Tính toán ổn định giàn khoan biển di động

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Calculations of stability for mobile offshore rigs

Vũ Viết Quyền

Trường Đại học Hàng hải Việt Nam,

quyenvv.cndt@vimaru.edu.vn

Tóm tắt

Giàn khoan biển thường có hình dáng đặc biệt như đối với giàn bán chìm hay tự nâng

là hình dạng kiểu hộp. Do hình dáng như vậy khiến phương pháp xác định các đặc điểm thủy

tĩnh của tàu thủy đối với chúng sẽ không phù hợp. Thay vào đó, phương pháp tiếp cận là coi

hình dạng kiểu hộp này bao gồm các tấm panel lớn là thích hợp hơn. Một điều cần thiết khi

phân tích đặc điểm thủy tĩnh của giàn khoan biển là lựa chọn hướng trục. Trong khi đối với

tàu, nghiêng xung quanh một trục dọc được giả định thì các tổ chức đăng kiểm yêu cầu xem

xét trục bất kỳ đối với các công trình ngoài khơi. Tùy thuộc vào kết quả mà các trục quan

trọng được xác định. Bài báo này tập trung vào phương pháp như vậy.

Từ khóa: Ổn định, giàn bán chìm, giàn tự nâng.

Abstract

A particular feature of semi-submersibles and jack-ups is their box-type shape. It is

this feature that makes it unattractive to determine the hydrostatic characteristics in the way

it is done for ships. Instead, an approach whereby the box-type shape is considered as

consisting of large flat panels is more appropriate. Another feature necessary when

analyzing mobile offshore structures for hydrostatic properties is the freedom in selecting the

heeling axis direction. Whilst for ships, heel around a longitudinal axis is automatically

assumed, regulatory bodies require that for offshore structures any axis can be considered.

Depending on the outcome, the critical axis is defined. This paper focuses on such method.

Keywords: Semi-submersibles, jack-ups, stability.

1. Mở đầu

Trong việc đánh giá an toàn của một giàn khoan ngoài khơi, ổn định đóng một vai trò

rất quan trọng. Có thể thấy trong nhiều năm qua, các yêu cầu về ổn định của các tổ chức và

cơ quan đăng kiểm trên thế giới chủ yếu tập trung vào các thông số ổn định như chiều cao

tâm nghiêng ban đầu (GM) hay tỷ lệ diện tích dưới đường cong mô men tĩnh và mô men

nghiêng do gió [3]. Các yêu cầu này ban đầu được bắt nguồn từ yêu cầu của tàu biển thông

thường, tuy nhiên từ kinh nghiệm thực tế và các tai nạn xảy ra đối với loại công trình biển

này đã dẫn đến một số thay đổi yêu cầu cụ thể hơn,... Ban đầu, mỗi một tổ chức đăng kiểm

thường có tiêu chuẩn riêng của mình, tuy nhiên trong những năm qua, các tiêu chuẩn này

đang càng ngày gần giống nhau dù vẫn khác nhau về một số chi tiết.

Hình 1. Các bài nghiên cứu của OTC về MODU

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

238

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Kinh nghiệm thực tế đã cho thấy rằng tính toán đường cong tay đòn ổn định tĩnh đối

với giàn khoan biển khá phức tạp. Trong những năm 80 của thế kỷ XX đã có rất nhiều nghiên

cứu về vấn đề này, hầu hết trong số chúng là về dạng giàn bán chìm, chỉ có một số ít đề cập

đến sự ổn định giàn tự nâng (jack-up). Sau năm 1991, sự quan tâm đến vấn đề ổn định giàn

khoan biển ngày càng ít đi (ví dụ như trong OTC - Offshore Technology Conferences) [2].

Bảng 1. Tiêu chuẩn ổn định của một số Tổ chức Đăng kiểm Quốc tế

NMD

CCG

ABS

DNV

Yêu cầu

Cục hàng hải

Cục cảnh sát

biển Canada

Tổ chức Đăng

kiểm Mỹ

Tổ chức Đăng kiểm

Nauy

Tỉ số diện tích

Góc nghiêng

tĩnh do gió

≥

≤

1,3

≥

≤

1,3

≥

1,3

≥

1,3

17°

15°

Không yêu cầu.

Góc nghiêng

tại góc giao

điểm thứ 2.

≥

30°

Không yêu cầu. Không yêu cầu.

Không yêu cầu.

≥ 1

thái vận hành, di thái vận hành, di

chuyển và bão chuyển và bão

≥ 0,3 tại

trạng thái trung.

gian

m

tại trạng

≥ 1

m

tại trạng

≥ 1

m tại trạng thái

vận hành, di chuyển

và bão;

;

Minimum GM.

≥ 0 m.

≥ 0,3

thái trung gian

m

tại trạng

m

≥ 0,3

trung gian

m

tại trạng thái

.

Dương trong

phạm vi từ 0^ođến

góc giao điểm thứ

2.

Mô men tĩnh

hay GZ nhỏ

Dương trong phạm vi

từ 0^ođến góc giao

điểm thứ 2.

phạm vi từ 0^ođến

góc giao điểm thứ

2

Không yêu cầu.

nhất

.

2. Phương pháp phân tích ổn định

Ví dụ về các kết cấu, hình dáng giàn khoan biển được đưa ra dưới đây. Ngày nay,

dạng gian khoan bán chìm hiện đại thường được đặt cố định tại một ví trí khai thác trong thời

gian dài và ít di chuyển hơn so với những năm 80 của thế kỷ XX và phần boong được phân

chia nhiều hơn (hình 2). Hình 3 là một ví dụ của một giàn tự nâng dạng tam giác, khai thác ở

độ sâu 200m.

Hình 3. Giàn tự nâng 200m nước

Hình 2. Giàn bán chìm cỡ lớn

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích ổn định cho công trình biển di động.

Tuy nhiên như đã đề cập, phương pháp đơn giản là cố định trục và giàn bán chìm sẽ nghiêng

xung quanh trục này với góc chúi bằng không. Các hướng trục khác sẽ được xem xét kiểm tra

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

239

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

để tìm ra trục tới hạn. Ở đây một vấn đề phát sinh là đối với giàn khoan bán chìm (GKBC)

khi nghiêng quanh một trục sẽ xuất hiện mô men chúi quanh trục vuông góc và còn có thể có

lực nâng theo phương thẳng đứng. Có hai phương pháp có thể sử dụng để loại bỏ mô men

chúi:

- Bằng cách áp dụng một góc chúi thích hợp (free trim);

- Hay bằng cách quay giàn bán chìm quanh trục nâng (free twist).

Sự khác nhau ở đây là ở trường hợp thứ nhất giàn sẽ quay quanh trục nằm ngang ban

đầu, trong khi ở trường hợp thứ hai thì nó sẽ quay quanh trục thẳng đứng ban đầu.

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 4. Trường hợp giàn quay trục quanh trục thẳng đứng

2.1. Ổn định góc nhỏ

Như với tĩnh học tàu thủy, giàn bán chìm hay giàn tự nâng ở trạng thái nghiêng với

góc nhỏ mô men hồi phục có thể tính như hình 5 (đối với góc nghiêng nhỏ, sin có thể được

lấy bằng  (radian):

(1)

M_hp= ∆.l = ∆.h₀.sin

Hình 5. Tác dụng trọng lực và lực nổi trong

trường hợp nghiêng góc nhỏ

Hình 6. Xác định chiều cao

tâm nghiêng ngang

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

240

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Giá trị đoạn GM = h₀được gọi là chiều cao tâm nghiêng ngang được xác định từ hình

6 bằng biểu thức:

GM = KB + BM – KG = z_B+ r – z_g

(2)

Với BM = I /; K là điểm nằm trên đường dọc tâm tại đáy tàu, G là trọng tâm, B là

tâm nổi, M là tâm nghiêng, I là mô men quán tính ngang của diện tích đường nước và  là

thể tích lượng chiếm nước. Mô men quán tính ngang diện tích đường nước của một xà lan

điển hình hoặc ponton hình chữ nhật được tính bởi công thức: I = b³l/12; Với b là chiều rộng

và l là chiều dài.

Đối với giàn bán chìm cần xây dựng biểu đồ dạng đường cung biểu diễn quy luật thay

đổi của chiều cao tâm nghiêng ban đầu hay còn gọi là biểu đồ ổn định ban đầu (hình 7), có

nghĩa là cần phải biết h_φ. Có thể sử dụng công thức sau [1]:

(3)

h_= z_B+ r_– z_g

I_xf

V



Trong đó:

hay có thể sử công thức sau: r_= r cos2 + R sin2

r 

(4)



Biểu đồ h_φgần giống với hình dạng Elip. Đối với tàu thông thường với các tỷ số L/B

= 4 ÷ 8, h₀ 0.5 ÷ 2 m, H₀ L (H₀- chiều cao tâm chúi) có nghĩa là H₀>> h₀vì vậy elip sẽ

có dạng thon dài, còn đối với giàn bán chìm và các công trình nổi khác thường có tỷ số L/B =

1÷3 thì h₀và H₀khác nhau không nhiều. Đối với các công trình có mặt bằng dạng hình tròn

hoặc hình vuông thì giá trị h₀= H₀, khi đó elip sẽ trở thành hình tròn. Còn đối với dạng Elip

thì h₀= h_minvà H₀= h_max[1].

Hình 8. Xác định diện tích hứng gió

Hình 7. Biểu đồ ổn định ban đầu

Biểu đồ trên cho phép khảo sát tất cả các trường hợp bất lợi nhất về mô men hồi phục

và mô men gây nghiêng. Dưới tác động của gió, mô men nghiêng lớn nhất khi diện tích hứng

gió là lớn nhất (diện tích hứng gió Sp - là hình chiếu phẳng của toàn bộ kiến trúc thượng tầng

lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió), điều này có nghĩa là mặt phẳng chiếu của kiến trúc

thượng tầng đi qua hướng đường chéo (hình 8). Mô men lớn nhất trong trường hợp này được

tính bằng:

(5)

M_ng_= M_hn_= .h__

Từ đó ta có thể xác định được góc nghiêng không cố định _::

(6)

M_ng



_



.h_

Trong đó: M_ng_- mô men nghiêng lớn nhất; h_- chiều cao tâm nghiêng tương ứng.

2.2. Ổn định góc lớn

Đối với ổn định góc nghiêng lớn, tay đòn ổn định tĩnh có dạng:

(7)

l = y_cos + (z_– z_B) sin – (z_g– z_B) sin

Đối với trục nghiêng không cố định ta có tay đòn ổn định tĩnh [1]:

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

241

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

(8)

(9)

l_= y_cos_+ (z_– z_B) sin_– (z_g– z_B) sin_

Trong đó:

θφ

y_θφ

=

r

cosθdθ

z_θφ− z =

r

sinθdθ

∫

θφ

c

θφ

0

r_θφ- bán kính tâm nghiêng trong trường hợp giàn khoan nghiêng tại vị trí trục không

cố định. Từ đó ta có thể xây dựng được đường cong tay đòn ổn định tĩnh. Như trong tĩnh học

tàu thủy thông thường với đường cong ổn định tĩnh ta có thể xác định được góc nghiêng tĩnh

_t(hình 10.a) và góc nghiêng động _dkhi cân bằng diện tích A + B = B + C, hoặc diện tích A

= C (hình 10.b). Giới hạn mô men nghiêng tĩnh bằng giá trị lớn nhất của mô men hồi phục

M_ng.t= M_max, còn giới hạn mô men nghiêng động M_ng.đđược xác định với điều kiện đầy đủ

của diện tích sử dụng trên đường cong ổn định tĩnh (hình 11).

Hình 9. Tác dụng của trọng lực và lực nổi trường hợp nghiêng góc lớn

Hình 10. a) Xác định góc nghiêng tĩnh [1]

b) Xác định và góc nghiêng động [1]

Hình 11. Xác định mô men giới hạn [1]

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

242

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Trong trường hợp ổn định tiêu chuẩn của giàn khoan bán chìm, mô men nghiêng

chính là mô men do gió giật. Để tính toán chòng chành, ảnh hưởng của sức căng từ hệ thống

neo trong trường hợp bị đứt khỏi boong hứng gió và các yếu tố khác, thường thỏa mãn điều

kiện:

A + B ≥ 1,3(B + C)

(10)

Do đó công của mô men nghiêng phải nhỏ hơn công của mô men hồi phục 1, 3 lần.

3. Ứng dụng tính toán giàn Đại Hùng 01

3.1. Khái quát về kiến trúc-kết cấu giàn Đại Hùng 01

Giàn Đại Hùng 01 hiện nay còn được gọi là một đơn vị sản xuất nổi bán chìm và ban

đầu là một dạng giàn khoan di động thuộc lớp “Aker-N3” được thiết kế và đóng mới bởi

Aker Engineering năm 1974. Năm 1984, giàn đã được hoán cải bởi Công ty dầu khí Hamilton

thành một đơn vị sản xuất như ngày nay để sử dụng tại khu mỏ Argyll/ Duncan/ Innes Biển

Bắc Vương quốc Anh. Năm 1994, giàn Đại Hùng 01 thực hiện một đợt tái trang bị khá lớn để

khai thác tại mỏ Đại Hùng.

Hình 12. Giàn bán chìm Đại Hùng 01 tại mỏ khai thác Đại Hùng

Bảng 2. Kích thước chính giàn Đại Hùng 01

Đơn vị

(m)

Đơn vị

(m)

Kích thước

Chiều dài toàn bộ (chiều dài ponton)

Chiều rộng modul

108,200 Mớn nước tối đa

Chiều cao ponton

21,336

6,710

10,980

0,500

7,920

5,790

67,360

Chiều dài giữa tâm cột 1 trước và sau

Chiều rộng giữa đường tâm cột trái và phải

68,550 Bề rộng ponton

56,380 Bán kính ponton

Độ cao boong thượng tầng

Độ cao boong chính

3.2. Tính toán

39,620 Đường kính cột ổn định lớn

36,580 Đường kính cột ổn định nhỏ

Ứng dụng tính toán cho giàn Đại Hùng 01 bằng phần mềm Autoship. Ổn định giàn

bán chìm Đại Hùng 01 được tính toán cho các trạng thái: di chuyển, vận hành khai thác và

trạng thái bão nghiêm trọng. Các trạng thái bao gồm:

- 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:

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

243

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

- 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)

Điều kiện hoạt động và nguy hiểm do bão lớn của Đại Hùng 01 tại chiều chìm 65ft

(19,8 m) tới 70ft (21,3 m). Chiều chìm cố định được đề nghị là 70ft. Tuy nhiên, nếu sóng có

khả năng ảnh hưởng tới boong dưới trong điều kiện bão nguy hiểm, giàn Đại Hùng 01 có thể

được xả dằn đến chiều chìm 65ft. Dưới đây sẽ trình bày kết quả tính toán tại trạng thái bão

lớn nghiêm trọng tại chiều chìm T = 68 ft (20,7 m) tại một số hướng gió 0 và 40 độ) với sự

hỗ trợ của phần mềm Autoship theo tiêu chuẩn của NMD.

Hình 13. Biểu đồ mô men nghiêng do gió ứng với chiều chìm 20,7 m và tốc độ gió 100 knot

Hình 14. Đồ thị tay đòn ổn định tĩnh phụ thuộc góc nghiêng ở chiều chìm 20,7 m

với vận tốc gió 100 knot ở hướng 0^o

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

244

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Hình 15. Đồ thị tay đòn ổn định tĩnh phụ thuộc góc nghiêng ở chiều chìm 20,7 m

với vận tốc gió 100 knot ở hướng 40^o

4. Kết luận

Bài báo đã đưa ra một trong các phương pháp tính toán ổn định cho giàn bán chìm và

minh họa giàn Đại Hùng 01 đảm bảo ổn định theo tiêu chuẩn của NMD trong trạng thái bão

nghiêm trọng tại chiều chìm T = 20,7 m với gió tới từ các hướng khác nhau ở mạn trái. Qua

đó xác định được một trong các trục tới hạn của giàn Đại Hùng 01 là tại hướng gió 40 độ.

Việc xác định các trục tới hạn của giàn Đại Hùng 01 là rất quan trọng, do được sử dụng là

đơn vị sản xuất nổi FPU, giàn thường được neo tại vị trí khai thác trong thời gian tương đối

dài (từ 10 đến 20 năm); trong khi đó gió và bão tại khu mỏ định hướng theo mùa vì vậy vị trí

đặt giàn phải tránh gió bão mạnh theo mùa tác động vào hướng trục tới hạn.

Tài liệu tham khảo

1. PGS.TS. Lê Hồng Bang, Bài giảng Công trình biển di động.

2. HSE (UK Health and Safety Executive), Review of issues associated with the stability

of semi-submersibles.

3. Joost Van Santen, Stability calculations for Jack-Ups and Semi-Submersibles,

Conference on Computer aided Design, Manufacture and Operation in the Marine and

Offshore Industries.

4. Arjan Voogt, Jilian Soles, Stability of Deepwater Drilling Semi-Submersibles,

International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures.

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

245