摘 要

随着海洋石油开采的力度不断加大，自升式钻井平台在近海的油气开采中的运用越来越广泛。本文在CCS规范和参考书的指导下，介绍了60m自升式海洋钻井平台初步的方案设计内容。

整个设计过程以探讨为主，在分析母型平台已有资料的基础上，结合相应的规范和参考书，确定该自升式钻井平台的设计及计算方法。本文内容主要包括参照母型平台来确定平台上钻井装置，桩腿位置，生活平台，起重机和直升机甲板等各个模块的总体布置，然后再综合考虑主尺度的影响因素，确定设计平台的主尺度，接着通过AutoCAD和Excel对平台主体进行了静水力计算。依照规范要求计算了作用在整个平台水上部分的风载荷及作用桩腿上的流载荷和波浪载荷。同时通过百分数法估算了设计平台的空船重量，以及相关要求计算了其可变载荷。最后比较了平台的重力和浮力，满足要求。校核了平台在漂浮状态下的完整稳性及平台在正常作业状态下和极限状况下的站立稳性，结果都满足规范。

关键词：自升式钻井平台；方案设计；载荷计算；稳性校核

Abstract

With the increasing exploration of ocean oil, jack-up drilling platform has been widely used in the offshore oil exploitation and gas production. In this paper, the preliminary design scheme of 60m jack-up drilling platform is introduced under the guidance of CCS Rules and regulations 2005 and reference books.

The design and calculation methods of jack-up drilling platform are discussed in this study based on the relevant Rules, reference books and available data of the parent platform. Drilling equipment, legs’ position, living platform, cranes and helicopter deck are decided with the reference of parent platform. The main dimension of the platform was designed after taking the influence factors of the main dimension into account. Then hydrostatics of the platform is calculated using AutoCAD and Excel techniques. According to the demands of Rules, wind load acting on the platform out of water area and the flow and wave load on the legs are calculated. The light weight of platform is estimated adopting the percentage method and the variable load is computed with the requirements of corresponding books. After adjusting the location of the gravity and buoyancy and balancing them, the intact stability of the floating platform in floating state and the stand stability under normal operation and extreme conditions are checked with satisfactory results.

Key words: jack-up drilling platform; scheme design; load calculation; stability check.

目录

第1章 绪论 1

1.1意义 1

1.2自升式钻井平台的发展及国内外现状 1

1.2.1自升式钻井平台的发展概况 1

1.2.2国外自升式钻井平台发展现状 2

1.2.3国内自升式钻井平台发展现状 2

1.3自升式钻井平台方案设计的内容 3

第2章 理论部分 4

2.1环境载荷 4

2.1.1风载荷计算 4

2.1.2海流载荷 6

2.1.3波浪载荷 6

2.2静水力计算 8

2.2.1排水量 8

2.2.2漂心坐标 8

2.2.3浮心坐标 9

2.2.4水线面对坐标轴Ox和Oy的面积惯性矩 9

2.2.5稳心半径 9

2.3稳性计算 10

2.3.1完整稳性 10

2.3.2站立稳性 12

第3章 自升式钻井平台的方案设计 14

3.1平台形式 14

3.2主尺度要素的确定 14

3.2.1主尺度要素 14

3.2.2主尺度要素的确定 15

3.3最小干舷计算 17

3.3.1方形系数 17

3.3.2最小干舷的计算 17

3.4平台总体布置 19

3.4.1概述 19

3.4.2总体布置 19

3.5静水力的计算 20

3.6自升式平台重量与重心的估算 23

3.6.1概述 23

3.6.2重量重心的估算 23

第4章 自升式钻井平台稳性校核 26

4.1完整稳性计算 26

4.1.1坐标系 26

4.1.2完整稳性计算工况 26

4.1.3.完整稳性的一般准则 27

4.1.4 拖航移航状态下的稳性计算 27

4.2站立稳性 31

4.2.1载荷计算 31

4.2.2.抗倾稳性 33

4.2.3抗滑稳性 34

第5章 结论 36

致谢 37

参考文献 38

第1章 绪论

1.1意义

21世纪是海洋的时代，海洋中有大量的氯、钠、镁、钾等化学元素、丰富的水产品和藻类资源以及潮汐能、波浪能、河流能等海洋动力资源，还有海上油气，可燃冰等油气资源。随着全球人口的不断膨胀，环境日益恶劣，陆地上的资源和能量被消耗殆尽，社会生存压力愈加剧烈。为了缓解危机，世界沿海各国都将目光集中在占地球表面积71%的海洋上，积极开发海洋资源。在海洋油气勘探和开发阶段，自升式钻井平台起到了重要的作用。旧的自升式钻井平台的老化，海洋开发力度的加大，同时一些投资公司也在国际船舶建造市场低迷而海洋油气勘探开发火爆之时，大力投资建造钻井平台，新的自升式钻井平台的需求不断增加。自升式钻井平台具有建造投资大，周期长，风险高等的特点，在很大程度上，方案设计的成功与否关系了其是否能够成功建造，该阶段的设计往往需要根据船东的要求、市场的实际需求和未来长远的发展规划来选择最优方案，是一个复杂而困难的工作。因此，对自升式钻井平台方案设计的研究，对最优方案决定的方法的研究，为实现方案的快速生成有着重要的理论意义和实用价值^[1]。

1.2自升式钻井平台的发展及国内外现状

1.2.1自升式钻井平台的发展概况

从1956开始，世界上第一座三腿自升式钻井平台“天蝎号”在美国墨西哥湾钻探了第一口井，到现在全球自升式平台的发展经历了几次高峰期。第一次高峰是在1973-1983年间，经历两次石油危机之后，资本开始大量流入海上油气开发，在这10年间，全世界就建造了300多座自升式钻井平台。随着全球油气的大量开采，之后的20年，油价维持不变，导致油气开发利润下降，海上平台的发展进入了低迷期。2003年，世界局势变化，中国、印度的经济开始快速发展，日本经济也开始复苏，全球油价上涨，海上油气开发迎来了发展高峰期，船厂都在开工建造自升式钻井平台，2004－2008年底，全球已建与在建的深水自升式平台达117座。在2008年经济危机的寒冬下，经济萎缩，需求减少，自升式钻井平台的发展也笼罩在寒冬之下。而如今世界各国经济持续稳定的增长，各行各业都在缓慢的恢复元气。到2014年，据RIGZONE统计，截至1月全球共有1 102座钻井平台，其中自升式平台637座，占海上钻井平台的58%^[2]。在国家振兴海洋工程，打造海洋强国的政策指导下，国内的自升式海洋钻井平台订单数量回升，保持稳定发展的态势^[3]。

1.2.2国外自升式钻井平台发展现状

在设计上方面，欧美国家在海上平台设计领域占有绝对的垄断地位，而且关键设备的制造也是由欧美国家的企业完全垄断^[4]。国外自升式钻井平台设计公司主要有美国的LeTourneau 公司、Baker Marine 公司 ( 现被 PPL 收购) 、Friede amp;Goldman 公司、BASS 与 BMC 公司，荷兰的 MSC 公司，法国的 NOV-BLM 公司、CFEM公司、KEPPEL 公司以及日本的三井海洋开发与HitachiZosen 公司等^[5]。

在制造方面，钻井平台的制造基本上集中在亚洲，从制造水平上看，韩国第一，中国第二，新加坡紧随其后。但韩国占据高端，中国以中低端为主。韩国的订单以高技术含量、高附加值的深水装备为主，主要集中在浮式钻井平台和浮式生产平台，而中国主要集中在近海钻井平台的建造，在深水平台的建造关键技术和设备主要依赖进口。

1.2.3国内自升式钻井平台发展现状

从设计上看，整体比较薄弱，对于前期概念设计和基础设计大部分都需要从国外购买，主要集中在详细设计和施工设计上^[4]。我国首个自主设计建造的“渤海1号”由1967年708所完成设计，并在1972年交给大连船厂建造^[6]，以及之后“渤海5号”、超浅吃水自升式钻井平台“港海1号”、50 m圆柱桩腿自升式钻井平台^[7]、第一座齿轮齿条升降的自升式钻井平台“中油海5”以及后来建造的同类型“中油海6”、“中油海7”、“中油海8”等^[8]都表明我国在自升式钻井平台的设计方面具有自主设计的能力。但是目前国内最具有国际先进水平的“海洋石油 941”和“海洋石油 942” “海洋石油 944”自升式钻井平台^[9]，均是由Friede amp; Goldman 公司设计的JU2000 型。“海洋石油944”虽然有多项平台技术在国内甚至全球是领先的，但我国在自升式钻井平台自主设计方面能力依然不足，未能满足自身的社会需要。从制造上看，我国企业已经能够承建系列的的自升式钻井平台的建造，如在 2014 年自主建造的三座 400英尺自升式钻井平台“勘探者五号”、“中油海 16”和“勘探者六号”^[10]，以及上述的中海油号和海洋石油号都是在国内建造安装的，说明我国在自升式平台的建造和海工装备制造上，有一定的基础，但对于一些关键设备仍需要进口，大大限制了我国海工制造业的发展。