半潜式海洋石油钻井平台及主动游车升沉补偿系统研究.pdf

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1、东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要海洋石油钻井平台是勘探开发深海油气资源的关键装备。本文对半潜式钻井平台的组成结构、定位原理进行了分析，重点对主动游车升沉补偿系统进行了研究。半潜式海洋平台主要由上层平台、沉垫(浮箱)、立柱和撑杆等部分组成。其中上层平台的主甲板主要配置包括井架、绞车、顶驱、转盘等钻井模块。给出了500m水深半潜式平台的锚泊定位模式并得出了半潜型平台锚泊定位能力与负载的关系曲线。对动力定位系统的组成进行了一定的分析。本文利用钻具最大组合确定钩载，由钩载对补偿缸的结构尺寸进行设计计算，并对活塞杆的稳定性Pcr进行了校核。针对主动升沉补偿系统的控制参数进行了液压回路的设计，详细

2、的给出了液压控制回路中的的压强Pn，流量 Qpmax，油管内径dp等参数，对主动游车升沉补偿系统的设计具有一定的理论指导意义。关键词：半潜；钻井平台；主动补偿；钻井模块；锚泊定位东北石油大学本科生毕业设计（论文）Abstract The offshore oil drilling platform is one of the key equipment for deep-sea oil and gas exploration and development.In this paper,structure of semi-submersible drilling platform and pos

3、itioning principle is analysed,focus on the active heave compensation system of traveling block.Semi-submersible offshore platform consists of upper platform,mat(pontoon),columns,struts and other components.The main deck of the upper platform is equipped with derrick,drawworks,top drive system,rotar

4、y and other drilling modules.This study include:500m depth anchored semi-submersible platform positioning mode and load curve and mooring location capability of a semi-submersible platform,composition anslysis of dynamic positioning system.In this paper,hook load is determined by the maximum bottom

5、hole assembly.The structure and size of compensation cylinder is determined by the hook load.And the stability of the piston rod Pcrwas checked.For the control parameters of the active heave compensation system,the hydraulic circuit is designed and presented in detail;data as pressure Pn,traffic Qpm

6、ax,tubing inside diameter dpand other parameters are listed.This study has theoretical significance for design of the active traveling block.Key words:Semi-submersible;drilling platform;Active Compensation;Drilling Module;anchor moored positioning 东北石油大学本科生毕业设计（论文）I 目 录第 1 章 绪论.11.1 海洋油气资源现状.1 1.2 石

7、油开采由陆地转向海洋.1 1.3 海洋石油钻井平台简介.2 1.4 半潜式钻井平台发展概况.4 1.5 世界级深水钻井平台海洋石油981.9 第 2 章 平台稳定性及定位原理分析.122.1 平台稳定性分析.12 2.2 平台定位 .15 第 3 章 深海半潜式钻井平台钻井包.313.1 起升系统设备 .31 3.2 旋转系统设备 .37 3.3 循环系统设备 .46 3.4 深水钻井防喷器组.49 第 4 章主动式游车升沉补偿系统.534.1 升沉补偿系统简介.53 4.2 主动游车升沉补偿系统工作原理.55 4.3 主动升沉补偿系统设计参数选取及计算.59 4.4 主动游车升沉补偿系统控制

8、.68 结论 .74参考文献 .75致 谢.77东北石油大学本科生毕业设计（论文）1 第 1 章 绪论1.1 海洋油气资源现状世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的34%，全球海洋石油蕴藏量约1000亿吨，其中已探明储量约为380 亿吨。全球范围内，海上油气资源有44%分布在300m以上的深水域，已于深水区发现了33 个储量超过七千万吨的大型油气田。墨西哥湾、北海、北非、巴西以及南中国海域，都是开发海洋石油资源的重要活动场所。海洋深度的平均值却高达3730m，全世界海洋深度在0-200m的大陆架仅占7.49%的海洋面积，200-1000m的占 4.42%，1-3km 的占 12.88%，而水深

9、在 6km以上的也仅占 1.38%，3-6km 的占海洋面积 73.83%。深水海域石油勘探开发的界定是以水深为依据，据2002 年在巴西召开的世界石油大会规定，油气勘探开发水深的界定是400m 以内为常规水深；400-1500m 为深水，超过1500m 为超深水(Ultra-Deep Water，简称 UDW)。近年来，全球的海洋石油呈现向深水发展的趋势，自上世纪 80年代以来，全球已有 100 多个国家在进行海上石油勘探，其中有近 60个国家在积极从事深水和超深水油气勘探开发，开展了一系列的深水油气勘探开发重大研究计划，如美国的 DeepStar计划、欧洲的海神计划、挪威的 DEMO200

10、0、巴西的 PROCAP1000 和 PROCAP2000 计划等，已经实现3 km 深水勘探开发技术的突破。据统计，在2001 年到 2007 年期间，全世界投入的海洋油气田开发项目将有 434 个之多，其中水深大于500m的深水项目占 48%1-4可以看出，随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高，海上石油勘探开发已从常规水深向深水和超深水发展，深水油气田的开发正在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的热点。1.2 石油开采由陆地转向海洋石油能源问题已经成为关系国计民生的重大议题2-4。国家发改委有关人士表示，2010 年我国的石油消费量将达到4.5 亿吨，高于 20

11、06年 4 亿吨的年消费量。有数据表明，我国原油消费年均消费自2000年以来每年增速都超过8%。2003年，我国石油消费达到2.74 亿吨，超过日本，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。预计到 2020年改数字将达到6 亿吨左右。与消费的增加相反，国内石油的生产增速却相对缓慢。据国土资源部资料显示，近年来的我国石油产量增幅维持在东北石油大学本科生毕业设计（论文）2 1.5-2%。石油消费的快速增加与产量增速的相对滞后使我国的石油对外依存度也在加大。在 1996 年之前，我国还是一个石油净出口国，但2006 年的石油进口依存度已接近50%。伴随中国石油进口依存度不断上升的是油价上涨。2003

12、年时，国际油价还处在25美元/桶左右，到了 2006年，油价已达到 65 美元/桶，平均每年的增幅在 10 美元上下。2007 年下半年的油价甚至接近过100 美元/桶。巨额的消费量和处于高位运行的油价给石油资源的勘探开发带来了严峻的挑战。我国陆上含油气盆地主力油田大部分已有30 多年的开采历史，多数油田原油采出程度高达 70%，进一步扩大产量的空间十分有限。占地球面积71%的海洋逐渐成为油气资源开发的重要战场。据估计，海底石油储量约为1350 亿吨，占世界总储量的 2/3；天然气储量约 140 万亿立方米，约占世界总储量的30%，而且新的油气田还在不断地发现中。因此，海洋丰富的油气储量以及陆

13、上油气资源的日益枯竭和世界能源危机的逐渐加剧，使得未来世界油气需求的增长将在越来越大的程度上由海上开采来满足。目前，世界上已探明的海洋石油储量80%以上在水深 500m以内，而全部海洋面积中90%以上的水深在 200m至 6000m之间，大量的海域面积还有待探明。由于浅海和中等深度海域(500m 以内)的海洋石油开发技术已经日趋成熟和完善，以及当今世界大部分地区的浅海油气资源已日趋减少，因而深海和超深海（500-3000m)油气的开发越来越成为海洋开发的热点和必然趋势。据国外权威机构预测，未来世界油气总储量的44%将来自海洋的深水区。我国是沿海国家，拥有漫长的海岸线以及300 多万平方公里的辽

14、阔海域，蕴藏着丰富的海底油气资源，其中尤以海域面积最大的南海为最。经初步估计，南海的石油地质储量石油为1050 亿桶，天然气2000 万亿立方米，属世界四大海洋油气聚集中心之一，且大都以深水油气田为主。其中最有潜力的含油气盆地为曾母暗沙盆地、万安盆地、南徽盆地和东纳土纳盆地等。我国在南海深水石油勘探领域基本上还处于空白状态，而东南亚的其他国家（越南、菲律宾等）已经开始蚕食我国南海的海洋油气资源，为了保卫我国的资源，发展深海钻井装备已经刻不容缓。1.3 海洋石油钻井平台简介海洋平台是一种海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所2。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台得到了

15、广泛的应用，如海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、海洋波浪能的利用、建造海上机场及海上工厂等。目前应用海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探与开发。这种平台已经发展成了多种类型，并且每种类型都经历了几代的改进与发展，现在已越来越适应于海上油气资源的勘探与开发。用于海上油气资源勘探与开发的海洋平台按功能划分主要分为钻井平台和生产平台两大类，在钻井平台东北石油大学本科生毕业设计（论文）3 上设有钻井设备，在生产平台上则设有采油设备。若按结构型式及其特点来划分，海洋平台大致可分为三大类：固定式平台、移动式平台和顺应式平台。下面分别介绍一下这三类平台。1.3.1 顺应式平台顺应式平台是一

16、种适于深海作业的海洋平台，它在波浪作用下会产生水平位移。顺应式平台又可分为张力腿式平台和牵索塔式平台两个类别5，6。张力腿式平台的上部类似于半潜式平台，整个平合是通过张力腿(实为系泊钢管或钢索)垂直向下固定于海底，它是一种新开发的深海平台，与导管架平台相比，导管架平台的造价与水深关系大致呈指数关系增加，而张力腿式平台的造价则随水深的增加变化较小。此外，由于每个张力腿都有很大的预张力，因此张力腿式平台在波浪中的运动幅度远小于半潜式平台；牵索塔式平台由甲板、塔体和牵索系统三部分组成。塔体是一个类似于导管架的空间钢架结构，牵索则围绕着塔体对称布置，牵索系统可以吸收由外力产生的能量以保证塔体的运动幅度

17、在规定的范围内。1.3.2 固定式平台固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底，目前用于海上石油生产阶段的大多数是固定式平台，它又可分为桩式平台和重力式平台两个类别。桩式平台通过打桩的方法固定于海底，其中的钢质导管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台；而重力式平台则是依靠自身重量直接置于海底，这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础(沉箱)，由三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构。1.3.3 移动式平台移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可用于海上石油的钻探或生产。移动式平台可分为坐底式平台、自升式平台、钻井船和半潜式平台四个类别。坐底式平台一般用于水深较浅的

18、海域，工作水深通常在60m以内；自升式平台具有能垂直升降的桩腿，钻井时桩腿着底，平台则沿桩腿升离海面一定高度，移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船可由拖轮把它拖移到新的井位。自升式平台的优点主要是所需钢材少，造价低，在各种情况下都能平稳地进行钻井作业，缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，最大的工作水深约在 120m左右；钻井船是在船中央设有井孔和井架，它靠锚泊系统或动力定位装置定位于井东北石油大学本科生毕业设计（论文）4 位上。它漂浮于水面作业，能适应更大的水深，同时它的移动性能最好，便于自航。但由于它在波浪上的运动响应大，稍有风浪就会引起很大的运动，使钻井作业无法再进行下去，风

19、浪更大时船还得离开井位，这是钻井船得不到大发展的主要原因。半潜式平台是由坐底式平台演变而来的，它上有平台甲板，在水面以上不受波浪侵袭，下有浮体，沉于水面以下以减小波浪的扰动力，连接于其间的是水线面的立柱。由于半潜式平台具有小的水线面面积，使整个平台在波浪中的运动响应较小，因而它具有出色的深海钻井的工作性能。半潜式平台可用锚泊定位和动力定位，锚泊定位的半潜式平台一般适用于200500m水深的海域。而动力定位则适用于深水水域（500m以上）。1.4 半潜式钻井平台发展概况适用于深海钻井的主要是两种浮式钻井装置半潜式钻井平台和钻井船7-9。其中半潜式平台(Semi-submersible Platf

20、orm)具有可移性好、抗风浪能力强、工作水深范围广、甲板空间大、储存能力大、可变载荷高等一系列优点，是用于深水和超深水较多的钻井平台。1.4.1 半潜式钻井平台结构组成半潜式平台主要结构由三大部分组成：上层平台，沉垫(浮箱)，立柱和撑杆。上层平台布置着全部钻井机械、平台操作设备、物资贮备和生活设施，承受的甲板载荷常在 3000-6000 吨之间，目前的第六代半潜式平台甲板载荷一般在9000吨左右。一般上层平台为水密性或具有一定的水密性的空间箱形结构，根据布置和使用要求可分为若干层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。矩形半潜式平台多采用沉垫结构，由若干个纵横隔舱组成，以保证其结构的水密性和强度。在这

21、些分舱中放置机械设备、推进器、油水舱和压载水舱，以保证沉垫潜浮作业的进行。立柱一般由外壳板、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。立柱一方面与撑杆一起将上层平台支撑在沉垫(浮箱)上，另一方面在平台处于半潜状态时提供一定的水线面，使平台获得稳定性。撑杆结构的作用是把上层平台、立柱和沉垫三者联结成一个空间刚架结构，同时有效地将上部载荷传递到平台的主要结构上(立柱、沉垫)，并将由于风、浪等载荷和其它受力状态(如拖航、沉浮过程)所产生的不平衡力进行有效的再分布1，2。现代深水半潜式钻井平台工作平台一般呈矩形，由二个沉垫（浮箱），四至八个立柱，矩形上层平台以及若干撑杆所

22、组成3。图 1-1 所示为典型的四立柱型深水半潜式钻井平台，图1-2 所示为典型的六立柱型深水半潜式钻井平台。东北石油大学本科生毕业设计（论文）5 图 1-1 典型的四立柱型深水半潜式钻井平台图 1-2 典型的六立柱型深水半潜式钻井平台东北石油大学本科生毕业设计（论文）6 1.4.2 半潜式钻井平台技术水平半潜式钻井平台从坐底式平台演化而来，1962 年，第一座半潜式钻井平台由一座坐底式钻井平台“蓝水 1 号”(BluewaterI45)加装立柱改造而成。1963年第一座三角形半潜式钻井平台“海洋钻井者号”出现，1964 年第一座长方形半潜式钻井平台“蓝水 2 号”出现4。20世纪 70 年代

23、，半潜式钻井平台开始装上推进器，便于拖航和定位。1973 年以后建造的大多数半潜式钻井平台具有某种自航功能。1978 年建成第一座动力定位半潜式钻井平台Sedco709号。从第一座半潜式钻井平台的诞生至今将近半个世纪的时间里，半潜式钻井平台发展经过了多次技术改造和革新3。第一代半潜式钻井平台：20 世纪 60 年代，作业水深小于106m(350ft)，结构型式不很合理且设备自动化程度低。如：Blue Water Rig No.l(1962)，Ocean Driller(1962)，Sedco 135(1965)。第二代半潜式钻井平台：20 世纪 70 年代中后期，作业水深可达 304m(100

24、0ft)，甲板可变载荷3000-4000ST，设备操作自动化程度不高。如：南海2 号、Sedco 702/703，Stena Spey。第三代半潜式钻井平台：20 世纪 80 年代中期，作业水深达608m(2000ft)，甲板可变载荷约为4000ST，结构较为合理，设备操作自动化程度不高，为20 世纪80，90 年代主力平台，建造数量最多。如：南海 5 号、南海 6 号、Atwood Hunter。第四代半潜式钻井平台：20 世纪 90 年代末，作业水深达1524m（5000ft），推进器辅助定位，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。如：Jack Bates，Scara

25、beo、西方阿尔法。第五代半潜式钻井平台：20 世纪 90 年代末，作业水深达2286m(7500ft)，甲板可变载荷达7000MT，动力定位为主，锚泊定位为辅，配有全自动化的司钻房。如：Deepwater Horizon，West Venture，Aker-H3.2。第六代半潜式钻井平台：21 世纪初，作业水深达3000m，船体结构更为优化，重量减轻，配置双井架，DP-3 动力定位，全自动化控制的钻井系统操作和甲板操作，平台可变载荷更大。如：West E-drill，Deepsea Atlantic，Aker-H6e 等。在建的深水半潜式钻井平台以第五、第六代为主，其中第六代共有30 座(资

26、料来源：6，2008 年 6 月底统计），主要特点有:5(1)采用优良的设计，其可变载荷与总排水量的比值将超过0.2 以上，总排水量与自重的比值将超过4.0。(2)大的甲板可变载荷，大的平台主尺度，大的钻井物资(水泥粉、粘土粉、重晶石粉、钻井泥浆、钻井水、饮用水和燃油等)储存能力。(3)少节点、无斜撑的简单外形结构。(4)良好的船体安全性和抗风暴能力及长的自持能力，以适应全球远海、超深水、全天候和较长期的工作能力。东北石油大学本科生毕业设计（论文）7(5)更大的工作水深，一般可达3000m以上。预料未来20 年内将有工作水深达 4000-5000 m 的半潜式平台出现。(6)装备大功率的新一代

27、先进钻井设备、动力定位设备和变频发电设备。1.4.3 国际上半潜式钻井平台发展趋势(1)工作水深和钻深显著增加现有半潜式钻井平台额定作业水深从500-3050m不等，其中约有 45%的平台能够从事超深海钻井。2002年末现有和在建的175座半潜式平台中，31座工作水深超 过 1829m(6000ft)，16 座 工 作 水 深 超 过2286m(7500ft)，其 中IHI-RBF Exploration，Deepwater-Horizon，Eirik Raude I 作水深达 3048m(10000ft)。2007年 以 后 在 建 的 深 海 半 潜 式 钻 井 平 台 中 有16 座 的

28、 额 定 作 业 水 深 达 到3048m(10000ft)，有 2 座达到 3 810m(12500ft)。现有半潜式钻井平台钻深能力在6000m（19685ft)11430m(37500ft)。其中，钻深能力为 7620m(25000ft)的平台最多，有5 3 座，占总数的 51%；其次是钻深能力为 9144m(30000ft)的平台，有 22 座。它们都能钻超深井，个别的还能钻井深超万米的井。在建的半潜式钻井平台钻深能力都达到或超过9000m。(资料来源：6)。图 1-3 现有深水半潜式钻井平台的钻深能力(2)适应更恶劣海域5，6半潜式平台仅少数立柱暴露在波浪环境中，抗风暴能力强，稳性好

29、。大部分深 海 半 潜 式 平 台 能 生 存 于 百 年 一 遇 的 海 况 条 件，适 应 风 速 达51.4-61.7m/s(100-120kn)，最大波高达16-32m，流速达 1.0-2.1 m/s(2-4kn)。半潜式平台在波浪中的运动响应较小，钻井作业稳定性好，在作业海况下其运动幅值可为升沉lm，摇摆 2，漂移为水深的1/20。随着动力配置能力的增大和动力定位技术的新发展，半潜式平台进一步适应更深海域的恶劣海况，甚至可望达到全球全天候的工作能力。(3)可变载荷增大采用先进的材料和优良的设计，半潜式平台自重相对减轻，可变载荷不断增东北石油大学本科生毕业设计（论文）8 大，以适应更大

30、的工作水深和钻深。平台可变载荷与总排水量的比值，南海2 号为 0.127，Sedco602 型为 0.15，DSS20型为 0.175。甲板可变载荷(含立柱内可变载荷)接近 9000MT，平台自持能力增强。同时甲板空间增大，钻井等作业安全可靠性提高。(4)外形结构简化半潜式平台外形结构趋于简化，立柱和撑杆节点的型式简化、数目减少。立柱从早期的 8 立柱、6 立柱、5 立柱等发展为 6 立柱、4 立柱，现多为圆立柱或者圆角方立柱。斜撑数目从14-20 根大幅降低，以至减为2-4 根横撑，并最终取消各种形式的撑杆和节点。沉垫趋向采用简单箱形，平台上壳体也为规则箱形结构，且上壳体结构内设置层高1.5

31、m左右的双层底。(5)装备先进化深海半潜式平台装备了新一代的钻井设备、动力定位设备和电力设备，监测报警、救生消防、通讯联络等设备及辅助设施和居住条件也在增强与改善，平台作业的自动化、效率、安全性和舒适性等都有显著提高。(6)多功能化、系列化深海半潜式平台的造价较高，最大程度地利用平台在实际运营中受到关注，许多平台具有钻井、修井、采油、生产处理等多重功能。配有双井系统的平台，可同时进行钻修井作业。钻井平台上增加油、气、水生产处理装置及相应的立管系统、动力系统、辅助生产系统、生产控制中心等，即成为生产平台。平台利用率的提高降低了深海油气勘探开发的成本。部分平台具有一定批量性，如 Amethyst

32、系列 6 艘，Bingo9000 系列 4 艘，Sedco Express、West Venture系列 3 艘，Development Driller，Odyssey，Sedco 700，Victory 等系列各 2 艘。小批量的系列化开发，缩短了设计、建造周期，降低了设计、建造成本，利于技术的稳步发展。1.4.4 国内海洋石油钻井平台的发展概况我国现有半潜式钻井平台共6 艘，包括自行设计建造的“勘探二号”，该平台于 1984 年 7 月交付使用，工作水深仅为200m，2010 年年底交付使用的海洋石油981 工作水深 300m，其余 4 艘：“南海 2 号”、“南海 5 号”、“南海 6

33、号”和“勘探四号”，均从国外进口，工作水深最深为457m，见表 1-17，8。我国在近30 年内，没有自行设计和建造超深水平台(除大连船厂根据国外设计，承担了工作水深2500m，钻深能力 9144m的 Bingo 9000 系列 4 艘半潜式平台的船体建造工程外7)。国内拥有的钻井平台船龄大部分都在22-32 年之间，虽然目前这些平台的设备状况良好，但是在设备配置上也仅增加了顶部驱动和泥浆泵，作业能力方面已明显落后于当今第五、六代主力钻井平台的配置9-12。而且，现有平台作业水深也无法进入南海深水区域，主要在中国近海海域进行钻井作业，自东北石油大学本科生毕业设计（论文）9 主深水勘探开发尚为空

34、白。表 1-1 国内现有的半潜式钻井平台序号船名获得方式作业水深（m）建造日期购入时间建造地点1 南海 2 号购买旧船304.8 1974 年1979 年挪威2 南海 5 号购买旧船457 1983 年1986 年挪威3 南海 6 号购买旧船457 1982 年1989 年瑞典4 勘探 3 号国内研制200 1984 年1994 年中国上海5 勘探 4 号购买旧船610 1983 年1994 年新加坡6 海洋石油 981 国内研制3050 2008 年2010 年中国上海我国海洋石油钻井平台发展主要差距13：(1)我国对移动式钻井平台的设计、建造水平仅停留在20 世纪 80 年代阶段，没有资金

35、、计算机辅助设计技术及最新软件设计手段进行常规移动式钻井平台的设计。(2)没有较深水域钻井平台的设计建造实践与经验，更无动力定位浮船和半潜式深水钻井平台的设计技术能力。(3)在移动式钻井平台通用配备仪器的自给能力方面，尚有较大差距。对比国外深水和超深水钻井平台的快速发展，对于我国这样一个海洋大国，实感自愧。为适应向海深3000-6000m(占海洋总面积 73.83%)的深海石油，发展深水域海洋石油钻井采油装备，已经成为国际竞争的重要一环，也是今后较长时间发展的必然趋势。1.5 世界级深水钻井平台海洋石油981我国南海油气资源丰富，周边国家争相开采，使我国领土被侵占、海域被分割、资源被掠夺，而我

36、国在南海深水海域油气勘探开发工作基本处于空白，重要原因之一是我国尚不拥有实施深水油气勘探开发的技术和装备。为了保护我国南海油气资源，实现南海深水油气资源的自主勘探开发，为了能够在世界深海油气勘探开发的国际竞争中处于有利地位，我国必须打破国外技术垄断，掌握深水油气勘探开发前沿技术，拥有当今国际先进水平的自主知识产权的深水油气勘探开发装备。为此，中国石油集团海洋工程有限公司，制定了南海油气勘探开发规划，先期启动建造一座深水半潜式钻井平台9。国家“十一五”863 重大项目“南海深水勘探开发关键技术及装备”(项目编号：2006AA09A 104)重点课题：“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术”三级子课

37、题“钻井系统集成与重要设备研究”。勘探开发深海油气资源，深水钻井装备是关键，也是制约我国石油公司进军深海的主要瓶颈。在深海环境下，钻井作业条件恶劣，对钻井系统安全性、可靠性和自动化程度要求比陆地更高。如何选配一套高性价比，高可靠性的钻井设备，并在有限的平台空间内优化布置，保证它们东北石油大学本科生毕业设计（论文）10 有机地集成、运行，是目标平台概念设计的重要环节。钻井设备的布置要在能够完成钻井作业工艺流程的前提下，考虑钻井平台空间的利用效率及人员安全，满足平台稳定性、平衡性等的性能约束，属于复杂布局设计问题。研究钻井设备布置，目的是提高钻井平台作业效率及性能，保证工作人员安全高效的完成深海的

38、钻井作业。日前，国产首座第六代深水半潜式钻井平台在上海外高桥造船有限公司顺利出坞，这标志着我国在具有当今世界最先进水平的海洋工程主流装备领域中实现了重大突破。该平台由中海油投资、中国船舶工业集团公司上海外高桥造船有限公司建造。表 1-2 海洋石油981 技术参数技术参数主尺度114m 90m 112m 最大作业水深3050 m 钻井深度10000 m 作业吃水19 m 生存吃水16 m 最大甲板可变载荷9000 t 主柴油发电机55308 kW 推进器46008 kW 最大航速8 Kn 定位方式1500 m 动力定位生活区定员158 人我国“海洋石油981属于第六代深水半潜式钻井平台，代表了当

39、今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平。建成后，它将成为我国首座自行设计、建造的超深水半潜式钻井平台，具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能，最大作业水深 3000米，钻井深度可达 10000米。该平台设计自重 30670 吨，长度为 114 米，宽度为 79 米;从船底到钻井架顶高度为130 米，相当于 40 多层的高楼;电缆总长度 650公里。平台总造价近60 亿元。该平台拥有多项自主创新设计，平台稳性和强度按照南海恶劣海况设计，能抵御 200 年一遇的台风;选用大马力推进器及DP3动力定位系统，在1500 米水深内可使用锚泊定位，甲板最大可变载荷达9000吨。该平台可在中国南海、东南亚、

40、西非等深水海域作业，设计使用寿命 30 年，平台的详细设计和建造均在国内进行，中国海油拥有其知识产权。平台入ABS，CCS 双船级。我国目前只具备300 米以内水深油气田的勘探、开发和生产的全套能力，我国自行研制的海洋钻井平台作业水深均较浅，半潜式钻井平台仅属于世界上第二代、第三代的水平，国外深水钻井能力已经达到3052 米，国内只达到 505米水深。第六代深水钻井平台“海洋石油 981”的建成，将填补中国在深水装备领域的空白，东北石油大学本科生毕业设计（论文）11 使中国跻身世界深水装备的领先行列。该平台已经于2010 年年底正式交付使用。东北石油大学本科生毕业设计（论文）12 第 2 章

41、平台稳定性及定位原理分析2.1 平台稳定性分析2.1.1 浮力漂浮在水面或淹没于水中的物体将受到静水压力（静止或相对静止液体对其接触面上所作用的力称为流体静压力（静水压力），其单位为牛顿（N）或千牛顿（kN）的作用，其值等于物体表面上各点静水压强的总和14。如图 2-1 所示有一任意形状的物体淹没于水下。和计算曲面静水压力一样，假设整个物体表面（看做是三向曲面）上的静水总压力可分为3 个方向的分力：Px、Py、Pz。图 2-1 淹没于水中的任意形状物体受力分析先计算水平分力 Px和 Py。今以平行于 ox 轴的直线与物体表面相切，其切点构成一根封闭曲线abcd，曲线 abcd 将物体表面分成左

42、、右两半，作用于物体表面静水总压力的水平分力Px，应为这两部分的水平分力Px1和 Px2之和。显然，左半部曲面和右半部曲面在y。z 平面上的投影面积相等，因而Px1和 Px2大小相等，方向相反，合成后在。x 方向合力 Px为零。同理，整个表面所受。y 方向的静水压力Py也等于零。东北石油大学本科生毕业设计（论文）13 再讨论垂直分力 Pz。今以与 oz 轴平行的直线与物体表面相切，切点形成一条封闭曲线 ebgc，曲线把物体表面分成上、下两部分，则作用于物体上的垂直分力Pz是上、下两部分曲面的垂直分力的合力。分别画两部分曲面的压力体，曲面deg上的垂直分力 Pz1，方向向下；曲面aeg的垂直分力

43、 Pz2，方向向上；抵消部分压力体 edgkj 后，得出的压力体的形状就是物体本身，其体积为V，方向向上。因此，垂直分力 Pz为：ZPgV（2-1）以上讨论表明：淹没物体上的静水总压力只有一个铅直向上的力，其大小等于物体所排开的同等体积的水重。这就是阿基米德（Archimedes）原理。液体对淹没物体上的作用力称为浮力，浮力的作用点在物体被淹没部分体积的形心，该点称为浮心。在证明阿基米德原理的过程中，假定物体全部淹没于水下，但所得结论，对部分淹没于水中的物体，也完全适用。物体在静止液体中，除受重力作用外，还受到液体上浮力的作用。若物体在空气中的自重为G，其体积为 V，则物体全部淹没于水下时，物

44、体所受的上浮力为gV。如果 G gV时，物体将会下沉，直至沉到底部才会停止下来，这样的物体称为沉体。如果 Ge（即定倾中心高于重心）时，浮体平衡是稳定的，此时浮力与重力所产生的力偶可以使浮体平衡恢复，故此力偶称为正力偶。若当e（即定倾中心低于重心）时，浮力与重力构成了倾覆力偶，使浮体有继续倾斜的趋势。综上所述，浮体平衡的稳定条件为定倾中心要高于重心，或者说，定倾半径大于偏心距。2.2 平台定位半潜式平台的定位方式主要有三种3，5：锚泊定位、动力定位（图 2-5）以及锚泊动力定位。锚泊定位系统结构简单、可靠、经济性好，在水深不大的情况下，东北石油大学本科生毕业设计（论文）16 一般采用锚泊系统定

45、位。但随着水深的增加，锚泊系统布置安装变得困难，造价和安装费用猛增。相反，动力定位的定位成本不会随着水深增加而增加，可以在锚泊有极大困难的海域进行定位作业，如极深海域、海底土质不利抛锚的区域等。动力定位机动性能好，一旦到达作业海域，立即可以开始工作，遇有恶劣环境突袭时，又能迅速撤离躲避。但是全动力定位系统初始投资和运营成本都比较高。因此常采用的是锚泊系统与动力定位系统联合定位的方式，即在浅水区采用锚泊定位，在深水区采用动力定位。比如海洋石油981 在水深小于 1500m时采用锚泊定位，水深大于 1500m时采用动力定位。这样既能在一定程度上减小锚链线应力，又降低了动力定位时的燃油消耗。图 2-

46、4 半潜式平台的两种不同定位方法：锚泊定位和动力定位2.2.1 锚泊定位用于海底钻探的半潜式平台应牢固地保持在井口上方。钻探装置的结构特点决定半潜式钻探平台的容许飘移值，钻探状态容许飘移值约为水深的3%，在风暴状态，海浪超过 7-8 级时，容许飘移值约为水深的5-10%。为了保持平台处于井口上方，采用由下列主要部件组成的泊定系统：东北石油大学本科生毕业设计（论文）17 保持平台相对于井口的位置和方向的执行机构；测量平台对海底井口相对位置并向执行机构发令的信息处理装置。根据海深、操作区域和钻探设备的特点，半潜式钻探平台有动力定位或锚泊定位系统。在动力定位系统中采用推进装置，该装置能保证使平台泊定

47、于与海底无机械连接的规定的范围内，用复杂的信息处理装置自动地控制推进设备。动力定位系统主要地装在钻探水深很深的钻探设备上，因此，应用动力定位系统，对用于钻探海深超过1500米的平台是极有前途的。在浅海，为了保持平台位置，广泛应用比动力定位系统简单的锚泊定位系统7，8。2.2.1.1半潜式钻探平台受外力的影响和锚悬链线负载的特性锚泊的半潜式钻探平台，在海上由于受风、波浪和水流力的作用，会产生下列运动：偏离钻孔中心、横倾、纵倾、升沉和水平运动。图2-6 表示某型半潜式钻探平台外力作用的特性曲线，风和水流作用力的曲线是根据美国船检局的方法计算的。波负载根据北海测得的波谱计算。图 2-5 北海中某型平

48、台弦边所受的风、波浪和水流力的作用1波浪 2 风 3 水流锚悬链线受范围很广的循环负载。这样引起材料疲劳使其寿命缩短，有时会在远小于破断强度的负载下破断。因此，在使用中要求最大程度地减小锚悬链线的负载。减小锚悬链线负载和提高锚系统的泊定能力的最重要因素是锚的配置方东北石油大学本科生毕业设计（论文）18 式，图 2-7 表示平台锚悬链线的均布和定向配置。图 2-6 半潜式钻井平台锚泊定位示意图a锚悬链线均布示意图 b 定向配置示意图1.锚；2.锚悬链线；J.半潜式钻井平台为了限制平台移动，在锚悬链线中应加预紧力，使平台在一定的外载荷作用下能泊定于规定的范围内，而勿需用锚机调整。正确地选择预紧力可

49、以避免锚链的过载。但当钻探平台在外部负载作用下移动时，下风舷的预紧锚链会使顶风舷小负载的锚链所受拉力增加，这就要求足够地放松下风舷锚链，图2-8 是某型平台移动值变化与负载作用8关系的特性曲线。图 2-7 某型平台锚系统泊定能力与负载作用的关系东北石油大学本科生毕业设计（论文）19 锚链预紧力（102 吨力）；下风弦锚链完全放松；上风弦最大负载锚链中的力；锚链预紧力值。由上述的特性曲线可以得出结论，放松下风舷的锚链线对限制平台移动和增加锚系统的泊定能力起着显著的作用。2.2.1.2半潜式钻井平台用锚链和钢索锚链线的泊定系统的特点在半潜式钻井平台锚泊定位系统中应用锚链式、钢索式或钢索锚链式的锚链

50、线。选择锚链线时，泊定系统操作的特殊条件及锚链线的特点都应考虑。半潜式钻探平台的锚链线数量可在6 至 12 个之间；当平台的壳体呈长方形时，通常采用 8 个锚链线。当海深在200-300 米以内，在半潜式钻井平台上操作时，锚链式锚链线获得优先推广使用。这主要由于锚链线能吸收外力作用的能量，并能限制平台的移动，从而在锚链线负载循环改变的条件下不需开动锚机7。如在平台泊定系统中采用钢索，则必须经常开动锚机。这样就必须依靠测量控制装置自动地操纵锚机。受外力作用的钢索中的峰荷值比锚链高若干倍。应指出与锚链泊定系统相比，当预紧力值较小时，在有海浪的情况下，钢索泊定系统使平台有较小的移动范围。钢索的优点是