第七章 半潜式海洋钻井平台

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐第七章半潜式海洋钻井平台第五章半潜式海洋钻井平台

第一节半潜式钻井平台简介

一、半潜式平台应用背景

辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，其中油气资源的开辟是海洋资源开辟的重要组成部分。海洋的平均水深为3730米，其中90%以上海洋面积的水深在200米至6000米之间，74%以上的水深在3000米到6000米间，而目前已探明的海洋石油储量80%以上在水深500米以内，所以有大量的海域面积还有待勘探。随着世界油气需求的增加，陆上及近海常规水深的开辟已趋饱和，海底油气的开采向深水域（水深450-1500米）和超深水域（水深1500米以上）进展。

随着水深的增加，传统的导管架和重力式等平台由于自重和成本的大幅度增大而别适合深水开辟，所以适合于深海作业的钻采生产系统成为了研究的热点。近几十年来，由于墨西哥湾、巴西、西非、北海等深水油气的别断开辟，涌现出多种适于深海油气钻采生产的平台型式：张力腿平台（TLP）、Spar、半潜式平台（Semisubmersible）等，其外形及对照如下：

半潜式平台又称立柱稳定式平台（StableColumnPlatform），是浮式海洋平台的一种常见类型。

半潜式平台由平台主体、立柱（Column）、下体（SubmergedBody）或浮箱

（BuoyancyTank）组成，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台之间通常布置一些支撑连接。平台上设有钻井机械设备、器材和日子舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波纹的冲击；下体或浮箱提供要紧浮力，沉没于水下以减少波纹的干扰力（当波长和平台长度处于某些比值时，立柱和浮体上的波纹作用力能互相抵消,从而使作用在平台上的作用力非常小，理论上甚至能够等于零）；平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，使得它具有较大的固有周期，别大也许和波谱的要紧成分波发生共振，达到减小运动响应的目的；立柱与立柱之间相隔适当的距离，以保证平台的稳定。因而，半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率、易于改造并具备钻井、修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。

二、半潜式平台结构

半潜式钻井平台的类型有多种，其要紧差不在于水下浮体的式样和数目。按下体的式样，其大体上可分为浮箱式和下体式两类。

浮箱式普通将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一具下体，成为浮箱（BuoyancyTank）。浮箱的剖面通常有圆形、矩形、靴形。浮箱的数目，亦立柱的数目，有三个、四个、五个别等。

下体式普通分为双下体和四下体两种，其中最常见的为双下体式。半潜式平台下体皆沿纵向对称地布置于平台的左右。其横剖面形状可为圆形、矩形或四隅呈圆弧的矩形。为了减小平台移航时的水阻力，下体的首尾封头可做成流线型。

1、平台主体结构

平台主体是由甲板、围壁以及若干纵向和横向舱壁组成的空间箱形结构。其甲板能够有几层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。平台主体应具有储备浮力，即要求平台主体为水密或具有一定的水密性。平台主体能够是一具整体的箱型结构，也能够是若干个纵横箱结构的组合体，如“田”字形、“井”字形、“△”字形。

“勘探3号”的平台由主甲板、上甲板、前后和内外侧板、纵横框架和纵横骨架及相应内围壁组成，平台内挖掉四个慷慨孔，故实际可视为若干个箱型剖面

组成的“田”字形平台。结构采纳纵横混合骨架形式，每个区域内主向梁的方向别同，并且垂直于主向梁长度方向内设距离别等的强框架，所有要紧侧壁骨架都采纳水平布置，所有内壁均采纳垂向扶强材。

2、半潜式平台立柱结构

半潜式平台立柱从外形能够分为圆立柱和方立柱、等截面立柱和变截面立柱。立柱大多数为等截面圆立柱，有少数为方柱。

半潜式平台立柱从立柱的粗细上可分为起稳定作用的粗立柱和只起支撑作用的细立柱。

半潜式平台的立柱普通由外壳、垂向扶强材、水平桁材、水密平台、非水密平台、水密通道围壁和水密舱所组成。半潜式平台立柱结构要紧可分为一般构架结构、交替构架结构、纵横隔板式结构、环筋桁架式结构等。

（1）一般构架结构

这种构建普通由纵筋（VerticalColumn）与环筋（InterconnectingMembers）组成，由于纵向力较大，普通纵筋与环筋相交处纵筋延续。

（2）交替构架结构

1）纵向交替式。这种构架由小尺寸的一般纵筋、大截面尺寸的强纵筋及（隔几档布置）强环筋（肋骨）组成，如此强纵筋与强环筋互相支持组成强构件，作为与之相交的弱构件支座，能够使弱构件的尺寸减小。

2）横向交替式。横向环筋布置中，每隔3档～5档一般环筋布置一档强环筋，以增加横向刚度。

（3）纵横隔板式结构

这种结构特点是用纵、横向隔板普通是两块正交布置或布置成一具封闭通道，隔板普通开有减轻孔（LighteningHole），或者用横向隔板代替横向加强筋，横向隔板有水密的或非水密的，隔板也需要布置加强筋。

（4）环筋桁架式结构

这种结构由环筋与桁架组成。较大直径的立柱，除了有纵筋、环筋，中间还布置空间桁架结构，桁架与立柱壳板中的纵横加强筋相连组成一整体空间桁架。

3、下体或浮箱结构

（1）浮箱结构

浮箱式普通将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一具浮箱。浮箱的剖面有圆形、矩形、靴形，彼此互别相连。三角形半潜式平台和五角形半潜式平台用的较多。

浮箱要紧承受身边海水静水压力、立柱传来的平台的重力以及风浪流作用下的弯矩。

浮箱结构形式普通由外形形状及强度确定。圆形及矩形浮箱上部平面板架由板和正交布置的或圆心辐射布置的水平型材组成；四身边壁采纳环形水平型材与垂直型材一起布置；底部型材普通与浮箱上部型材布置尽量位置一致。底部结构有单底及双底结构两种形式。浮箱与立柱间的连接部位需要承受较大的载荷，所以该处结构需要特殊加强。普通立柱延伸到浮箱的底部，浮箱与立柱延伸部分之间用正交的纵横舱壁或桁架牢固连接。立柱也可与甲板正交，甲板与立柱间设肘板，立柱下部需要板或型材加强。

（2）下浮体结构

下浮体结构普通有平行浮体与组合浮体两种形式。平行浮体多为两个平行浮体式，也有四个或多个平行浮体。下浮体结构算是由若干个总横舱壁以外壳板架组成水密壳体。结构设计需要保证其解雇的水密性和强度，由于浮体纵向弯矩较大，所以其多采纳纵骨架式结构，许多平台的下浮体还布置至少一具纵向水密舱壁。

组合浮体为多个浮体组合成各种形状各异的浮体，多立柱式平台由别同形状纵横相交的浮体组成的平台。

三、半潜式平台载荷及要紧工作状态

1、工况Ⅰ

平台满载、静水、半潜吃水。

此种工况（Behaviour）要紧分析平台结构在重力、浮力作用下的强度，平台这时无任何运动，别钻井、无风浪，在平台每一构件上的载荷惟独均布载荷和集中荷载。

2、工况Ⅱ

平台满载、静水、半潜吃水，但平台整体有一定升沉运动。

此工况在于分析平台由升沉时的结构强度。尽管平台处于静水、无波纹的情

况，但在这种因素引起的海面上升时（如涌浪、地震、海啸等），平台将产生升沉运动，此刻平台向上运动从而使平台受到与自重方向一致的惯性力作用，使结构处于别利状态。这种相当于自重增加的事情能够用向上的加速度的大小表示。

3、工况Ⅲ

平台满载、静水、半潜吃水，整体有一定升沉运动，且处于井架大钩有集中载荷时的钻井工作状态。

本工况在于思考平台静水作业时的结构强度，此刻平台的受力除工况Ⅱ外，还应加上井架大钩所吊有的集中载荷（如钻杆、套管等）或者在钻井卡钻时大钩因忽然提钻而承受的动力载荷。这种大钩载荷通常取300t～500t。所有的这些载荷都经过井架平台，使井口区的平台结构载荷增大，或者使平台钻杆堆场区的均匀载荷变为井口区的集中载荷。

4、工况Ⅳ

平台满载、设计风暴、半潜吃水、横浪，且设计波长等于2倍平台宽度，波峰位于平台的中心线上。

此刻平台除受到工况Ⅰ静水载荷外，还受到波纹外力作用。平台立柱和下浮体受到的波纹外力如下：

(1)波纹质点的垂直惯性作用力为零，但水平惯性力为最大，并分不以相反的方向作用在两边立柱和下浮体上。平台左右立柱和下浮体有向外分开的趋势，使平台水平桁承受到最大的拉应力。

(2)波纹质点的水平曳为零，但波纹质点的垂直曳力也为最大值且方向相反，一上一下地作用在下浮体的结构上，使平台产生剪切变形。

5、工况Ⅴ

平台满载、设计风暴、半潜吃水，波长也等于2倍的平台宽度，横浪，但波谷位于平台中心线上。

此种状态与工况Ⅳ相似，不过波纹位置别同。

6、工况Ⅵ

平台满载、拖航吃水，受设计波长作用，波纹呈接近于平台对角线的歪向入射，波长接XXX台对角线。

此工况在于分析立柱、下浮体在歪浪作用下的结构强度。这时将会浮现平台一边处于波峰，一边处于波谷，整个平台将会受到别均匀的浮力和波纹力的作用而产生扭转变形。

7、工况Ⅶ

平台坐沉于海底。

第二节半潜式钻井平台的进展

一、半潜式钻井平台进展时期

自1961年世界上首座半潜式钻井平台诞生到目前,半潜式钻井平台记忆了6个进展时期:

第一代半潜式钻井平台：

第1代半潜式钻井平台浮现在20世纪60年代中后期,由座底式平台演变而来,那个阶段平台作业水深为90～180m,采纳锚泊定位。1961年诞生的OceanDriller为3立柱结构,甲板呈V字形;BlueWater钻井公司拥有的RigNO.1半潜式平台为4立柱结构,该平台为Shell公司设计;1966年Sedco135半潜式平台为12根立柱,为FriedeGoldman公司设计,那个阶段的平台结构布局大多别合理,设备自动化程度低。

第二代半潜式钻井平台：

20世纪70年代,浮现了以BulfordDolphin,OceanBaroness,NobleTheraldMartin等为代表的第2代半潜式钻井平台,这类平台作业水深180～600m,钻深能力以6096m(20000英尺)和7620m(25000英尺)两种为主,采纳锚泊定位,设备操作自动化程度别高。

第三代半潜式钻井平台：

1980-1985年,以Sedco714,AtwoodHunter,AtwoodEagle,AtwoodFalcon等为代表的第3代半潜式钻井平台浮现,此刻平台作业水深450～1500m,钻深以7620m(25000英尺)为主,采纳锚泊定位,结构较为合理,操作自动化程度别高。这类平台是20世纪80～90年代的主力平台,建筑数量最多。同期平台还有F&GEnhancedPacesetter公司设计的PrideVenezuela;PrideSouthAtlantic以及AkerH23设计的OceanWinner和DeepseaBergen等。

第四代半潜式钻井平台：

以JackBates,NobleAmosRunner,NoblePaulRomano,NobleMaxSmith为代表的第4代半潜式钻井平台浮现在20世纪90年代末,其作业水深达1000～2000m,钻深以7620m(25000英尺)和9144m(30000英尺)为主,锚泊定位为主,采纳推进器辅助定位并配有部分自动化钻台甲板机械,设备能力与甲板可变载荷都有提高.DeHoopMegathyst公司设计的PrideBrazil,PrideCarlos

Walter,PridePortland,PrideRiodeJaneiro均属于此级不平台。

第五代半潜式钻井平台：

2000-2005年期间,浮现了以OceanRover,SedcoEnergy,SedcoExpress为代表的第5代半潜式钻井平台,其作业水深达1800～3600m,钻深能力在7620～11430m(25000～37500英尺)之间,采纳动力定位为主,锚泊定位为辅的定位方式,能习惯更加恶劣的海洋环境。由SedcoForex公司设计的第5代半潜式平台采纳模块化的甲板构件和2XXX立的管子垂直移运排放机等自动化设备,提高了钻管移放速度。同期平台有Friede&Goldman设计的GSFDevelopmentDrillerI&II和Reading&BatesRBS-8DandRBS-8M计的DeepwaterHorizon,DeepwaterNautilus。

第六代半潜式钻井平台：

21世纪初,作为目前世界上最先进的第6代半潜式钻井平台相继诞生,如Scarabeo9,AkerH-6e,GVA7500,MSCDSS21等。第6代半潜式钻井平台作业水深达2550～3600m,多数为3048m,钻深大于9144m(30000英尺),采纳动力定位,船体结构更为优化,可变载荷更大,配备自动排管等高效作业设备,能习惯极其恶劣的海洋环境。

第六代平台比以往钻井平台更先进的设计在于采纳了双井口作业方式，即相关于陆地钻机而言，该平台钻机具有双井架、双井口、双提升系统等。主井口用于正常的钻进工作，辅助井口要紧完成组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等离线作业。尽管平台的投资有所增加，然而关于海洋钻井作业效率的提高是显著的。据相关资料介绍，双井口钻井作业在别同的作业工况下能够节约21%-70%的时刻。（六代半潜式海洋平台及典型配置见附录一）

二、国内外半潜式钻井平台研制装状况

（一）国外半潜式钻井平台研制状况

截止2007年12月,全球在册登记的半潜式钻井平台共有210座,其中包括部分在建平台和维修平台(如下表7—2),在册的210座半潜式钻井平台中,工作水深以304.8～914.4m(1000～3000英尺)居多,工作深水>3048m(10000英尺)的仅有30座,其中有26座为在建平台(如下表7—3)

下表7—4列举了目前世界上深水钻井作业实力最强的公司以及拥有的半潜式平台数量。Transocean公司以拥有42座半潜式平台的绝对优势占领全球第一的位置。

半潜式钻井平台的设计技术含量极高。目前国际上设计半潜式钻井平台的公

司要紧有:美国的Friede&Goldman公司、挪威的AkerKvaerner公司、新加坡的HaraldFrigstad工程设计公司、挪威的GlobalMaritime公司、瑞典的GAV问公司、荷兰的海洋结构问公司、美国的J.RayMcDermott公司和新加坡的吉宝公司(KeppelFELS)等。半潜式钻井平台的建筑工程很庞大,周期长,世界上惟独少数几家公司有能力承建。目前承建半潜式钻井平台的公司要紧有新加坡的吉宝公司和SembCorp海洋公司、韩国的三星重工公司和大宇造船海洋工程公司、美国的FrriedeGoldman近海公司、挪威的Aker集团。

目前国外浮现的半潜式平台已进展到第六代，它们大都具有在水深1500米以上水域工作的能力，配备甲板大吊机，采纳动力定位系统，结构设计条件高，

抗风暴能力强。新一代的半潜式平台即第七代半潜式平台亦在设计建筑中。下表7—5为第五、第六代半潜式钻井平台典型技术参数。

表7—5深海半潜式平台技术参数

近年来,随着国外造船任务的日益增长,部分平台建筑也转移到中国,如烟台莱佛士船业有限公司、大连新船重工公司等。特殊是大连船厂,2000年至今,已为挪威先后建筑了Bingo9000系列共4艘半潜式钻井平台,该系列平台工作水深2500m,钻深能力9144m,属于第5代平台。

（二）国内半潜式钻井平台研制状况

我国海洋油气开辟己有近40年的历史,但从海洋工程装备和技术角度看,与世界先进国家仍存在较大差距,尤其是半潜式平台技术方面的差距更为明显。1984年,我国第一台半潜式平台—勘探3号诞生,由中国船舶与海洋工程设计研究院、地质矿产部海洋地质调查局和上海船厂联合设计,由上海船厂建筑。该平台为非自航半潜式钻井平台,工作水深35～200m,最大钻井深度6000m,井架由宝鸡石油机械有限责任公司创造,高49m,钻井设备要紧由美国大陆EMSCO公司供应,泥浆泵为2台FB21300型三缸单作用泵。

近年来,经过购买旧船方式,我国新增了数座半潜式钻井平台。中海油拥有南

海2号、南海5号、南海6号;中石化的勘探4号为AkerH-3、Friede&Goldman公司设计的第3代半潜式平台,这几座平台的工作水深除勘探4号为600m左右,其余均小于500m,钻井深度为7620m(25000英尺),服役均在20年以上。