深水半潛式鉆井平臺主尺度論證研究

童波金強

（中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

深水半潛式鉆井平臺除了能在500～3 000 m水深進行鉆井作業外，還能承擔完井、試油和修井任務，也可用作深水采油平臺。自上世紀60年代初發展至今已到了第六代。深海半潛式平臺技術難度高、附加值大，其設計和建造反映了一個國家在海洋油氣開發裝備上的研發水平。

本文研究深水半潛式平臺的主要型式、結構組成和發展趨勢，論證平臺作業功能、耐波性、穩性、定位能力、總布置和可變載荷與主尺度的關系，為半潛式平臺方案的主尺度選取提供依據。

1 半潛式平臺型式

新一代半潛式平臺型式主要有兩平行浮體6立柱、環形浮體6立柱、兩平行浮體4立柱、環形浮體4立柱等，平臺型長在100～120 m，型寬在70～80 m，型深在35～45 m范圍內。目前深水半潛式平臺大都具有在水深超過1 500 m水域工作的能力，配備甲板大吊機，采用動力定位系統，結構設計條件高，抗風暴能力強。不同型式的半潛式平臺具有各自不同的特點，在設計選型中，要綜合考慮作業環境、工作能力等要求，并分析半潛式平臺的運動性能、穩性、拖航阻力、經濟性和建造方便等因素［1］。

1.1 下浮體

下浮體主要是為平臺提供足夠的排水量 （特別是拖航狀態下的排水量）和專用液艙艙容。下浮體首、尾端設計成半圓形，以減小拖航阻力，舭部為圓弧形。現有的半潛式平臺中，下浮體型式有雙浮體和環狀浮體（ring pontoon）兩類。其中雙浮體占絕大多數，是較為傳統、慣用的型式，拖航時阻力小。環狀浮體是新的發展型式，該結構型式提高了平臺總強度，增大了裝載量，但航行阻力增大，故在拖航移位時一般置于大型半潛船上 （即干拖）。

1.2 立柱

立柱的作用主要是支持上部結構和設備的載荷，同時為保證平臺的穩性提供足夠的水線面面積［2］。立柱的數目和斜撐的布置形式多種多樣，目前多數平臺立柱的數目為4個，斜撐和水平撐桿數目盡量減少，以至于無斜撐。雖然立柱數量多有利于發生結構破損事故時平臺的安全性，同時給甲板提供更有力的支持，但也因此導致平臺的造價有所增加。較為傳統的半潛式平臺多設8立柱或6立柱，而新一代的半潛式平臺廣泛采用了4立柱。這一發展趨勢的一個重要原因在于有限元分析技術在海洋平臺設計中的應用和提高。早期的平臺設計應用桿元理論，不能計算大型結構的整體強度和屈曲問題等。平臺由小尺寸構件組成，因此需要較多的立柱以滿足強度和穩性要求。而目前應用有限元分析技術，立柱和浮體尺寸可充分增大，因此較少數目的立柱即可能滿足要求。

1.3 橫撐

橫撐的作用在于保持平臺結構的完整性，其尺寸根據結構設計要求而確定。橫撐一般由圓管構成，其布置形式也呈多樣化。為保證立柱和上船體的“梁—肘”節點連接強度要求，通常在兩立柱底端設水平橫撐。橫撐與立柱的連接點為載荷關鍵點，容易發生疲勞問題。結構設計時，對平臺水平撐桿的強度（包括連接點）需作詳細的分析計算。

1.4 上船體箱形甲板

根據深水半潛式鉆井平臺近期的新發展，上船體平臺多為箱型封閉結構，內設1～2 m高的雙層底、各3～4 m高的雙層甲板空間。雙層底可有利于整體結構強度，且雙層底內可鋪設各種管線，實現管線布置的統一規劃。雙層甲板空間可提供更多的布置面積，以適應隨鉆井深度而增加的布置空間需求。上船體箱形結構可在穩性計算中計入。

總的來講，新一代的半潛式平臺趨于大型化和簡單化。平臺的主尺度增大，立柱浮體和主甲板間的內部空間增大，鉆井作業、生活等物資存儲能力增強。平臺外形結構趨于簡化，下浮體趨向采用簡單的方形截面，平臺甲板也為規則的箱形結構。采用的撐桿和節點形式簡化、數目減少，或是無撐桿的簡單外形結構，這些改變降低了節點疲勞破壞風險并減少了建造費用。圖4的四個方案均為第五、第六代深海半潛式鉆井平臺，除挪威Aker公司方案為八立柱外，其余三家公司方案均為四立柱。各方案船型如圖1所示：

圖1 不同方案船型模型圖

2 主尺度選取論證

下面結合圖2來說明半潛平臺下浮體、立柱和上船體的主要尺度與平臺設計指標參數的相互關系。

圖2 半潛式平臺主要尺度與設計指標參數關系

2.1 作業功能對主尺度選取的影響

深水半潛式鉆井平臺的鉆井作業功能主要分為鉆井作業、測井作業、完井作業、試油作業等。

鉆井作業的工藝流程及設備配置對平臺的總布置及主尺度影響較大，深水半潛式鉆井平臺鉆井系統按作業的功能可以劃分為鉆井模塊、管材處理系統、防噴器組與采油樹處理系統、升沉運動補償系統、高壓泥漿系統、低壓泥漿系統、泥漿材料存儲及輸送系統、井控系統、隔水管系統、司鉆房控制與監控等十大關鍵系統。

測井作業對平臺的主尺度影響不是很大，測井設備主要包括測井儀、測斜儀、綜合錄井儀等。測井的工作一般由第三方專業的測井公司人員完成，所以測井設備一般是集成在集裝箱內，平臺總布置設計時預留好將來設備放置的空間即可。深水半潛式鉆井平臺一般在正對井架大門的地方設置測井平臺用以放置測井設備，并需要在靠近泥漿凈化設備的安全區預留錄井設備的空間。

完井作業時需要完井液，所以平臺在總布置時需要考慮完井液的專用艙室。完井液艙一般處于下浮體內，試油作業時所需的試油設備一般為第三方臨時設備，平臺在遠離生活樓方向的主甲板上劃分出試油設備的臨時設備區。此區域為危險區，相關的設計按照危險區考慮。

2.2 運動性能對主尺度選取的影響

半潛式平臺在波浪上有六個自由度的運動，一般假設它們都是微幅簡諧振蕩。平臺周期性的垂蕩運動使鉆柱隨之做上下運動，并造成井底鉆壓變化，甚至鉆頭脫離井底，無法鉆進。目前主要通過鉆柱運動補償系統解決鉆柱的升沉補償問題，與其他方向的運動相比，平臺在垂蕩響應上只具有很小的靈活性，它只能在一定的垂向運動范圍內工作，一般作業工況下垂蕩固有周期大于20 s，而且通常認為在主尺度決定后通過調節重心或船體的慣性矩只能用來減小縱搖和橫搖，因此一般把平臺的垂蕩響應作為設計時首要的考慮因素。

以雙下浮體多立柱支撐對稱式深水半潛平臺為例，橫浪條件下無阻尼垂蕩運動方程為［3］：

式中：M——平臺質量；

A33——垂蕩附加質量；

η3——垂蕩位移；

Aw——水線面面積；

F3（t）——垂向激振力。

假設平臺中心處自由液面升高為 ζ=ζasinωt，k（zt-zm）為小量，zt、zm分別為下浮體頂部和幾何中心距水線的高度，通過分析計算得到：

半潛平臺垂蕩運動中立柱不產生附加質量，附加質量僅來自于下浮體的運動，初步設計中一般要使垂蕩固有周期大于20 s，遠離波浪能量范圍，避免波頻共振的發生。

以深水規則波為例，假設波浪周期為11.2 s，波數k＝0.032，波浪頻率一般高于平臺固有頻率。通過上式可以得出平臺垂蕩響應與波高成正比，垂蕩位移隨zm的增加而減小、隨B的增大而減小；當波浪頻率ω=ωn時，垂蕩運動無限大，因為這里忽略了粘性效應；當或者 λ=2B/（2n+1）時，垂蕩響應的理論值為0。

由此可知，在一定海洋環境條件下，垂蕩響應的主要影響因素有平臺吃水zm、下浮體中心面間的橫向距離B以及垂蕩運動固有頻率ωn；垂蕩固有周期的主要影響因素為水線面面積Aw和垂蕩附加質量A33。

深水半潛平臺初步設計中選擇合理的平臺主尺度以使垂蕩運動最小化，通過減小水線處立柱橫截面積或增大下浮體尺度使平臺垂蕩固有周期增加；平臺垂蕩固有周期增加會使得平臺波頻垂蕩響應減少，同時也應考慮上述尺度變化對穩性和排水量的影響。通過增加平臺吃水可以減小垂蕩響應，這點也符合平臺下潛越深受到的波浪干擾力越小的原則；另外增加下浮體中心面間的橫向距離也可減小垂蕩響應，下浮體中心面間距和立柱橫向間距、主甲板寬度相關，進而影響平臺穩性、橫搖運動和甲板可利用面積。

平臺波頻運動中除垂蕩運動外，還需考慮縱搖、橫搖對主尺度選取的影響，非耦合橫搖和縱搖固有周期為：

對于半潛平臺而言，橫搖、縱搖固有周期一般大于30 s，其影響因素主要包括：橫搖慣性半徑r44、縱搖慣性半徑r55、橫穩性高與縱穩性高。因此在主尺度基本確定后，可通過調整質量分布，改變搖轉慣性半徑和重心高度，進而優化橫搖和縱搖運動。

2.3 穩性對主尺度的影響

隨著全球氣候變化，臺風發生的頻率越來越高且風速也越來越大，作業海況更加惡劣，這就對半潛式平臺的安全性和抗風暴能力提出了更高的要求。設計時應盡量提高平臺的穩性儲備。穩性研究一般包括初穩性、完整穩性和破艙穩性。

初穩性主要由穩心高度和重心高度決定，穩心高是水線面慣性矩與排水量的比值，主要由半潛式平臺立柱的大小所控制，立柱的間距和立柱的直徑應結合起來考慮，以求獲得必要的水線面慣性矩［4］。一般地，立柱水線面的橫向慣性矩和縱向慣性矩定為相等或相近，這對于半潛平臺在海況環境下實現全向作業是相當重要的。因此，平臺縱向和橫向的立柱間距基本一致，從而使得半潛平臺具有相同的縱向穩性和橫向穩性。立柱的縱向間距和橫向間距還受到上船體甲板面積要求的影響。立柱水線以上部分的高度同穩性密切相關，在滿足氣隙的前提下，降低立柱高度有利于降低平臺的空船垂向重心，從而對提高穩性有利。立柱尺度的增加并不是沒有限制的，相同海況下，大尺度立柱所受的波浪力和力矩也較大，水動力性能就比較差，若大尺度立柱艙室發生破損，傾斜角增加較大，這對破損穩性非常不利。所以在保證平臺穩性要求的前提下，應選取適當尺度的立柱。

半潛式平臺的完整穩性包括平臺在拖航狀態、正常作業狀態和風暴自存狀態的穩性，主要與風傾力矩、平臺復原力矩和水密、風雨密完整性范圍等有關［5］。一般通過降低立柱高度、降低甲板上結構和設備的高度，以達到減少風傾力矩的目的。平臺的復原力矩與自身的排水量和穩性高相關。此外，提高水密、風雨密完整性范圍能有效改善穩性性能。穩性計算需要分析不同的傾斜軸，通過計算對應于不同傾斜軸的復原力矩曲線與風傾力矩曲線下的面積比，確定平臺最危險的傾覆方向。

半潛式平臺破損穩性主要校核拖航工況和作業工況，破損主要包括碰撞破損（collision damage）和艙室間接進水（remote flooding），碰撞破損范圍和平臺分艙布置密切相關，內部艙室分隔應盡量減少破艙進水范圍，艙室劃分較多利于減小自由液面矩，降低浮力損失，但是會增加結構重量和管系復雜性。間接進水的艙室是指任何一個全部或部分處于所考慮水線以下的水密艙室浸水，這些艙室可以是泵艙、設有海水冷卻系統機械的艙室或與海水相鄰的艙室。

2.4 定位能力對主尺度的影響

深水半潛平臺承受風、浪、流等環境載荷，系統在縱蕩、橫蕩和首搖方向的固有頻率很低，由于非線性的低頻環境力，平臺將產生較大的低頻慢漂運動［6］。

半潛平臺的定位方式主要包括動力定位和錨泊定位。動力定位系統能平衡低頻的環境載荷。在惡劣的海況下，平臺需要更高功率的推進器和電站，進而影響設備的布置空間和選型采購。對于錨泊系統，因半潛式鉆井平臺需要到不同海域鉆井作業，因而通常會選用拋錨、起錨操作方便，抓力較大，成本較低的非永久性錨泊系統。一般采用拖曳埋置錨，此錨不能承受上拔力，因此需要較長的鋼鏈連接海底錨，以保證系泊纜在設計海況下具備躺底部分。惡劣的海況需要連接錨的鋼鏈更長，纜繩的強度、剛度更大，也就導致系泊纜繩較長，總重較大，影響平臺的可變載荷。

500 m水深以內一般采用常規錨泊定位方式，平臺若帶全定位所需的全部錨鏈，則要設置較大的8～12個錨鏈艙，而且較大的錨鏈重量影響平臺的拖航可變載荷指標。在500～1 500 m水深之間，錨泊系統通常采用鏈-聚酯纜-鏈三段型式和預拋錨，平臺部分系泊纜可由供應船補給。

2.5 總布置對主尺度的影響

半潛式平臺的下浮體中一般布置推進器艙、泵艙、燃油艙、基油艙、鹽水艙、鉆井水艙、壓載水艙、通道等。下浮體的長度與立柱的縱向間距有關，并滿足一定的液艙艙容要求，下浮體的寬度和高度要符合部分工作艙室布置（特別是泵艙、推進器艙）要求。

立柱是連接下浮體和上船體的通道，立柱中布置管線、電纜、梯道和通風等，且通常設有設備間、重晶石和土粉儲存罐，備用泥漿艙、飲用水艙和錨鏈艙。

上船體多為箱型封閉結構。箱型甲板雙層底高1.5～1.7 m，兩層高均為3.5 m左右。上船體主要布置機艙、配電間、鉆井配電間、泥漿泵艙、日用泥漿艙、機電設備與維修間、BOP控制室、散料儲存罐、散料輸送空氣系統、干燥空氣間、隔水管立放區（可選）、生活區、垃圾焚燒間以及通風梯道等。

主甲板主要布置井架系統，鉆臺，起重機，鉆桿、套管、隔水管堆場和輸送系統，大型海底工具儲存和輸送系統，袋裝品庫，泥漿凈化艙，水泥儲存罐，應急發電機室，燃燒臂，生活區，救生平臺，補給平臺，錨機平臺等。此外，固井設備、試油設備、錄井設備和ROV設備屬于第三方設備，需在主甲板預留空間。

2.6 可變載荷對主尺度的影響

半潛式平臺排水量除空船重量外，還包括甲板可變載荷，錨及錨鏈重量/張力，鉆井水、鹽水、基油、淡水和燃油等消耗品重量，壓載水重量等。平臺的外形尺度應為半潛式平臺的各個狀態提供足夠的排水量，其中拖航排水量決定了下浮體的主尺度要求，立柱的高度分為水線以下部分和水線以上部分。當下浮體尺度、立柱截面積確定后，立柱水線以下部分和下浮體的體積決定了作業/風暴自存工況下的平臺排水量。隨著作業水深和鉆深的增加，隔水管、套管和鉆桿的長度增加，例如3 000 m作業水深需要的隔水管總重達到～2 800 t，另外為提高平臺自持力，減少供應船的補給頻率，平臺需要裝備更多的消耗品，這些都導致半潛平臺承載更大的可變載荷，甲板具有更大的可利用面積，部分艙室具備更大的存儲空間，從而影響平臺的主尺度，半潛式平臺也會趨于大型化。

3 結 語

當今全球氣候環境變化、平臺作業水深和鉆深增加，以及平臺安全性、作業效率等要求都需要半潛式平臺的運動性能、穩性儲備、定位性能、可變載荷、總體布局等達到先進水平，而這些性能指標都與主尺度密切相關。希望本文的論證研究能為平臺方案的主尺度選取提供參考依據。

［1］Ronalds B F.Deepwater Facility Selection ［A］.Offshore Technology Conference［C］，2002.

［2］馬志良，羅德濤.近海移動式平臺［M］.海洋出版社，1993.

［3］Faltinsen.Sea Loads on Ships and Offshore Structures ［M］.Cambridge University Press，1990.

［4］盛振邦.船舶原理［M］.上海交通大學出版社，2003.

［5］Rules for Classification and Construction Mobile Offshore Drilling Units ［S］.China Classification Society （CCS），2005.

［6］潘斌.移動式平臺設計［M］.上海交通出版社，1996.