CN111846129A - 一种新型极地冰区半潜式钻井平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型极地冰区半潜式钻井平台，平台主体结构包括甲板和下部浮体，下部浮体包括两个平行设置的浮筒和设置在甲板与浮筒间的多根立柱，立柱从下到上分成竖直段和倾斜段，倾斜段向平台中心倾斜；以竖直段底部为原点的坐标系中，倾斜段在XZ和YZ平面均向平台中心倾斜；船艏和船尾处的立柱外侧设置有锚链和锚链防冰装置，锚链防冰装置为焊接在倾斜段外表面的钢板；锚链顶部固定在甲板上的锚机中，中部穿过钢板与倾斜段间的空隙；甲板上月池下方水线面位置设置有用于保护钻井立管或防喷器下放作业的立管防冰结构，立管防冰结构两端固定在相对设置的立柱上。本发明所述平台是一种能抵抗北极海冰荷载作用的新型半潜式钻井平台。

Description

一种新型极地冰区半潜式钻井平台

技术领域

本发明涉及钻井平台技术，尤其涉及一种可以在北极有冰海域开展钻井作业的新型极地冰区半潜式钻井平台。

背景技术

随着常规油气资源的储量替代率降低和全球能源消耗的增加，人们迫切需要找到新的油气储量来满足全球油气需求。据统计尚未开发的北极海洋油气资源约占全球剩余未开采的油气资源总量的30％。开发北极海洋油气资源将是解决未来资源短缺的重要手段。

目前北极海洋油气勘探开发活动尚不多见，主要原因是缺少可以在北极有冰海域作业的工程装备。对钻井作业来讲，目前常规钻井平台不具备抵御冰荷载作用的能力，只能在夏季无冰季节作业。由于北极海域夏季无冰季节只有2个月，且北极距离有较好基础设施的城市距离很远，船舶资源动复员周期长，因此常规钻井平台赴北极作业效率低，作业时间窗口很短，成本很高，导致很多勘探项目无法正常进行。为了开展更多的北极勘探活动，工业界迫切需要具有一定冰荷载抵御能力，可以在北极冬季作业的钻井装备。

北极严酷的自然条件对海上钻井装备有两个主要的技术挑战，一个是低温另外一个是海冰。北极区域最低气温可以达到零下50度，低温会对钻井液，泥浆，液压控制系统等造成影响，导致各种工作液体冻结，破坏液体管线等。同时低温会造成甲板，设备结冰，在北极钻井平台设计中，需要对平台的关键设备、系统，如通讯和导航、消防和救生、钻井装备及操作区等，采用全封闭设计或半封闭加伴热设计等手段以满足装备作业和人员安全要求。

北极的海冰有当年冰和多年冰等不同的海冰类型。其中当年冰可以达到1-2米厚度，多年冰则可以达到10-20米厚。海冰在移动的过程中，会对结构产生巨大的荷载作用。现有的工程经验表明，多年冰作用在海洋工程结构上，造成的水平推力可以达到10万吨的数量级。远远超出了半潜式钻井平台系泊定位系统能够承受的荷载水平。但由于钻井作业有时候只需要几个月的时间，可以选择在夏季和春秋季节海冰并不是十分严重，海面只有当年冰的情况下开展作业活动。常规半潜式钻井平台只考虑的风浪，海流的作用，而没有考虑海冰荷载的作用，因此平台的系泊定位系统及结构强度均无法满足海冰作用下的安全作业需求。海冰对半潜式钻井平台的影响主要有三个方面，一是海冰会与平台立柱发生作用，产生较大的冰荷载。如果结构与海冰接触位置为直立结构，则海冰发生挤压破碎为主，如接触位置为倾斜结构，则海冰发生弯曲破碎为主。一般情况下海冰弯曲破碎时冰荷载小于挤压破碎情况下的冰荷载。海冰作用在平台立柱上的冰荷载最终将传递到平台的系泊定位系统上去。过大的冰荷载会使平台发生较大的侧向位移，使平台无法满足作业要求，如果海冰荷载过大，还会使系泊系统受力超出最小拉断力，造成系泊系统断裂的灾害性后果。海冰对半潜式钻井平台的钻井立管也会造成严重影响。由于钻井立管管径相对立管长度很小，结构细长，侧向刚度很小，承受侧向荷载能力有限，海冰不可以直接作用在钻井立管上。如钻井平台在有冰季节作业，则只有破碎后的少量海冰可以与立管接触。海冰对半潜式钻井平台的另外一个影响是对锚链系统的作用。如果海冰直接挤压在锚链上，会导致锚链受到额外的荷载作用，造成锚链结构的损伤。此外，海冰作用在锚链结构上也会影响锚链的收放操作，对钻井平台的生产作业造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有钻井平台不具备抵御冰荷载作用的能力，只能在夏季无冰季节作业的问题，提出一种新型极地冰区半潜式钻井平台，该平台是一种能抵抗北极海冰荷载作用的新型半潜式钻井平台。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型极地冰区半潜式钻井平台，平台主体结构包括甲板和下部浮体，所述下部浮体包括两个平行设置的浮筒和设置在甲板与浮筒间的多根立柱，所述立柱从下到上分成竖直段和倾斜段，位于上部的倾斜段向平台中心倾斜；所述平台船艏和船尾处的立柱双向倾斜，即以竖直段底部为原点的坐标系中，倾斜段在XZ和YZ平面均向平台中心倾斜，确保海冰从各个方向与平台发生作用时，均作用在倾斜立柱表面并发生弯曲破碎；

所述船艏和船尾处的立柱外侧设置有锚链和锚链防冰装置，所述锚链防冰装置为焊接在倾斜段外表面的钢板；所述锚链顶部固定在甲板上方的锚机中，中部穿过锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙；

所述甲板上设置有月池，所述月池下方水线面位置设置有用于保护钻井立管或防喷器(BOP)下放作业的立管防冰结构，所述立管防冰结构两端固定在(位于不同浮筒上)相对设置的立柱上，立管防冰结构的设置能确保钻井立管不会受到海冰的撞击。

进一步地，所述竖直段和倾斜段的设置高度应满足：在冰期作业时，平台吃水位置为倾斜段；当海冰与平台作用时，冰将与倾斜段的倾斜表面接触；在无冰季节作业时，平台吃水位置为立柱的竖直段。

进一步地，所述立柱数量为双数，优选为4根、6根或8根。

进一步地，所述立柱截面为矩形或圆形等易于建造或者有利于提高强度及疲劳性能的形状。

进一步地，所述立柱的竖直段和倾斜段一体成型。

进一步地，所述倾斜段的倾斜角度为50-80度，优选为60-70度。

进一步地，所述锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙中设置有支撑肋板，所述支撑肋板分别与与立柱外表面与防冰钢板垂直，支撑肋板将锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙分隔成多个并列的空间，每个空间内设置有一条锚链，所述支撑肋板的设置能防止海冰直接作用在锚链上。

进一步地，分别设置在两个浮筒上的立柱之间通过支撑梁连接。

进一步地，所述防护结构是连接在立柱之间具有足够强度的钢梁，所述钢梁包括但不限于钢管或工字钢，多根钢管或者工字钢水平布置在作业吃水位置，上部钢梁(钢管或者工字钢)和底部钢梁(钢管或者工字钢)距离为3-5米，优选为4米；上部钢梁水平位置为水面以上0.2-0.8米，优选为0.5米左右。

进一步地，所述钢梁之间设置有加强支撑，所述加强支撑是由(小尺寸)钢管或工字钢行成的V字形、K字形或X形加强支撑。

进一步地，所述锚链防冰装置的钢板上设置有孔，以降低波浪力对钢板的冲击。所述孔为圆形孔、椭圆形孔或矩形孔。所述钢板的开孔率为20％到50％。

进一步地，所述锚链防冰装置的钢板侧向边缘与立柱外侧用倾斜的钢板连接，连接钢板与立柱外表面成45-70度角。具体角度根据立柱大小和防护钢板尺寸设计。所述锚链防冰装置的钢板高度和宽度根据锚链尺寸确定。

本发明新型极地冰区半潜式钻井平台采用三种抗冰设计的组合，有效提高半潜式平台在北极冰区的作业能力。

1)本发明新型半潜式平台由拖轮拖航至待作业地点后，调整压载水使平台吃水降低至倾斜段4没入水中1-3米左右，该吃水深度为新型半潜式平台冰区作业吃水深度。

2)下放锚链8到海底，将平台定位在待作业区域。

3)移动的海面浮冰将与平台的倾斜段4发生作用，在船艏、船尾两组立柱上，海冰将作用在锚链防冰装置9上，发生弯曲破坏。在中间一组立柱上，将作用在倾斜段4作用发生弯曲破碎。由于冰的弯曲强度小于挤压强度，因此弯曲破碎的冰荷载小于海冰与直立立柱作用发生的挤压破碎，有效降低总体冰荷载。由于整体冰荷载的降低，系泊锚链提供的平台系统水平刚度可以保证平台在整体水平荷载的作用下不会发生过大的侧向位移。允许钻井作业的正常开展。

4)钻井立管将通过平台月池位置下放到海底。在海面位置立管穿过立管防冰结构。破碎的海冰进入平台立柱内侧后将主要作用在立管防冰结构上，而不会与立管发生直接的作用。因此海冰将不会影响钻井立管的稳定性。确保平台可以在有冰情况下进行钻井作业。

综上，在冬季作业过程中，新型极地冰区半潜式钻井平台吃水位置在倾斜立柱位置(倾斜段)，海冰将与倾斜段作用发生弯曲破坏，达到降低总体冰荷载的作用；在平台立柱内侧，作业吃水位置设计有立管防冰结构，确保平台月池以下海面不受碎冰的影响，钻井立管在有冰情况下可以正常作业。新型极地冰区半潜式平台通过锚链系泊定位，在作业吃水位置，锚链外侧有防冰结构防止海冰直接作用在锚链上影响锚链收放。

本发明可以抵抗北极海冰荷载作用的新型极地冰区半潜式钻井平台，与现有技术相比较具有以下优点：

1)、本发明提出的新型半潜式平台采用倾斜的平台立柱与海冰接触，能确保海冰与平台作用发生弯曲破坏。从而可以降低海冰与平台作用产生的总体冰荷载。平台在冰荷载作用下，不会发生较大的位移，保证在当年冰作用下，平台可以进行正常钻井作业。

2)、本发明提出的立管防冰结构为月池下方水面提供了防冰保护。使海冰无法进入月池下方水面，避免了平整冰或者碎冰与钻井立管发生作用。保证平台在冰区作业时，立管不受海冰的影响。同时防护装置的设计确保月池下方有足够的可供钻井作业的水面。避免防喷器BOP，钻井立管下放过程中与防冰装置发证碰撞，保证钻井作业有足够的作业空间。

3)、本发明提出的锚链防冰装置使平整冰不会与锚链直接发生作用。保证锚链结构不会承受挤压破碎冰荷载，降低锚链结构损伤的风险。防冰装置还可以保证碎冰不直接与锚链发生接触，不会影响锚链的收放作业。

4)、本发明提出的能用于北极作业的半潜式钻井平台与传统半潜式平台主体形式基本相同。新型平台在风浪流等环境荷载作用下运动性能与传统半潜式平台接近。即可以用于北极冰区钻井作业也可以用于其他无冰海域的钻井作业。平台具有较强的海域适应性。

附图说明

图1为本发明新型极地冰区半潜式钻井平台的立体图一；

图2为本发明新型极地冰区半潜式钻井平台的立体图二；

图3为锚链防冰保护装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

本发明公开了一种新型极地冰区半潜式钻井平台，包括甲板1、两个浮筒2和设置在甲板1与浮筒2间的多根立柱，所述立柱数量为双数，可以为4个，6个或者8个。立柱截面为矩形或者圆形等易于建造或者有利于提高强度及疲劳性能的形式。平台总体基本形式与常规半潜式钻井平台一致。但是平台立柱设计为有利于抵御海冰作用的分段形式，立柱分为上下两段，下段为竖直形式——竖直段3，上段为向平台中心倾斜的结构——倾斜段4。所述竖直段和倾斜段的设置高度应满足：在冰期作业时，平台吃水位置为倾斜段；当海冰与平台作用时，冰将与倾斜段的倾斜表面接触；在无冰季节作业时，平台吃水位置为立柱的竖直段。

确保海冰从各个方向与平台相互作用时，均会与倾斜的结构表面发生作用。因此需要平台船首，船尾的立柱结构为双向倾斜，即在以各个立柱底部为原点的坐标系中，倾斜段4在XZ和YZ平面均向平台中心倾斜，倾斜角度可以为50-80度左右。

本发明新型极地冰区半潜式钻井平台井架及钻井包布置与常规半潜式平台一致，甲板上布置有月池供钻井立管和/或防喷器BOP下放作业。与常规半潜式钻井平台不同的是为了保护立管不受海冰的直接作用，在月池下方水面位置设计立管防冰结构。防护结构为钢梁，所述钢梁为多个钢管或者工字钢等具有足够强度的结构件连接在立柱之间。多个钢管或者工字钢水平布置在作业吃水位置，上部钢梁和底部钢梁距离约4米左右。上部钢梁水平位置为水面以上0.5米左右。钢梁之间设置有加强支撑7，所述加强支撑7由(小尺寸)钢管或工字钢行成V字形，K字形或者X形进行加强。防护结构两端焊接在立柱上。根据立柱数量的不同，防护结构可以焊接在不同的立柱上。如4根立柱结构，则在4根立柱之间焊接防护结构；对六立柱结构防护结构设计在中间相对的一组立柱外侧。保证防护结构内侧具有10米以上的距离，确保钻井立管，BOP下放有足够的作业空间。对8根立柱平台防护结构可以焊接在中间的四根立柱上，或者中间相对的一组立柱上。

本发明新型北极半潜式钻井平台在水线面位置处设计有锚链防冰保护装置。即在立柱外侧焊接一个平行于倾斜立柱外表面的钢板，钢板距离立柱外表面约1m左右，距离以锚链可以自由穿行于其与立柱外表面之间的空隙为宜。所述锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙中设置有支撑肋板，所述支撑肋板分别与与立柱外表面与防冰钢板垂直，支撑肋板将锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙分隔成多个并列的空间，每个空间内设置有一条锚链，所述支撑肋板的设置能防止海冰直接作用在锚链上。锚链防冰钢板设计为开孔结构，以降低波浪力对钢板的冲击。开孔设计为圆形或者椭圆形和矩形。防冰钢板侧向边缘与立柱外侧用倾斜的钢板连接，连接钢板与立柱外表面成45-70度角。具体角度根据立柱大小和防护钢板尺寸设计。

实施例1

本实施例公开了一种新型极地冰区半潜式钻井平台，其结构如图1和图2所示。新型极地冰区半潜式钻井平台主体结构包括甲板1和下部浮体，所述下部浮体包括两个平行设置的浮筒2和设置在甲板1与浮筒2间的六根立柱，即立柱顶部和底部分别与甲板1和浮筒2连接。

两个浮筒2平行设置，每个浮筒2上设置三根立柱，所述立柱从下到上分成竖直段3和倾斜段4，位于上部的倾斜段4向平台中心倾斜。所述立柱的竖直段和倾斜段一体成型。所述平台船艏和船尾处的倾斜段4双向倾斜，即以竖直段3底部为原点的坐标系中，倾斜段4在XZ和YZ平面均向平台中心倾斜，所述倾斜段4的倾斜角度为65度。双向倾斜的设置是确保海冰从各个方向与平台发生作用时，均作用在倾斜段4表面并发生弯曲破碎；设置在两个浮筒2上的三对立柱之间分别用支撑梁5连接，以增加结构总体强度。

所述甲板1上设置有月池，所述月池下方水面高度设置有用于保护钻井立管或BOP下放作业的立管防冰结构。具体地，在第二对立柱中间，布置立管防冰结构，立管防冰结构由钢梁6(水平梁)和加强支撑7组成。所述钢梁6包括但不限于多根钢管或工字钢，多根钢管或者工字钢水平布置在作业吃水位置，上部钢梁(钢管或者工字钢)和底部钢梁(钢管或者工字钢)距离为4米；上部钢梁水平位置为水面以上0.5米左右。所述钢梁6之间设置有加强支撑7，所述加强支撑7是由(小尺寸)钢管或工字钢行成的V字形加强支撑。

所述船艏和船尾处的立柱外侧设置有锚链8和锚链防冰装置9，本实施例在船艏和船尾位置的四个立柱上布置了四组锚链8，锚链一共12根。在钻井平台作业吃水位置，锚链的外侧设置了锚链防冰装置9。所述锚链防冰装置的钢板上设置有孔，以降低波浪力对钢板的冲击。所述孔为圆形孔。所述钢板的开孔率为20％-50％。所述锚链防冰装置的钢板侧向边缘与立柱外侧用倾斜的钢板连接，连接钢板与立柱外表面成60度角。所述锚链防冰装置的钢板高度和宽度根据锚链尺寸确定。所述锚链8上设置有支撑锚链防护装置的肋板10，所述肋板10与立柱外表面与防冰钢板垂直，防止海冰直接作用在锚链上。

本实施例是一种适用于北极冰区作业的新型半潜式钻井平台。该平台具有有利于降低冰荷载的立柱形式，确保在当年冰作用下，平台具有一定的总体强度和系泊定位能力，可以进行正常的钻井作业。平台设计有立管防冰结构，可以确保月池下方立管不受浮冰影响。在水面位置设计了锚链防护装置，使锚链避免受到海冰的直接作用，保证锚链收放的正常操作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于：平台主体结构包括甲板和下部浮体，所述下部浮体包括两个平行设置的浮筒和设置在甲板与浮筒间的多根立柱，所述立柱从下到上分成竖直段和倾斜段，位于上部的倾斜段向平台中心倾斜；所述平台船艏和船尾处的立柱双向倾斜，即以竖直段底部为原点的坐标系中，倾斜段在XZ和YZ平面均向平台中心倾斜；

所述船艏和船尾处的立柱外侧设置有锚链和锚链防冰装置，所述锚链防冰装置为焊接在倾斜段外表面的钢板；所述锚链顶部固定在甲板上的锚机中，中部穿过锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙；

所述甲板上设置有月池，所述月池下方水线面位置设置有用于保护钻井立管或防喷器下放作业的立管防冰结构，所述立管防冰结构两端固定在相对设置的立柱上。

2.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述竖直段和倾斜段的设置高度应满足：在冰期作业时，平台吃水位置为倾斜段；当海冰与平台作用时，冰将与倾斜段的倾斜表面接触；在无冰季节作业时，平台吃水位置为立柱的竖直段。

3.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述立柱数量为4根、6根或8根。

4.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述倾斜段的倾斜角度为50-80度。

5.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述锚链防冰装置钢板与倾斜段间的空隙中设置有支撑肋板，所述支撑肋板分别与与立柱外表面与防冰钢板垂直。

6.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述防护结构是连接在立柱之间的钢梁，所述钢梁包括但不限于钢管或工字钢，多根钢管或者工字钢水平布置在作业吃水位置，上部钢梁和底部钢梁距离为3-5米；上部钢梁水平位置为水面以上0.2-0.8米。

7.根据权利要求6所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述钢梁之间设置有加强支撑。

8.根据权利要求7所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述加强支撑是由钢管或工字钢行成的V字形、K字形或X形加强支撑。

9.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述锚链防冰装置的钢板上设置有孔。

10.根据权利要求1所述新型极地冰区半潜式钻井平台，其特征在于，所述锚链防冰装置的钢板侧向边缘与立柱外侧用倾斜的钢板连接，连接钢板与立柱外表面成45-70度角。

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