CN106802978A - 一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自升式钻井平台技术领域，特别涉及一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法。该方法步骤如下：一、确定平台环境图谱绘制中的所有外界环境参数，包括水深、风速、海流流速和波浪参数；二、创建平台总体强度分析模型；三、分别计算出按照步骤一所选取的不同外界环境参数组成的所有工况下的风载荷、波浪载荷、海流载荷和平台惯性载荷，并将这些环境载荷施加到平台的总体强度分析模型中。本发明实现了计算过程简化实用，计算结果精确可靠，图谱使用方便，提高了工作效率，方便了操作者的使用。克服了现有平台环境图谱绘制方法计算工况众多，计算时间长，计算过程复杂的不足。

Description

一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法

技术领域：

本发明涉及自升式钻井平台技术领域，特别涉及一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法。

背景技术：

在自升式钻井平台交付船东之前，应在操船手册中给出平台作业的环境图谱，为操作者提供作业指导。但环境图谱的形式并不固定，不同形式的环境图谱的绘制方法也完全不同，加上外界环境条件变化多端，在不同的作业水深、风、波浪和海流的组合中，涉及到的计算工况至少成百上千，且每个工况的计算方法和计算过程也非常复杂，使得自升式钻井平台环境图谱绘制成为一项繁重复杂的工作。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法，该方法实现了计算过程简化实用，计算结果精确可靠，图谱使用方便，提高了工作效率，方便了操作者的使用。克服了现有平台环境图谱绘制方法计算工况众多，计算时间长，计算过程复杂的不足。

本发明所采取的技术方案是：一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法，该方法步骤如下：

一、确定平台环境图谱绘制中的所有外界环境参数，包括水深、风速、海流流速和波浪参数；

二、创建平台总体强度分析模型；

三、分别计算出按照步骤一所选取的不同外界环境参数组成的所有工况下的风载荷、波浪载荷、海流载荷和平台惯性载荷，并将这些环境载荷施加到平台的总体强度分析模型中；

四、计算平台在步骤三中计算出的每个环境载荷作用下产生的侧向位移，并由该侧向位移使平台产生的二次弯矩；

五、选择任一由步骤一所选取的不同外界环境参数组成的工况，计算该工况下各环境载荷作用在平台上的弯矩和由各环境载荷引起平台侧向位移产生的二次弯矩之和，并根据力的平衡公式，求解出该工况下的平台桩靴支反力；

六、根据步骤五中选取的所有工况下的平台桩靴支反力，绘制平台环境图谱。

本发明的有益效果是：本发明实现了计算过程简化实用，计算结果精确可靠，图谱使用方便，提高了工作效率，方便了操作者的使用。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为三桩腿自升式钻井平台侧视图。

图2为三桩腿自升式钻井平台俯视图。

图3为环境图谱示意图。

具体实施方式：

一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法，该方法步骤如下：

一、确定平台环境图谱绘制中的所有外界环境参数，包括水深、风速、海流流速和波浪参数；

二、创建平台总体强度分析模型；

三、分别计算出按照步骤一所选取的不同外界环境参数组成的所有工况下的风载荷、波浪载荷、海流载荷和平台惯性载荷，并将这些环境载荷施加到平台的总体强度分析模型中；

四、计算平台在步骤三中计算出的每个环境载荷作用下产生的侧向位移，并由该侧向位移使平台产生的二次弯矩；

五、选择任一由步骤一所选取的不同外界环境参数组成的工况，计算该工况下各环境载荷作用在平台上的弯矩和由各环境载荷引起平台侧向位移产生的二次弯矩之和，并根据力的平衡公式，求解出该工况下的平台桩靴支反力；

六、根据步骤五中选取的所有工况下的平台桩靴支反力，绘制平台环境图谱。

实施例

如图1和图2所示，本实施例中的海洋平台的坐标系为笛卡尔坐标系，其中坐标原点O位于左舷桩腿中心和右舷桩腿中心的连线的中点，并位于桩靴支撑点所在的水平面上，X轴指向平台艏部为正，Y轴指向平台左舷为正，Z轴指向上为正。

如图1和图2所示，本实施例中的海洋平台由三个桩靴和三个桩腿支撑，每个桩腿包含三根舷管。如图2所示，每个桩腿通过固桩系统与平台的主船体连接。前桩靴支撑点与左舷桩靴支撑点或右舷桩靴支撑点在X轴上的水平距离为Lx，左舷桩靴支撑点和右舷桩靴支撑点在Y轴上的水平距离为Ly。

自升式钻井平台环境图谱绘制方法为：

确定平台环境图谱绘制中的所有外界环境参数

平台环境图谱中环境参数的确定原则为尽可能覆盖平台作业时所可能遭遇到的所有环境条件，包括：

水深，平台的作业水深应包含技术说明书中给出的作业水深，并包含平台作业海域的典型作业水深，若无平台作业海域水深的环境资料，可分别选取1/4最大作业水深、2/4最大作业水深、3/5最大作业水深、4/5最大作业水深和最大作业水深共5个水深。

风速，平台作业的最大风速为70kn，可参考选取风速5kn、10kn、15kn、20kn、25kn、30kn、35kn、40kn、45kn、50kn、55kn、60kn、65kn和70kn，共14个风速。

海流流速，参考技术说明书给出的海流流速，否则可参考选取流速为1kn、2kn和3kn，共3个流速。

波浪参数，包括波高H和波浪周期T，最大波高及其对应的波浪周期取技术说明书中给出的作业工况下的最大波高及其对应的波浪周期，这样依次参考选取2/8最大波高、3/8最大波高、4/8最大波高、5/8最大波高、6/8最大波高、7/8最大波高和8/8最大波高，共7个波浪，或者从最大波高开始，依次递减5ft取一个波高。每个波高所对应的波浪周期参考下列公式进行计算：

T＝4.1(H)^0.4+1

其中，H为波高，单位m；T为波浪周期，单位s。

对于最大波高，利用上述公式进行计算所得到的波浪周期与技术说明书中给出的与最大波高相对应的波浪周期有差异时，可根据技术说明书中给出的周期进行微调。

创建自升式钻井平台总体强度分析的有限元模型

每个作业水深对应一个单独的分析模型，每个分析模型的气隙都取技术说明书中给出的作业气隙。

求解平台的固有振动周期T_N

对每一个作业水深下的分析模型，均考虑附连水的质量和平台的几何非线性，分别进行分析求得平台在不同作业水深下的固有振动周期T_N。

求解平台的动态放大系数DAF

平台在周期性的波浪载荷作用下产生动态放大效应，根据下列公式计算平台在每一个作业水深下的动态放大系数DAF：

其中，ζ为阻尼系数；T_N为平台固有振动周期，单位为s；T为波浪周期，单位为s。

如果计算得到的DAF小于1.2，取DAF＝1.2。

求解每个波浪作用在平台上的最大波浪剪力F_Wave，求解波浪和海流联合作用在平台上的最大弯矩M_Wave+Current。

求解平台的惯性载荷F_Inertia以及惯性载荷引起的弯矩M_Inertia

根据求解得到的每个水深下的DAF，以及每个波浪产生的最大波浪剪力F_wave，通过下面公式计算得到所有水深下的平台惯性载荷F_Inertia，由惯性载荷F_Inertia乘以平台在水中重量的重心距离平台桩靴支撑点的垂向距离得到惯性载荷引起的弯矩M_Inertia。

F_Inertia＝F_Wave(1-DAF)

其中，F_wave为最大波浪剪力，单位为N；F_Inertia为惯性载荷，单位为N。

求解作用在平台上的风载荷F_Wind和风载荷引起的弯矩M_Wind

平台的响应呈线性关系，各水深下的作业气隙是相同的，风载荷的大小与风速的平方呈正比，因此只需求解每个水深下单位风速产生的风载荷和由风载荷引起的弯矩，然后乘以目标风速的平方即可得到每个水深下的目标风速产生的风载荷F_Wind和由风载荷引起的弯矩M_Wind。

求解作用在平台上的二次弯矩MP-Δ

在风、波浪、海流和惯性载荷的作用下，平台产生侧向位移Δ，在平台自身重力P的作用下，平台产生二次弯矩，平台重力P与侧向位移Δ相乘即可求得二次弯矩MP-Δ。

由于平台的响应呈线性叠加关系，因此对每一个计算水深，可分别求得单位风速下的平台侧向位移Δk，然后乘以目标风速Vk的平方即可求得该计算水深下目标风速引起的平台侧向位移ΔWind，即：

其中，Δk为单位风速下的平台侧向位移，单位为m；Vk为目标风速，单位为m/s。

分别求得上述各海流和波浪参数下的平台侧向位移Δi，以及对应的惯性载荷F_Inertia作用下的平台侧向位移Δj。

根据线性叠加的原理，可以得到任意风、波浪和海流的联合作用下的平台侧向位移Δ，即：

其中，Δi为由海流和波浪引起的平台侧向位移，单位为m；Δj为由惯性载荷引起的平台侧向位移，单位为m。

则作用在平台上的二次弯矩MP-Δ：

MP-Δ＝P×Δ。

其中，MP-Δ为作用在平台上的二次弯矩，单位为N·m；P为平台在水中的重量，单位为N。

求解所有工况下作用在平台上的总弯矩M

每一个水深、每一个流速、每一个波浪和每一个风速的任意组合形成一个工况，在上述所假设的环境参数下，共5个水深、3个流速、7个波浪和14个风速，加上分析的外界环境载荷作用方向的不同，另外假设外界环境载荷的作用方向共有7个，即0°、30°，60°，90°，120°，150°和180°，因此共有5×3×7×14×7＝10290个工况，需要得到每个工况下作用在平台上的总弯矩M。

根据前述线性分解的方法，分别求解得到了：

5个水深下的7个波浪、2个海流产生的弯矩Mi和位移Δi，7个方向，共5×7×2×7＝490次计算，即i＝1，2……，490；

5个水深下的7个波浪引起的惯性载荷产生的弯矩Mj和位移Δj，7个方向，共5×7×7＝245次计算，即j＝1，2……，245；

5个水深下的单位风速产生的弯矩Mk和位移Δk，7个方向，共5×7＝35次计算，即k＝1，2……，35。

然后根据线性叠加的方法，分别求解每一个工况下作用在平台上的总弯矩，其中代表某一水深、某一波浪、某一海流、某一风速Vk下的任一工况的总弯矩M(单位为N·m)的计算公式如下：

求解作用在桩靴上的支反力

假设任一个方向为θ的工况下由外界环境载荷引起的总弯矩为Mθ，分别对X轴和Y轴进行分解：

M_x＝M_θ×cosθ

M_y＝M_θ×sinθ

根据力矩平衡，得到由外界环境载荷引起的前桩靴的支反力F1(单位为N)、左舷桩靴的支反力F2(单位为N)和右舷桩靴的支反力F3(单位为N)分别为：

F3＝-F2-F1

绘制平台的环境图谱

对所有工况，取三个桩靴支反力中的最大值作为纵坐标，风速作为横坐标绘制环境图谱。绘制图谱时，物理量的单位可依据船东的使用习惯进行转换。如图3所示，给出了水深为100ft、海流流速为lkn、波高为10ft、15ft、20ft、25ft、30ft和35ft的环境条件下的自升式钻井平台环境图谱，其中由外界环境条件引起的最大桩靴支反力的单位为t。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自升式钻井平台环境图谱绘制方法，其特征在于：该方法步骤如下：

一、确定平台环境图谱绘制中的所有外界环境参数，包括水深、风速、海流流速和波浪参数；

二、创建平台总体强度分析模型；

三、分别计算出按照步骤一所选取的不同外界环境参数组成的所有工况下的风载荷、波浪载荷、海流载荷和平台惯性载荷，并将这些环境载荷施加到平台的总体强度分析模型中；

四、计算平台在步骤三中计算出的每个环境载荷作用下产生的侧向位移，并由该侧向位移使平台产生的二次弯矩；

五、选择任一由步骤一所选取的不同外界环境参数组成的工况，计算该工况下各环境载荷作用在平台上的弯矩和由各环境载荷引起平台侧向位移产生的二次弯矩之和，并根据力的平衡公式，求解出该工况下的平台桩靴支反力；

六、根据步骤五中选取的所有工况下的平台桩靴支反力，绘制平台环境图谱。