Nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn giàn khoan bán chìm

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN
GIÀN KHOAN BÁN CHÌM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT

Hải Phòng - 2014


MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài

- Xu hướng sử dụng giàn di động như giàn bán chìm, giàn tự nâng,...
- Nhu cầu về giàn di động của Việt Nam trong giai đoạn 2012-2020;
- Giá trị đầu tư cho một dự án giàn dầu khí di động rất lớn;

- Khoa Đóng tàu trường ĐHHHVN vừa qua cũng đã mở thêm chuyên
ngành mới “Thiết kế tàu và Công trình ngoài khơi”
1.2. Mục đích của đề tài
Hiểu và áp dụng phương pháp tính toán ổn định nguyên vẹn cho loại công
trình đặc biệt này để làm cơ sở cho việc xây dựng hồ sơ tính toán ổn định
phù hợp với các yêu cầu do Quy phạm về giàn khoan biển và IMO
A1023(26)-MODU code 2009.


1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài hướng tới nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn giàn bán chìm và
áp dụng tính toán giàn ĐH01, hiện đang khai thác tại mỏ Đại Hùng.

1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là dựa trên các phương pháp lý thuyết có
sự hỗ trợ của phần mềm AUTOSHIP.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ở Việt Nam do chưa có công trình thiết kế nào dành cho loại công trình này
nên việc công bố kết quả cũng chưa tìm thấy. Như vậy đề tài này rất cần cho
thực tế về thiết kế giàn khoan bán chìm.


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
ỔN ĐỊNH CHO GIÀN KHOAN BÁN CHÌM

1.1. Phƣơng pháp phân tích ổn định
Có hai phương pháp có thể sử dụng :
- Áp dụng một góc chúi thích hợp (free trim);

- Hay thay đổi hướng của trục nghiêng (free twist).
Đối với phương pháp thứ hai thì góc nghiêng của GKBC sẽ là góc
dốc lớn nhất so với mặt phẳng nằm ngang ban đầu và mặt phẳng đường
nước sẽ luôn song song với trục nghiêng.


Hình 1.1. Trường hợp thay đổi hướng trục nghiêng


1.2 Ổn định góc nghiêng nhỏ.

Hình 1.2. Tác dụng của
trọng lực và lực nổi làm
nghiêng giàn

𝑀ℎ𝑝 =  ∗ 𝐺𝑍 =  ∗ 𝑙
=  ∗ ℎ0 sin 𝜃
𝑙 = 𝐺𝑀 𝑠𝑖𝑛 𝜃 = ℎ0 𝑠𝑖𝑛 𝜃
𝐺𝑀 = 𝐵𝑀 + 𝐾𝐵 − 𝐾𝐺 = 𝑟 + 𝑧𝐵 − 𝑧𝐺


• M1hp = ∆.H0.

• H0 = zB + R – zg

Hình 1.3. Tác dụng của trọng lực và lực nổi làm chúi tàu

• h = zB + r – zg
• r = r cos2 + R sin2
Hình 1.4. Biểu đồ ổn định ban đầu


Moment nghiêng lớn nhất khi diện tích hứng gió là lớn nhất

Hình 1.5. Xác định
diện tích hứng gió

Góc nghiêng lớn nhất trong trường hợp này được tính bằng:
Mng = Mhn = .h 

 

M ng
.h

1.2. Ổn định góc nghiêng lớn.

Hình 1.6. Tác dụng của trọng
lực và lực kéo trong trường hợp
nghiêng góc lớn

𝑙 = 𝑦𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑧𝜃 − 𝑧𝐵 𝑠𝑖𝑛𝜃 − 𝑧𝑔 − 𝑧𝐵 𝑠𝑖𝑛𝜃


𝜃

𝑦𝜃 =

𝑟𝜃𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝜃
0

Đối với trục nghiêng không cố định:
𝑙𝜑 = 𝑦𝜃𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜃𝜑 + 𝑧𝜃𝜑 − 𝑧𝐵 sin 𝜃𝜑 − 𝑧𝑔 − 𝑧𝐵 sin 𝜃𝜑
𝜃

𝜃𝜑

𝑦𝜃𝜑 =

𝑟𝜃𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝜃
0

𝑧𝜃𝜑 − 𝑧𝐵 =

𝑟𝜃𝜑 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃
0


Hình 1.7. Đường cong ổn định tĩnh
a) Tay đòn ổn định tĩnh; b) Mô men hồi phục

Hình 1.8. Xác định góc nghiêng tĩnh và góc nghiêng động
a) Góc nghiêng tĩnh; b) Góc nghiêng động


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO
GIÀN KHOAN BÁN CHÌM

2.1. Tốc độ gió
•
•
•

Tối thiểu là 100 knot (51,5 m/s) cho tình trạng bão,
70 knot (36 m/s) trong điều kiện di chuyển, vận hành và
trung gian
có thể giảm xuống 50 knot khi đánh giá ổn định cho công
trình hoạt động ở vùng biển kín.

2.2. Ảnh hƣởng của hệ thống dây neo
Hầu hết bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống dây neo trong đánh
giá ổn định của GKBC, tuy nhiên khối lượng của dây neo nên
được đưa vào tính toán lượng chiếm nước và cao độ trọng tâm.

2.3. Momen nghiêng do gió
•

Momen nghiêng do gió được vẽ nhờ tính toán lực gió theo
công thức sau:
F = 0.5CSCHρV2A

•

Moment nghiêng do gió phải được tính ở một số góc
nghiêng cho mỗi trạng thái hoạt động để xác định đường
cong, ngoài ra momen do gió còn phải được tính cho các
hướng gió khác nhau để xác định “trục tới hạn”.


2.4. Tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn

Hình 2.1. Kiểm tra ổn định cho GKBC

- Diện tích dưới đường cong momen ổn định tới góc vào nước phải lớn
hơn 30% diện tích dưới đường cong momen nghiêng do gió tới góc vào
nước tương tự: Diện tích A+B ≥ 1,3 (diện tích B+C)
- Ngoài ra còn có các yêu cầu riêng biệt được trình bày trong bảng sau.


Bảng 2.1. Tiêu chuẩn ổn định của một số cơ quan quốc tế
Yêu cầu
Tỉ số diện tích
Góc nghiêng

tĩnh do gió

NMD

CCG

IMO

ABS

DNV

≥ 1.3

≥ 1.3

≥ 1.3

≥ 1.3

≥ 1.3

≤ 17°

≤ 15°

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Không yêu cầu

≥ 30°

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Không yêu cầu

≥ 0.0 m.

≥ 1 m Tại trạng

Góc nghiêng tại
góc giao điểm
thứ 2
Minimum GM. ≥ 1 m Tại trạng thái ≥ 1 m Tại trạng
vận hành, di chuyển thái vận hành, di

thái vận hành, di

và bão;

chuyển và bão;

chuyển và bão;

≥ 0,3 m Tại trạng

≥ 0,3 m Tại trạng

≥ 0,3 m Tại trạng

thái trung gian.

thái trung gian.

thái trung gian.

Momen tĩnh

Dương trong phạm

Không yêu cầu

hay GZ nhỏ

vi từ 0o đứng đến

vi từ góc 0o đến góc vi từ góc 0o đến góc vi từ góc 0o đến góc

nhất.

góc giao điểm thứ 2

giao điểm thứ 2

Dương trong phạm Dương trong phạm Dương trong phạm

giao điểm thứ 2

giao điểm thứ 2


CHƢƠNG 3. VÍ DỤ MINH HỌA CHO GIÀN BÁN CHÌM
ĐẠI HÙNG 01

(1). Ponton
(2). Cột ổn định lớn
(3). Cột ổn định nhỏ
(4). Cột ổn định thứ cấp

Hình 3.1.a. Giàn Đại Hùng nhìn từ mạn


(5). Thanh giằng chéo
(6). Thanh giằng ngang

5

6

Hình 3.1.b. Giàn Đại Hùng nhìn từ đuôi

Hình 3.2. Sơ đồ bố trí két của giàn Đại Hùng 01


Moment nghiêng do gió được tính ở một số góc nghiêng và các hướng
gió khác nhau.
Bảng 3.1. Chiều chìm 20.7 m (Survival) với tốc độ gió 100 knot (51.5 m/s)
Hƣớng
(độ)
Góc

0

20

40

60

80

(t.m)

(t.m)

(t.m)

(t.m)

(t.m)

Nghiêng
(độ)

0

9307.2

10850.3

11333.8

10645.8

8908.4

5

10263.3

11800.7

12306.6

11656.3

9946.4

10

11101.1

12643.1

13273.6

12740.8

11064.0

15

12001.4

13602.3

14372.1

13998.9

12513.8

20

12940.6

14558.9

15463.2

15220.9

14069.0

25

13932.9

15488.3

15994.1

15898.1

15063.9

30

14643.6

15688.7

16378.9

16626.2

15801.6


Biểu đồ moment do gió tại chiều chìm 20.7 m (Trạng thái bão)
với tốc độ gió 100 knot (51.5 m/s)

t.m


Ổn định nguyên vẹn giàn bán chìm ĐH-01 được tính toán cho các
trạng thái:

Trạng thái:

- Di chuyển tại chiều chìm T = 55 ft (16.8 m)
- Vận hành, khai thác tại chiều chìm T = 70 ft
(21.3 m) và T = 65ft (19.8 m)
- Bão nguy hiểm tại chiều chìm T = 68 ft (20.7
m)

Điều kiện gió:

- Vận tốc gió 70 knot ( 36 m/s) tại trạng thái di
chuyển, vận hành khai thác

- 100 knot tại trạng thái bão (51.5 m/s)


Trình bày kết quả tính toán tại trạng thái bão nghiêm trọng
tại chiều chìm T = 68 ft (20.7 m) tại các hướng gió 80, 60,
...,0, ..,280 độ (tức gió thổi từ các hướng mạn trái) theo tiêu
chuẩn IMO và NMD, chủ yếu là:
• Tỉ số diện tích dưới đường cong momen tĩnh tới góc vào
nước và diện tích dưới đường cong momen nghiêng do
gió tới góc vào nước tương tự lớn hơn 1.3 ;

• Góc nghiêng tĩnh do gió không lớn hơn 17 độ ;
• Góc tại giao điểm thứ hai của đường cong momen tĩnh và
momen nghiêng do gió không nhỏ hơn 30 độ.


Trạng thái nổi ban đầu
MN mũi

20.646 m

Nghiêng

zero

GM(Solid)

6.732 m

MN giữa tàu

20.646 m

Cân bằng

Yes

F/S Corr.

0.000 m

MN đuôi

20.646 m

Gió

Off

GM(Fluid)

6.732 m

Chúi

zero

Sóng

No

KMt

20.38 m

LCG

1.129a m

VCG

13.534 m

TPcm

3.88

Lượng chiếm

20,271.41

nước

MT

Tóm tắt các thành phần LCN
Các thành phần

Khối lượng

LCG

TCG

VCG

(MT)

(m)

(m)

(m)

KL tàu không

10,714.70

2.375f

0.080p

26.310

Trọng tải DW

9,556.71

5.058a

0.091s

-0.791

20,271.41

1.129a

0.000

13.534

Lượng chiếm nước


Đối với hướng gió 20 độ
Tay Ri
đòn
ổnng
định
tĩnhvs.
và gây
ĐỊNH NGUYÊN VẸN
ghti
Arms
H eelnghiêng
- IN TAC-TỔN
STABILITY
0. 0s

Heel angl e (Degrees)
50.0s

100. 0s
15.0

TĐRighting
ổn địnhArm
tĩnh
TĐHeeling
nghiêng

Arm
TĐR.động
Area
Góc
cân bằng
Equilibrium
Góc
vào Pt
nước
Flood

A
r
m
s
i
n

10.0

m

5. 0

0. 0

Giới hạn

Min/Max

(1) Tỉ số diện tích từ góc 0 độ đến góc vào >1.300

Thực tế

Dư

Đánh giá

5.266

3.966

Đạt

nước
(2) Góc nghiêng tĩnh

<17.00 deg

3.19

13.81

Đạt

(3) Góc tại vị trí giao điểm thứ hai

>30.00 deg

88.15

58.15

Đạt


Đối với hướng gió 40 độ
Tay
đòn ng
ổn định
gây -nghiêng
ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN
Ri ghti
Armstĩnh
vs.và
H eel
IN TAC T- STABILITY
0. 0s

Heel angl e (Degrees)
50.0s

100. 0s

TĐRighting
ổn địnhArm
tĩnh
TĐHeeling
nghiêng
Arm

TĐR.động
Area
Góc
cân bằng
Equilibrium
Góc
vào Pt
nước
Flood

10.0

A
r
m
s
i
n
m

5. 0

0. 0

-5.0

Giới hạn
(1) Tỉ số diện tích từ góc 0 độ đến

Min/Max

>1.300

Thực tế

Dư

Đánh giá

2.943

1.643

Đạt

góc vào nước
(2) Góc nghiêng tĩnh

<17.00 deg

4.65

12.35

Đạt

(3) Góc tại vị trí giao điểm thứ hai

>30.00 deg

89.58

59.58

Đạt