1.1研究背景及意义

众所周知，地球上七分海洋三分陆地，海洋面积占地球表面积的71%，而且海洋中蕴含大量丰富的资源，是一个亟待开发的聚宝盆。进入二十一世纪以来，随着世界经济的急速发展，全球对能量的需求日渐增大，世界已逐渐步入能源稀缺时代。石油作为全球的主要能源和稀缺能源之一，是世界经济的命脉，拥有充足的油气资源，保证油气资源的稳定供给，是各大产业和经济平稳发展的必要条件^[1]。陆上的可开采油气资源已经所剩无几，于是世界各国将获取能源的目光移到了海上。从我国我国土面积来看，我国有着近320万km²的海域面积和130多万 km²的近海大陆架，埋藏着约239亿吨的石油地质资源和约16万亿m³的天然气存量，油气资源可谓十分丰富^[2]。

自升式钻井平台是一种海上移动式平台，主要由三大部分组成，分别是平台结构、桩腿和升降传动装置。其工作原理如下：在进行勘探作业时，利用升降装置，将钻井平台抬起到海平面以上的位置，然后将平台固定，使其避免受到海水冲击的损害，然后靠桩腿来完成钻井平台的固定，完成钻井作业。等到钻井作业结束时，可以收起桩腿，让钻井平台浮于海面上，即可在拖船的牵引下拖航到下一个井位作业^[3]。因受其桩腿长度影响，故其主要作业区域是滩涂和浅海。自升式钻井平台自上世纪50年代起加入海洋石油开发大军，至今已成功应用在海洋石油开采、钻井、生产、储存、平台维护等各个方面^[4]。在诸多种类的海洋油气开采装备中，自升式钻井平台以其具有作业灵活、钢材用量少、建造成本低、可移动性能好、操作费率低等诸多优势特点，成为近海油气勘探开发最重要的海洋工程装备^[5]。并且自升式钻井平台定位性强，作业平稳，市场需求增大，近年来的建造量也在逐年增加，因此，开展对自升式钻井平台设计的相关研究很有必要。

1.2自升式钻井平台的发展及国内外现状

1.2.1自升式钻井平台发展的总体概况

世界上第一艘自升式钻井平台“德隆1号”产生于20世纪50年代。它有10条桩腿，每条桩腿直径1.8m(6ft)，长48.8m(160ft)，采用了L.B. 德隆设计的升降系统。1956年，美国发明家R.G. Le Tourneau设计的第一座三腿自升式钻井平台“天蝎号”(Zapata Scorpion)建成交付Zapata Offshore公司使用^[6]。半个世纪以来，全球自升式钻井平台的发展随着各国经济发展的滞涨起起落落。1973- 1983年的十年间，全世界共建造了近300座自升式平台，平台总数增至近400座。而后的20年，由于国际油价的持续低迷，近海油气开发走低，钻井平台的建造几乎全面停工。自2004-2008年，几大亚洲国家经济逐渐复苏，美国及亚洲新兴市场的强劲需求带动了石油市场的发展，钻井平台的发展进入高潮。但是自2008年世界经融危机爆发后，至2013年，随着全球经济萎缩，能源需求减弱，全球自升式钻井平台的使用率急剧下降^[7]。而近年来，随着人口增长和经济的发展，全球对石油的需求再一次进入小高潮，市场调研机构IHS Markit在其最新《全球钻机预测：短期趋势》（WorldRig Forecast:Short-Term Trends）报告中预计2018至2020年间，包括自升式钻井平台（Jack-up）和浮动钻井平台（Floatingrig）在内的全球海上移动钻井平台数量将增加13%，届时全球海上钻井平台数量有望达到521座，超过2018年预计的453座。

1.2.2国外自升式钻井平台发展现状

欧美国家进行海洋油气钻井平台开发已经有近一个世纪的历史了，在自升式钻井平台的技术方面较为成熟，并在技术市场和关键设备上占据垄断地位。国外自升式钻井平台设计公司主要有美国的LeTourneau公司、Baker Marine公司(现被PPL收购)、Friedeamp;Goldman公司、BASS与BMC公司，荷兰的MSC公司，法国的NOV-BLM公司、CFEM公司、KEPPEL公司以及日本的三井海洋开发与Hitachizosen公司等^[8]。并且每个公司都已经形成了多种型号的系列产品，LeTourneau，MSC和F＆G在当前的技术领域占领先地位。

LeTourneau公司是自升式钻井平台设计的先驱，全世界1/3的自升式平台都出自其设计；荷兰的MSC公司设计了一系列工作于超恶劣海况海域的自升式钻井平台(例如挪威北部海域与加拿大东部海域)；20世纪80年代初，美国Famp;G公司就已申请齿条锁定系统(Rack Chock Fixation System)专利，这一齿条锁定系统使得自升式钻井平台能够进入更深、更恶劣海况的海域工作。同一时期，Famp;G推出了L-780系列自升式钻井平台，在当时共建造了39艘，取得了很大成功^[9]。

近年来，有很多国外学者对自升式钻井平台的整体或局部进行了相关的研究讨论，Chirica^[10]在2015年研究了船舶结构改装为海上自升式平台的结构问题，为平台和桩腿结构整体及局部固定装置设计提供参考。Mirzadeh^[11]在2016年研究了海浪的方向性和随机性对自升式平台整体结构性能的影响，建立了有限元模型并进行了数值计算。Rozmarynowski^[12]在2018年研究了自升式平台的灵敏度和可靠性问题，结构可靠性分析引起了广泛关注。