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，其中油气资源的开发是海洋资源开发的重要组成部分。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，因此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发已趋饱和，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）发展。

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不适合深水开发，因此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、北海等深水油气的不断开发，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，其外形及对比如下：

半潜式平台又称立柱稳定式平台（Stable Column Platform），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（Submerged Body）或浮箱

（Buoyancy Tank）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、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击；下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减少波浪的干扰力（当波长和平台长度处于某些比值时，立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消,从而使作用在平台上的作用力很小，理论上甚至可以等于零）；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，不大可能和波谱的主要成分波发生共振，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，其主要差别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。

浮箱式一般将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一个下体，成为浮箱（Buoyancy Tank）。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、五个不等。

下体式一般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。其甲板可以有几层，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。平台主体可以是一个整体的箱型结构，也可以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，平台内挖掉四个大方孔，故实际可视为若干个箱型剖面

组成的“田”字形平台。结构采用纵横混合骨架形式，每个区域内主向梁的方向不同，同时垂直于主向梁长度方向内设距离不等的强框架，所有主要侧壁骨架都采用水平布置，所有内壁均采用垂向扶强材。

2、半潜式平台立柱结构

半潜式平台立柱从外形可以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。

半潜式平台的立柱一般由外壳、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主要可分为普通构架结构、交替构架结构、纵横隔板式结构、环筋桁架式结构等。

（1）普通构架结构

这种构建一般由纵筋（Vertical Column）与环筋（Interconnecting Members）组成，由于纵向力较大，一般纵筋与环筋相交处纵筋连续。

（2）交替构架结构

1）纵向交替式。这种构架由小尺寸的普通纵筋、大截面尺寸的强纵筋及（隔几档布置）强环筋（肋骨）组成，这样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，可以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档普通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、横向隔板一般是两块正交布置或布置成一个封闭通道，隔板一般开有减轻孔（Lightening Hole），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

浮箱式一般将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一个浮箱。浮箱的剖面有圆形、矩形、靴形，彼此互不相连。三角形半潜式平台和五角形半潜式平台用的较多。

浮箱主要承受周围海水静水压力、立柱传来的平台的重力以及风浪流作用下的弯矩。

浮箱结构形式一般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；四周围壁采用环形水平型材与垂直型材一起布置；底部型材一般与浮箱上部型材布置尽可能位置一致。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，因此该处结构需要特别加强。一般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坚固连接。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

下浮体结构一般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。下浮体结构就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，因此其多采用纵骨架式结构，许多平台的下浮体还布置至少一个纵向水密舱壁。

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

三、半潜式平台载荷及主要工作状态

1、工况Ⅰ

平台满载、静水、半潜吃水。

此种工况（Behaviour）主要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，不钻井、无风浪，在平台每一构件上的载荷只有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。虽然平台处于静水、无波浪的情