TÍNH TOÁNTHIẾT kế kỹ THUẬT HT NEO GIÀN KHOAN KHAI THÁC bán CHÌM tại mỏ đại HÙNG 110m nước

Cách tính tải trọng và tổ hợp tải trọng truyền lên hệ thống dây neo từ đó thiết kế dây neo: Tính độ dịch chuyển đầu dây neo theo phương ngang và phương đứng của công trình từ đó cho ra c

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong trường Đại Học Xây Dựng, đặc biệt là các Thầy , Cô trong Viện Xây Dựng Công Trình Biển đã tận tình truyền đạt kiến thức trong thời gian Em học tập tại trường Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp mà còn là hành trang quí báu để Em bước vào đời một cách vững chắc và

Cuối cùng, Em xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình, bạn bè dồi dào sức khỏe

và thành công trong sự nghiệp cao quý

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Hồ Văn Thìn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án tốt nghiệp này Em đã đi sâu vào tính toán bằng các công thức gần đúng để thiết kế kỹ thuật hệ thống neo giàn khoan, khai thác bán chìm Phần đầu

Em xin giới thiệu tổng quát về trữ lượng và tốc độ khai thác dầu khí trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Ngoài ra Em xin giới thiệu một cách khái quát

về ưu, nhược điểm và khả năng hoạt động của các loại CTB Mềm ( đặc biệt là CTB.Bán Chìm), Cũng như tìm hiểu về mỏ ĐH nơi có giàn khoan bán chìm mà em đang tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống dây neo Tiếp đó, Em sẽ trình bày một cách chi tiết về sự tác động của môi trường lên công trình từ đó chọn hướng đặt công trình Cách tính tải trọng và tổ hợp tải trọng truyền lên hệ thống dây neo từ đó thiết kế dây neo: Tính độ dịch chuyển đầu dây neo theo phương ngang và phương đứng của công trình từ đó cho ra các đồ thị đánh giá độ cứng dây neo, để kiểm tra

sự dịch chuyển lớn nhất của công trình Tiếp theo là bài toán kiểm tra bền của dây neo thông qua tính toán lực căng cực đại của dây và kiểm tra hệ số an toàn Cuối cùng tính toán lựa chọn hệ neo, quy trình thi công và công tác an toàn trong lao động

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 9

1.1 Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam 9

1.1.1 Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu trên thế giới 9

1.1.2 Kế hoạch khai thác và trữ lượng dầu khí ở Việt Nam 9

1.2 So sánh sự khác nhau giữa CTB mềm và CTB cố định 11

1.3 Các giải pháp lựa chọn CTB ở các độ sâu nước khác nhau 12

1.4 Số lượng và vị trí các loại CTB mềm 14

1.5 Tìm hiểu về mỏ và giàn khoan khai thác bán chìm Đại Hùng _01 16

1.5.1 Giới thiệu mỏ Đại Hùng 16

1.5.1.1 Vị trí mỏ 16

1.5.1.2 Quy hoạch mỏ 16

1.5.2 Mô tả chung của quá trình hoạt động giàn khoan bán chìm FPU_DH1 17

1.6 Mục tiêu nghiên cứu đồ án 19

1.6.1 Lý do nghiên cứu đồ án 19

1.6.2 Bố cục đồ án 20

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 21

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng cho phương pháp mô hình hóa bằng chương trình tính 21

2.1.1 Đặt bài toán hàm thế vận tốc của chất lỏng xung quanh công trình 21

2.1.2 Bài toán nhiễu xạ bức xạ - bức xạ bậc nhất 21

2.1.2.1 Hàm thế bậc nhất của sóng tới Ф  22

2.1.2.2 Hàm thế nhiễu loạn bậc nhất Ф p(1) 22

2.1.3 Bài toán nhiễu xạ - bức xạ bậc hai 22

2.1.3.1 Hàm thế bậc hai của sóng tới Ф I(2) 23

2.1.3.2 Hàm thế nhiễu loạn bậc hai Ф P (2) 23

2.1.4 Lực thủy động 23

2.1.4.1 Lực thủy động bậc nhất 24

2.1.4.2 Lực thủy động bậc hai 25

2.1.4.3 Lực bậc 2 của sóng tần số thấp 25

2.1.5 Lực trôi dạt chậm tác dụng lên kết cấu nổi neo giữ 26

2.2 Cơ sở lý thuyết tính bằng công thức gần đúng theo cách lập bảng Excel 28

2.2.1 Lập sơ đồ khối các bước tính toán 28

2.2.2 Các tải trọng tác động lên công trình 30

2.2.2.1 Tải trọng gió 30

2.2.2.2 Tải trọng dòng chảy 32

2.2.2.3 Tải trọng sóng 32

2.2.3 Phân phối lực căng trong dây neo 34

2.2.4 Bài toán một cặp dây 35

2.2.5 Tính toán dây neo đơn 35

2.2.6 Hệ số an toàn đối với hệ thống neo 41

CHƯƠNG III : SỐ LIỆU THIẾT KẾ 42

1.1 Số liệu môi trường 42

3.2 Số liệu công trình 43

3.3 Số liệu địa chất 45

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NEO 46

4.1 Tính các tải trọng môi trường tác động lên công trình 46

4.1.1 Tải trọng gió 46

4.1.2 Tải trọng dòng chảy 48

4.1.3 Tác động của sóng (Lực trôi dạt ) 49

4.2 Tổng hợp các tải trọng tác dụng lên công trình 49

4.3 Chọn phương án neo giữ công trình nổi 50

4.4 Tính lực tác dụng lên 1 dây neo đơn 52

4.5 Tính toán cho 1 cặp dây neo 52

4.6 Kiểm tra hệ số an toàn của dây neo 60

4.7 Kiểm tra chuyển vị tối đa của công trình 61

4.8 Tính toán cọc 61

CHƯƠNG V : QUY TRÌNH THI CÔNG 72

5.1 Công tác chuẩn bị 72

5.2 Quy trình thi công 72

5.2.1 Giai đoạn 1: Bố trí các cấu kiện trên sàn của tàu cẩu Trường Sa 73

5.2.2 Giai đoạn 2: Vân hành tàu Trường Sa đến vị trí và lắp ráp công trình 75

5.2.3 Giai đoạn 3 : giải phóng mặt bằng 84

CHƯƠNG VI : CÔNG TÁC AN TOÀN LAO ĐỘNG 85

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 89

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

FPSO Floating Production - Storage - Offloading Units

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh các bể trầm tích dầu khí trên thềm lục địa VN

Hình 1.5 Phân phối số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại

các vùng biển khác nhau, tới thời điểm tháng 3/2010

Hình 1.6 Mô hình và tỉ lệ các loại công trình biển mềm (tại thời điểm:

3/2010) Hình 1.7 Vị trí mỏ Đại Hùng

Hình 1.8 Sơ đồ quy hoạch mỏ Đại Hùng

Hình 1.9 Giàn khoan bán chìm FPU-DH1 mỏ Đại Hùng

Hình 2.1 Lực trôi dạt tác dụng lên kết cấu neo giữ theo lý thuyết trường

trung gian Hình 2.2 Các bước thiết kế dây neo theo phương pháp gần đúng

Hình 2.3 Các tải trọng tác động lên công trình

Hình 2.4 Thể hiện mối liên hệ giữa các Lực

Hình 2.5 Sự làm việc của 1cặp dây neo đối xứng

Hình 2.6 Chiều dài đường dây neo

Hình 2.7 Trường hợp điểm A dịch chuyển sang phải

Hình 2.8 Trường hợp điểm A dịch chuyển sang trái

Hình 2.9 Trường hợp điểm A dịch chuyển xuống dưới theo phương

thẳng đứng Hình 2.10 Trường hợp điểm A dịch chuyển lên trên theo phương thẳng

đứng

Hình 3.1 Bố trí hướng của công trình

Hình 3.2 Mặt chiếu đứng của giàn khai thác bán chìm

Hình 4.1 Các phương án neo giữ

Hình 4.2 Bài toán 1 dây neo đơn

Hình 4.3 Dây neo dịch chuyển sang trái

Hình 4.4 Dây neo dịch chuyển sang phải

Hình 4.5 Đồ thị thể hiện sự dịch chuyển theo phương ngang của dây neo Hình 4.6 Phản ứng của 1 cặp dây đối xứng

Hình 4.7 Đồ thị thể hiện độ dịch chuyển theo phương ngang của 1 cặp

dây Hình 4.8 Dây neo dịch chuyển lên theo phương đứng

Hình 4.9 Dây neo dịch chuyển xuống theo phương đứng

Hình 4.10 Độ dịch chuyển theo phương đứng của 1 dây neo

Hình 4.11 Độ dịch chuyển theo phương đứng của 1 cặp dây neo

Hình 4.12 Dây bi căng hoàn toàn

Hình 4.13 Sơ đồ chịu tải của cọc chịu nén trong đất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 So sánh công trình biển mềm với công trình biển cố định

Bảng 2 So sánh ưu nhược điểm của 3 trường

Bảng 3 Thông số môi trường

Bảng 4 Số liệu về giàn Đại Hùng_01

Bảng 5 Đặc trưng cơ lý các lớp đất tại vị trí xấy dựng công trình

Bảng 6 Kết quả tính toán tải trọng

Bảng 7 Hệ số C1 ,C2, C3

Bảng 8 Các thiết bị và vật tư bố trí trên sàn tàu Trường Sa

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1.1 Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu trên thế giới

Trữ lượng dầu thế giới hiện nay có khoảng 140 tỷ tấn dầu, 135 nghìn tỷ m3khí và trữ lượng này phân bố không đều ở các khu vực khác nhau trên thế giới, nhiều nhất là khu vực Trung Đông chiếm : 50%, còn Châu Á chiếm: 5,5% Sản lượng khai thác dầu khí của toàn thế giới là 3260 triệu tấn/năm , khu vực khai thác nhiều nhất là Trung Đông chiếm : 30% Đặc biệt nước Mỹ với sản lượng khai thác là 389 triệu tấn dầu mỗi năm chiếm 11.9% sản lượng dầu thế giới

Các nước đang khai thác và có tiềm năng dầu khí biển sâu điển hình là ở các khu vực Vịnh Mexico (GoM), Tây Phi, Brazil và đặc biệt gần đây là ở khu vực Đông Nam Á

Các nước Khu vực ASEAN (Brunei, Campuchia, Trung Quốc, Indonesia, Malaysia, Thái Lan, Myanmar, Philippines và Việt Nam), trong năm 2005 đã thực hiện 237 thăm dò và đánh giá (trong đó VN-14, Inđô – 61- nhiều nhất), với 20 giếng có độ sâu nước trên 300 m, với nhận xét rất lạc quan về tiềm năng vùng nước sâu ở khu vực; Malaysia đã triển khai dự án nước cực sâu đầu tiên ở độ sâu nước

từ 1305 - 1876 m Indonesia đang khai thác các mỏ ở vùng nước sâu và cực sâu Makassar Strait rất hiệu quả với các CTB nổi, như dàn neo đứngTLP tại mỏ West Seno ở độ sâu nước 3350 ft Ấn Độ với diện tích TLĐ 3,14 triệu km2, mới thăm dò

và khai thác 18% diện tích TLĐ, còn bỏ trống 82% là vùng nước sâu, Chính phủ đang mở rộng đầu tư của nước ngoài để khai thác vùng nước sâu

1.1.2 Kế hoạch khai thác và trữ lượng dầu khí ở Việt Nam

Giai đoạn 2011 – 2020 , tập đoàn dầu khí quốc qia Việt Nam phấn đấu gia tăng trữ lượng 38 – 46 triệu tấn quy dầu / năm, trong đó : trong nước 25- 30 triệu tấn /năm nước ngoài 13 – 16 triệu tấn/năm.khai thác dầu khí đến năm 2015 đạt 33 triệu tấn quy dầu/năm ( trong đó trong nước 29 triệu tấn nước ngoài 6 triệu tấn đến 2020 đạt 42 -44 triệu tấn quy dầu/năm trong đó trong nước 30 – 31 triệu tấn nước ngoài 12 – 13 triệu tấn

Tiềm năng dầu khí ở vùng biển VN

Việt Nam - nước sản xuất dầu lớn đứng thứ 3 trong khối các nước Đông Nam Châu Á Nguồn trữ lượng dầu khí chủ yếu trên thềm lục địa VN, điển hình là

7 Bể trầm tích gồm Sông Hồng, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Hoàng Sa và Trường Sa (Hình 1.1)

Hình 1.1: Hình ảnh các bể trầm tích dầu khí trên thềm lục địa VN Các số liệu nghiên cứu mới đây tại 3 Bể trầm tích dầu khí cho kết quả như sau:

+ Bể Phú Khánh: Diện tích 95.000 km2, Độ sâu nước từ trên 200m đến trên 1000m, xa hơn nữa lên tới 2500m, trữ lượng: 509 triệu tấn dầu quy đổi; + Bể Tư Chính - Vũng Mây & Tây Nam QĐ Trường Sa: Diện tích 93.000

km2

Độ sâu nước từ 200m trở lên, Trữ lượng: 750 triệu tấn dầu quy đổi;

+ Khu vực thềm lục địa Tây Nam & vùng chồng lấn: Diện tích 90.000 km2,

là vùng nước nông (độ sâu dưới 100 m), Trữ lượng 394 triệu tấn dầu quy đổi

cấu nổi có neo

- Đối với “vùng nước sâu đến cực sâu”,

có độ sâu nước trên 400 m, các loại

công trình biển mềm được chế tạo thay

thế cho các CTBCĐ đó là CTB dạng trụ

mềm, công trình bán chìm, công trình

neo đứng TLP, và các loại bể chứa kiểu

SPAR, FPSO Vậy CTB mềm cho phép

lựa chọn loại kết cấu thích hợp khi ra

vùng nước sâu Khả năng ứng dụng

rộng rãi từ vùng nước nông tới vùng

-CTB cố định: có các tần số dao động

riêng lớn (chu kỳ nhỏ )

-D/L<0,2 => PT Morison ( D : đường kính vật thể / chiều rộng ; L: chiều dài sóng )

1, 2) công trình biển cố định; 3) công trình trụ mềm; 4, 5) giàn neo đứng TLP; 6) trụ nổi Spar ;

7,8) giàn bán chìm ; 9) bể chứa nổi FPSO; 10) công trình biển cố định

Hình 1.2: các loại CTB được sử dụng

1.3 Các giải pháp lựa chọn CTB ở các độ sâu nước khác nhau

Hình 1.3: Các giải pháp chọn CTB

Từ đồ thị trên cho chúng ta chọn được các loại CTB để xây dựng và lắp đặt tại vị trí đặt ra Và thực tế các loại CTB đã được xây dựng ở các độ sâu nước khác nhau trên thế giới từ đó người ta tổng kết lại bằng một bảng đồ thị khác về giá thành các loại CTB ứng với độ sâu nước tăng

Hình 1.4: So sánh tương đối về giá thành các loại CTB khi tăng độ sâu nước,

gồm CTB cố định - Trụ mềm - TLP (A.Bernard, GEP, France, 1997)

 Nhận xét : nhìn vào ( Hình 1.4) ta thấy công trình biển cố định có giá thành thấp khi độ sâu nước dưới 200m nước, nhưng ở vùng nước sâu thì giá thành tăng nhanh Còn công trình biển mềm thì giá thành cao khi ở vùng nước nông nhưng càng ra xa độ sâu nước lớn thì giá thành không tăng nhiều như công trình cố định Vì vậy ở vùng nước sâu thì nên dùng công trình biển mềm

 Ở Việt Nam hầu hết các mỏ đều đang khai thác ở vùng nước nông nên các công trình chủ yếu là cố định còn ở vị trí nước sâu Việt Nam chưa khai thác được nên số lượng công trình biển mềm còn hạn chế Trong tương lai gần khi các mỏ giàn bờ nước nông đã khai thác hết, ta sẻ tiếp cận ra các mỏ vùng nước sâu

1.4 Số lượng và vị trí các loại CTB mềm

Hình 1.5: Phân phối số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng

biển khác nhau, tới thời điểm tháng 3/2010

Tại thời điểm tháng 3/2010 thì trên thế giới có 262 công trình và chia theo tỷ

lệ sau:

Hình 1.6 : Mô hình và tỉ lệ các loại công trình biển mềm (tại thời điểm: 3/2010)

Nhận xét: Loại Bể chứa nổi (FPSO) chiểm ưu thế tuyệt đối khi ra biển sâu và

cực sâu (65%), tiếp theo là loại Giàn bán chìm (17%), Giàn neo đứng TLP (9,5), rồi đến Trụ nổi Spar (6,5%)

 Từ những khả năng là khoan và khai thác dầu của các công trình biển mềm nói chung và công trình bán chìm nói riêng cũng như có 1 giá thành không

cao so với công trình cố định khi hoạt động ở vùng nước sâu như đã chứng

minh ở trên Thì sau đây em sẽ tìm hiểu về mỏ Đại Hùng , nơi mà em thiết

kết, tính toán hệ thống dây neo của giàn khoan bán chìm FPU_DH1

1.5 Tìm hiểu về mỏ và giàn khoan khai thác bán chìm Đại Hùng _01

1.5.1 Giới thiệu mỏ Đại Hùng

1.5.1.1 Vị trí mỏ

Hình 1.7: Vị trí mỏ Đại Hùng

1.5.1.2 Quy hoạch mỏ

Mỏ Đại Hùng - giai đoạn II do PVEP Đại Hùng trực tiếp quản lý, điều hành có

tổng giá trị 57 triệu USD Các hạng mục chính bao gồm: 02 đường ống mềm

(flexible flowline) 3 inch có chiều dài mỗi đường khoảng 2,2 km (bao gồm cả phần

động - dynamic riser) và các phụ kiện đi kèm từ giếng ngầm đa thân DH-6P&7P về

giàn FPU-DH1 qua phao trung gian mạn trước (FWD MDB); 01 đường điều khiển

(umbilical) có chiều dài khoảng 2,2 km (bao gồm cả phần động) và các phụ kiện đi

kèm từ giếng ngầm đa thân DH-6P&7P về giàn FPU-DH1 qua phao trung gian mạn trước (FWD MDB); 01 đường cáp ngầm (submarine cable) có chiều dài khoảng 6,0 km (bao gồm cả phần động) và các phụ kiện đi kèm từ giàn đầu giếng WHP-DH2 về giàn FPU-DH1 qua phao trung gian mạn sau AFT MDB; 02 đường ống dẫn (flexible flowline) 6 inch có chiều dài mỗi đường khoảng 4,8 km (bao gồm cả phần động - dynamic riser) và các phụ kiện đi kèm từ giàn đầu giếng WHP-DH2 về giàn FPU-DH1 qua phao trung gian mạn sau (AFT MDB); bao gồm

cả phần thiết kế sơ bộ (FEED) cho đoạn tĩnh (static portion); 02 đường ống dẫn (flexible flowline) 6 inch có chiều dài mỗi đường khoảng 2,3 km (bao gồm cả phần động) và các phụ kiện đi kèm giàn FPU-DH1 đến phao CALM qua phao trung gian mạn phải (Starboard MDB); Hạng mục này bao gồm cả việc tháo dỡ và neo giữ tuyến 02 đường ống mềm cũ trên bề mặt đáy biển trong khu vực mỏ Đại Hùng

Hình 1.8 : Sơ đồ quy hoạch mỏ Đại Hùng

1.5.2 Mô tả chung của quá trình hoạt động giàn khoan bán chìm FPU_DH1

Giàn Đại Hùng 01 được xây dựng vào 1975 theo yêu cầu của Bộ Năng lượng Anh, có dạng một giàn khoan di động với tên ban đầu là Deepsea Saga

Tới năm 1984, do yêu cầu liên quan đến khoan khai thác được loại bỏ, giàn được chuyển mục đích làm giàn cố định trong vùng Argy II/Duncan block 30/24

và đổi tên thành Deepsea Pioneer

Năm 1994 việc sửa chữa lại Deepsea Pioneer bao gồm việc nâng cấp hệ thống neo, thay thế hệ thống thủy lực kiểm soát giếng ngầm, đại tu và sửa chữa các thiết

bị hiện hữu và lắp đặt các thiết bị tiện ích, cung cấp hơi đốt Vào thời điểm này giàn được đổi tên thành Đại Hùng-01 (DH-01) và thuộc quyền sở hữu của BHPP Năm 1997, BHPP đã chuyển quyền sở hữu mỏ cho Petronas Carigali

Xí nghiệp Liên doanh VIETSOPETRO nhận mỏ từ Petronas Carigali vào tháng 02/1999

Phương tiện sử dụng cho khai thác dầu khí là một cụm khai thác nổi (FPU) được nối tới sáu giếng ngầm bằng các đường ống mềm Thường năm giếng dung cho khai thác, một giếng dung cho ép nước

FPU của mỏ Đại Hùng được đăng ký tên Đại Hùng 01 (DH-01)

Ba giếng đầu tiên ( DH-1P, DH-2P, DH-3P) nằm thành một cụm ở dưới FPU, trong đó DH-2P đã được chuyển thành một giếng ép nước vào tháng 7/1995 Ba giếng còn lại ( DH-4P, DH-4X, DH-5P) là những giếng ở xa hơn Những giếng này được đặt cách FPU theo thứ tự là 1895m, 2165m, 2251m, và được phục vụ nhờ một tàu công tác riêng biệt

Các giếng ngầm được thiết kế với tuổi thọ 15 năm

Giàn Đại Hùng 01 như đã mô tả ở trên là 1 giàn bán chìm thiết kế kiểu Aker H-3 Giàn đã được sủa đổi từ cấu hình của Biển Bắc để phù hợp với các yêu cầu của vùng mỏ Đại Hùng, nơi mà nó được neo vĩnh viễn cho đến nay

Tuy nhiên việc cải biến của hệ thống FPU đã được cố gắng giảm thiểu tối đa Chúng chủ yếu được tập trung vào hệ thống neo, thẩm định lại kết cấu, những kết nối của các đường ống ngầm và trung tâm với kết cấu, lọai bỏ các phương tiện nâng bằng gas, thiết kế và xây dựng lại các thiết bị thu gom đầu vào, và một số cải biến các thiết bị đốt khí và xuất dầu để điều tiết tốc độ khai thác

Dầu và khí có thế được khai thác từ giếng ngầm hoàn thiện qua tám ống dẫn 75mm NB (hai ống cho mỗi giếng) tới DH1-FPU

Dầu thô được xử lý ổn định trên DH1-FPU sau đó dẫn vào kho chứa nổi hoặc tàu chứa dầu thô (FSO) liên kết nối tiếp nhau qua phao neo ( CALM)

Dầu thô có thể được chuyển tới phao nổi (CALM) qua 2 ống ngầm chuyên dụng 150mm NB, và sau đó từ phao nổi chuyển đến tàu chứa FSO bằng một ống nổi 150mm NB

Phần lớn khí thu được bị đốt cháy, do DH1 không được trang bị những thiết bị nâng chạy bằng khí

Tốc độ khai thác hiện giờ xấp xỉ là 11.000 thùng/ ngày

Hình 1.9: Giàn khoan bán chìm FPU-DH1 mỏ Đại Hùng

1.6 Mục tiêu nghiên cứu đồ án

1.6.1 Lý do nghiên cứu đồ án

Nhiệm vụ cấp bách hiện nay được đặt ra cho chúng ta là: Phải tiếp cận nhanh

chóng các kỹ thuật và công nghệ thiết kế, xây dựng các công trình biển ở độ sâu nước 200 m và lớn hơn để đáp ứng nhu cầu khai thác tài nguyên dầu khí nước sâu trên thềm lục địa VN

Mặt khác em thấy các lợi ích đã được chứng minh từ các giàn khoan bán chìm khác đang hoạt động trên kháp thế giới là :

Ưu điểm về kỹ thuật : thay thế hệ thống đường ống ngầm để vận chuyển dầu tới nơi xuất ;

Lợi ích kinh tế: các mỏ khai thác xa bờ ; các mỏ qui mô nhỏ => giải pháp : tái sứ dụng ; khai thác sớm ;

Lợi ích chính trị: không phụ thuộc vào các hệ thống lắp đặt trên bờ, nơi mà chịu

sự giám sát của các nhà cầm quyền địa phương tại các nước có chế độ chính trị không ổn định

Đáp ứng được nhiệm vụ trên thì giàn khoan, khai thác bán chìm là một trong nhưng công trình biển mềm đáp ứng tốt yêu cầu đặt ra

Vậy nên được sự hướng dẫn của T.S Phạm Hiền Hậu thì em đã nghiên cứu và

thiết kế kỹ thuật hệ thống neo giàn khoan, khai thác bán chìm tại mỏ Đại Hùng 110m nước

1.6.2 Bố cục đồ án

Nội dung đồ án được trình bày trong các chương sau

 Chương I : tổng quan

 Chương II: số liệu thiết kế

 Chương III: cơ sơ lý thuyết tính toán

 Chương IV: tính toán hệ thống neo

 Chương V: quy trình thi công

 Chương VI: công tác an toàn lao động

 Để tính toán toán thiết kế kỹ thuật hệ thống neo giàn khoan, khai thác bán chìm Đại Hùng_01 Em đã sử dụng công thức gần đúng để tính toán và thiết kế

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng cho phương pháp mô hình hóa bằng chương trình tính Hiện tượng sóng nhiễu xạ và sóng bức xạ

- Sóng nhiễu xạ là khi công trình không chuyển động nhưng có trường sóng tới đập vào công trình

- Sóng bức xạ là khi không có sóng tới tác động vào công trình môi trường nước lặng nhưng do kích thước công trình lớn nên khi công trình di chuyển tạo ra sóng Trong thực tế là tổng hợp của cả hai bài toán sóng nhiễu xạ cộng bức xạ

2.1.1 Đặt bài toán hàm thế vận tốc của chất lỏng xung quanh công trình

Công trình nổi có neo giữ là vật thể khối lớn, do đó hàm thế vận tốc của chất lỏng xung quanh công trình dao động được tìm dưới dạng sau :

(x,y,z,t)i(x,y,z,t)d(x,y,z,t)R(x,y,z,t)

(ui uduR)eit (2.1) trong đó:

t i i

i u e 

  hàm thế vận tốc của sóng tới ;

t i d

d u e 

  hàm thế vận tốc của sóng nhiễu xạ ;

t i R

R u e

  hàm thế vận tốc của sóng bức xạ ;

R d

i,u ,u

u  tương ứng là biên độ của hàm thế sóng tới, sóng nhiễu xạ

và sóng bức xạ (chỉ phụ thuộc vào toạ độ x, y, z) ;

 - tần số góc của sóng tới ; t - biến thời gian ; i 1 - số phức

2.1.2 Bài toán nhiễu xạ bức xạ - bức xạ bậc nhất

Hàm thế bậc nhất được chia thành các thành phần sau :

- Một hàm thế của sóng tới ФI thể hiện trạng thái biển cách xa vật thể ;

- Một hàm thế nhiễu xạ Фd thể hiện dòng chảy thế xung quanh vật thể được giữ cố định trong môi trường sóng tới;

- Một hàm thế bức xạ Фr thể hiện dòng chảy sinh ra bởi chuyển động của vật thể trong môi trường nước lặng, không có sóng tới

2.1.2.1 Hàm thế bậc nhất của sóng tới Ф



 Hàm thế của sóng tới được đưa ra bởi một chuỗi các hàm thế cấu thành :

t i (1) Ij (1)

j

j j j j

j j

j

j j j

t y

x k h

chk

h z chk g a



(2.3)

, ( (1)D (1)R P(1)

(1) P

(1) Rj 6

1

(1) Rj (1)

R

t i -

e

j

j j

D I

P I

m p

e ,

) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

(

) (         

Trong đó : p,m 2 ) là các tần số cao (+) hoặc thấp (-) của bài toán bậc 2 ;

 là các tần số của bài toán bậc nhất của sóng song sắc

Sau đây ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng hàm thế trong phương trình (2.6)

2.1.3.1 Hàm thế bậc hai của sóng tới ФI

(2) nI (2)

I

t in -

e ) ( )

( ) , ( P0(2) P(2)(2)

1 (

 ( 1 )  ( 1 )  ( 1 )  ( 1 )  ( 1 )  ( 1 )

R ex

R HD

HD

t e

F

1 1

1

) )

1

) 1 ( )

1 ( )

j Sco

t i Rj j Sco

R

t

 x t N dS x t

dS N

Sco

i Rj j

Sco

i Rj

ij  ((1))  ² cos   ((1))   sin (2.17) Trong đó  ((Rj1))và  ((Rj1)) là các phần thực và phần ảo của hàm thế ФRj

2.1.4.2 Lực thủy động bậc hai

 Lực thủy động bậc hai gây ra bởi sóng song sắc (bichromatic)

Lực thủy động bậc hai được tính như sau:

2 ) 2 ( 1 ) 2 (

R ex

F là phần thứ hai của lực tác động bậc hai, phụ thuộc vào hàm thế bậc

hai của sóng tới và của sóng nhiễu xạ:

2 1 ) 2 ( 2 2

1 ) 2 ( 1 2

1 ) 2 ( )

2 1 ( 2 1 ) 2 ( 2 1

) 2 1 ( 2 1 2 1 )

t i

t i F

ex

e a

a

e a a T

F F

F F

với TF = F(2) là hàm truyền bậc 2 (QTF) của lực tần số thấp bậc 2

 Công thức tính gần đúng của Newman và Pinkster

- Công thức tính gần đúng của Newman (1974) :

Chỉ lấy số hạng đầu tiên F0(2) của chuỗi khi  tiến đến 

Lực trôi dạt chậm :

) (

) , ( 1 2 (2) 1 2

(2)

F   F d   (2.21)

- Công thức tính gần đúng của Pinkster (1975) :

) 2 ( )

, (

2 1 -

( ) ( )

, (

F(2)- 1 2  F d 1 F d 2 signe F d (2.23) 2.1.5 Lực trôi dạt chậm tác dụng lên kết cấu nổi neo giữ

Hình 2.1: Lực trôi dạt tác dụng lên kết cấu neo giữ theo lý thuyết trường trung gian Lực trôi dạt tính theo lý thuyết trường gần là lực tác dụng lên bề mặt vật thể nên hội tụ 6 thành phần lực (nghĩa là :chỉ tính lực ở bề mặt vật thể, nếu có vật thể khác hoạt động bên cạnh thì không tính được sự ảnh hưởng của nó sinh ra) ; Lực trôi dạt tính theo trường xa là các thành phần lực chỉ tác dụng trên mặt phẳng x0y nên chỉ hội tụ 3 thành phần lực ( F , F , F ) (nghĩa là chỉ tính được sự ảnh hưởng của các lực trong mặt phẳng ngang chứ không tính được các lực theo chiều sâu mớn nước ); Lực trôi dạt tính theo trường trung gian ( Hình 2.1) là việc ta mô hình hóa cách tính bằng cách đặt vật thể đó trong 1 vùng nước tính toán có chiều rộng, chiều dài và độ sâu bể đủ lớn để các vật thể hoạt động ngoài phạm vi của bể sẽ không ảnh hưởng tới vật cần tính, lúc đó lực tác dụng lên vật thể sẽ bao gồm cả lực tác

dụng lên khắp bề mặt vật thể và cả lực tác dụng lên cả mặt phẳng x0y (nghĩa là : tính được cả sự ảnh hưởng theo chiều sâu mớn nước và cả sự ảnh hưởng của các vật thể hoạt động xung quanh) Nên khắc phục hết các nhược điểm và phát huy tốt

ưu điểm của trường gần và trường xa

Bảng 2 : So sánh ưu nhược điểm của 3 trường

Lý thuyết trường gần của

Pinkster

Lý thuyết trường xa của Maruo-Newman

Lý thuyết trường trung gian của X.B

-Độ chính xác cao,hội

tụ nhanh,độ ổn định cao hơn so với phương pháp trường gần

- Đây là phương pháp tính lực trôi dạt chậm trong chương trình Hydrostar mà kết quả được sử dụng trong chương trình tính ARIANE3D xác định phản ứng động của hệ dây neo FPSO

-Hội tụ nhanh, độ chính xác cao trong các tính toán số ; -Tính được lực đối với từng vật thể riêng

rẽ khi có nhiều vật thể nổi cùng tương tác ; -Phương pháp này tính được cả 6 thành phần của lực trôi dạt -Áp dụng cho cả trường hợp vật thể thẳng đứng hoặc không thẳng đứng với

bề mặt tự do ; -Dạng của bề mặt kiểm tra thườnng là bất kỳ, nó có thể được sinh lưới phân tử một cách tự động

-Chưa có phần mềm ứng dụng, để tính dây neo từ kết qur tính lực

ngang ; -Không tính được lực bậc 2 tần số thấp dạng đầy đủ full QTF cho sóng không đều (sóng song sắc), mà lực này

là quan trọng đối với vùng nước nông

-Không tính được trường hợp lực trôi dạt cho từng vật thể riêng biệt, đối với trường hợp nhiều vật thể cùng tương tác

trôi dạt theo phương pháp trường trung gian

2.2 Cơ sở lý thuyết tính bằng công thức gần đúng theo cách lập bảng Excel

2.2.1 Lập sơ đồ khối các bước tính toán

Hình 2.2 : các bước thiết kế dây neo theo phương pháp gần đúng

Số liệu thiết kế

Tính toán các tải trọng môi trường lên vật thể nổi

Tổ hợp tải trọng.(theo phương x )

Tính cho 1 dây đơn

Quy tải trọng môi trường về đầu dây

Xác định phương trình đường dây neo

Xác định chiều dài dây neo

Khi dây neo dịch chuyển theo phương ngang

Khi dây neo dịch chuyển theo phương đứng

Kiểm tra an toàn dây neo

Xác định lực tác dụng lên được 1 cặp dây

Thiết kế cho cặp dây

Thiết kế cho hệ thống dây

Dịch chuyển sang phải Dịch chuyển sang trái Dịch chuyển lên Dịch chuyển xuống Chọn phương án hệ thống neo( số lượng dây,vị trí đặt dây)

Kiểm tra độ dich chuyển Max

2.2.2 Các tải trọng tác động lên công trình

Hình 2.3 : Các tải trọng tác động lên công trình





V = α V (2.25) trong đó :

Vtz  vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ;

z  độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ;

V1  vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1h ở độ cao

10 mét so với mặt nước biển ;

 số mũ, phụ thuộc thời gian tính toán vận tốc gió trung bình;

- hệ số gió giật

C - hệ số cản, phụ thuộc vào số Reynolds , hình dạng mặt cắt hứng gió

và chiều dài của phần tử kết cấu;



e

V.DR

Am - tổng diện tích bề mặt ướt của kết cấu nổi

Ap - diện tích phần hình chiếu của Am lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy

Fc - lực dòng chảy đặt tại trọng tâm phần diện tích bề mặt phần tử kết cấu nằm trong nước

 - khối lượng riêng của nước

Vc - vận tốc dòng chảy tại trọng tâm của diện tích hình chiếu mặt ướt của kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy

Trong công thức trên :

Fc1 = 1/2. Vc

2

(3.10-3.Am)  lực cản bề mặt (liên quan đến ma sát trên bề mặt ướt của kết cấu nổi song song với hướng dòng chảy)

Fc2 = 1/2. Vc2 (1,2.Ap)  lực cản hình dáng (liên quan đến lực tác dụng lên bề mặt ướt của kết cấu nổi vuông góc với hướng dòng chảy)

2.2.2.3 Tải trọng sóng

Công trình nổi có chu kỳ dao động riêng lớn, nên rất cần quan tâm tới miền tần số thấp Khi tải trọng sóng là không đổi theo thời gian cần phải tính toán lực trôi dạt do sóng tác động lên công trình

Lực tần số thấp được thể hiện như sau :

21

Hình 2.4 : Thể hiện mối liên hệ giữa các Lực Kết quả nghiên cứu cho thấy:

 Lực trôi dạt tỷ lệ với bình phương chiều cao sóng H

 Khi chiều cao sóng H không đổi, nếu chu kỳ sóng giảm thì lực trôi dạt tăng lên

Qui phạm API đưa ra phương pháp đơn giản tính lực trôi dạt trung bình đối với tàu biển và dàn khoan bán chìm sau đây

 Lực trôi dạt trung bình tác dụng lên cột dàn khoan bán chìm:

trong đó: Cde phụ thuộc vào Ts và

2.2.3 Phân phối lực căng trong dây neo

Các giả thiết của bài toán:

- Kết cấu nổi được neo với số lượng dây neo: chẵn, đối xứng

- Tải trọng tổng cộng của môi trường biển lên kết cấu trùng với một mặt phẳng dây

- Khi chịu tải trọng ngang, cặp dây neo vẫn coi như trong một mặt phẳng sau khi dịch chuyển

- Bỏ qua lực tác động trực tiếp của các yếu tố môi trường biển (sóng, dòng chảy) lên dây neo;

- Bỏ qua biến dạng đàn hồi của dây khi chịu lực;

Các giả thiết này tương đương với việc coi lực ngang tác dụng lên mọi điểm trên chiều dài dây neo là như nhau

N

RT 

T

R

R - phản lực của 1 cặp dây neo trùng với phương tác dụng của lực

N - số lượng đường dây neo

2.2.4 Bài toán một cặp dây

- Bài toán 1 cặp dây: Với F1: dây 1 căng, dây 2 chùng

Với F2: dây 1 chùng, dây 2 căng

=> Xét dây 1 chịu tải trọng F1, sau đó chuyển về bài toán 1 dây (do tính chất đối xứng)

Hình 2.5: Sự làm việc của 1cặp dây neo đối xứng 2.2.5 Tính toán dây neo đơn

 Chiều dài tối thiểu dây neo :

d - khoảng cách từ đáy biển đến lỗ luồn neo/dây neo hoặc điểm liên kết đầu dây neo với kết cấu nổi

- chiều dài tối thiểu của dây neo

T = TA : lực căng của dây neo tại vị trí liên kết dây neo với kết cấu nổi

To- lực ngang tác dụng trong dây neo

1qd

T2d

Lmin  o 

min

L

L â = L + D ữ ữ ( D ữ ữ : là chiều dài an toàn của dây neo )

Hình 2.6 : Chiều dài đường dây neo

 Phương trình đường dây neo là :

o A

 Điểm A di chuyển theo phương nằm ngang:

Hình 2.7 : Trường hợp điểm A dịch chuyển sang phải

Lmi n

B D

 Điểm A dịch chuyển sang bên phải

Dịch sang phải : X > 0, để kết cấu dịch chuyển sang các vị trí khác nhau thì ta sẽ tạo các lực tác dụng lên kết cấu là khác nhau Bằng công thức :

(R + T ự ă ướ ).a = H ( trong đó ta chọn: a > 1) (2.35) Giả định các giá trị : Z

Trạng thái dây căng hoàn toàn xảy ra khi: (2.43)

 Điểm A dịch chuyển sang bên trái

0

A 2 2 0

Hình 2.8 : Trường hợp điểm A dịch chuyển sang trái Dịch chuyển trái : X< 0, để kết cấu dịch chuyển sang trái ở các vị trí khác nhau thì ta điều chỉnh các lực khác nhau lên kết cấu theo công thức sau :

(R + T ự ă ướ ).a = H ( trong đó lấy < 1) (2.44)

Ta tính : X = Arch( d + 1) (2.45)

L = sh( X ) (2.46)

ΔX = X - X - XB-i. (2.48) Hoành độ của điểm sẽ là : , và điểm A dịch chuyển đi một đoạn là : (2.49)

 Điểm A di chuyển theo phương thẳng đứng

 Xét điểm Ao di chuyển xuống phía dưới:





Hình 2.9 : Trường hợp điểm A dịch chuyển xuống dưới theo phương thẳng đứng

Ta chọn : Z-i = 0.0 ; -1 ; -2… đến Z-n= Zmax = L0 - xA0 = L-n (2.50)

Ta tính ZA-i = ZA0 – Z-i (2.51)

XA-i = Arch(ZA-i + 1) (2.52)

Xác định được XA-i Và L-i được xác định theo công thức sau:

Hình 2.10 : Trường hợp điểm A dịch chuyển lên trên theo phương thẳng đứng

- Xét điểm A0 di chuyển đến A1 Để giải quyết bài toán kéo dài dây neo đến điểm B1 có 0

ΔZi = ZAi – ZBi – d (2.61)

Dây căng hoàn toàn khi : ZAn = (L − X ) (2.62)