孔冲桩)效果最好,桩基土孔隙水压以冲桩阀喷嘴为中心向四周扩散逐渐波及整个桩靴底面,且增加速度最快,在较短时间内便能达到理想的冲桩效果。由此可见,与改造之前相比,改造之后的冲桩系统冲桩效率有了明显提高,提高幅度与冲桩控制阀的使用数量成正比。上述4种工况条件下的冲桩效果对比分析结果再一次验证了冲桩系统改造的必要性。

4 结论

(1)明确了目前自升式钻井平台冲桩系统在实际使用过程中普遍存在的问题,并首次对该问题进行了研究,在此基础上研制出一种全新的冲桩控制机构,为现有平台冲桩系统的改造或新平台冲桩系统的设计提供了合理方案。

(2)为了检验该设计方案的可行性与实际使用效果,建立了与该方案配套的试验台,通过样机试验验证了该设计方案的可行性,同时对4种工况条件下的冲桩效果做了对比分析,为该方案在实际工程中的应用打下基础。

(3)平台长期在极限能力下拔桩,平台结构特别是固桩架区域容易形成疲劳损伤,缩短平台使用寿命。使用该设计方案对平台现有冲桩系统改造后,拔桩阻力明显减小,从而可保证平台安全使用。

参考文献

[1]Liam W D,Byrne P M.The Evaluation of theBreak-out Force for a Submerged Ocean Plat-form,1604-MS[R].Houston:OTC,1972.

[2]隋吉林,张日向,韩丽华.基于ANSYS模拟潜坐结构吸附力[J].中国水运,2009,9(6):193-195.

[3]韩丽华,姜萌,张日向.海洋结构物沉箱吸附力的试验模拟[J].港工技术,1998,84(3):49-53.

[4]李海瀛,石民惠.滞留海上二年之久的胜利六号钻井平台解脱移位[J].中国海洋平台,1992,(5):228.

[5]Lin S S.A Universal Footing with Jetting[R].Houston:OTC,1987.

[6]Purwana O A,Leung C F,Chow Y K,et al.Influ-ence of Base Suction on Extraction of Jack-upSpudcans[J].Gotechnique,2005,55(10):741-753.

[7]Bienen B,Gaudin C,Cassidy M J.The Influence ofPull-out Load on the Efficiency of Jetting duringSpudcan Extraction[J].Applied Ocean Research,2009,31:202-211.

[8]Gaudin C,Bienen B,Cassidy M J.Centrifuge Experi-ments Investigating the Use of Jetting in SpudcanExtraction[C]//Proceedings of the Nineteenth In-ternational Offshore and Polar Engineering Confer-ence.Osaka,Japan:ISOPE,2009.

[9]Sawicki A,Mierczyński J.Mechanics of the Break-out Phenomenon[J].Computers and Geotechnics,2003,30(3):231-243.

[10]Zhou X X,Chow Y K,Leung C F.Numerical Mod-eling of Breakout Process of Objects Lying on theSeabed Surface[J],Computers and Geotechnics,2008,35(5):686-702.

[11]Bouwmeester D,Peuchen J,van der Wal T,et al.Prediction of Breakout Forces for Deepwater Sea-floor Objects[R].Houston:OTC,2009.