深水半潜式钻井平台的设计和建造研究

NA V AL AR C HITEC TUR E AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程2012年第1期（总第89期）深水半潜式钻井平台的设计和建造研究陈刚，吴晓源（上海外高桥造船有限公司，上海200137）摘要：半潜式钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积与装载容量和更高的作业效率等特点，在深水能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。

以上海外高桥造船有限公司建造的深水半潜式钻井平台“海洋石油981”为例，对在建造过程中主要应用的有限元数值计算、超高强度钢焊接、平台码头系泊抗台风、减震降噪、重量控制等工作进行了总结，为今后工作积累经验。

关键词：半潜式钻井平台；建造工艺；有限元计算；减震降噪；重量控制中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1005-9962(2012)01-0009-06Abstract:Semi-submersibledrillingplatformshaveseveral features suchasgreatanti-waveability, excellentseakeeping performance, vastdeckareaandloadingcapacityandhigherworkingefficiency;therefore,theyhaveunmatchable advantagesoverotherplatformtypesinexploringdeepwater energyresources.Takingthedeepwater semi-submersible drillingplatform“OceanOil981” as ane xample,whichis builtinShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingCo.,Ltd,thispaper summarizesseveralmainapplicationssuchasfiniteelementcalculation,ultra-highstrengthsteelwelding,platform anti-typhoonpiermooring,vibrationandnoisereductionandweightcontrolduringtheconstructionprocess,soastoaccumulatesomeexperienceforfuturedevelopments.Key words: semi-submersibledrillingplatform;constructioncraft; finite elementcalculation;vibrationand noisereduction;weightcontrol0 引言随着陆地资源的日益枯竭，石油天然气开采已经逐渐由陆地转移到海洋。

据有关资料报道，全球90% 以上海洋面积的水深为200~6000m，因而广阔的深海领域必将是未来能源开发的主战场。

半潜式钻井平台从上世纪60年代初问世以来，在海洋石油勘探开发中一直得到广泛应用。

半潜式钻井平台由坐底式平台发展而来，由平台上船体、立柱和下浮体组成，下浮体、立柱与上船体之间设有横撑或斜撑进行连接。

通常采用的双下浮体结构形式便于拖航，但与环形下浮体相比，强度有所降低。

作业时，下浮体潜入水中，提供主要浮力。

与开放式的单层甲板结构相比，箱形上船体能增加总强度和内部空间，并可在破舱时提供附加浮力。

上船体高出水面一定距离，保持气隙，以免受波浪的冲击。

平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，主要由主甲板为钻井作业提供空间。

自从1962年壳牌石油公司改装了世界上第一艘半潜式钻井平台“BluewaterRigNo.1”，见图1。

半潜式钻井平台已经历了从第1代到第6代的发展历程，划分的主要标准为建造年份、作业水深、可变载荷和作业环境。

第5代半潜式钻井平台的最大作业水深已达到3048m，第5代以后的半潜式钻井平台作业水深差别不大，主要体现在可变载荷和作业环境上。

目前世界上的深水半潜式钻井平台集中在墨西哥湾和北海进行作业。

1 “海洋石油981”平台自1984年我国自行研制的半潜式钻井平台“勘探三号”投入使用后，国内的半潜式钻井平台设计建基金项目：工业及信息化部深海半潜式钻井平台工程开发科研基金资助项目(工信部装[2009]382号)第一作者简介：陈刚，男，研究员，博士，1972年出生。

2001年毕业于上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事海洋工程项目的项目管理工作。

收稿日期：2012-01-1610 船舶与海洋工程2012年第1期造工作一直处于停顿状态，与国际水平差距较大。

时隔20余年，第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”的建造，标志着我国正在迅速缩小这一差距，见图2。

该平台设有双下船体、横撑、4个立柱以及箱形上船体，可作业于南海等深水海域，最大可变载荷9000t，具备钻井、完井、试油、修井等功能；平台在1500m 水深以内采用锚泊定位，在动力定位模式下（DP-3）作业水深可达3050m，钻井深度可达12000m。

平台的主要技术参数如下：图1 壳牌石油“B l u e w a t e r”图2 中海油“海洋石油981”主尺度114m×90m×132mABSA1 ColumnStabilizedDrillingUnit,DPS-3, P,CDS, UWILD CCSCSA Semi-submersibleDrillingUnit,PM, DP-3, HELDK, IWS柴油发电机8×5530kW推进器8×4600kW自航最大航速8kn结构净重18700t 舾装重量12000t 电缆长度960km管线3.5万根设备1000台套以上报警点16000点2 设计、生产难点及关键技术在“海洋石油981”平台的设计建造过程中，结合深水半潜式钻井平台的设计建造难点，共列出了17 项课题、30 项子课题进行重点攻关。

以课题研究为先导，以工程项目为载体，推行科研工作与工程项目并行、科研成果直接应用于工程项目设计与建造的工作模式，取得了显著的效果。

2.1 总体建造方案制定深水半潜式钻井平台的建造方案时，首先要进行结构的分段/总段划分。

分段划分图是平台建造的指导性文件，分段划分的有效合理直接影响到平台建造周期。

平台的下浮体、立柱和上船体既有纵向骨架，又有横向密集的肋板，而横撑、克令吊、钻台等结构钢级较高、板厚较厚，因此在平台分段/总段划分时，应充分考虑其结构特点，遵循相关原则，最大可能地提供预舾装率，同时根据具体建造场地及设施条件，尽最大可能发挥各个设备和场地的功效，减少分段/总段数量。

分段、总段划分方案经过优化后，整个平台分为159个分段、35个总段，在建造过程中，根据工程项目关键设备的到货情况，及时调整立柱和上船体的总段划分方案，从建造过程看，围绕提高预舾装率为目标展开分段、总段的划分工作符合半潜式钻井平台的结构和设备/系统布置特点。

陈刚，等：深水半潜式钻井平台的设计和建造研究 112.2 有限元数值模拟技术在平台的建造过程中，有限元数值模拟技术得以广泛应用[1]。

2.2.1坞墩布置计算深水半潜式钻井平台本身重量较大，而可布置坞墩的面积较小，再则，坞内总装过程中，上 船体重量通过4个立柱传递到2个下浮体上，这样下部坞墩的受力非常之巨大且分布极不均匀。

在制定坞墩布置方案时，对平台总装建造的坞墩布置进行了受力分析及优化，保证总装建造过程中平台、坞墩及坞底承力的安全性，见图3。

2.2.2吊装计算结合平台分段/总段的划分，在采用“塔式法”进行总装建造时，需分析平台上船体（包括生活楼、钻台结构）各总段结构特点，制定吊装 方案。

为保证吊装作业的安全性，控制吊装作业对平台主体结构的变形，对于重量大于200t图3 坞墩布置的分段和总段结构以及尺度较大的结构（如柔性较大的上船体的双层底总段），应用有限元技术，分析吊 装状态下各总段结构在重力作用下的应力及位移响应，对吊装方案进行评估及优化，并提出了对总段结构吊装进行加强的建议和措施，见图4。

图4 双层底总段吊装、钻台吊装的数值计算12 船舶与海洋工程2012年第1期2.2.3 建造精度计算在精度控制方面，引入有限元数值精度分析技术，与建造阶段的精度测量技术相结合，建立并应用深水半潜式钻井平台精度控制技术方案，改变了国内依据经验制定总段反变形值的传统方法，实现平台建造精度的可控性，见图5。

FR19FR39FR59ST B′DBTMAFT全站仪S E T T I N G GROUNDM.K.参照全站仪1. 双体−54A总组完后分别在FR19、FR39、FR59 贴上反射片。

−尺寸控制（长度、宽度）根据立柱的数据定位。

2. 基准线设置−全站仪（ECO-MES）参照DOCKGROUNDM.K.设置−纵向以C.L.为基准线，横线以FR39为基准线3. 水平反变形−LEVEL参照重力载荷54A、52A、52B、53C、54D、55A图5 数值计算与精度控制的结合2.3 焊接技术焊接工作对于平台建造有着极其重要的意义。

在深水半潜式钻井平台的建造过程中，焊接方面的研究主要围绕超高强度钢的应用、复杂节点的焊接技术、焊接残余应力的控制以及高压管线的焊接技术等展开[2~4]。

2.3.1 EQ56/EQ70超高强度钢的焊接通过系列试验，确定EQ56、EQ70超高强度钢冷裂敏感性及焊前预热温度、层间温度以及焊后热处理对焊接接头力学性能的影响，确定建造的推荐工艺。

同时在上述试验的基础上，对EQ56/EQ70超高强度钢板试件进行了CTOD（裂纹尖端张开位移）试验，了解了这类材质钢板的CTOD性能。

2.3.2 复杂节点的焊接技术针对平台局部结构较为复杂的特点，研究了水平横撑与立柱结构、立柱与上下船体结构、克令吊基座、推进器基座等复杂结构的焊接技术，对其焊接工艺进行了总结提炼，包括安装顺序、坡口角度及加工方法、焊接方法、焊前预热、层间温度控制、焊后热处理、焊接前准备和焊接顺序等。

2.3.3 焊接残余应力的控制通过数值计算结合试验验证的方式，对重要局部结构焊接残余应力控制技术进行了初步研究，对超声冲击、焊趾重熔、焊接线能量、焊缝打磨、焊前预热及焊后热处理等降低残余应力的工艺进行评估。

焊缝打磨可降低应力集中，使焊接接头表面光滑，改善焊接残余应力的分布，建造中易于操作。

焊前预热和焊后热处理对焊接残余应力的减小有着很好的作用，虽然因装置复杂而不易实现，但由于在EQ56、EQ70钢焊接时，从提高本身焊接性的角度就需要进行，因此在实际焊接中有很好的应用价值。