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适应深水作业加长自升式桩腿长度的研究
Yousri M.A.Welaya1，Ahmed Elhewy1 and Mohamed Hegazy2
1埃及亚历山大大学，船舶与海洋工程系
2Deepwater Drilling amp; Services有限责任公司
摘要：自建成以来，自升式钻井平台是浅水海洋勘探开发为目的的最受欢迎的移动式近海钻井平台（MODU），其中最为重要的部件就是桩腿，它能直接影响平台的整体性能。在本文中，调查自升式桩腿的加长长度是为了研究增强钻井钻进能力以接近在更深水深中的半潜式钻井平台（SSDU）的作业范围（300-1000英尺）。研究了在不同的桩腿长度下深水自升式平台的表现。首先设定了典型的桩腿结构尺寸和恒定外部载荷，然后创建详细的有限元分析（FEA）模型用来模拟自升式桩腿的结构特征。多点约束（MPC）单元和弹性单元一起被用于处理边界条件。最后，对五个腿长进行对比分析进而说明它们的性能，包括极限静态强度和重量。
关键词：近海钻探；自升式；半潜式；桩腿加长；有限元分析。
引言
自升式钻井平台是被用于在近海油气田附近的勘探，钻井和修井作业的一种平台。事实上，由于它可移动，有能力在一系列水深中将平台提升到海平面之上以作用为一种固定式平台的特点，使得它在近五十年的近海工业中充满了吸引力。
基本上，自升式钻井平台是在世界上任何区域，在给定了最大水深以及不同海况与海床条件的情况下，都能工作的一种可移动式平台。此外，自升式钻井平台经常在桩腿被升起后被运输到另一个近海位置，所以导致它在结构上有着完全不同的载荷 (Shabakhty,2004)。
与其他类型的海上钻井平台相比，自升式钻井平台能提供非常稳定的钻井环境，最大作业水深到达350英尺。一旦需要在比自升式钻井平台作业水深更深的水域中钻探，半潜式钻井平台和钻探船成为勘探和开发作业的更合理的选择。
自自升式和半潜式钻机的概念出现以来，倘若两者都具备钻井的能力，普遍认为自升式钻井平台比半潜式平台更为优先选择。历史上讲，自升式钻井平台有更低的日消耗，更为简单的操作单元，并且需要更为少量的海洋环境与设备的知识。在水深小于600英尺的情况下，深水自升式平台的总体经济性和运行效率优于浅水半潜式平台 (Childers,1989)。另一方面，半潜式钻井平台由于在钻井过程中不良的运动特征而不具有吸引力。然而，半潜式钻井平台有更多的甲板空间，在移动位置时对天气的依赖性小，它能在紧急或者井喷情况下快速脱离工作地点，半潜式钻井平台具有通过给定模板钻出更多井的能力，并且拥有更快的动员速度，在许多情况下，如果配备有推进辅助系统，则需要更少的牵引条件(Paik and Thayamballi,2007)。
这项工作旨在讨论如SAP2000（一种结构分析软件，译者加）的现代结构分析技术的实际使用问题，以及通过增加三条桩腿的长度对近海自升式平台进行稳性评估以增加工作水深（超过四百英尺）。Constellation II是一座位于北亚历山大，Taurt气田，埃及地中海近海处的自升式钻井平台，它被选作为一个案例，来研究在没有任何新的结构和稳性问题下探寻增长自升式平台桩腿来增加工作水深的可能。在五个不同的水深情景以及五十年一遇的风暴条件下进行了调查，如图1所示。
图1.桩腿伸长与水深增长情况
自升式桩腿
无论自升式平台设计涉及三个还是四个桩腿，有两种主要类型的桩腿用于自升式平台。第一种类型包括开放式桁架桩腿，类似于电塔，如图2（a）所示。开放式桁架腿是由由交叉的管状钢截面组成，这种结构使它坚固且轻质。自升式平台也有如2（b）所示的由巨大的钢管制成的圆柱桩腿。虽然圆柱桩腿比开放式桁架桩腿更加廉价制造，但作为开放式桁架腿，它们不太稳定，也不能适应在水中的应力。因此，柱状桩腿自升式平台在不超过250英尺的水深中工作，除了桩腿之外，自升式平台由两个不同的稳定装置在海底海底支持，这两个稳定装置是沉垫或者桩靴。如图3所示。
（a） (b)
图2.自升式平台桩腿类型
图3.自升式平台以及桩靴地基
对于具有软地基的钻井环境，选择沉垫支撑的自升式钻井平台更加明智，沉垫将自升式平台的重量分配在海底，就像雪地靴一样。沉垫通常像一个“A”字型，沉垫支撑着连接平台每一条桩腿的底部，确保平台不会穿透海洋的底部。
桩靴通常被用于独立桩腿式自升式平台，它是带着尖端的圆柱形钢靴，就像夹板一样。桩靴连接到每条桩腿的底部，并且容器上的尖端会被扎入海底，增加了平台在操作期间的稳定性。
如图4所示的流程图，它诠释了自升式平台的分析顺序。在这项研究中，自升式平台考虑的是比正常操作模式更恶劣的风暴情形。这种分析方法一般适用于所有负载情况。图4是自升式桩腿结构的分析顺序。
图4.自升式桩腿的分析顺序
自升式桩腿结构设计参数
传统的自升式平台设计具有三个垂直桩腿，通常每条腿由三角形框架构成。用于自升式平台的三角形柱型框架由三个弦杆，水平撑杆和斜撑杆组成。通常采用与管状构件组装的网格结构使深水中的桩腿结构受到的波浪力最小。自升式平台基本设计涉及许多选择和变量。通常，最重要的变量是以下几种(Elosta, 2009)。
定义桩腿模型
自升式平台的桩腿通常是垂直的。然而，倾斜桩腿设计也存在(PAFA Consulting Engineers, 2001)。自升式腿的设计变量可能涉及以下特征来考量。模型定义要考量的特征如下：
-分析类型定义
-入泥深度和水深
-零件接口定义/尺寸（组件和截面）
-土壤数据
-接口坐标
-负载面分布定义
-风区定义
-零件或组件的范围
-辐射波对结构的描述
-波浪加载的方向
-流体桩腿模型程序的细节
-重力载荷和浮力的考量
-桩腿浮力的重要性
-在分析过程中，注重桩靴带来的影响
-最后，载荷工况包括动载荷和静载荷，环境载荷，起重机载荷等等
材料特征
所有桩腿原件的材料特征在表1中列出
表1.桩腿组件材料特征
|
水平撑杆 |
弦杆 |
斜撑杆 |
内水平杆 |
桩靴 |
|
|
材料名称 |
API 5LX65 |
A517GRQ Mod |
API 5LX65 |
ASTM A106 GR B |
ABS AH38 |
|
FY,Min（Kips/in2） |
65.013 |
100.087 |
65.013 |
34.997 |
65.013 |
|
Ft,Min（Kips/in2） |
77.00 |
136.34 |
77.00 |
60.00 |
80.00 |
注释：
FY,Min 钢材最小屈服强度
Ft,Min 钢材最小拉伸强度
E 杨氏模量=29.15 kips/inch2
G 剪切模量=11604.29 kips/inch2
rho; 钢材密度=480.75 Ib/ft3
mu; 泊松比=0.3
水深
水深在波浪和海流负荷的计算中起重要作用。各种计算中的参考水深表示海床和最低天文潮（LAT）之间的距离。潮汐高度是最高天文潮（HAT）和LAT之间的范围。平均水位（MWL）是HAT和LAT之间的平均水位。静水位（SWL）是最高的天文潮，包括风暴潮。风暴潮（SWL）包括风和压力引起的效应。
土壤数据
由于本节缺少数据，其他地点的土壤数据用已选定地点的数据。刚性基础是基于Gsoil/Su比值为50的假设，其中Gsoil是土壤剪切模量，Su是桩埋入土壤的不排水抗剪强度（取29 lb/in2） 。对于水平方向上的不排水剪切强度，换算值为8.7 lb/in2。粘土和砂的泊松比分别为0.5和0.3。垂直、水平和扭转约束刚度分别取值为36.48times;106 lb/ft，7.27times;106 lb /ft和115.69times;108 lb.ft/rad，入泥线下面的土壤剖面取自钻孔记录，如参考文献（PAFA Consulting Engineers，2001），并示于表2中
表2.土壤特性总结（PAFA Consulting Engineers，2001）
|
深度（ft） |
特征描述 |
|
0.0到16.0 |
硅酸质、碳酸质的粗沙砾，为碎石状 |
|
16.0到30.0 |
硅酸质、碳酸质的，为沙质的 |
|
30.0到55.0 |
硅酸质、碳酸质的细沙与中等大小沙，带有沙粒的黏土 |
海洋附着物（Marine growth）
在没有具体数据的情况下，为了允许由于海洋附着物而引起的额外的波和水流载荷，对于在MWL（Mean Water Level 平均水位，译者加）6.5英尺以下的所有元件，管状元件的半径增加0.7英寸。（PAFA Consulting Engineers，2001）
浮力
包括管状元件的所有水中的元件在求解时间内都被自动计入浮力。有必要基于Constellation II的施工详图手动应用弦杆浮力。这是利用浮力元（buoyancy elements）实现的。计算球形浮力元的直径以得到与弦杆相同的每英尺内部干体积。
气隙
根据SNAME（造船与轮机工程师协会，译者加）5-5A（Arockiasamy和Reddy，1991）计算到平台壳体下侧的气隙。它定义为极端静止水位高于LAT的距离，极端波峰高度和6.5英尺间隙的距离之和。下导板相对于弦杆的两个位置应该被研究，一个在节点，另一个在桩腿（leg bay）的中间跨度处。在第一种位置时，位于桩腿弦杆节点处的下部导板的中心实现最小气隙，第二种位置时，在位于下一个间隙的中间跨度的下部导板实现最小气隙。并且船体应适当提高所需要保持的气隙。
流体力学性质
根据对支撑构件施加的流体力学系数（SNAME 5-5A的第4.7.2节）（Arockiasamy和Reddy 1991）。对于MWL6.5英尺以上的支架构件，使用CD=0.65和CM=2.0的值。在该高度以下，CD为1.0，CM为1.8。对位于在MWL 6.5英尺入和泥线之间的支撑构件应增加0.7寸的半径增长量。通过增加水平支撑件的水力直径来增加由角撑板产生的拉力。
边界条件和输出值
在具有恒定气隙，入泥深度和桩腿保留长度的所有情况下，自存工况的计算被算出。这些计算基于Constellation II海洋操作手册中已被ABS（美国船级社，译者加）批准的数学方程。它们的特征由以下决定：
-总重
-纵向重心（LCG）
-横向重心（TCG）
-每条桩腿上的负载分布
-桩腿实际反作用力
-实际基础承受压力
-实际桩腿负荷
-实际齿轮负荷
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