英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
楚克奇海自升式钻井平台的设计
John Bandas, Sarah Schlosser, Sean Finn, Nathan Garza, Andy Lister, and Jeff Phillips
海洋工程项目 扎克里土木工程系，德州农工大学，学院联系电话TX 77843 - 3136
摘要：康菲石油公司要求该团队设计一种能在楚科奇海域暖流季大约131英尺（40米）水深处进行钻井勘探工作的自升式钻井平台。这项设计用到的计算机软件有StabCAD，SolidWorks，AutoCAD和VisualAnalysis等。平台的桩腿被设计成能够在巡逻破冰船的帮助下抵御冰块碰撞的型式，平台必须能够以高达11节（5.65米/秒）的速度行驶。设计团队对平台运输过程中的稳定性进行了分析，以确定其正常工作时的工况以及有损坏的工况（假设两个压载舱被损坏），计算了重心、浮心以及稳心高度，对平台的桩脚靴进行了岩土分析。该自升式钻井平台的设计符合美国船级社（ABS）、移动式海上钻井平台（MODU）、国际海事组织（IMO）规定的设计规范及海军建筑师、海洋工程师协会（SNAME）、海洋污染法（Marpol73/78）确定的T＆R5-5A设计标准所规定的所有安全规定。
一、导言
1.一个自升式钻井平台被设计用于在楚科奇海域进行作业。该平台符合康菲石油公司的要求，能够在开阔水域中作业。钻井地点在阿拉斯加和俄罗斯之间南纬71°,北纬165°处水深约131英尺(40米)的位置。
2.在融冰的季节，即每年的6月至12月中旬，当这里的冰层最小时，这个自升式钻井平台就能在该海域融冰期间开始和结束时典型的破冰状态下进行钻井勘探工作。它拥有足够的燃料和补给，并有足够的储存时间，能够容纳110人。该自升式钻井平台是根据ABS等级规则以及对SNAMET＆R5.5标准[1]的现场特殊要求而设计的。
3.一些主要的设计考虑因素包括冰和极端温度的影响。由于冰与自升式钻井平台相撞造成的灾难性后果，冰是主要的设计考虑因素。该平台的设计能够抵抗轻微的碰撞。船员的舒适度也被考虑在内，当温度低至-20摄氏度时,机组需要能够在这些极端温度[2]下工作。尽管机组人员穿着沉重的装备，但甲板上的操作被设计成仍能正常运作。
4.为了确保这个自升式钻井平台能够在不同船级社的支持下建造，在设计过程中遵守了以下规定。该自升式钻井平台被ABS列为自升式钻井装置[3]。这种装置能够在自己的力量或牵引下自由地漂浮到所需的位置，并将自己的腿抬高到一个确定的高度。然而，这套钻井设备在运行过程中遇到了第一年和第二年结冰的情况。这时候需要如ABS钢船规则[4]所示的特殊设施。
5.该平台必须满足海上钻井平台(MODU)规则，这些规则是由ABS建立并参考国际海事组织(IMO)的稳定性要求确定的。这些要求包括平台在100节(51.5米/秒)的风中具有完整的稳定性以及在50个节(25.8m/s)的风中破坏稳定性受损，最终的水线不能淹没任何水密的开口，而在一定角度下，恢复的力矩必须等于两倍的横倾力矩[3]。
6.参考文献[3]给出了环境荷载规则，这些规则涵盖了由风，海浪和海流引起的荷载，以及由于海床上的设备引起的涡旋脱落和重力负荷等现象。另外，参考文献中还描述了遇到冰的时候的设计荷载和压力。
7.防火和安全措施也有所描述。舱壁分隔的特点是划分出各种逃生方式，整体结构的安排是由MODU和SOLAS安全准则定义的。其他的指导方针包括有在紧急情况下逃生的程序，并确保疏散时所需的所有设备都在自升式钻井平台内[2]。
8.消防系统被安排来保护平台的一般区域以及钻井区[5]。此外，消防水站位于ABS准则规定的钻井区域。所有的消防软管都是可折叠的，并且在30米（100英尺）的规范长度内[3]。同时，根据国家消防协会(NFPA)的标准和型号[6]配备了便携式灭火器。
9.如果疏散，该钻机的设计旨在提供多条逃生路线。提供阶梯和梯子以便在撤离期间使用。在机器区域，安装了垂直梯子以确保更快更实用的退出该区域。这些机器区域由两个垂直梯子组成，每个梯子都是绝缘的，以提供安全的逃生和防火掩体[3]。为了达到疏散的目的，右舷和左舷各放置了五艘25人救生筏，分别编号为偶数和奇数。现场有300具救生衣，其中一半位于整个钻井平台，另一半位于救生筏附近。根据海上生命安全（SOLAS）准则[6]，三分钟的疏散计划也已到位。通过现场研究，该团队确定这里很少会堆积冰，这意味着它通常只会有较小的碎冰漂浮，因此不需要使用特殊的冰上救生筏。
10.船体、甲板和甲板室的上部结构采用ASTM A53 B级钢建造，可承受低至-60℃的温度，主要用于海上结构[8]。由于钢的弹性模量高，所以选用钢材，同时也用于框架和天花板的施工。在其他领域如控制和服务空间则采用具有最小火焰蔓延特性的材料制造。
钻井平台的舱壁隔板是按照MODU 3-4-1和SOLAS规则II-2/3.3[2][6]设计的。该结构的选定分区为A-60级划分，按空间分类细分，从控制站到卫生舱，再到隔开相邻舱间的舱壁的防火完整性[2]。当电缆和其他管道穿过船体时，空旷的空间会变得密闭，以防止烟雾和火势蔓延。为了防止石油泄漏，在平台上实施了几项安全预防措施。为了避免碳氢化合物进入周围环境，对船体设计进行了控制修改[8]。减压阀被放置在工艺线上，以避免油压过大。如果油压超过了设定的压力，阀门将会排放到安全的排水沟区域。此外，蒸汽减压用于将压力降至设计压力的50%，使系统处于安全运行状态。紧急停堆站被放置在钻井平台周围的关键位置，如直升机甲板、过程甲板和控制站。当处理区域正经历严重的压力而减压阀的降压不足时，机组应该停止工作。
在发生实际漏油事件时，还应遵循其他安全准则。在甲板层面实施控制，以防止任何溢油。沿着排水沟的保护墙已经到位，以防止石油泄漏到环境中。在甲板区域安装有凹槽的滴油盘以收集溢出的油。
二、环境条件
钻井过程中作用在支腿上的总压力是静态和动态压力的组合。 静压是高度的函数，并随着平均水位（MWL）的深度线性增加。静压由MODU-3-1-A2导出，用(1)求得[3]。
(1)
这里的压力是密度、重力g和深度d的函数，对结构施加的动态压力考虑了波数，并随深度呈指数变化，如(2)所示。h是指波高，k是波数。
(2)
动态和静态压力叠加确定总压力剖面。在131英尺（40米）的深度，总压力为731.3千磅（3250千牛）。
风荷载是使用顶升装置的梁和弓型材来计算的。从两个角度计算钻井平台的投影面积，并给每个剖面赋予一个形状系数。然后对平台的两个剖面进行进一步划分，并给出一个高度系数。高度系数随着高度每增加51.5英尺（15.7米）而变化。
如下图所示，楚科奇海每年出现风的频率来自康菲石油公司的报告[10]。从该表的统计分析中可以找到平均风力条件以及长达100年的风暴的情况。图1显示了平均风力条件，图2显示了它们在任意年份传播的方向。楚科奇海的平均风速范围在8.2〜24.6英尺/秒（2.5米/秒〜 7.5 m / s）之间，如图1所示，近30％的时间内是这种风向。 这些数据在定位钻机时非常有用，因为这可以运行测试来确定哪个角度允许在钻井时阻力最小。
根据ABS MODU规则，钻井平台必须设计成能够经受住100年的风暴[3]。通过统计分析，对3种不同的风暴情况进行了分析:1年、10年、100年，情况如图3所示。
有关这种自升式钻井平台的风力计算是在船首、横梁和四分海水方向上计算的。设计风速为14.5节(7.5米/秒)，因为这是该地点遇到的最高平均风速。在这种设计风速的情况下，船首、横梁和四分海水方向的风荷载分别为203.5 kips（905.2 kN），232. 6 kips（1034.7 kN）和291 kips（1294 kN）。
采用参考文献[3]计算了目前应用于该结构的力。使用（3）从表面到16.4英尺（5米）的深度确定了目前的剖面，这被认为是边界层。从边界层到海底（4）被用于计算电流剖面，因为风不会影响边界层下方的电流。在这些方程中，Vt表示潮汐速度，Vs表示风暴潮速，Vw表示风驱动电流，w表示风速。
（3）
（4）
利用由科里奥利参数推导出的摩擦系数来确定风力驱动的电流速度。科里奥利参数取决于钻探点的纬度。计算了平均电流强度，发现平均电流约为2.04 Kips(9 KN)。
关于环境负荷，平台需要能够承受最恶劣的加载情况，这种情况导致负荷来自三个不同的方向，即船首浪，横浪和倾斜浪。当前的负载是针对平台的一条腿计算的。这些载荷的计算方法为船首浪和横浪为2.1Kips(9.2kN)，倾斜海为1.4 Kips(6.2kN)。
平台的设计有足够的气隙，足以防止海浪撞击甲板，但需要适当的考虑波浪击中桩腿。用莫里森方程计算这个载荷，如(5)所示。FI和FD分别对应于惯性力和阻力，而CS和CD是惯性力和阻力系数。这一方程式在MODU规则[3]中作了规定。
（5）
楚科奇海的设计周期为5.5s，水深为131英尺(40米)。利用这些信息，我们可以解决(5)。该结构以阻力为主，阻力为2.25Kips(10 KN)，惯性力0.65kips(2.9kN)，总波力为2.90Kips(12.9kN)。
这个顶升式钻机配备了一个冰雷达系统，，该系统可以追踪钻井平台附近的冰流，并配备有两个破冰装置以帮助减少冰的碰撞。破冰装置在20海里(37公里)的范围内运行，以打破任何能侵入初始边界的浮冰。在冰冲破15海里（28公里）的边界的情况下，船员们将继续正常的工作，同时准备确保油井安全；如果冰接近10海里(18.5公里)，钻井将停止，钻机将进入幸存者模式。
此外，一旦发现系统出现故障，该钻机的设计可使冰块碰撞损失最小。冰载荷计算如参考文献[3]中所述进行。为了确定负载，使用(6)计算由冰造成的设计压力。
（6）
K1和K2系数是根据遇到的冰的类别确定的。骰子对应于冰块的位移权重。平台设计要遇到的冰的级别是B0，当用破冰机辅助时，冰级可能非常大。这相当于K1 0.165的值和K2 0.38的值。 用于该平台的冰带结构角度为90°，用于确定K3系数（7）。冰上结构的耀斑角度为90度，这个角度导致K3的值等于0.6。
（7）
计算（6）时，冰荷载计算为1072 ST（9.54 MN）。
三、自升设计
设备和材料在平台甲板上的布置对设备的稳定性非常重要，如图4所示。重心必须尽可能靠近中心，以避免甲板上有旋转力矩。甲板本身，从右舷的角度来看，有一个梯形的剖面，以尽量减少船体在运输过程中的阻力。甲板顶部从船头到船尾是232.9英尺(71米)， 从右舷到港口是177英尺(54米)。该钻机需要容纳120人研究和住宿的船员宿舍。宿舍高4层，尺寸为84英尺(25.6米)乘42英尺(12.8米)和52英尺(15.9米)，总重量约为200，000磅(890公斤)[11]。直升机停机坪安装在机组人员宿舍附近，以便在紧急情况下快速进入，停机坪呈八角形，直径72英尺(22米)。其所用材料选择了一个铝甲板，以减轻一些重量，有能力容纳一架S92直升机[12]。停机坪顶部的中心有一个坑，用于储存钻探的套管和管道，坑切入平台顶部大约10英尺(3米)，以抵消材料上的风力。为了达到顶部的整个跨度，需要四台起重机。所选择的起重机能够起重300吨，并安装在甲板上的基座上。它们的尺寸是13.1英尺乘13.1英尺(4米乘4米)[13]。
钻井井架位于悬臂梁上，悬臂梁在运输过程中可以收回，以防止水流入含有管道和套管的坑中。悬臂梁长100英尺(30.5米)，距离甲板70英尺（21.3米）。整个结构将由长度为361英尺(110米)的三角形腿支撑。腿采用倒K桁架设计，增加了结构的强度和稳定性。在运输过程中可将短管罐通过船体上的方孔收回到船体中以减少阻力。短管罐的形状为八角形，点到点之间的距离为26.2英尺（8米）。
为了使钻机在运输和预加载期间保持稳定，需要压载舱。 该钻井平台设计有十二个压载舱，其中两个在运输途中装满；它们在图5中标记。为了在运输过程中稳定钻机，两个压载舱被填充到4.8英尺(2.1米）。图5中的中央隔室用于存放泥浆和放置便携式贮水池。
甲板上的重量分布与设施的稳定性和力矩有关。一台起重机和底座的重量约为493千磅（2200KN），在重心分析中这被当作静载荷来处理[13]。 铝制直升机停机坪因其轻质性能而被选中，它的重约48千磅（214KN）[12]。悬臂梁和钻井井架的总重量为360 Kips(1600 KN)。桩腿由ASTM A53 Grade B级钢制成，总重量约为905千磅（4026 KN）。 钻井所需材料的重量大约为14000千磅（62000KN），整个钻机的重量约为19500千磅（86000KN）。
随着甲板周围布置不同的重物，在纵向轴上就产生了一个力矩。用距基准面的距离来计算弯矩，基准面是每个轴的中心。在运输过程中
全文共12520字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12238]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
