摘 要

随着陆地资源的逐渐枯竭，作为海上开采石油气的主要设备，自升式钻井平台在现在甚至未来都有着十分重要的地位。本文在中国船级社《海上移动平台入级与建造规范（2012）》和课本等指导书下，对“013”自升式平台进行初步设计和初步校核。

本文共有五个章节，主要分为平台方案的初步设计和性能的计算以及校核。第一步，查找母型平台的尺寸资料，根据所给任务书选取适当的母型平台，按尺寸比例得出设计平台的主尺度；第二步，参考母型平台的布置图和总布置设计，对设计平台进行总布置设计，并进行设计平台重心重量的估算，最后通过图表计算得出静水力性能。第三步，根据规范、公约和课本知识，对平台多个性能进行计算，并进行初步校核，主要包括干舷校核的稳性校核。最后得出校核结果满足要求，则说明平台设计是合理的。

关键词：设计平台；总布置；海洋载荷；稳性校核

Abstract

With the gradual exhaustion of land resources, jack-up drilling platforms, as the main equipment for offshore oil and gas exploitation, are playing a very important role now and even in the future. In this paper, the "013" jack-up platform is preliminarily designed and checked under the guidance of the classification and construction code for offshore mobile platforms (2012) and textbooks issued by China classification society.

There are five chapters in this paper, which are mainly divided into the preliminary design of the platform scheme and the calculation and verification of the performance. The first step is to find the size information of the mother platform, select the appropriate mother platform according to the given specification, and get the main scale of the design platform according to the size proportion. In the second step, the general layout design of the design platform is carried out by referring to the layout diagram and general layout design of the master platform, and the weight of the center of gravity of the design platform is estimated. Finally, the hydrostatic performance is calculated through the figure. The third step is to calculate and preliminarily check the performance of multiple platforms according to the specifications, conventions and textbook knowledge, mainly including the stability check of freeboard check. Finally, the results of the verification meet the requirements, indicating that the platform design is reasonable.

Key words : Design platform; The layout; Ocean load; Stability checking

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外的研究现状 1

1.2.1自升式钻井平台的发展历史 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 3

第二章 “013”自升式平台初步方案设计 4

2.1平台设计的形式 4

2.2主尺度的确定 4

2.2.1主尺度的定义 4

2.2.2主尺度的确定 4

2.3平台的总体布置 9

2.4重量和重心位置计算 9

2.4.1空平台重量的计算 9

2.4.2可变载荷计算 12

2.4.3重心位置的计算 14

2.5静水力要素 14

2.5.1建立坐标系 14

2.5.2 计算静水力的方法 15

2.5.3静水力的计算结果 16

第三章 海洋环境载荷计算 19

3.1环境载荷参数 19

3.2风载荷 19

3.2.1计算的方法 19

3.2.2风载荷的计算结果 22

3.3波浪载荷 27

3.3.1计算的方法 27

3.3.2波浪载荷的计算结果 29

3.4海流载荷 31

3.4.1计算的方法 31

3.4.2海流载荷的计算结果 32

第四章 平台的性能计算与校核 33

4.1平台最小干舷的校核 33

4.1.1基本干舷值 33

4.1.2长度修正值 34

4.1.3方形系数修正值 34

4.1.4型深修正值 34

4.1.5上层建筑的修正值 34

4.1.6舷弧修正值 35

4.2完整稳性的校核 36

4.2.1坐标系 36

4.2.2一般完整稳性准则 36

4.2.3初稳性 37

4.2.4动稳性 38

4.3站立稳性的校核 41

4.3.1一般站立稳性准则 41

4.3.2抗倾稳性 42

4.3.3抗滑稳性 44

第五章 总结 47

参考文献 48

第一章 绪论

1.1研究背景

虽然现在是信息高速发展的时代，但我国的工业发展依然占有很多地位，然而我国内陆石油资源储量却在逐年枯竭，导致与之相关的产业受到严重影响，纷纷进行石油进口。我国是一个典型的陆地石油矿产资源十分匮乏的国家之一，在我国，几乎达到80%的石油资源已被开采殆尽，呈现逐渐减少的态势，特别是在发展较快的东部地区更为明显。近些年来，我国政府出台很多政策去大力发展西部，但因为各种原因，效果并不好，没有缓解目前的形势。但是，我国虽然现在是内陆资源匮乏，海洋资源却是十分丰富的。如果能很好的开发利用起来我国的海洋石油资源，这就可以很好的弥补现在内陆资源枯竭的现状。从我国国土面积来看，我国有着将近320万km² 的海域面积和将近140万km²的近海大陆架，在这里面，大约含有240亿吨的石油矿产资源和超过15万亿m³的天然气资源。从这几个数据就可看出，储量是十分充足的。如果能够很好的开发利用起来，这不仅仅能缓解石油枯竭的现状，还能更好的带动相关产业的进一步发展，将是一个巨大的良好的连锁反应。^[1]。要想做到很快的开采开发利用海洋石油气资源，那么海洋钻井平台的发展、技术的改进就势在必行了。^[2]。

而随着对深海领域的进一步探索，原来采用的坐底式钻井平台已然无法满足现在形势的要求，所以发展起了我们要研究的自升式钻进平台。自升式钻井平台，是指站立于海床上，利用桩腿来进行船壳承托、作业面下伸来进行海洋探测的平台，在桩腿的控制下，海平面与船壳之间一般有着较大的距离。平台的主体部分有对设备和开采的石油的承载作用。从桩腿的数量来看，可以分为两种形式（三腿式、四腿式）^[3]。而在形式上，桩腿又有壳体和桁架两种，壳体式有圆柱形状的和方柱形状的，这种桩腿一般只能用于65米左右的水深，超过70米可能无法进行作业，这种情况下就得采用桁架式桩腿了。平台到达指定位置后，开始下放桩腿，下放到海底支撑起整个平台；平台开始作业时，通过悬臂梁来配合钻井设备进行勘测与开采。自升式钻井平台的各个构件间一般不是固定的，是可以进行配合伸展的，适应性强，所以现在很大部分都会采用的自升式钻进平台^[4]。

1.2国内外的研究现状

1.2.1自升式钻井平台的发展历史

早在1869 年，自升式钻井平台的技术专利就被美国人Samuel Lewis申请成功，但是虽然专利申请了，由于科技发展的缓慢，一直到1954才建造世界上第一座自升式平台“德隆1号”。该平台作为最原始的自升式平台，装配了10条桩腿才能保证支撑起平台，其采用的升降系统也是有由L.B.德隆本人设计的。随着第一座自升式平台的建造完工，自升式平台的发展也进入了较快的发展时期。仅仅6个月后,第一座采用沉垫来加强支撑的自升式钻井平台由Bethlehem公司设计并建造完工。到了1956年，第一座采用三桩腿来支撑主船体的自升式钻井平台建造完成，并开始交付使，三桩腿式的平台是现在也在使用的形式。由这座由美国发明家R.G.Le Tourneau^[5]设计三桩腿平台“天蝎号”在前美国总统乔治.布什的赞同下大胆采用了自己创新的升降系统，并收获了很好的效果，成为了现在自升式平台的雏形模板。1963年1966年，两座新型钻井平台（一座是斜桩腿式，一座是自航式）由目前全球最大的钻井平台承包商Transocean Inc^[6]自主设计并建造完工。

从第一座自升式钻井平台的诞生到2003年，经过了50年的发展，设计和建造自升式平台的技术已经达到了一定的水平，再加上材料的更新，2003年建成自升式钻井平台已经能达到在墨西哥湾作业深度达168米的历史新高水深。据统计，截至2003年，全球的自升式钻井平台已经达到400座左右，发展十分迅速^[7]。

1.2.2国外自升式钻井平台发展现状

这些年的发展，国外虽然涌现出不少设计自升式钻井平台的公司，但是真正具有绝对领先地位的还是只有美国的LeTourneau 公司（“天蝎号”建造公司）、Friede＆Goldman^[8]公司，荷兰的 MSC 公司，法国的CFEM公司以及日本的三井海洋开发与HitachiZosen 公司等^[9]。这些公司在多年的发展下，慢慢成熟，形成了自己独有的一套体系，拥有其他很多公司无法相比的底蕴，并且还在进一步引领着世界关于自升式钻井平台的发展。这其中，美国的Le Tourneau公司又是其中最大最强的公司，可以说是自升式平台设计发展的先驱。目前，世界大概三分之一的自升式钻井平台是由它设计建造或采用其设计技术的（这其中只包括在服役的，仍在建造的很多也是采用设计技术）。美国的另一家公司FRIEDE＆GOLDMAN公司在上世纪80年代申请了作业水深最高可以达到300英尺甚至以上的自升式钻井平台升级系统专利，这项专利技术无论是对当时还是现在，都是非常新建的技术，也让自升式钻井平台勘测和开采达到了一个新的台阶。这项技术，让自升式平台能更好的去适应不同海域环境，一般情况下不用去担心桩腿无法到达海底的问题的。他们自己推出的两座具有代表意义的自升式钻井平台获得了全球的普遍认可，特别是这个JU2000E型^[10]400英尺自升式平台，几乎包办了全球400英尺作业水深的所有市场^[11]。而荷兰的Gusto MSC^[12]公司，由于国家所在地的问题，他们开发出了自己设计的并适用自己国家周围海域的CJ系列自升式钻井平台，这个系列同样具有很有优势的技术特点^[13]。

1.2.3国内自升式钻井平台发展现状

相比较下，我国受到自身工业发展薄弱的影响，对于海洋石油气探测时间较短，直接导致了我国在设计建造自升式平台这方面落后了国外大概20年左右。一直到1967年到1972年，第一座由我国自主设计的自升式钻井平台“渤海一号”^[14]才建造完成。第一座平台建造完成时间比国外慢了10多年，但技术也依然达不到国外的技术。这座自升式钻井平台依然采用的是四桩腿的形式，作业水深也仅仅只能达到30米左右，远远不如国外的平台。但是从第一座平台建造完成后，我国的自升式钻井平台技术得到重视并渐渐进入发展。到了1983年，同样由大连造船厂建造完成的两座由我国自主设计完成的自升式钻井平台作业水深最高可达40米，虽然作业水深依然很小，只是处于浅海领域的平台，但整个平台的设计技术和建造技术已经达到成熟。这两座平台的主船体不大，都只有76米长，而且主船体上的钻井设备也是从国外进口的，钻井深度最大已经能达到6000多米，这算是在我国自升式钻井平台历史上的一大进步，而且这两座钻井平台都是同时具有中国和挪威船级社双重船级^[15]。

　　往后的时间里，我国逐渐发展起来中深型的自升式钻井平台，作业水深达到70米以上后，基本都是采用的桁架式桩腿。据统计，截至到2016年，我国的中深水式自升式钻井平台已经接近40座，虽然是包括在建的，但也可看出现阶段的发展速度还是很高的。这其中，已有6座自升式平台已经为国钻井超过了20年，还有的已经超过了30年。虽然这些年对这几座平台不断进行过改造，但是并没有提升其性能。随着时代的发展，石油的需求量越来越大，40座平台的数量已经无法满足我国的需求了，所以我国仍需要加大发展的速度，设计建造出比现有的“海洋石油 941”和“海洋石油 942”（这两座是国内目前最好的平台，属于国外进口的产品，一次最多能达到定位并钻井30多口^[16]。）更好的自升式钻井平台。

第二章 “013”自升式平台初步方案设计

2.1平台设计的形式

该设计平台为非自航移动的自升式悬臂梁钻井平台，其一般作业与南海水域，最高作业水深可达100m，是属于中水深度的钻井平台。平台采用三角式形状，拥有三根桩腿用于固定支撑平台主体和勘测钻井。

该平台主体主体部分分为工作区、娱乐区和居住区，能容纳90人居住。

2.2主尺度的确定

2.2.1主尺度的定义

1.平台长度L

L：在平台0.85D处，沿平台中纵剖面上首壳板内缘到尾壳板内缘之间的水平距离，不考虑井口槽的影响^[17]。

2.平台宽度B

B：在垂直于平台的纵剖面处所量得的平台两侧舷壳板内侧间的最大水平距离^[17]。

3.型深D

D：在平台长度方向的中点处，舷侧基线到干舷甲板的下缘的垂直距离^[17]。

4.吃水d

d:平台基线到勘划载重线的垂直高度。平台上的结构和机械设备上的某些构件或部件可以沿伸到基线以下的位置^[17]。

5.水深H

H：海底面到平均低水位的海平面间的垂直距离，再加上天文潮潮高和风暴潮潮高^[17]。

2.2.2主尺度的确定

根据课本所学知识，采用母型改造法来确定设计平台的主尺度，即用母型平台的主尺度数据按照已知尺寸的比例进行换算来得到设计平台的主尺度。以下设计是以“渤海”4号Bray-300型作为母型平台，具体数值如下：

表2-1母型平台主尺度值

根据母型平台，我们需要确定的主尺度及方法如下：

1. 该平台的主体长度L=64m以及最大作业水深100m在老师所给的任务书中已给出，所以这里可以直接得到。
2. 因为该设计平台的主体长度与所选的母型平台主体长度只相差了1m左右，相差很小，所以选择与母型平台一样的方形系数。
3. 计算桩腿总长，需要根据下面（2-1）公式来计算，而其中计算需要用的的数据都会根据母型平台的数据按照一定尺寸比例得到或者直接选择和母型平台一样的数据。
4. 该设计平台的桩腿总长是插桩深度、作业水深、波高、空气间隙、型深、升降室高度和一定长度余量的总和。
5. 计算桩腿总长，公式如下：

其中各项为：

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