深海半潜式钻井平台重量体积分数的研究

茅云生， 杜洪文， 向祖权， 胡炳强， 江云帆

(1.武汉理工大学 高性能船舶技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430070)



深海半潜式钻井平台重量体积分数的研究

茅云生1，2， 杜洪文1，2， 向祖权1，2， 胡炳强1，2， 江云帆3

(1.武汉理工大学 高性能船舶技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430070)

深海半潜式钻井平台的空船重量对平台可变载荷、结构强度、水动力性能等具有一定影响,空船重量过大会导致平台超重、可变载荷减小等不良影响。为研究和控制海洋平台的空船重量对海洋平台的影响，提高可变载荷，以第六代半潜式钻井平台为研究对象，对半潜平台的空船重量、体积进行统计分析与研究，并提出重量体积分数这一概念。深海半潜式钻井平台的重量体积分数就是平台的空船重量与体积的比值。通过对所统计的重量、体积的数值进行分析研究，最终得出最佳重量体积分数，为以后平台的设计、建造，特别是新船型的设计、制造提供了一定的依据。

深海半潜式钻井平台 空船重量 可变载荷 重量体积分数

0 引言

世界上第一座半潜式平台是由一带稳定立柱的坐底式平台改建而成的，而后出现了一系列具有三角形、五角形甲板等形式的平台。此类半潜式平台采用浮箱式下浮体，甲板形状和立柱数目由浮箱数量而定，一般为非自航。此后出现的半潜式平台都采用双平行下体的浮体型式，立柱数目可依据设计要求而定[2]多为四根、六根或八根。最终发展成现今的下浮体-立柱-上甲板结构型式，如图1所示。

目前，国内外出现的半潜式平台己发展到第六代，其特点是大型化、简单化和标准化，有利于重量体积分数的分析研究[2]。在结构型式上，采用双平行下体的浮体型式，立柱一般为4根圆立柱或圆角方立柱，上层建筑配备甲板大吊机，采用DP3动力定位系统，结构设计要求高，大都具有在水深大于2 000 m水域工作的能力，抗风暴能力强。

图1 第六代型式的深海半潜式钻井平台

1 平台空船重量的研究意义及分类

由于空船重量对深海半潜式钻井平台的可变载荷、结构强度、运动性能等有一定影响，特别是可变载荷这一关键技术指标，受空船重量的影响更加直接、显著[1]。因此，为确保可变载荷满足要求，且使船舶建造后不至于超重，必须对空船重量进行控制，尤其是对新船型空船重量进行控制。

在设计中平衡空船重量与可变载荷将会关系到此平台的优越性能。空船重量小，可变载荷大，将有利于减少供应物资的运输次数，保证钻井平台连续作业，这样不仅降低了作业成本，而且提高了经济效益。但是深海半潜式钻井平台作业环境恶劣，必须采用高强度的钢材建造以保证其能适应恶劣的海况，这又会增加空船重量，减小可变载荷。因此，如何在设计过程中有效地设计、控制空船重量大小，以确保平台关键技术指标满足要求，是深海半潜式钻井平台工程项目中至关重要的环节。

深海半潜式钻井平台的重量分类如图2所示[1]。其总重量/排水量=空船重量+可变载荷+锚链重量/张力+消耗品+压载。

图2 深海半潜式钻井平台重量分类图

2 平台重量、体积分析与研究

重量体积分数可以反映出空船的重量大小，在对平台的设计建造中，尤其是对新船型的设计建造具有指导意义，可以有效防止船舶超重，提高可变载荷。根据图2中空船重量的分类组成，对C-H 191等10艘结构相似、性能好、钻井能力强的第六代深海半潜式钻井平台各部分的体积、重量进行统计分析，并研究重量与体积之间的关系。

重量W、体积V的计算公式：

式中：Wi为组成海洋平台每个部分的重量，t；Vi为需要统计部分的体积，单位m3。

2.1 浮筒重量、体积统计与分析

深海半潜式钻井平台的浮力主要由浮筒提供，浮筒体积的大小关系到浮力的大小，内部设备的安装同时也关系到平台的重量的大小。根据式(1)、式(2)统计后的结果如表1所示。

2.2 立柱的重量、体积统计与分析

平台支柱主要用于支撑平台，连接浮筒与甲板。目前支柱的设计趋于简单化，一般采用4根圆立柱或圆角方立柱。下文所研究的平台就是采用的4根圆角方立柱。根据式(1)、式(2)统计后的结果如表2所示。

2.3 上甲板的重量、体积统计与分析

上甲板一般分为两层：上层为主甲板，下层为机舱。主甲板上主要放置井架、钻杆、钻机、救生、消防设备和生活区，还有直升机平台。下层甲板为机舱，主要放置机泵等钻井设备。由于上甲板尺度均较大，因此具有很高的自持能力。根据式(1)、式(2)统计出上甲板重量和体积如表3所示。

表1 浮筒重量、体积统计表

表2 立柱重量、体积统计表

表3 上甲板重量、体积统计表

2.4 平台总体的重量、体积以及重量体积分数的分析与研究

将浮体、立柱和上甲板的重量、体积统一起来，根据式(1)、式(2)对整体的重量、体积进行计算，结果如表4所示。体积分数的计算公式如下。

根据式(3)求出重量与体积的比值，即重量体积分数η。具体结果如表4所示。

表4 总体重量、体积统计表

3 各个项目总的重量体积分数折线图

为了方便研究各个平台重量体积分数的大小以及变化趋势，将重量体积分数做成折线图如图3所示。

图3 重量体积分数折线图

通过折线图我们可以发现，重量体积分数在0.25上下两侧跳动，总重量体积分数最大值： 0.273，最小值： 0.230，平均值： 0.254。三艘C系列平台(C-H 191，C-H 188和C-H 256)，为同一船东所建造，且在相同的海域工作，重量体积分数在0.25上下，且呈下降的趋势，说明随着建造技术的不断成熟，设计方案的改进，重量体积可以适当降低。D系列两艘平台(D-H 200和D-H 193)的重量体积分数较大，根据它们的设计背景可知，此平台所工作水域水深超过3 500 m，是当今世界最为先进的钻井平台，建造要求强度高，可抵抗巨大的外力作用，因此在设计板材选取时选取了板材相对较厚的钢，导致重量体积分数变大。而A系列两艘平台(A-H 127和A-H 189)，虽然工作水域相同，但是重量体积分数相差较大，这主要是因为A-H 189平台在设计建造过程中采用双钻井系统，在建造中要求抵抗载荷能力较强，动力较大，结构复杂，因此其重量体积分数较大。

通过分析发现重量体积分数虽然各不相同但都会围绕0.254上下跳动，不会有太大的突变，因此我们可以将0.254作为最佳重量体积分数，此分数与某船厂为希腊船东设计的一艘体积分数为0.342(此平台建造中因超重被迫修改设计方案，修改设计后为0.294)的钻井平台相比，空船重量变化巨大。同时与中国自主建造的、作业性能最好的第一艘海洋石油981钻井平台的体积分数0.274相比十分接近，随着设计建造技术的成熟，重量体积分数会有所下降。因此可以将0.254作为最佳重量体积分数。

4 结束语

本文对海洋平台的发展历程以及发展趋势进行了分析研究，发现海洋平台的发展趋于简单化，标准化、深水化，因此重量体积分数的提出对深水钻井平台的设计、建造有重要指导意义。在此基础上以几艘建造成功，性能先进的第六代深水半潜平台为研究对象，对上甲板、立柱、浮筒的体积、重量进行了统计计算。最后得到平台总体的体积、重量。通过分析得出钻井平台的最佳重量体积分数为0.254，在以后的平台设计建造中可根据具体情况围绕此值稍作调整，为日后平台的设计制造提供了依据。

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The Percentage of the Weight to the Volume Research of the Deepwater Semi-submersible Drilling Unit

MAO Yun-sheng1，2, DU Hong-wen1，2, XIANG Zu-quan1，2,HU Bing-qiang1，2， JIANG Yun-fan3

(1.Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China; 2. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China;3.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

The empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit has a certain influence to the variable load, the structural strength, the performance of hydrodynamic force, etc. In order to research and control the empty weight of the deep water semi-submersible drilling unit and improve the variable load, using the sixth generation semi-submersible drilling unit as the research object to statistical analysis and research the empty weight and volume of the deep water semi-submersible drilling unit, we also put forward a new concept about this is called the percentage of the weight to the volume. The percentage of the weight to the volume of the deep water semi-submersible drilling unit is the ratio of the weight to the volume. According to the numerical of the percentage of the weight to the volume to research and analysis, in the end of this paper, getting the best percentage of the weight to the volume. It will become a very important basis for the design and manufacturing of the deep water semi-submersible drilling unit especially for a new semi-submersible drilling unit.

Deep water semi-submersible drilling unit Empty weight Variable load Ratio of the weight to the volume

茅云生(1962-)，男，教授，主要从事船舶先进制造技术方面的研究。

P75

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