Thiết kế công trình biển bán chìm ( Semisubmersible)

Tài liệu lượm lặt trên mạng của một Team bên Malaysia. Mảng này bên VN mình đang "chìm" chứ chưa được "bán chìm"@-)

 

Lượm lặt chém gió, anh em cùng vào ném đá cho xôm tụ nhé.

Giàn bán chìm là giàn mà nhờ vào lực nổi của các cột có lượng chiếm nước lớn để nổi và ổn định trong mọi phương thức hoạt động hoặc trong việc thay đổi mớn nước của giàn. Đầu trên các cột được nối với sàn chịu lực đỡ các thiết bị. Ở đầu dưới các cột có thể làm các thân ngầm để thêm lực nổi hoặc làm các đế chân để tạo thêm bề mặt tiếp xúc đủ để đỡ giàn trên đáy biển. Để nối các cột, các thân ngầm hoặc các đế chân lại với nhau và với sàn, người ta sử dụng các thanh giằng dạng ống hoặc dạng kết cấu khác. Khi hoạt động ở trạng thái nổi, giàn được gọi là giàn nửa chìm; khi hoạt động tựa hẳn vào đáy biển, giàn được gọi là giàn chìm. Một giàn nửa chìm có thể được thiết kế để hoạt động cả ở trạng thái nổi cũng như cả ở trạng thái tựa hẳn vào đáy biển.

​

Với ưu điểm là khả năng ổn định cao (độ ổn định lớn hơn so với tàu khoan) giàn có cột nổi ổn định rất thích hợp trong việc khoan thăm dò và sửa chữa các đầu giếng ngầm tại những độ sâu nước khoảng từ 130 đến 300m, thậm chí là xa và sâu hơn (nơi mà giàn tự nâng không còn tỏ ra thích hợp). Các giàn khoan thế hệ hiện đại (tính đến nay đã có 5 thế hệ, thế hệ thứ 6 đang được thiết kế, chế tạo giàn Aker H-6e) ngoài hệ neo võng các giàn đều có hệ thống neo động DP (DP3)+ (thruster) nên chúng dễ giàng căn chỉnh vị trí, tăng độ ổn định đặc biệt là khả năng tiếp cận khoan ở gần các công trình hiện hữu nên việc khoan thăm dò và khoan khai thác diễn ra rất thuận lợi. Với lượng chiếm nước lớn, độ ổn định cao, các giàn nổi có cột ổn định ngày càng tỏ rõ ưu thế trong các vùng biển có độ sâu nước khoảng 300m trở xuống.

​

Ngoài tính năng khoan, giàn có cột nổi ổn định còn có thể đóng vai trò như một giàn khai thác (ở VN giàn Đại Hùng 01 hiện nay là giàn khai thác). Việc tích hợp thêm các mô đun quản lý đầu giếng ngầm, giàn có cột nổi ổn định tỏ ra khá thích hợp đối những vùng mỏ sâu mà khi sử dụng giàn cố định không mang tính kinh tế.

​

Giàn được neo cố định bằng hệ thống dây neo võng và nối với các đầu giếng ngầm bằng hệ thống đường ống mềm được đỡ bằng các phao được cố định lơ lửng trong nước (middepth buoy). Mục đích của các phao nhằm giảm độ võng cho các đường ống mềm tránh cho các đường ống không bị gập quá mức.

Các trạng thái thiết kế

Mỗi một trạng thái hoạt động của giàn sẽ đặc trưng cho một điều kiện thiết kế, trong thiết kế giàn có cột nổi nổi ổn định thông thường xem xét các trạng thái sau đây:
+ Trạng thái hoạt động bình thường: trạng thái mà giàn đứng tại chỗ để thực hiện các hoạt động, và các tổ hợp giữa tải trọng môi trường và tải trọng hoạt động là nằm trong giới hạn thiết kế thích hợp được thiết lập cho các hoạt động đó.
+ Trạng thái bão cực đại: trạng thái mà trong đó giàn chịu tải trọng môi trường thiết kế lớn nhất và ngừng các hoạt động. Giàn có thể nổi hoặc tựa trên đáy biển.
+ Trạng thái di chuyển: trạng thái mà trong đó giàn đang rời đi từ vị trí này sang vị trí khác và không thực hiện hoạt động chức năng nào (di chuyển nội mỏ - field tow và đại dương: ocean tow)
+ Trạng thái tai nạn: giàn hoạt động trong điều kiện không còn nguyên vẹn : bị đứt dây neo, thủng một khoang bất kỳ, đâm va với tàu dịch vụ…
+ Trạng thái neo tạm thời : trạng thái mà trong đó giàn được neo tạm thời ở trạng thái nổi.

Các bài toán thiết kế

1. Bài toán bền tổng thể : tính toán bền tổng thể giàn (global model) bằng mô hình 3D trong các trường hợp: a. hoạt động bình thường, b. cực hạn, c. tai nạn (thủng khoang, đứt neo, tàu dịch vụ đâm), d. di chuyển.
2. Bài toán bền cục bộ : tính toán bền cục bộ (local model) bằng mô hình 3D cho các vị trí nguy hiểm (vị trí nối cột và poonton; nối cột và sàn; nối cột và thanh giằng; nối sàn sân bay...)
3. Bài toán mỏi : tính toán mỏi cho các vị trí nguy hiểm: a. xác định các vị trí điểm nóng (hot spot) có khả năng bị tổn thương mỏi, b. xác định mức độ tổn thương mỏi tại các vị trí điểm nóng, c. đánh giá tuổi thọ mỏi tại các vị trí điểm nóng, d. đánh giá tuổi thọ mỏi của giàn
4. Tính toán ổn định kết cấu (buckling analysis) trong các tổ hợp tải trọng nguy hiểm.
5. Tính bền hệ neo trong các trường hợp: a. cực trị, b. tai nạn
6. Tính ổn định vị trí của hệ neo trong các trường hợp: a. cực trị, b. tai nạn
7. Tính toán ổn định nguyên vẹn (xác định đường cong ổn định thuỷ tĩnh, đường cong Bojean, ...loading manual).
8. Tính toán ổn định tai nạn trong trường hợp thủng một khoang bất kỳ so sánh kiểm tra với các yêu cầu cho phép
9. Tính toán ổn định tai nạn trong trường hợp đứt một neo so sánh kiểm tra với các yêu cầu cho phép.

Tiêu chuẩn thiết kế

+ Tiêu chuẩn ABS: MODU 2012, IMO MODU 2009,
+ Tiêu chuẩn DNV: DnV OS-C101, C103, C301, E401, DnV RP-C103, C203,....
+ Một số tiêu chuẩn về mooring của API: RP 2I, 2F, RP 2SK, 2SM
+ Các công ước quốc tế: IMO, SOLAS, MARPOL, COREC, TONNAGE
+ Qui chuẩn Việt Nam: QCVN 1234-1,2,....9: 2008

​

 

Vậy vấn đề khó đặt ra trong thiết kế, thi công giàn khoan bán chìm là gì?

 

Xin hỏi tác giả, sao không làm một con U nổi để chế tạo và hạ thủy cho nó mượt?

 

Một đề xuất không mới!

Câu trả lời đơn giản là công việc nó mượt nhưng mà tiền và hiệu suất đầu tư cho U nổi thì chuối vô cùng. Không biết đóng bao nhiêu giàn, hạ thủy bao nhiêu chiếc Semi, khấu hao bao nhiêu năm mới xong?

 

Đai ca là thầy bói hay sao mà biết hay vậy? nhìn thứ hình vẽ vớ vẫn mà biết được là mớn nước cao nhất cách mặt cảng 5m. khâm phục khâm phục.
Có khi nào hình vẽ mô hình phải hiển thị chính xác tuyệt đối ko?

 

Bác nào cải hoán cái U83 ở Phú Mỹ mà vận hành chắc ôm về cả núi tiền .

 

Một đề tài khá thú vị, em cũng đang nghiên cứu về đề tài này đây. :-?

 

Có nhiều kiểu công trình biển để thăm dò khai thác dầu ngoài khơi.
​

Để thăm dò và khai thác dầu mỏ, người ta dùng nhiều công trình ngoài khơi (offshore unit) khác nhau như giàn cố định (fixed platform); giàn dạng tháp (compliant tower); giàn neo đứng (tension-leg platform), neo xiên; giàn spar (spar platform); giàn nửa nổi nửa chìm hay còn gọi là giàn bán chìm (semi-submersible rig); giàn cgiàn tự nâng (jack up-drilling rig )...

Giàn nửa chỉm thích hợp khai thác vùng nước sâu.

ở dĩ, gọi là giàn nửa chìm vì nó nửa chìm nửa nổi trên mặt nước. Phần chìm dưới nước bao gồm những chiếc pông tông tức phao tạo lực nổi để đỡ phần thượng tầng bên trên. Thượng tầng lại tựa lên pông tông bằng các cột chống.Trên thượng tầng là nhiều tầng boong khác nhau ,bố trí các thiết bị để khoan thăm dò hay khai thác (giàn Đại Hùng 01 của Việt Nam là giàn khai thác), tầng sinh hoạt, tầng điều khiển, điều khiển hàng hải... và nổi bật là tháp giá khoan derrick vươn lên cao.

Sơ đồ giàn khoan nửa chìm nửa nổi.

Pông tông không chỉ tạo sức nổi mà trong nó chứa nhiều trang thiết bị, trong đó có thiết bị động lực để làm cho các chân vịt lái (thruster) hoạt động.
Chân vịt lái này rất quan trọng, nó giúp cho giàn khoan đứng nguyên tại vị trí đã định bằng phương pháp định vị động học DP (dynamic positioning) - Hiện đại nhất là DP3. Bởi vậy, giàn nửa chìm/giàn bán chìm là công cụ không thể thiếu được trong việc chinh phục độ sâu khi khai thác dầu khí.

Khi khoan trong môi trường nước sâu hơn khoảng 120 m - 150mcác hệ thống vận hành thường được lắp đặt trên một công trình nổi, vì các kết cấu cố định thì không kinh tế, không khả thi.

Giàn khoan bán nửa nổi nửa chìm/ giàn bán chìm đạt được những tiêu chí đấy do khả năng nổi của nó dựa trên các pontong phao dằn chìm dưới mặt biển để giảm thiểu tác động của sóng và dòng chảy.
Kết cấu thượng tầng (phần nổi bên trên) có thể được điều chỉnh cao hơn mặt nước biển do khả năng ổn định của nó như đã được thiết kế, và do đó phần nổi được giữ ổn định khỏi tác động của sóng và dòng chảy. Các cấu trúc cột liên kết các phao và phần nổi.

Giàn khoan Hải Dương 981 mà Trung Quốc đưa và hoạt động trái phép trong Vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam cũng thuộc loại giàn nửa nổi nửa chìm.

Với một cấu trúc đồ sộ nằm ở một độ sâu cho trước dưới mực nước biển, giàn khoan bán chìm ít chịu tác động của áp lực sóng hơn tàu bình thường. Với một vùng mặt nước nhỏ, giàn khoan bán chìm nhạy cảm đối với các thay đổi về tải trọng, và do đó phải cẩn thận chọn chiều của lực để duy trì độ ổn định. Không giống như tàu ngầm, trong khi vận hành bình thường, giàn khoan nửa nổi nửa chìm không bao giờ chìm hoàn toàn trong nước,khe khe...

Khi khi khai thác mỏ dầu xa bờ, giàn khoan bán chìm còn được sử dụng với chức năng khoan và khai thác.

 

Tên gọi chuẩn Quốc tế là Semi-submersible, các bạn có thể dịch tùy theo ngữ cảnh.
Tham khảo thêm tại đây nhé.
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Semi-submersible
2. www.marineitech.com/downloads/2006_JSC_324.pdf

 

Giàn bán nửa nổi, nửa chìm; Giàn bán chìm; Giàn bán tiềm thủy; hay đơn giản là giàn nửa chìm hoặc giàn nửa nổi cũng chính là một.

 

Các bác cho em hỏi cái chân vịt ở hình trên là để Giàn tự ổn định vị trí khi hoạt động hay là để di chuyển vậy
Cảm ơn.

 

Chân vịt đó là hệ thống định vị động (Dynamic System) nhằm định vị chính xác vị trí khoan là chính. Hệ thống này cũng dùng để di chuyển trong cự ly ngắn. Khi di chuyển giàn này với quãng đường xa thì người ta dùng tàu semisubmersible heavy lift chở đi do tốc độ di chuyển của tàu nhanh hơn, an toàn hơn.

 

Trong khoảng độ sâu nước vài trăm mét, cụ thể là 300m trở lại như ad nói thì không ai dùng semisubmersible drill rig để khoan cả vì nó...cực kỳ không kinh tế. Thông thường với độ sâu nước này, người ta dùng giàn khoan tiếp trợ (tender assisted drilling-TAD) với thân cũng dạng poon toon column kiểu như bán chìm nhưng đơn giản hơn nhiều và mooring như bình thường. Nó được dùng làm nơi chứa ống khoan, bùn và dung dịch khoan, người ở, cung cấp nguồn điện, ... và neo ở gần giàn cần khoan (ở đây có thể là giàn cố định, giàn dạng compliant tower và cả TLP), liên kết với giàn cần khoan bằng gangway để tiện việc đi lại cho người cũng như supports các đường ống phục vụ khoan, cáp điện, vv.

Tháp khoan (derrick tower) sẽ được cẩu lắp từng phần và đặt trên giàn cần khoan. Do vậy toàn bộ payload do trọng lượng của thiết bị khoan, ống khoan và tải trọng động sinh ra khi khoan sẽ chịu bởi giàn cần khoan mà không phải là TAD. Đây là giải pháp khoan hiệu quả nhất đối với độ sâu nước vài trăm mét, ngoài tầm của jackup nhưng lại "không xứng tầm" của Semisub Drill Rig. Tham khảo link dưới đây để xem TAD khoan cho TLP.

http://www.upstreamonline.com/epaper/article1357017.ece

---------- Post added at 10:21 PM ---------- Previous post was at 10:06 PM ----------

Trong khoảng độ sâu nước vài trăm mét, cụ thể là 300m trở lại như ad nói thì không ai dùng semisubmersible drill rig để khoan cả vì nó...cực kỳ không kinh tế. Thông thường với độ sâu nước này, người ta dùng giàn khoan tiếp trợ (tender assisted drilling-TAD) với thân cũng dạng poon toon column kiểu như bán chìm nhưng đơn giản hơn nhiều và mooring như bình thường mà không có hệ thống định vị động DP. Nó được dùng làm nơi chứa ống khoan, bùn và dung dịch khoan, người ở, cung cấp nguồn điện, ... và neo ở gần giàn cần khoan (ở đây có thể là giàn cố định, giàn dạng compliant tower và cả TLP), liên kết với giàn cần khoan bằng gangway để tiện việc đi lại cho người cũng như supports các đường ống phục vụ khoan, cáp điện, vv.

Tháp khoan (derrick tower) sẽ được cẩu lắp từng phần và đặt trên giàn cần khoan. Do vậy toàn bộ payload do trọng lượng của thiết bị khoan, ống khoan và tải trọng động sinh ra khi khoan sẽ chịu bởi giàn cần khoan mà không phải là TAD. Đây là giải pháp khoan hiệu quả nhất đối với độ sâu nước vài trăm mét, ngoài tầm của jackup nhưng lại "không xứng tầm" của Semisub Drill Rig. PVD 5 của PVDrilling chính là giàn TAD kiểu này, hiện đang khoan cho Hải Thạch 1 WHP của BDPOC.

Tham khảo link dưới đây để xem TAD khoan cho TLP.

http://www.upstreamonline.com/epaper/article1357017.ece

Hệ thống DP cũng không gọi là neo mà là định vị động (dynamic positioning). Tiếng Việt mình gọi đây là bán chìm vì kết cấu hull (thân) của loại floater này là poon toon-column, khi transit thì nó chỉ ballast ở mức độ vừa đủ ngập 2 poon toons dưới nước (có khi không ngập hết, vẫn nhìn thấy poon toons deck) đảm bảo điều kiện ổn định và giảm cản nước khi di chuyển, lúc này có thể gọi là "nổi". Còn khi ở vị trí làm việc để tăng tính ổn định thì phải ballast sâu xuống nhằm tăng displacement của giàn, khi đó poon toons chìm hẳn, chỉ còn một phần các columns và main deck, lúc này có thể gọi là "chìm". Vậy thì nửa nổi nửa chìm sinh ra từ đấy...

Tản mạn vài lời như vậy thôi.