浮式海洋平台-半潜式平台

甘进博士/讲师交通学院海洋工程系2015年12月22日《海洋平台设计原理》课程海洋平台设计原理PrinciplesofOffshorePlatformDesign2教学内容（32学时）海洋工程发展及平台类型海洋平台设计的关键技术海洋环境及平台设计载荷海洋油气开发方式和生产系统导管架平台设计原理自升式平台设计原理浮式海洋平台设计原理海洋平台设计和计算软件专题海洋平台设计应用专题3《海洋平台设计原理》课程第十二讲浮式海洋平台设计原理4《海洋平台设计原理》课程半潜式海洋平台浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介应用背景资源：油气资源水深：平均水深3730米；200米至6000米（面积90%）；3000米到6000米（面积74%）；500米以内（石油储量80%）；海底油气的开采向深水域（水深450-1500米）和超深水域（水深1500米以上）发展。技术：传统的导管架和重力式等平台不适合深水开发：应发展张力腿平台（TLP）、Spar、半潜式平台（Semisubmersible）。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介应用背景特点：半潜式平台由立柱提供工作所需的稳性，因此又称为柱稳式平台。半潜式平台水线面很小，这使得它具有较大的固有周期，不大可能和波谱的主要成分波发生共振，达到减小运动响应的目的；它的浮体位于水面以下的深处，大大减小了波浪作用力。当波长和平台长度处于某些比值时，立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消,从而使作用在平台上的作用力很小，理论上甚至可以等于零。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介应用背景优点：半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率、易于改造并具备钻井、修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介国内外半潜式海洋平台概况首座半潜式海洋平台：“OceanDriller”：1961年，90～180m，3立柱结构,甲板呈V字形;中国首座半潜式钻井平台“勘探3号”：1984年7月，工作水深35米至200米，最大钻井深度6000米;中国首座深水半潜式钻井平台“COSLPIONEER”，工作水深70米至750米，最大钻井深度7500米;中国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”，工作水深3000米，最大钻井深度10000米（世界最先进）。半潜式钻井平台经历了6个发展阶段浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第一代半潜式钻井平台：第1代半潜式钻井平台出现在20世纪60年代中后期,由座底式平台演变而来,这个时期平台作业水深为90～180m,采用锚泊定位。1961年诞生的OceanDriller为3立柱结构,甲板呈V字形;BlueWater钻井公司拥有的RigNO.1半潜式平台为4立柱结构,该平台为Shell公司设计;1966年Sedco135半潜式平台为12根立柱,为Friede&Goldman公司设计；这个时期的平台结构布局大多不合理,设备自动化程度低。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第二代半潜式钻井平台：20世纪70年代，出现了以BulfordDolphin,OceanBaroness,NobleTheraldMartin等为代表的第2代半潜式钻井平台，这类平台作业水深180～600m，钻深能力以6096m(20000英尺)和7620m(25000英尺)两种为主，采用锚泊定位，设备操作自动化程度不高。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第三代半潜式钻井平台：1980-1985年,以Sedco714,AtwoodHunter,AtwoodEagle,AtwoodFalcon等为代表的第3代半潜式钻井平台出现，此时平台作业水深450～1500m，钻深以7620m(25000英尺)为主，采用锚泊定位，结构较为合理,操作自动化程度不高。这类平台是20世纪80～90年代的主力平台，建造数量最多。同期平台还有F&GEnhancedPacesetter公司设计的PrideVenezuela;PrideSouthAtlantic以及AkerH23设计的OceanWinner和DeepseaBergen等。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第四代半潜式钻井平台：以JackBates,NobleAmosRunner,NoblePaulRomano,NobleMaxSmith为代表的第4代半潜式钻井平台出现在20世纪90年代末，其作业水深达1000～2000m，钻深以7620m(25000英尺)和9144m(30000英尺)为主，锚泊定位为主，采用推进器辅助定位并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。DeHoopMegathyst公司设计的PrideBrazil,PrideCarlosWalter,PridePortland,PrideRiodeJaneiro均属于此级别平台。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第五代半潜式钻井平台：2000-2005年期间,出现了以OceanRover,SedcoEnergy,SedcoExpress为代表的第5代半潜式钻井平台，其作业水深达1800～3600m，钻深能力在7620～11430m(25000～37500英尺)之间，采用动力定位为主，锚泊定位为辅的定位方式，能适应更加恶劣的海洋环境。由SedcoForex公司设计的第5代半潜式平台采用模块化的甲板构件和2台独立的管子垂直移运排放机等自动化设备，提高了钻管移放速度。同期平台有Friede&Goldman设计的GSFDevelopmentDrillerI&II和Reading&BatesRBS-8DandRBS-8M设计的DeepwaterHorizon,DeepwaterNautilus。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段第六代半潜式钻井平台：21世纪初，作为目前世界上最先进的第6代半潜式钻井平台相继诞生，如Scarabeo9,AkerH-6e,GVA7500,MSCDSS21等。第6代半潜式钻井平台作业水深达2550～3600m，多数为3048m，钻深大于9144m(30000英尺)，采用动力定位，船体结构更为优化，可变载荷更大，配备自动排管等高效作业设备，能适应极其恶劣的海洋环境。第6代平台比以往钻井平台更先进的设计在于采用了双井口作业方式，即相对于陆地钻机而言，该平台钻机具有双井架、双井口、双提升系统等。主井口用于正常的钻进工作，辅助井口主要完成组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等离线作业。虽然平台的投资有所增加，但是对于海洋钻井作业效率的提高是显著的。据相关资料介绍，双井口钻井作业在不同的作业工况下可以节省21%-70%的时间。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介发展阶段（海洋石油981）浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点可变载荷增大通过优化设计，其可变载荷与总排水量的比值超过0.2，甲板可变载荷将达到万吨，平台自持能力增强，同时甲板空间增大，钻井等作业安全性能提高。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点外形结构简化，采用高强度钢早期平台的立柱数目众多，现多采用6个或4个圆立柱或圆角方立柱。斜撑数目从14－20根大幅降低，以致减为2－4根横撑，并将最终取消各种形式的撑杆和节点。平台主结构采用高强度钢，以减轻平台结构自重和造价，提高可变载荷与平台自重比，提高排水量和平台自重比。通常大多数海上工程用钢的屈服强度（R）为250－350Mpa，目前，高强度钢（R=700MPa）已用作平台的重要结构，甚至使用R=827Mpa的钢材，这些钢材不仅强度高，而且韧性好，可焊性好。。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点适应更恶劣海域半潜式平台仅少数立柱暴露在波浪环境中，抗风暴能力强，稳性等安全性能良好。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100kn～120kn，波高达16m～32m，流速达2kn～4kn。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，甚至可望达全球全天候的工作能力。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点工作水深显著增加1998年新建和在建的19艘半潜式平台中，17艘工作水深超过1524m(5000ft)；2002年末现有和在建的175艘半潜式平台中，31艘工作水深超过1829m(6000ft)，16艘工作水深超过2286m(7500ft)，其中IHI2RBFExploration，DeepwaterHorizon、EirikRaude(Bingo9000系列)工作水深达3048m(10000ft)。未来20年内，工作水深达4000m～5000m的半潜式平台有望出现。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点装备先进第六代深水半潜平台装备大功率（绞车功率达6000-7000HP及以上）的新一代钻井设备、新一代动力定位设备和大功率电力设备先进的监测报警、救生消防、通讯联络等设备，平台钻井作业的自动化、效率和安全性能等都有显著提高。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介技术特点趋势在结构形式上，新一代的半潜式平台趋于大型化和简单化。平台的主尺度增大，立柱浮体和主甲板间的内部空间增大，物资（水泥，粘土粉，重晶石粉，钻井泥浆，钻井水，饮用水和燃油等）存储能力增强。平台外形结构趋于简化，下浮体趋向采用简单的方形截面，平台甲板也为规则的箱形结构；采用少节点，无撑杆的简单外形结构，立柱和撑杆、节点的型式简化、数目减少，这些改变都大大降低了节点疲劳破坏风险并减少了建造费用。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介未来研究热点高效钻井作业系统如何配置多井口作业系统、钻杆处理系统、动力锚道等，以提高工作效率，是研制半潜式钻井平台的关键。升沉补偿系统在深海钻井作业过程中为了保持钻头恒定接触井底，必须设法补偿平台由于风浪作用而产生的升沉落差，早期的方法是使用伸缩钻杆，目前主要采用天车补偿、游车补偿以及绞车补偿等方法。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介未来研究热点定位系统半潜式钻井平台在海中处于飘浮状态，受风、浪、流的影响要发生纵摇、横摇运动，因此必须采用可靠的定位方法对其进行定位。半潜式平台的定位方式主要有锚泊定位和动力定位2种，当水深大于1500m时，多采用动力定位的方式。水下设备水下设备主要包括水下井口系统、水下封井器系统、隔水管系统、水下设备控制系统等。平台设备集成控制平台设备集成控制技术研究是为航行、定位、钻井、完井作业创建一个数字化、智能化的控制平台。浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在陆地上建造）支柱与浮体的建造浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在陆地上建造）甲板建造浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在陆地上建造）甲板与下浮体装配浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在陆地上建造）平台浮运浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在干坞内建造）支柱与浮体的建造浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在干坞内建造）支柱与浮体的建造浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在干坞内建造）甲板建造浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介建造过程（在干坞内建造）甲板上设备安装浮式海洋平台设计原理半潜式平台简介工作步骤移航→就位→抛锚→压载下潜→锚泊线预张紧→作业→风暴来袭时卸载减小吃水，平台处自存状况→风暴过后复原为作业状况→完成作业→卸载起浮→起锚→移航拖航方式：湿拖+干拖浮式海洋平台设计原理工况Ⅰ（平台满载、静水、半潜吃水）此种工况主要分析平台结构在重力、浮力作用下的强度，平台这时无任何运动，不钻井、无波浪，在平台每一构件上的载荷只有均布载荷和集中载荷。半潜式平台设计工况浮式海洋平台设计原理工况Ⅱ（平台满载、静水、半潜吃水，但平台整体有一定升沉运动