摘 要

随着海洋开发技术手段的不断发展，海洋资源的开发得到了不断的开拓和进步。海洋石油作为目前主要能源之一，在其开发阶段，自升式平台起着不可替代的作用。本文旨在基于CCS《海上移动平台入级与建造规范（2012）》、《船舶原理》与《船舶设计原理》等相关参考书的指导，对《‘015’自升式钻井平台》进行初步方案设计，并针对初步设计方案，对其结构进行深入计算与校核，进一步探讨本设计方案的可行性。

本文主要从《‘015’自升式钻井平台》的方案设计和性能计算及校核两部分展开。在方案设计的过程当中，首先根据任务书的要求进行方案论证，随后确定设计平台的主尺度，并且根据母型平台对设计平台进行整体布局以及舱室规划。在此基础上，对本次设计平台进行重量重心估算，再通过AutoCAD、Excel等软件对平台的性能进行计算与校核。通过静水力计算、稳性计算验证了设计方案的可行性，。

关键词：《‘015’自升式平台》；重量重心估算；稳性计算；性能校核

Abstract

With the continuous development of marine exploitation technology, marine resources have been continuously developed. As the main energy sources, offshore oil plays an irreplaceable role in the development stage. This paper aims to design a preliminary plan for the "015" jack-up platform based on the guidance of CCS code for classification and construction of offshore mobile platforms (2012), principles of ships, principles of ship design and other relevant reference books. For the preliminary design, the structure was deeply calculated and checked, and the feasibility of the design was further explored.

This paper mainly from the "015" jack-up drilling platform project design and performance calculation and check. During the design process, the program is firstly demonstrated according to the requirements of the mission statement, then the main scale of the design platform is determined, and the overall layout and planning of the design platform are completed with reference to the mother platform. On this basis, the center of gravity of the design platform is estimated, and then the performance of the platform is calculated and checked by AutoCAD, Excel and other software. The feasibility of the design scheme is verified by hydrostatic calculation and stability calculation.

Key words: "015" jack-up platform; Weight center of gravity estimation; Stability calculation; Performance check

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究意义背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外自升式钻井平台研究发展状况 2

1.2.2国内自升式钻井平台研究发展状况 2

1.3自升式钻井平台的技术方向 2

1.3.1桩腿技术 2

1.3.2悬臂梁技术 3

1.3.3环境载荷的计算 3

第二章自升式平台设计方案 5

2.1平台设计要求 5

2.2主尺度要素的确定 5

2.2.1平台的相关定义 5

2.2.2主尺度的确定 5

2.3平台的总体布置 9

2.4平台重量与重心位置估算 10

2.4.1空平台重量估算 10

2.4.2可变载荷估算 13

2.4.3重心位置估算 14

第三章 海洋环境载荷计算 16

3.1环境载荷参数 16

3.2风载荷 16

3.2.1计算方法 16

3.2.2计算结果 18

3.3波浪载荷 23

3.3.1计算方法 23

3.3.2计算结果 25

3.4海流载荷 26

3.4.1计算方法 26

3.4.2计算结果 27

第四章 平台各项性能计算与校核 28

4.1静水力要素计算 28

4.1.1静水力计算符号说明 28

4.1.2静水力计算与结果 29

4.2最小干舷校核 32

4.2.1 的选取 32

4.2.2 的修正 34

4.2.3 的修正 34

4.2.4 的修正 34

4.2.5 的修正 34

4.1.6 的修正 34

4.3完整稳性校核 35

4.3.1坐标系 35

4.3.2完整稳性一般准则 35

4.3.3初稳性 36

4.3.4动稳性 36

4.4站立稳性校核 39

4.4.1站立稳性一般准则 39

4.4.2抗倾稳定性 40

4.4.3抗滑稳定性 43

第五章 总结与展望 45

5.1总结 45

5.2展望 45

参考文献 46

致谢 48

第一章 绪论

1.1研究意义背景及意义

，油气行业已逐渐发展成熟，并成为现有经济发展的主动力和社会稳定性的支持力量。石油消费应用已在上世纪中期超过煤炭。其中在2014年中，油气资源消费占比已达到56.3%；根据《BP2016 年世界能源展望》材料数据，预计截止2035年，化石能源仍然超越其他能源方式为世界经济提供主要动力，预计占据能源增加量的约60%左右；而天然气发展能源，在一次能源类别中的消费占比将逐渐增加，预计在2035年将成为世界第二大燃料；根据《展望》，天然气与石油的应用量将保持与过去的20年持平。因此，化石能源在未来的一段时间里仍然会主要能量来源。

近年来，中国经济飞速发展，特别是石油化工和汽车工业作为支柱产业，近年来发展速度不断加快，油气供需失衡的矛盾现状日益严重我国从自1993年，原油产量与日益增长的市场需求逐渐失衡，从而导致了我国从石油出口国到石油进口国的变化。仅去年一年时间，我国的原油进口量便已高达9000万吨之巨，石油现已变为我国的稀缺能源。

但是我国陆地油气资源勘探开发程度已经处在较高水平,资源总量正处在不断减少的状态之中虽然我国国土面积广阔，资源贮备充足，但是渤海、东海、南海等多地发现油田储备并且已经进行了前期开采。然而在油田开采过程中，需要完备的专业海洋平台技术支持。由于特殊的作业环境，要求海洋平台应当具备油气处理系统，发电系统，外输系统与原油储存等多种系统的有机结合。在多种海洋平台中，自升式钻井平台又被称为桩腿式钻井平台，自升式平台于1950年首次被应用,由于其出色的定位能力和作业稳定性,在大陆架海域周围的油气开发中处于主力军的地位，大约占据海洋平台总数的65%。

自升式钻井平台结构主要包括由桩腿、升降传动装置和平台等结构组成。其主要作用原理是在工作状态下，使用结构升降机构将平台主体提升至海平面以上区域，降低主体结构遭受海浪的冲击和腐蚀的情况，其升降结构通常还配有锁紧机构，其主要目的不仅旨在实现平台锁紧固定，还能使平台通过桩腿完成站立工作状态，从而进行钻井工作。目前随着油气勘探水平的不断发展与技术的不断提高，海洋开发能力得到不断拓展，海洋开发也逐渐向远洋深海推进，以自升式钻井平台为代表等一批海洋装备得到了深入发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外自升式钻井平台研究发展状况

新加坡和韩国在近海浅水领域的海洋平台建造技术发展较为成熟，他们仍将深水高科技海洋平台列为其重点发展方向；欧美国家在深水、超深水海洋平台建造中仍然掌握了较为核心和技术在众多的海洋平台研发与制造公司中，世界上排名前列的自升式钻井平台设计公司主要包括日本的Hitachi Zosen与三井海洋开发, 法国的CFEM，美国的LeTourneau, Famp;G, BASS与BMC以及荷兰的 MSC^[3]，是他们都已经具备了多型号的系列产品。

美国的LeTourneau公司研发的LeTourneau 型号自升式钻井平台是该领域的代表平台，其研发量占据了全球总量的三分之一。

美国的Friede ＆ Goldman 公司在 1980年前后设计的 L － 780 系列得了很大成功。Mod II、SUPER M2、JU － 2000A 和 JU － 2000E 等型号平台是目前平台应用中的主要升降平台系列。

MSC 公司所设计研发的针对超恶劣海况的海域（如挪威北海与加拿大东海岸），系列平台为代表，表现出较强的生存能力和良好的环境适应性。

1.2.2国内自升式钻井平台研究发展状况

相较于国外，我国由于工业基础较薄弱，海上石油钻井平台起步较晚，但我国在上世纪五十年代以后积极发展海上平台，截至目前已取得较大发展。

我国科研海洋技术装备的国际市场研发力和竞争力得到了不断发展。近年来，我国对于不同海况、不同安装环境的钻井平台的研发与建造水平得到了不断提升，在全球海洋平台市场中，我国的科研能力和竞争力不断提高，各项技术水平不断向专业化和规模化发展，目前我国对自升式钻井平台的专业研发和建造能力在国际平台上已占据一席之地。在海工装备领域，国内市场份额连续多年位居世界首位 ^[5]。

虽然经历了多年的发展，但是我国在海洋平台领域依旧存在着诸多问题，例如平台自主设计能力不被国外认可、深海领域核心技术受制于人、关键配套部件对外依存度高、专业人才紧缺影响长足发展、投融资模式不成熟导致风险过大等。

1.3自升式钻井平台的技术方向

1.3.1桩腿技术

桩腿的形式主要有三根和四根两种，桩腿作为自升式钻井平台的关键技术，主要有关于平台在作业以及拖航时的稳定性，式结构桩腿则在较大水深中表现突出，适应性强，能应用于风浪流载荷较大的海况区域。

海洋平台，顾名思义主要用于钻井、开发工程，施工过程中会采用隔水套管，而气隙高度则仅需按照规范要求进行选取和加工。

桩腿的桩靴需要按照地质条件进行确定,桩靴的平面形状主要有以下几种选择：圆形、方形和多边形。桩靴深插理念主要根据不同海域的环境特点和地貌特征，不断进行桩靴结构型式优化，从而降低结构环境依赖性和提高复杂环境适用性。

1.3.2悬臂梁技术

悬臂式平台主要包括普通悬臂梁和 X-Y 箱体悬臂梁，前者按照结构特点可分为箱体式和甲板式^[2]。该结构主要功能是通过对其操作产生纵向位移和钻台产生的横向位移实现转盘中心对准井口的操作。不同结构的悬臂梁形式特点有所不同，主要包括以下特点:

( 1) 普通甲板式悬臂梁: 该结构类似于可活动式平台场地，便于加工作业。主要通过结构上甲板运输例如套管、钻杆等其他各类施工物品进行运动。悬臂梁甲板与平台主体甲板间之间的空余结构为作业提供了 充足的施工和物资储存空间

( 2) 普通箱体悬臂梁: 箱体式悬臂梁与底甲板之间为封闭结构。其内部可用于固井泵及储能器等各类设备的安装区域，并使工作设备随悬臂梁共同作业，节省作业空间。

( 3) X-Y 悬臂梁:该结构作为荷兰 MSC公司所属的专利技术。这种悬臂梁对结构强度提出较高要求。 X-Y 悬臂梁与钻台连为一体，可以在平台主甲板上做整体纵向、横向移动^[2]。

X-Y 悬臂梁是目前悬臂梁的主流形式。

1.3.3环境载荷的计算

目前主要的环境载荷包括风，浪，流，雪，冰等自然原因风载荷是指作用在平台水线面以上结构的平台受力，风载荷计算参数主要包括风速、受风面积、风作用系数以及距水线高度等。

波浪及海流载荷则是指在波浪与海流作用下，平台水线以下受力的情况，主要影响参数包括环境浪高、周期、流速以及平台作用面积等因素。

冰载荷和雪载荷指的是冰雪作用下，平台接触区域所产生的平台受力，主要影响范围包括—大区域冰对结构的挤压和流冰对结构的冲击作用。

对于波浪作用下的桩腿作用力计算，规范推荐使用的莫里森方程得到广泛应用。计算选取，其过程十分复杂繁琐。故在一般设计计算中，对于圆形结构构件，阻力系数选取为0.6-1.0，惯性力系数一般1.8-2.0之间选择。

第二章自升式平台设计方案

2.1平台设计要求

，本平台主要作用于我国水深为100米的渤海海域进行海洋油气资源开采。

本平台在桩腿以及平台样式上的选择为：三桩腿式、悬臂梁钻井平台。本平台可为130人提供居住。

2.2主尺度要素的确定

2.2.1平台的相关定义

2.2.1.1主尺度的相关定义

6. 舱壁甲板

系指各水密横舱壁达到的连续甲板。

2.2.2主尺度的确定

1. 根据设计任务书的要求，我们可以得知平台的主体长度L和作业水深H。

2. 对母型平台的宽度进行一定比例的缩放，我们可以得到设计平台的宽度。

3. 桩腿总长度的计算方法如下（如图2.1）：

图2.1

式中：： ；

；

；

：波峰高度，根据波高、周期及水深等影响参数进行计算；美国船级社相关规定见图2.2。

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