1.课题研究背景及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究意义背景及意义

随着世界经济的迅猛发展，能源的消耗速率呈指数倍上升，而石油天然气仍是当今世界的主要能源。当今世界的石油储蓄量迅速减少，陆上石油紧缺问题日益突出。据预测，全球陆地上的石油资源仅可以开采30到80年。进入二十一世纪以来，随着各国发展对石油的依赖性，石油需求快速增加，世界已经进入了石油匮乏时代，也就是所谓的“后石油时代”。据统计，全球海洋石油储存量约为1000万亿多吨，其中已经探明的为380亿吨。因此，我们必须要向海洋进军，大力开发海洋的油气能源^[1]。

而随着我国对深水海域的探索以及工作范围的增加，坐底式平台越来越无法满足现在的要求，于是自升式平台便发展了起来。自升式钻井平台是由一个驳船形船体和数个可升降的桩腿组成的，可升降的桩腿可将船体上升到海面上一定高度，并能支撑钻井平台的作业，它既可以升降船体，也可以升降桩腿^[2]。自升式钻井平台属于海上移动式平台，具有优良的定位能力和作业稳定性，可适用与不同的海底土壤环境下，一般在250至300英尺水深中适用，具有较大的水深范围，而且有着灵活的移动能力，便于建造，因而在现阶段的海洋平台建造中，自升式钻井平台处于主导地位。

1.2国内外研究现状

1.2.1自升式钻井平台的历史概况

1956年世界上第一座三腿自升式钻井平台“天蝎号”在墨西哥湾为美国Standard标准石油公司钻探了第一口井。历经半个多世纪的发展，自升式平台已占海上4种主要可移动钻井平台的60%，其他3种是半潜式、钻井船及坐底式。

岸外海事业历经几次高峰期。上一次高峰期是在1970年代末期到1980年代初期。1973年-1974年，第四次中东战争爆发，欧佩克为制裁西方，联手削减石油出口量，国际油价飘升，产生第一次石油危机。1979年-1980年，爆发伊朗革命，随后二伊开战，石油日产量锐减油价骤升，产生第二次石油危机。两次石油危机，促使大量资金投入岸外海事业，掀起一股发掘新油田和钻油的热潮。1973年至1983年十年间，全世界共建造了近300座自升式平台，平台总数增至近400座。其后20年间，国际油价维持在每桶18美元左右，接近当时海洋石油开发的成本价。自1984年起，岸外海事业经历了长达20年的低迷期，大量平台被废弃在墨西哥湾岸边。至1990年代末，全世界82家建造钻井平台的船厂有74家关闭，只剩8家营运。其中，中、美及前苏联各1家，新加坡2家，韩国3家。

2004年，岸外海事业开始了新一轮的高峰期。中、印经济起飞，日本经济复苏，美国及亚洲新兴市场的强劲需求，诸多因素促使油价高涨。自升式平台的设计年限一般是20年，经过翻新可使用30年。到 2012年，全球有多达77%的自升式平台运作将长达30年，其中一些已经无法翻新或有效地采纳先进科技，必须由新的取代。和1980年代高峰期不同的是，目前海事业面对的是全球船厂产能吃紧的问题。随着钻油平台的逐年陈旧，加上市场对更先进、效率更高的设备需求增加，海事行业前景较为乐观。近年来建造的自升式平台，大部分是能在106.7m（350ft)水深处工作的深水自升式平台^[3]。

1.2.2国外自升式钻井平台研究发展状况

目前，全球主要海洋工程装备商集中在新加坡、韩国、美国及欧洲部分国家。其中，新加坡和韩国以建造技术较为成熟的中、浅水域平台为主，目前正在向深水高科技平台的研发、建造方向发展；美国、欧洲国家则以研发、建造深水、超深水高技术平台装备为核心^[4]。其中，美国的LeTourneau公司、Friedeamp;Goldman(Famp;G)公司以及荷兰的GUSTO MSC公司等垄断着自升式钻井平台升降装置市场，且产品均己系列化^[5]。美国的LeTourneau公司是自升式钻井平台设计的先驱，全世界1/3的自升式平台是LeTourneau的型号，“116-C”型号共建造了39艘。荷兰的MSC公司设计了一系列自升式钻井平台，工作于超恶劣海况的海域，例如挪威北海与加拿大东海岸。20世纪80年代初，美国的Famp;G公司首次申请了齿条锁定系统(Rack Chock Fixation System)专利，这一创新使得自升式钻井平台能够进入更深与更恶劣海况的海域工作。Famp;G从80年代初推出了L-780系列自升式钻井平台取得了很大的成功，共建造了39艘。三井海洋开发、Hitachi Zosen和CFEM在最近20多年，既没有新型号平台推出，也没有老型号平台的再建^[6]。

国外的一些学者也对海洋平台做出了或整体或局部的研究，这些研究有助于推进海洋平台行业的进步，并为其他设计提供了借鉴。

Ionel Chirica^[7]等人在2015年对自升式平台的翻新提出了一套设计解决方案，主要对翻新时候的结构问题进行了一系列探讨。Jalal Mirzadeh^[8]等人在2016年研究了典型自升式钻井平台在的不定常、非线性波的极端海况下的动态分析。

1.2.3国内自升式钻井平台研究发展状况

相比较，我国受自身工业基础的限制，从事海洋油气勘探开发的时间相对较短。我国海洋石油勘探工作起源于20世纪60年代，1966年建造了第1座固定式钻井平台，1972年制造了第1座自升式钻井平台“渤海一号”，1974年，第1条钻井船“勘探一号”在南黄海试验成功，1978年则建造了第1艘浅海坐底式钻井船“胜利一号”并在莱州湾投入使用，直到20世纪80年代中期，国内第1座半潜式钻井平台“勘探三号”正式建成以后，我国才开始在海洋平台的建造方面有了长足进展。截至2005年，我国共有移动式钻采平台46座，海洋采油平台19座，中国海洋石油总公司拥有其中的大部分设备，中石油集团有1座自升式钻井平台(移动式)和1座导管架平台(固定式)，它们只能在滩海和极浅水域作业;中石化则拥有8座钻井平台，其中3座坐底式，5座自升式。但随着前几年石油价格的一路攀升及我国对海洋钻探工作力度的迅速加大，2006年以来，我国在海洋平台建造方面的发展速度有了惊人变化，短短几年内，国内建造的平台数量以自升式为主，并得到了快速增加，增加数量在30台左右，这为今后我国能够更好地从事海上作业打下了良好基础^[9]。

我国三大石油集团2010年拥有的中深水桁架腿自升式钻井平台共计25座(包括在建8座)。其中6座平台役龄已超过20年，“勘探2号”、“渤海4号”和“COSL 935”役龄甚至已超过30年。虽然很多平台已作改造，但仅更换部分设备和改善生活设施，性能上没有大的改变。现有中深水桁架腿自升式钻井平台远远满足不了我国海洋石油勘探开发的需要^[10]。

我国海洋油气勘探开发从20世纪60年代起步于渤海湾，逐步走向黄海南部、东海、南海，逐渐向更深海域探索^[11]。

近年来，关于自升式海洋平台总体以及局部研究有了很大的进展，例如：

Zili Wang^[12]等在2016年对横向穿孔的自升式平台的T型接口进行了实验和数值模拟。Huixia Zhang^[13]等在2014年做了基于波浪数值模拟的平台振动特性研究。崔希君^[14]在2016年介绍了50 m圆柱桩腿自升式钻井平台的总体设计和关键技术，包括船型优化、总体布置和主要设备配置，其关键技术为桩腿长度设计和布置优化、悬臂梁尺度优化及桩靴型式优化。陈忠明^[15]等在2015年做了自升式钻井平台悬臂梁及钻台称重试验研究。文章以某作业水深为91.44 m(300ft)的自升式钻井平台为例，对悬臂梁及钻台进行海上整体称重试验的方法、实施过程及作业风险进行了研究。试验结果表明，相对于传统方法，文章所论述的海上整体称重方法可以更加准确地测量平台建造完工后悬臂梁和钻台的重量、重心。

1.3自升式钻井平台的技术方向

1.3.1桩腿技术

随着水深的增加，桩腿受力也在急剧增加，加上波浪载荷的作用，对桩腿和船体的抗倾覆性有了一定的要求。

桩腿的数目一般有三条、四条。其中三条是保持平台不倾覆的最少要求，三桩腿比四桩腿有更好的经济性，但是如果其中一条桩腿失去作用，三条桩腿便失去稳性，平台将无法工作。

桩腿的结构一般分为壳体式和桁架式。壳体式由钢板焊接成封闭结构。桁架式是由斜撑杆、水平撑杆、弦杆组成。壳体式一般在近海作业，随着水深的增加，桩推受力和波浪载荷急剧增加，桁架式更适合使用。

1.3.2悬臂梁技术

早期的自升式钻井平台的钻井只能在甲板面小范围移动，随着悬臂梁的出现，自升式钻井平台的作业能力大大增加，此时可在甲板平台进行钻井、修井作业，一次性的钻井数量也大大超过原来的数量。

悬臂梁既能用来打井，钻井，另一方面由于钻台的灵活性，可以沿横向，纵向移动，减少了钻井平台的移动，使桩腿和桩靴的使用寿命延长。因此悬臂梁也是设计中非常重要的一步。

1.3.3环境载荷的计算

自升式钻井平台在近海作业时，主要受风、浪、流载荷的作用。波浪载荷对平台的极限强度、疲劳强度、振动都有很大的影响。在进行平台极限强度计算时，为了减小误差，获得更高的精度，以及满足相关设计规范要求，一般采用五阶斯托克斯波浪理论进行求解。有时甚至采用十一阶斯托克斯波浪理论进行计算。所以采用不同的波浪理论计算对整个自升式钻井平台的研究具有一定的研究价值

在进行波浪对桩腿作用力计算时，工程上通常根据规范采用莫里森方程进行计算。莫里森方程中关于水动力系数的确定比较关键。水动力系数包括阻力系数和惯性力系数等。水动力系数的确定是由经验公式或相关物模试验得到的，非常复杂。因此，系数的精确计算是个难点。对于圆形构件，阻力系数一般0.6-1.0，惯性力系数一般1.8-2.0之间选择^[16]。

2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究(设计）的基本内容

1.进行毕业设计调查，完成开题报告。

2.主尺度设计及静水力计算:

1)按母型平台改造，或自行设计等方法,进行主体外形设计；

2)进行静水力计算，提交计算数据。

3.总布置设计：按母型平台改造，或自行设计等方法,完成设计平台总布置图纸，至少包括平台总布置侧视图。

4.性能校核

1)完整稳性计算：漂浮状态下。按法规要求进行计算。

2)抗倾性计算：站立状态下。按法规要求进行计算。

3)抗滑能力计算：站立状态下。按法规要求进行计算。

5.编写设计报告，字数要求不低于1万字；所涉及参考文献不低于12篇，其中外文文献不少于2篇。

6.设计图纸：折合不少于5张2A图纸设绘工作量。

7.外文阅读与翻译

1)阅读有关文献（至少近5年2篇）。

2)翻译与设计任务有关的文章，其中英译汉字符达2-3万，汉译英字符达5千。

2.2研究（设计）的目标

1.型式

本海洋平台为自升式、三桩腿式、悬臂梁钻井平台。

2.船级和规范

平台按CCS有关规范入级、设计和建造。

3.设计条件

1)平台长度72米。

2)工作水深：106m。

3)设计极限海况：风速51.5m/s,浪高18m，潮流1.544m/s。

4)作业状态海况：风速18m/s，浪高5m，潮流1.544m/s，潮差5m。

4.设备

钻探设备、机电设备、悬臂梁滑移系统、锚泊设备、升降系统、起重设备、消防救生设备，至少选择其一，由设计者按设计要求、根据规范要求及实际需要配置。

5.定员

定员120人，及其配套生活设施。

2.3技术方案：

1)通过查阅资料，将各种设计方案进行对比；

2)按照工作水域的水文，气候条件以及工作要求等规定，初步确定平台的主尺度；

3)将设计好的平台进行总布置的划分，并确定平台各个部分的重量及重心高度，为下一步做准备；

4)对初步设计好的平台进行计算，包括静水力、稳性、抗倾能力、抗滑能力等，将计算好的数据与规范所要求的数据进行校核；

5)对不满足规范要求的设计通过修改主尺度来进行调整，以确保其满足性能要求。

3.进度安排

4.参考文献

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[16]蒋晓宁.自升式海洋钻探平台开发设计研究[D].大连:大连海洋大学， 2015.