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壓載穿刺對鉆井平臺結構的影響及處置方案

文檔作者：黎劍波文檔來源：中海油田服務股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月23日
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2014年第42卷第11期
石 油機械
CHINA PETROLEUM MACHINERY
●海洋石油裝備
壓載穿刺對鉆井平臺結構的影響及處置方案
黎劍波
(中海油田服務股份有限公司)
摘要：依據(jù)自升式鉆井平臺壓載穿刺運動過程對結構、設備的影響分析及推測，輔以實地勘
察驗證找出對平臺結構、樁腿及相關設備進行檢驗的方案，并依據(jù)實際檢查、檢測結果整理出修
理方案及注意事項，為后續(xù)的鉆井平臺穿刺后修理提供一個可類比的樣本。以某實際發(fā)生穿刺后
的平臺修理方案為例，列舉了穿刺發(fā)生后需進行的檢查內(nèi)容，并對相應的修理方案進行了簡要描
述，其結論對自升式鉆井平臺使用者及平臺管理人員具有一定參考意義。
關鍵詞： 自升式鉆井平臺；穿刺；船體；樁腿；損傷；修理
中圖分類號：TE951 文獻標識碼：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
自升式鉆井平臺是指具有獨立活動樁腿，且其
主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預定高
度進行鉆井作業(yè)的平臺。當自升式鉆井平臺被拖航
到指定井位時，需下放樁腿，升起船體，進行預壓
載，完成后爬升到鉆井所需氣隙開展鉆井作業(yè)。
隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展， 自升式鉆井平臺水深適
應能力從91．4 m (300 ft)擴大到121．9 m (400
ft)甚至更深海域，隨之而來的是需要面對更加復
雜的海底地質(zhì)情況。因此，在自升式鉆井平臺進行
預壓載的過程中遇到穿刺的情況越來越多，且穿刺
對自升式平臺的結構和設備造成的損壞輕重程度日
趨多樣化¨ J。
無論損壞程度如何，穿刺發(fā)生后最重要的仍然
是最快速度地完成檢查和修理工作，以便盡快返回
鉆井作業(yè)。筆者依據(jù)自升式鉆井平臺壓載穿刺運動
過程對結構的影響分析及推測，輔以實地勘察驗證
找出對平臺結構、樁腿及相關設備進行檢驗的思
路，并依據(jù)實際檢查、檢測結果整理出修理方案及
注意事項，為后續(xù)的鉆井平臺穿刺后修理提供一個
可類比的樣本 J。筆者以某實際發(fā)生穿刺后的平
臺修理方案為例，列舉了穿刺發(fā)生后需進行的檢查
內(nèi)容，其結論對自升式鉆井平臺使用者及平臺管理
人員具有一定參考意義 J。
石 油機械 2014年第42卷第11期
1 壓載穿刺對鉆井平臺的危害
1．1 穿刺簡介
穿刺(Punch．through)俗稱踩雞蛋殼，是專指
自升式鉆井平臺在預壓載過程中，遇到上硬下軟的
海底地層時，上部硬地層被樁靴刺破后，出現(xiàn)的一
種無法控制的樁靴快速沉降現(xiàn)象。根據(jù)相關文獻統(tǒng)
計分析，穿刺引起的事故約占地基事故的 以上。
近年來，由于穿刺導致的自升式鉆井平臺損傷
嚴重的情況時有發(fā)生， 比如，2009年5月中國南
海某自升式鉆井平臺穿刺造成樁腿嚴重損壞；2013
年非洲尼羅河口附近海域的某一自升式鉆井平臺因
穿刺事故導致整個平臺傾覆等。
雖然可以找到很多因穿刺而造成鉆井平臺結構
出現(xiàn)不同程度損傷的案例，但是也仍然有很多穿刺
并未造成任何損傷。但是無論如何，發(fā)生穿刺后，
鉆井平臺的操作者均需在第一時間對其結構進行檢
查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。筆者的著眼點不在于何種
穿刺事件會造成結構的損傷，而是基于對自升式平
臺因穿刺而造成的損傷進行檢查和修理的案例，來
總結出一套相對完整的檢查和修理方案，為同業(yè)者
提供一定的可借鑒的經(jīng)驗。
1．2 穿刺發(fā)生過程對平臺的損傷分析
目前的自升式鉆井平臺大多屬于獨立樁腿式，
一般擁有3個可以各自單獨下放或者上提的樁腿，
樁腿最下放為樁靴，當鉆井平臺需要在海上進行作
業(yè)時，需要將樁靴下放到海底，并將鉆井平臺舉升
到離開水面進行預壓載，以確認海底地層具有足夠
的承載能力，讓平臺在作業(yè)過程中能抵抗其遇到的
最惡劣海洋環(huán)境。
在進行預壓載操作的時候，鉆井平臺的船底離
開水面1～2 m。這時，船體重力通過固定在船體
固樁區(qū)結構上的升降裝置齒輪傳遞給樁腿，進行預
壓載的時候，通過在壓載艙內(nèi)灌滿海水來增加樁腿
的樁靴給海底地層的壓力。同時升降裝置運行需要
將鉆井平臺船體保持在一定的傾斜度范圍內(nèi)，即船
體在3個樁腿上的爬升和下降有一定傾斜度限制，
傾斜度大了會導致憋卡從而無法繼續(xù)爬升或者下
降，甚至會導致部分結構或設備出現(xiàn)損傷。
對于自升式鉆井平臺來說，在穿刺發(fā)生時，大
多是出現(xiàn)某個樁腿快速下沉，此時船體的壓載艙內(nèi)
多數(shù)情況下都不同程度裝有壓載水，船體重力較平
時大很多，在這種狀態(tài)下單個樁腿下沉的同時，樁
腿與鉆井平臺船體之間會發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動，導
致樁腿及船體與樁腿接觸的部位載荷過大，從而存
在樁腿和船體結構或相關設備損壞的可能。
對于樁腿與船體之間轉(zhuǎn)動造成的損壞可能性有
4個方面 。
(1)由于樁腿主弦管兩側(cè)齒條承受上、下導
向板的彎矩過大，存在主弦管變形、導向板因載荷
過大掉落或損壞、主船體的耐磨板因齒條接觸受損
及其耐磨板支撐結構變形、船底板因齒條接觸變形
甚至破損等結構受損現(xiàn)象。相關結構損壞可能范圍
包括以下幾個方面。① 齒條與上、下導向板的相互
接觸：在載荷突然增大到超過結構強度后，因?qū)?
板硬度和強度均高于齒條，將出現(xiàn)齒條磨損甚至啃
齒、上導向板固定螺栓斷裂、上導向板掉落、齒條
甚至弦管出現(xiàn)彎曲等損壞；而上導向板的掉落，將
允許齒條與結構之間出現(xiàn)更大的傾斜角，會加重齒
條、耐磨板和船底板等區(qū)域受損的程度。②齒條與
耐磨板的相互接觸：在載荷突然增大到超過結構強
度后，因耐磨板強度比齒條低，耐磨板被磨損，嚴
重時甚至會掉落。③ 齒條與船底板的相互接觸：因
船底板結構強度遠低于齒條，一旦接觸，船底板和
內(nèi)部結構將出現(xiàn)變形。特別需要注意的是，樁腿齒
條與船底板接觸的相互作用存在船體結構破損進水
的風險，嚴重時將有可能導致船體進水傾覆。
(2)由于樁腿主弦管變形引起的樁腿斜撐、
橫撐的變形。在主弦管(含齒條)受過大彎矩而
變形后，起到支撐作用的斜撐將會因失穩(wěn)而彎曲，
若此時主弦管(含齒條)繼續(xù)變形，則橫撐也會
因失穩(wěn)而彎曲。
(3)在穿刺發(fā)生的過程中因船體出現(xiàn)傾斜，
作為承受樁腿與船體之間的垂向力的升降裝置將承
受遠大于其額定承載能力的載荷。在這種情況下，
升降裝置的各個零部件均存在受損的可能。
(4)由于樁靴突然下沉及橫向滑移，樁靴與
樁腿連接部位也將承受遠大于額定承載能力的載
荷。在這種情況下，樁靴與樁腿連接的關鍵區(qū)域焊
縫存在出現(xiàn)裂紋的可能。
2 實際檢查和修理案例
案例中的平臺為三角形箱形主船體，配有3個
桁架式樁腿，樁腿的編號為：船艏方向為1號樁，
面對船艏的右后為2號樁、左后為3號樁。樁腿與
船體之間通過電動齒輪升降系統(tǒng)船底垂直載荷。通
過上、下導向板結構船底彎矩載荷。
在某個103 IYl水深海域位置進行壓載作業(yè)時，
2014年 第42卷第11期 黎劍波：壓載穿刺對鉆井平臺結構的影響及處置方案 一149一
該平臺的2號樁腿發(fā)生穿刺，導致各個樁腿損壞，
對應的船體結構和設備也不同程度受損。在穿刺發(fā)
生后，經(jīng)初步檢查，其升降系統(tǒng)還具備升降功能，
因此直接從該位置拔樁拖航到最近的船廠進行深入
檢查和修理。在平臺拖航到船廠碼頭就位完成后，
進入全面的檢查和修理流程，具體可以分為樁腿、
固樁區(qū)、升降裝置、樁腿圍井結構和樁靴這5方面
的檢查和修理。
2．1 樁腿的檢查和修理
在穿刺發(fā)生后，樁腿在位于船底至上導向板之
間的斜撐已經(jīng)出現(xiàn)明顯變形，對應位置的主弦管和
齒條也存在肉眼可見的變形。樁腿損傷進行準確檢
查和修理方案為：①首先，為確保樁腿需修理部分
處于自由狀態(tài)，需要將其置于固樁區(qū)上空至少10
ITI以上的位置，以確保樁腿主弦管變形獲得釋放的
空間。②利用激光掃描全站儀對每個樁腿的3根主
弦管進行測繪，獲得準確的變形數(shù)據(jù)。③圍繞樁腿
搭設工作腳手架，并在樁腿變形部位搭設工作平
臺，將修理工作所需的設備和材料等牽引到工作
面。④在工作面展開對齒條直線度與拱度的準確測
量，獲得的數(shù)據(jù)用于下一步修理中精度的控制。⑤
對所有齒條的齒形和齒面進行目測檢查，并選擇變
形的齒面進行大規(guī)模探傷。對齒面有裂紋和齒形變
形的齒條，先清除存在缺陷的部位，然后利用同材
質(zhì)的焊條進行堆焊修復，最后手工打磨成型后探
傷。⑥按一定順序?qū)ψ冃蔚臉锻刃睋魏退綑M撐進
行更換，更換每一根斜撐時都應對樁腿主弦管的齒
條直線度和拱度進行測量，控制其精度。⑦對樁腿
上的附件進行檢查，發(fā)現(xiàn)沖樁管線出現(xiàn)嚴重變形，
使用火攻校正技術對其進行校直。
在樁腿損傷的修理過程中，最關鍵的技術是需
要判斷齒條和主弦管的變形釋放在鋼材的彈性變形
范圍內(nèi)。如果其變形屬于彈性變形，則可以利用應
力釋放原理，通過有順序地割斷變形的撐管讓齒條
和主弦管回復到接近原始的狀態(tài)。在修復過程中需
要密切注意其齒條變形的回彈量，避免回彈過多造
成的后續(xù)糾正難題。如果其變形屬于塑性變形，則
除了割斷變形的撐管來釋放內(nèi)部應力外，還需對齒
條和主弦管進行局部更換。
2．2 固樁區(qū)的檢查和修理
穿刺發(fā)生時，樁腿對船體的載荷傳遞包括彎矩
和垂向力。其中彎矩通過上、下導向結構傳遞給固
樁區(qū)主體結構，垂向力通過升降裝置的齒輪傳遞給
固樁區(qū)的承力結構 。因此，穿刺發(fā)生后的檢查
主要以目測、全面焊縫探傷及固樁區(qū)尺寸測量為主
要手段，其覆蓋范圍需達到100％ 。檢查發(fā)現(xiàn)的主
要問題及修理手段有以下3個方面：①發(fā)現(xiàn)多數(shù)上
導向板磨損嚴重，甚至有部分已經(jīng)脫落。在對所有
導向板進行全面測繪的基礎上，更換了一大批導向
板，并且調(diào)整導向板的厚度，使得其導向間隙滿足
原始設計要求。②承受垂向力過大的部分結構出現(xiàn)
變形。由于變形處的空間非常狹窄，無法使用更換
結構件的方案進行修復，所以對變形的結構進行了
火攻校正，輔以增加筋板的手段確保其結構強度和
剛度。③升降裝置的齒輪軸座周邊出現(xiàn)裂紋。對出
現(xiàn)的裂紋進行了全面清除，然后使用與其結構相匹
配的焊接工藝進行了堆焊修復。
2．3 升降裝置的檢查和修理
作為樁腿與船體之間唯一的垂向承載力傳遞載
體的升降裝置，是檢查和修理中需要重點關注的方
面 。通常其檢查的手段分為3個層次： 目檢
和聽運轉(zhuǎn)噪聲、局部抽查并使用內(nèi)窺鏡檢查、全面
拆檢。
根據(jù)目檢的結果，首先對運轉(zhuǎn)噪聲大的升降裝
置進行了抽檢，發(fā)現(xiàn)爬升齒輪斷齒、變形情況較嚴
重，且剎車裝置的剎車片出現(xiàn)裂紋。因此，在該平
臺到達船廠碼頭后，對升降裝置采取了全面拆檢的
方案。由于條件有限，在平臺現(xiàn)場無法對升降裝置
進行全面拆檢，兼之該平臺配備有鎖緊系統(tǒng)用于代
替升降裝置承受靜態(tài)載荷，所以該平臺的載荷轉(zhuǎn)移
到鎖緊系統(tǒng)后將所有升降裝置從整體拆卸到車間進
行深入拆檢。檢查發(fā)現(xiàn)的主要問題及修理手段有以
下5個方面：①所有的爬升齒輪磨損嚴重，存在不
同程度的裂紋，已經(jīng)無法使用。因此緊急訂購了新
的爬升齒輪進行更換。②對傳動齒輪箱進行了全面
拆檢，對齒輪的齒面進行全面探傷，發(fā)現(xiàn)齒輪咬
痕、軸承磨損嚴重及軸封漏油等相關問題，因此訂
購配件進行了更換并使用全新的潤滑油。③對電機
進行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)軸承座被拉毛、絕緣低等問
題，因此對電機進行了更換軸承、修復軸承座及浸
漆烘烤等修理。④對剎車裝置進行了全面拆檢，發(fā)
現(xiàn)剎車片存在磨損、裂紋、缺口等問題，因此訂購
了新的剎車片進行全部更換，并調(diào)整好剎車間隙。
⑤升降裝置經(jīng)過全面修理、車間試運行檢查合格、
回裝到平臺上后，還需請專業(yè)廠家對升降裝置控制
系統(tǒng)進行全面梳理和檢查，并在船廠碼頭對其進行
實際升降試驗以檢驗其功能。
2．4 樁腿圍井結構的檢查和修理
穿刺發(fā)生時，樁腿相對船體發(fā)生了轉(zhuǎn)動，樁腿
的主弦管除了存在轉(zhuǎn)動外還有一定的彈性變形，使
石 油機械 2014年第42卷第11期
得主弦管齒條會擠壓樁腿圍井結構上的耐磨板，甚
至會出現(xiàn)齒條剮蹭到船底板的情況。因此，需要對
樁腿圍井結構的耐磨板、船底及其對應艙室內(nèi)部框
架結構進行目測檢查，并對相關焊縫進行探傷以判
斷是否有損傷。檢查發(fā)現(xiàn)的主要問題及修理手段有
以下3方面：① 圍井耐磨板結構背后的艙室內(nèi)多處
框架結構存在明顯變形，需要對變形的結構進行更
換并在對應位置進行加強以避免后續(xù)再次發(fā)生變
形。②耐磨板磨損嚴重，對耐磨板進行及時更換。
③船底板被剮蹭，對變形及磨損部位使用火攻校正
和填焊方法進行修復。
2．5 樁靴損傷的檢查和修理
在穿刺發(fā)生的過程中，樁靴先是失去承載力而
快速下沉，并且隨著平臺傾斜而橫向滑移，隨后遇
到下部硬地層就會發(fā)生一定強度的沖擊。因此樁靴
的檢查主要是判斷其是否變形、樁靴與樁腿連接部
位是否出現(xiàn)裂紋等，目檢、氣密性試驗和探傷則是
最基本的檢查手段_1 。檢查發(fā)現(xiàn)的主要問題及修
理手段有以下2方面：① 因樁靴受沖擊而導致沖樁
管線與樁靴上表面貫穿處出現(xiàn)裂紋，故將該處的焊
縫用氣刨清除后重新焊接，探傷合格后對整個樁靴
進行氣密檢查。② 樁靴與主弦管連接的部位、主弦
管與水平橫撐連接的部位均出現(xiàn)長短不一的裂紋，
故將該處的焊縫用氣刨清除后重新焊接。
3 結 論
(1)介紹了自升式鉆井平臺在穿刺發(fā)生時，
樁腿與船體之間相互作用的原理，并依據(jù)原理對穿
刺發(fā)生后需要檢查的部位及方法進行了闡述。
(2)以某一桁架式樁腿的自升式鉆井平臺為
例，闡述了穿刺發(fā)生后的檢查思路、方法及手段，
并對相應的修理方案進行了簡要描述。
(3)鑒于穿刺發(fā)生時樁靴下沉的距離、平臺
當時所帶的壓載水質(zhì)量以及海底土壤性能的不確定
性，穿刺對自升式鉆井平臺的損壞影響程度并不一
致，有可能一點損傷都沒有，也有可能出現(xiàn)非常嚴
重的損傷甚至傾覆。無論損傷情況如何，都應依據(jù)
所闡述的穿刺后的檢查范圍、方法進行檢查，并對
發(fā)現(xiàn)的問題進行修理，這將有利于確保平臺的結構
安全。
參考文獻
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作者簡介：黎劍波，工程師，生于1976年，1998年畢
業(yè)于天津大學船舶工程專業(yè)，現(xiàn)從事移動式海洋鉆井平臺
管理工作。地址：(065201)河北省三河市。電話：(o316)
3366670。E—mail：lijb8@ cos1．corn．a(chǎn)n。
收稿日期：2014—08—27
(本文編輯劉鋒)

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