Nghiên cứu tính toán ổn định cho giàn tự nâng khi di chuyển và trong khai thác (tt)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đƣợc chỉ rõ
nguồn gốc.
Tác giả

Cù Huy Chính

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, góp ý
chỉ bảo tận tình của Thầy giáo hƣớng dẫn, các Thầy, Cô giáo trong Khoa
Đóng tàu, các Thầy Cô giáo Khoa sau Đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt
Nam và các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn:
“Nghiên cứu tính toán ổn định cho giàn tự nâng khi di chuyển và
trong khai thác”
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS LÊ HỒNG
BANG ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ, động viên khích lệ và
tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Đóng tàu,
Khoa sau đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, các bạn đồng nghiệp
trong và ngoài trƣờng đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và các nguồn tài
liệu tham khảo.
Tác giả

Cù Huy Chính

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN ................................................ v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài. ................................................................... 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. ............................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài. ............................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ..................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG .............................................................................. 3
1.1. Cơ sở tính ổn định. ..................................................................................... 5
1.2. Các bƣớc tính ổn định cho giàn trong khai thác. ....................................... 7
1.2.1. Phƣơng pháp kiểm tra an toàn về lật. ...................................................... 7
1.2.2. Tính mô men lật M0 : .............................................................................. 8
1.2.3. Tính mô men hồi phục Mr ....................................................................... 9
1.2.4. Hệ số an toàn lật, S0 .............................................................................. 10
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH GIÀN KHOAN
TỰ NÂNG ....................................................................................................... 11
2.1. Ổn định của giàn khoan tự nâng ở trạng thái nổi. .................................... 11
2.1.1. Tỉ lệ Bonjean. ........................................................................................ 11
2.1.2. Xây dựng đƣờng cong thủy tĩnh (Hydrostatic Curves)......................... 12
2.1.3. Các đƣờng cong tính nổi. ...................................................................... 15

iii


2.1.4. Xây dựng đƣờng cong cánh tay đòn ổn định hình dáng ....................... 15
2.1.5. Điều kiện ổn định giàn tự nâng ............................................................. 18
2.1.6 Tiêu chuẩn ổn định ................................................................................. 21
2.1.7. Xác định chiều cao giới hạn của trọng tâm giàn. .................................. 23
2.1.8. Cân bằng giàn. ....................................................................................... 24
2.2. Ổn định giàn tự nâng trong khai thác. ...................................................... 26
2.2.1. Giới thiệu chung. ................................................................................... 26
2.2.2. Phƣơng pháp kiểm tra an toàn về lật. .................................................... 26
2.2.2.2. Tính mô men ổn định ( hồi phục ) Mr ................................................ 27
2.2.2.3 Hệ số an toàn lật, S0 ............................................................................ 28
CHƢƠNG 3: TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA GIÀN TAM ĐẢO 02 .......................... 29
3.1. Thông số kích thƣớc và bố trí của giàn Tam Đảo 02 ............................... 29
3.2 Điểm vào nƣớc .......................................................................................... 36
3.3. Tính toán ổn định nguyên vẹn khi di chuyển .......................................... 37
3.4. Cao độ trọng tâm cho phép – VCG Max ................................................. 63
3.5. Ổn định giàn khi khai thác ....................................................................... 64
3.5.1 Kiểm tra an toàn về lật của giàn Tam Đảo 02....................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 71
1. Kết luận ....................................................................................................... 71
2. Kiến nghị và hƣớng phát triển của luận văn ............................................... 72
Tiếng Việt ........................................................................................................ 73
Tiếng Anh ........................................................................................................ 73

iv

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Đơn vị

Nội dung

F

m2

Jx

m4

Mng

MN.m

Momen nghiêng do gió

A

m2

Diện tích chắn gió

Ms

MN.m

Momen lật do sóng

Mr

MN.m

Momen ổn định thực của giàn

LCG

m

Hoành độ trọng tâm giàn

TCG

m

Tung độ trọng tâm giàn

VCG

m

Cao độ trọng tâm giàn

FSM

MT- m

Momen do ảnh hƣởng của mặt thoáng

ABS

CCG

DNV

IMO

NMD

HSE

Diện tích tiết diện dầm tƣơng đƣơng
Mô men quán tính của một tiết diện cột đối
với trục qua tâm của tiết diện

The American Bureau of Shipping
(Tổ chức Đăng kiểm Mỹ)
The Canadian Coast Guard
(Cục cảnh sát biển Canada)
Det Norske Veritas
(Tổ chức Đăng kiểm Nauy)
The International Maritime Organisation
(Tổ chức hàng hải quốc tế)
The Norwegian Maritime Directorate
(Cục hàng hải Nauy)
Health and Safety Executive

(Tổ chức Sức khỏe và An toàn Anh quốc)

v


DANH MỤC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Tiêu chuẩn ổn định tại trạng thái giàn di chuyển của
2.1

22
một số cơ quan quốc tế

2.2

Bảng cân bằng dọc, cân bằng ngang giàn.

24

3.1

Kích thƣớc chính giàn Tam Đảo 02

29

3.2.

Két KÉT NƢỚC DẰN(SpGr 1.025)

33

3.3

Két KÉT NƢỚC NGỌT:(SpGr 1.000)

34

3.4

Két MUD (SpGr 2.200)

34

3.5

Két KÉT DẦU FO(SpGr 0.870)

35

3.6

Két KÉT DẦU DO(SpGr 0.870)

35

3.7

Két LUBE KÉT DẦU KHÁC (SpGr 0.924)

35

3.8

Két KÉT DẦU KHÁC (SpGr 0.900)

35

3.9

Két BRINE (SpGr 1.100)

36

3.10

Két CEMENT (SpGr 1.100)

36

3.11

Két MUDT (SpGr 1.600)

36

3.12

Tất cả các két

36

3.13

Tọa độ các điểm vào nƣớc

36

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số

Tên hình

hình

Trang

2.1

Hình dáng mặt cắt ngang giàn

11

2.2

Hình dáng đƣờng nƣớc giàn

12

2.3

Các đƣờng cong tính nổi.

15

2.4

Cánh tay đòn ổn định hình dáng.

16

2.5

Sơ đồ xác định cánh tay đòn ổn định hình dáng.

20

2.6

Kiểm tra ổn định cho giàn khoan tự nâng

21

2.7

Chuyển vị ngang của giàn tự nâng

27

3.1

3.2.

3.3

Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Tank Top trên BL
1.8m
Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Intermediate deck
trên BL 5.15 m
Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Main deck trên
BL 8.5 m

30

31

32

3.4

Giàn Tam Đảo 02 ở trạng thái Ocean Tow

37

3.5

Giàn Tam Đảo 02 ở trạng thái Field Tow

38

3.6

Sơ đồ hƣớng gió tác dụng lên giàn Tam Đảo 02

39

3.7

Đƣờng cong VCG max

64

3.8

Sơ đồ chịu tải của giàn tam đảo

65

vii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam với vị trí địa lý trải dài ven biển Đông và có một thềm lục địa
rộng lớn với nguồn tài nguyên dầu mỏ dồi dào. Các công trình biển nổi đóng
vai trò hết sức quan trọng trong chiến lƣợc phát triển kinh tế quốc dân đặc biệt
là kinh tế biển cũng nhƣ an nình quốc phòng, bảo vệ chủ quyền vùng biển và
vùng thềm lục địa.
Giàn khoan tự nâng là phƣơng tiện hiện đại, phổ biến và quan trọng
trong việc thăm dò, khai thác dầu khí. Việc khảo sát, phân tích và nghiên cứu
để đƣa ra các phƣơng pháp tính toán có thể tin cậy đƣợc để áp dụng vào điều
kiện thực tế của nƣớc ta là một việc rất quan trọng.
Để thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật thi công, khai thác, tính kinh tế.
việc thiết kế một giàn khoan nói chung phải trải qua các bƣớc nhƣ: mô hình
hóa môi trƣờng biển; tính ổn định; tính tải trọng; kết cấu; phƣơng pháp cố
định giàn. Trong đó việc tính toán ổn định cho giàn tự nâng ở hai trạng thái
khi nổi và khi khai thác là vô cùng quan trọng, đảm bảo an toàn và hiệu quả
trong khai thác. Nó cũng là điều kiện tiên quyết khi đóng mới giàn tự nâng.
Mặt khác việc áp dụng các chƣơng trình tự động hóa nhằm đẩy nhanh
tiến độ và tăng độ chính xác cho công việc tính toán, phù hợp với xu thế ứng
dụng của khoa học công nghệ hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là xậy dựng phƣơng pháp tính toán ổn
định cho giàn khoan tự nâng khi di chuyển và khi khai thác phù hợp với hình
dáng, kết cấu, khí tƣợng thủy văn và địa chất ở vị trí làm việc của giàn.

1


Nghiên cứu, ứng dụng một cách hiệu quả phần mềm AutoShip vào việc
tính toán và kiểm tra tính ổn định của giàn Tam Đảo 02 hoạt động tại vùng
biển phía Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Đối tượng nghiên cứu: Đề tài hƣớng tới nghiên cứu tính toán ổn định
cho giàn khoan tự nâng khi di chuyển và khai thác đồng thời lấy giàn khoan
Tam Đảo 02 hiện đang khai thác tại vùng biển phía Nam làm ví dụ minh họa.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Trong nội dung luận văn, tác giả tập trung đi vào vấn đề tính toán kiểm
tra ổn định cho một số trạng thái của giàn tự nâng khi di chuyển và trong khai
thác với sự hỗ trợ của phần mềm AutoShip.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài.
Đề tài sử dụng phƣơng pháp lý thuyết trên cơ sở các tiêu chuẩn về ổn
định cho giàn khoan tự nâng của Việt Nam cũng nhƣ tham khảo các tiêu
chuẩn của các nƣớc có nền khoa học tiên tiến về công trình biển trên thế giới.
Cùng với sự hỗ trợ của phần mềm Autoship ứng dụng trong tính toán cho tàu
và công trình nổi.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đề tài đƣa ra phƣơng pháp tính toán ổn định cho giàn khoan tự nâng
khi di chuyển và trong khai thác, phù hợp với hình dáng, kết cấu, điều kiện
khí tƣợng thủy văn, địa chất tại nơi giàn hoạt động.
Ý nghĩa thực tiễn.
Đề tài này đƣợc thực hiện sẽ góp một phần thiết thực cho việc nghiên
cứu, thiết kế giàn các khoan tự nâng ở trong nƣớc.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
Giàn khoan tự nâng (Jack-up rig) có chân tựa lên đáy biển đƣợc tạo nên
từ một ponton trên đó đƣợc lắp đặt hệ thống các chân giàn, trang thiết bị
khoan, thiết bị công nghệ khoan và hàng loạt các tổ hợp trang thiết bị khác

nhƣ tổ hợp trang thiết bị năng lƣợng chính và phụ, cơ cấu nâng hạ giàn..v.v.
Tại điểm khoan hệ thống chân giàn khoan sẽ đƣợc hạ xuống đáy biển và sau
đó thân giàn cùng trang thiết bị trên đó sẽ đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc với
độ cao xác định nhờ các cơ cấu nâng hạ giàn (các Jack đặc biệt hoặc hệ thanh
răng – bánh răng). Phụ thuộc vào khả năng chịu tải của nền đất nơi đặt giàn
khoan mà các chân giàn có thể ngập sâu vào đáy biển từ 4 – 14 m.
Ƣu điểm của giàn khoan tự nâng là có thể hoạt động trong phạm vi khá
rộng của chiều sâu biển (80 – 200 m).
Nhƣợc điểm chính của loại giàn khoan này là ở chỗ khi nền đáy biển yếu
hoạt động của giàn sẽ gặp khó khăn nhất định.
Khi tính toán cho giàn tự nâng cần dựa trên các cơ sở sau đây:


Liên kết chân đế - đất:
Trong điều kiện môi trƣờng tƣơng đối khắc nghiệt ở vùng biển Việt Nam

và với chiều sâu nƣớc 60 m, việc tính toán đòi hỏi phân tích động lực của giàn
có xét đến mức độ ngàm của chân đế trong nền đáy biển. Tuy nhiên, mức độ
liên kết chân để/ đất phụ thuộc vào loại đất nền và kích thƣợc của đế cột.
Trong đất rắn (cát chặt hay đất sét) với độ lún ít, liên kết đế/ đất đƣợc coi nhƣ
khớp cầu hoặc ngàm một phần; còn trong đất mềm. chân đƣợc vùi sâu có thể
tạo ra các mô men, do đó có thể coi liên kết này là một ngàm.

3