压载穿刺对钻井平台结构的影响及处置方案.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 石 油机械 C HI NA PE TROL EUM MACHI NERY ●海洋石油装备 压载 穿刺对钻 井平 台结构 的影响及 处置方案 黎 剑 波 中海油田服务股份有限公司 摘要依据 自 升式钻井平台压载穿刺运动过程对结构、设备的影响分析及推测，辅以实地勘 察验证找 出对平 台结构、桩腿及相关设备进行检验的方案，并依据实际检查 、检测结果整理 出修 理方案及注意事项 ，为后续 的钻井平 台穿刺后修理提供 一个可类比的样本。以某实际发生穿刺后 的平台修理方案为例，列举 了穿刺发生后需进行 的检查 内容，并对相应的修理方案进行 了简要描 述 ，其结论对 自升式钻井平 台使用者及平 台管理人 员具有一定参考意义。 关键词 自升式钻井平 台；穿刺 ；船体；桩腿 ；损伤 ；修理 中图分类号T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 4 Effe c t s o f P u n c h - t h r o u g h o n t h e J a c k - u p Dr i l l i n g Pl a t f o r m S t r u c t ur e a n d S o l ut i o n s L i J i a n b o C h i n a O i e l d S e r v i c e s L i m i t e d Ab s t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s i s a n d s p e c u l a t i o n o f t h e e f f e c t s o f t h e j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m’ S p u n c h t h r o ug h mo v e me n t o n t he s t r u c t u r e a n d e q u i p me n t ， t o g e t h e r wi t h fie l d s u r v e y， t h e i ns p e c t i o n p r o g r a m f o r p l a t f o r m s t r uc t u r e， s p ud l e g a n d r e l a t e d e q u i p me n t i s d e t e r mi n e d． Mo r e o v e r ， c o n s i de r i ng a c t u a l i n s p e c t i o n a nd t e s t r e s u l t s ， t h e r e p a i r p r o g r a m a nd c a u t i o n s a r e s e t t l e d ． Th e p r o g r a ms p r o v i de a n a na l o g i c a l s a mp l e for s ub s e q ue n t d r i l l i ng pl a t for m p u n c h t h r o u g h a n d r e p a i rin g ． Ta k i ng a r e a l r e pa i r p r o g r a m o f pl a t f o rm a f t e r p u n c h t h r o u g h a s e x a mp l e， t h e i n s p e c t i o n c o n t e n t s a r e l i s t e d a f t e r t h e p un c h- t h r o ug h o c c ur r e d， a nd t h e r e l a t e d r e pa i r p r o g r a m i s b r i e f l y i n t r o - d u c e d ． T h e c o n c l u s i o n s m a d e c o u l d p r o v i d e v a l u a b l e r e f e r e n c e s o n t h e j a c k - u p d r i l l i n g p l a t f o r m u s e r s a n d p l a t f o r m ma na g e me n t p e r s o n n e 1 ． Ke y w o r d s j a c k - u p d r i l l i n g p l a t f o rm ；p u n c h t h r o u g h ；h u l l ；s p u d l e g ；d a m a g e ；r e p a i r 0 引 言 自升式钻井平 台是指具有独立活动桩腿 ，且其 主船体能沿支撑于海底 的桩腿升至海 面以上预定高 度进行钻井作业的平台。当 自升式钻井平台被拖航 到指定井位时，需下放桩腿 ，升起船体 ，进行预压 载 ，完成后爬升到钻井所需气隙开展钻井作业 。 随着现代技术 的发展 ，自升式钻井平台水深适 应能力从 9 1 ． 4 m 3 0 0 f t 扩大 到 1 2 1 ． 9 m 4 0 0 f t 甚至更深海域 ，随之而来 的是需要面对更加复 杂的海底地质情况。因此 ，在 自升式钻井平 台进行 预压载 的过程中遇到穿刺 的情况越来越多 ，且穿刺 对 自升式平台的结构和设备造成的损坏轻重程度 日 趋多样化 J 。 无论损坏程度如何 ，穿刺发生后最重要的仍然 是最快速度地完成检查和修理工作 ，以便尽快返 回 钻井作业。笔者依据 自升式钻井平台压载穿刺运动 过程对结构 的影响分析及推测 ，辅 以实地勘察验证 找出对平 台结构 、桩腿及相关设 备进行检验 的思 路 ，并依据实际检查 、检测结果整理出修理方案及 注意事项 ，为后续的钻井平台穿刺后修理提供一个 可类 比的样本 J 。笔者 以某 实际发生穿 刺后 的平 台修理方案为例 ，列举了穿刺发生后需进行 的检查 内容 ，其结论对 自升式钻井平台使用者及平 台管理 人员具有一定参考意义 J 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 1 压载穿刺对钻井平台的危害 1 ． 1 穿刺简介 穿刺 P u n c h ． t h r o u g h 俗称踩鸡蛋壳 ，是专指 自升式钻井平 台在预压载过程中，遇到上硬下软的 海底地层时 ，上部硬地层被桩靴刺破后 ，出现的一 种无法控制的桩靴快速沉降现象 。根据相关文献统 计分析 ，穿刺引起 的事故约占地基事故的 以上。 近年来 ，由于穿刺导致 的自升式钻井平台损伤 严重的情况时有发生 ，比如 ，2 0 0 9年 5月 中国南 海某 自升式钻井平台穿刺造成桩腿严重损坏 ；2 0 1 3 年非洲尼罗河 口附近海域的某一 自升式钻井平台因 穿刺事故导致整个平台倾覆等。 虽然可以找到很多因穿刺而造成钻井平台结构 出现不 同程度损伤的案例 ，但是也仍然有很多穿刺 并未造成任何损伤 。但是无论如何 ，发生穿刺后 ， 钻井平 台的操作者均需在第一时间对其结构进行检 查 ，发现问题及时处理。笔者的着眼点不在于何种 穿刺事件会造成结构的损伤 ，而是基于对 自升式平 台因穿刺而造成的损伤进行检查和修理的案例 ，来 总结 出一套相对完整的检查和修理方案 ，为同业者 提供一定的可借鉴的经验。 1 ． 2 穿刺发生过程对平台的损伤分析 目前的 自升式钻井平台大多属于独立桩腿式 ， 一 般拥有 3个可 以各 自单独下放或者上提的桩腿 ， 桩腿最下放为桩靴 ，当钻井平台需要在海上进行作 业时，需要将桩靴下放到海底 ，并将钻井平台举升 到离开水面进行预压载 ，以确认海底地层具有足够 的承载能力 ，让平 台在作业过程 中能抵抗其遇到的 最恶劣海洋环境。 在进行预压载操作的时候 ，钻井平台的船底离 开水面 1～2 m。这时 ，船体重力通过 固定在船体 固桩区结构上的升降装置齿轮传递给桩腿 ，进行预 压载的时候 ，通过在压载舱内灌满海水来增加桩腿 的桩靴给海底地层的压力。同时升降装置运行需要 将钻井平台船体保持在一定的倾斜度范围内，即船 体在 3个桩腿上的爬升 和下降有一定倾斜度 限制 ， 倾斜度大了会 导致 憋卡从而无法继 续爬升或者下 降，甚至会导致部分结构或设备出现损伤。 对于 自升式钻井平台来说 ，在穿刺发生时，大 多是出现某个桩腿快速下沉 ，此时船体的压载舱内 多数情况下都不同程度装有压载水 ，船体重力较平 时大很多，在这种状态下单个桩腿下沉的同时 ，桩 腿与钻井平台船体之间会发生一定角度的转动 ，导 致桩腿及船体与桩腿接触 的部位载荷过大 ，从而存 在桩腿和船体结构或相关设备损坏 的可能。 对于桩腿与船体之间转动造成 的损坏可能性有 4个方面 。 1 由于桩腿 主弦管两侧 齿条承受 上、下导 向板的弯矩过大 ，存在主弦管变形 、导 向板因载荷 过大掉落或损坏 、主船体 的耐磨板 因齿条接触受损 及其耐磨板支撑结构变形 、船底板 因齿条接触变形 甚至破损等结构受损现象。相关结构损坏可能范围 包括 以下几个方面。①齿条与上 、下导向板的相互 接触 在载荷突然增大到超过结构强度后 ，因导向 板硬度和强度均高于齿条 ，将出现齿条磨损甚至啃 齿 、上导向板 固定螺栓断裂、上导向板掉落 、齿条 甚至弦管出现弯曲等损坏 ；而上导向板的掉落 ，将 允许齿条与结构之间出现更大的倾斜角 ，会加重齿 条 、耐磨板和船底板等区域受损的程度 。②齿条与 耐磨板的相互接触 在载荷突然增大到超过结构强 度后 ，因耐磨板强度比齿条低 ，耐磨板被磨损 ，严 重时甚至会掉落 。③齿条与船底板 的相互接触 因 船底板结构强度远低于齿条 ，一旦接触 ，船底板和 内部结构将出现变形。特别需要注意 的是 ，桩腿齿 条与船底板接触的相互作用存在船体结构破损进水 的风险 ，严重时将有可能导致船体进水倾覆 。 2 由于桩 腿主 弦管变 形 引起 的桩腿 斜 撑 、 横撑的变形 。在主 弦管 含 齿条 受过大 弯矩而 变形后 ，起到支撑作用的斜撑将会 因失稳而弯 曲， 若此时主弦管 含齿条 继续 变形 ，则横 撑也会 因失稳而弯曲。 3 在穿 刺发 生 的过程 中 因船 体 出现倾 斜 ， 作为承受桩腿与船体之间的垂向力的升降装置将承 受远大于其额定承载能力的载荷 。在这种情况 下， 升降装置的各个零部件均存在受损的可能。 4 由于桩靴 突然下 沉及横 向滑移 ，桩 靴与 桩腿连接部 位也将承受远大 于额定承载能力 的载 荷 。在这种情况下 ，桩靴与桩腿连接的关键 区域焊 缝存在 出现裂纹 的可能。 2 实际检查和修理案例 案例 中的平台为三角形箱形主船体 ，配有 3个 桁架式桩腿 ，桩腿 的编号为 船艏方 向为 1号桩 ， 面对船艏的右后为 2号桩 、左后为 3号桩。桩腿与 船体之间通过电动齿轮升降系统船底垂直载荷。通 过上 、下导 向板结构船底弯矩载荷。 在某个 1 0 3 I Y l 水深海域位置进行 压载作业时 ， 2 0 1 4年 第4 2卷第 1 1期 黎剑波压载穿刺对钻井平台结构的影响及处置方案 一 1 4 9一 该平台的 2号桩腿发生穿刺 ，导致各个桩腿损坏 ， 对应 的船体结构和设备也不同程度受损。在穿刺发 生后 ，经初步检查 ，其升降系统还具备升 降功能 ， 因此直接从该位置拔桩拖航到最近的船厂进行深入 检查和修理。在平 台拖航到船厂码头就位完成后 ， 进入全面的检查和修理流程 ，具体可以分 为桩腿 、 固桩区、升降装置 、桩腿 围井结构和桩靴这 5方面 的检查 和修理 。 2 ． 1 桩腿的检查和修理 在穿刺发生后 ，桩腿在位于船底至上导 向板之 间的斜撑 已经 出现明显变形 ，对应位置的主弦管和 齿条也存在 肉眼可见的变形。桩腿损伤进行准确检 查和修理方案为 ①首先 ，为确保桩腿需修理部分 处于 自由状态 ，需要将其置于 固桩 区上空 至少 1 0 I T I 以上的位置，以确保桩腿主弦管变形获得释放 的 空间。②利用激光扫描全站仪对每个桩腿的 3根 主 弦管进行测绘 ，获得准确的变形数据。③围绕桩腿 搭设工作脚手架 ，并 在桩腿 变形部位搭设 工作平 台，将修理工作所 需 的设备 和材料等牵 引到工作 面。④在工作面展开对齿条直线度与拱度的准确测 量 ，获得的数据用于下一步修理中精度的控制 。⑤ 对所有齿条的齿形和齿面进行 目测检查 ，并选择变 形的齿面进行大规模探伤。对齿面有裂纹和齿形变 形 的齿条 ，先清除存在缺陷的部位 ，然后利用同材 质的焊条进行堆焊 修复 ，最后 手工 打磨 成型后探 伤 。⑥按一定顺序对变形 的桩腿斜撑和水平横撑进 行更换 ，更换每一根斜撑时都应对桩腿主弦管的齿 条直线度和拱度进行测量 ，控制其精度。⑦对桩腿 上的附件进行检查 ，发现 冲桩管线出现严重变形 ， 使用火攻校正技术对其进行校直。 在桩腿损伤 的修理过程 中，最关键的技术是需 要判断齿条和主弦管 的变形释放在钢材的弹性变形 范 围内。如果其变形属于弹性变形 ，则可以利用应 力释放原理 ，通过有顺序地割断变形的撑管让齿条 和主弦管 回复到接近原始的状态 。在修复过程 中需 要密切注意其齿条变形的回弹量 ，避免回弹过多造 成 的后续纠正难题 。如果其变形属于塑性变形 ，则 除了割断变形的撑管来释放 内部应力外 ，还需对齿 条和主弦管进行局部更换 。 2 ． 2 固桩区的检查和修理 穿刺发生时 ，桩腿对船体的载荷传递包括弯矩 和垂向力。其中弯矩通过上 、下导向结构传递给固 桩 区主体结构 ，垂 向力通过升降装置 的齿轮传递给 固桩区的承力结 构 。因此 ，穿刺 发生后 的检查 主要以 目测 、全面焊缝探伤及固桩区尺寸测量为主 要手段 ，其覆盖范围需达到 1 0 0 ％。检查发现的主 要问题及修理手段有以下 3个方面①发现多数上 导向板磨损严重 ，甚至有部分已经脱落。在对所有 导向板进行全面测绘的基础上 ，更换了一大批导向 板 ，并且调整导向板的厚度 ，使得其导向间隙满足 原始设计要求 。②承受垂向力过大的部分结构出现 变形 。由于变形处的空间非常狭窄 ，无法使用更换 结构件的方案进行修复 ，所以对变形的结构进行了 火攻校正 ，辅以增加筋板的手段确保其结构强度和 刚度。③升降装置的齿轮轴座周边 出现裂纹 。对 出 现的裂纹进行了全面清除，然后使用与其结构相匹 配的焊接工艺进行了堆焊修复。 2 ． 3 升降装置的检查和修理 作为桩腿与船体之间唯一的垂 向承载力传递载 体的升降装置 ，是检查和修理中需要重点关注的方 面 。通常其检查 的手段分 为 3个层次 目检 和听运转噪声 、局部抽查并使用内窥镜检查 、全面 拆检。 根据 目检的结果 ，首先对运转噪声大的升降装 置进行了抽检 ，发现爬升齿轮断齿 、变形情况较严 重 ，且刹车装置的刹车片出现裂纹。因此 ，在该平 台到达船厂码头后 ，对升降装置采取 了全面拆检的 方案。由于条件有限 ，在平 台现场无法对升降装置 进行全面拆检 ，兼之该平台配备有锁紧系统用于代 替升降装置承受静态载荷 ，所以该平 台的载荷转移 到锁紧系统后将所有升降装置从整体拆卸到车间进 行深入拆检。检查发现的主要问题及修理手段有以 下 5个方面 ①所有的爬升齿轮磨损严重 ，存在不 同程度的裂纹 ，已经无法使用。因此紧急订购 了新 的爬升齿轮进行更换。②对传动齿轮箱进行了全面 拆检 ，对齿 轮 的齿面进行 全面探伤 ，发现齿轮 咬 痕 、轴承磨损严重及轴封漏油等相关问题 ，因此订 购配件进行了更换并使用全新的润滑油。③对 电机 进行了全面检查 ，发现轴承座被拉毛 、绝缘低等问 题 ，因此对电机进行了更换轴承、修复轴承座及浸 漆烘烤等修理 。④对刹车装置进行了全面拆检 ，发 现刹车片存在磨损 、裂纹 、缺 口等问题 ，因此订购 了新的刹车片进行全部更换 ，并调整好刹车 间隙。 ⑤升降装置经过全面修理 、车间试运行检查合格 、 回装到平 台上后 ，还需请专业厂家对升降装置控制 系统进行全面梳理和检查 ， 并在船 厂码头对其进行 实际升降试验以检验其功能 。 2 ． 4桩腿 围井结构的检查和修理 穿刺发生时 ，桩腿相对船体发生 了转动，桩腿 的主弦管除了存在转动外还有一定的弹性变形 ，使 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 得主弦管齿条会挤压桩腿 围井结构上的耐磨板 ，甚 至会 出现齿条剐蹭到船底板的情况 。因此 ，需要对 桩腿 围井结构的耐磨板 、船底及其对应舱室内部框 架结构进行 目测检查 ，并对相关焊缝进行探伤以判 断是否有损伤 。检查发现的主要问题及修理手段有 以下 3方面 ① 围井耐磨板结构背后的舱室 内多处 框架结构存在 明显变形 ，需要对变形的结构进行更 换并在对应位 置进行加强 以避免后续再 次发生变 形。②耐磨板磨损严重 ，对耐磨板进行及时更换。 ③船底板被剐蹭 ，对变形及磨损部位使用火攻校正 和填焊方法进行修复 。 2 ． 5 桩靴损伤的检查和修理 在穿刺发生的过程中，桩靴先是失去承载力而 快速下沉 ，并且随着平台倾斜而横向滑移 ，随后遇 到下部硬地层就会发生一定强度的冲击 。因此桩靴 的检查主要是判断其是否变形 、桩靴与桩腿连接部 位是否出现裂纹等 ，目检 、气密性试验和探伤则是 最基本的检查手段_ 1 。检查发 现的主要 问题及修 理手段有以下 2方面① 因桩靴受冲击而导致冲桩 管线与桩靴上表面贯穿处出现裂纹 ，故将该处的焊 缝用气刨清除后重新焊接 ，探伤合格后对整个桩靴 进行气密检查 。②桩靴与主弦管连接的部位 、主弦 管与水平横撑连接的部位均 出现长短不一 的裂纹 ， 故将该处的焊缝用气刨清除后重新焊接。 3 结 论 1 介绍 了 自升式 钻井平 台在 穿刺 发生 时 ， 桩腿与船体之间相互作用的原理 ，并依据原理对穿 刺发生后需要检查 的部位及方法进行 了阐述。 2 以某一桁 架式桩腿 的 自升式钻井平 台为 例 ，阐述了穿刺发生后 的检查思路、方法及手段 ， 并对相应的修理方案进行 了简要描述。 3 鉴于穿刺 发生时桩靴下沉 的距离 、平 台 当时所带的压载水质量以及海底土壤性能的不确定 性 ，穿刺对 自升式钻井平台的损坏影响程度并不一 致 ，有可能一点损伤都没有 ，也有可能出现非常严 重的损伤甚至倾覆 。无论损伤情况如何 ，都应依据 所阐述的穿刺后的检查范围、方法进行检查 ，并对 发现的问题进行修理 ，这将有利于确保平台的结构 安全。 参考文献 [ 1 ]D o n g We i l i a n g ． R e c e n t a d v a n c e s o n o p e r a t i o n o f j a c k u p r i g s i n C h i n a[ C] ／ ／P r o c 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．自升式平台桩靴的有限元分析[ J ]． 船舶工程 ，2 0 1 3 ，3 5 增刊 2 1 0 61 0 9 ． 作者简介黎剑波 ，工程师，生于 1 9 7 6年 ，1 9 9 8年毕 业于天津大学船舶工程专业 ，现从事移动式海洋钻井平台 管理工作。地址 0 6 5 2 0 1 河北省三河市。电话 o 3 1 6 3 3 6 6 6 7 0 。E ma i l l i j b 8 c o s 1 ． c o rn． a n 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 7 本文编辑刘锋