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压载穿刺对钻井平台结构的影响及处置方案

文档作者: 黎剑波        文档来源: 中海油田服务股份有限公司
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更新时间: 2020年12月23日
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2014年第42卷第11期 石 油机械 CHINA PETROLEUM MACHINERY ●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:TE951 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001—4578.2014.1 1.034 Efects of Punch·-through on the Jack-up Drilling Platform Structure and Solutions Li Jianbo (China Oi eld Services Limited) Abstract:Based on the analysis and speculation of the effects of the jack—up drilling platform’S punch· through movement on the structure and equipment, together with field survey, the inspection program for platform structure,spud leg and related equipment is determined.Moreover,considering actual inspection and test results, the repair program and cautions are settled.The programs provide an analogical sample for subsequent drilling plat— form punch—through and repairing.Taking a real repair program of platform after punch—through as example,the in— spection contents are listed after the punch-through occurred, and the related repair program is briefly introduced. The conclusions made could provide valuable references on the jack-up drilling platform users and platform management personne1. Key words:jack-up drilling platform ;punch—through;hull;spud leg;damage;repair 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91.4 m (300 ft)扩大到121.9 m (400 ft)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 2014年第42卷第11期 1 压载穿刺对钻井平台的危害 1.1 穿刺简介 穿刺(Punch.through)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,2009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;2013 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103 IYl水深海域位置进行压载作业时, 2014年 第42卷第11期 黎剑波:压载穿刺对钻井平台结构的影响及处置方案 一149一 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10 ITI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100% 。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 2014年第42卷第11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] Dong Weiliang.Recent advances on operation of jack—up rigsin China[C] //Proceedings of the Twenty—first (201 1)International Offshore and Polar Engineering Conference,2011. 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