深水半潛式鉆井平臺的設計和建造研究

陳 剛，吳曉源

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著陸地資源的日益枯竭，石油天然氣開采已經逐漸由陸地轉移到海洋。據有關資料報道，全球90%以上海洋面積的水深為200～6000m，因而廣闊的深海領域必將是未來能源開發的主戰場。半潛式鉆井平臺從上世紀60年代初問世以來，在海洋石油勘探開發中一直得到廣泛應用。

半潛式鉆井平臺由坐底式平臺發展而來，由平臺上船體、立柱和下浮體組成，下浮體、立柱與上船體之間設有橫撐或斜撐進行連接。通常采用的雙下浮體結構形式便于拖航，但與環形下浮體相比，強度有所降低。作業時，下浮體潛入水中，提供主要浮力。與開放式的單層甲板結構相比，箱形上船體能增加總強度和內部空間，并可在破艙時提供附加浮力。上船體高出水面一定距離，保持氣隙，以免受波浪的沖擊。平臺上設有鉆井機械設備、器材和生活艙室等，主要由主甲板為鉆井作業提供空間。

自從1962年殼牌石油公司改裝了世界上第一艘半潛式鉆井平臺“Bluewater Rig No.1”，見圖1。半潛式鉆井平臺已經歷了從第1代到第6代的發展歷程，劃分的主要標準為建造年份、作業水深、可變載荷和作業環境。第5代半潛式鉆井平臺的最大作業水深已達到3048m，第5代以后的半潛式鉆井平臺作業水深差別不大，主要體現在可變載荷和作業環境上。目前世界上的深水半潛式鉆井平臺集中在墨西哥灣和北海進行作業。

1 “海洋石油981”平臺

自1984年我國自行研制的半潛式鉆井平臺“勘探三號”投入使用后，國內的半潛式鉆井平臺設計建造工作一直處于停頓狀態，與國際水平差距較大。時隔 20余年，第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”的建造，標志著我國正在迅速縮小這一差距，見圖2。該平臺設有雙下船體、橫撐、4個立柱以及箱形上船體，可作業于南海等深水海域，最大可變載荷9000t，具備鉆井、完井、試油、修井等功能；平臺在 1500m水深以內采用錨泊定位，在動力定位模式下（DP-3）作業水深可達 3050m，鉆井深度可達12000m 。平臺的主要技術參數如下：

圖1 殼牌石油“Bluewater”

圖2 中海油“海洋石油981”

主尺度 114m×90m×132m

ABS A1 Column Stabilized Drilling Unit, DPS-3, P, CDS, UWILD

CCS CSA Semi-submersible Drilling Unit, PM, DP-3, HELDK, IWS

柴油發電機 8×5530kW

推進器 8×4600kW

自航最大航速 8kn

結構凈重 18700t

舾裝重量 12000t

電纜長度 960km

管 線 3.5萬根

設 備 1000臺套以上

報 警 點 16000點

2 設計、生產難點及關鍵技術

在“海洋石油981”平臺的設計建造過程中，結合深水半潛式鉆井平臺的設計建造難點，共列出了17項課題、30項子課題進行重點攻關。以課題研究為先導，以工程項目為載體，推行科研工作與工程項目并行、科研成果直接應用于工程項目設計與建造的工作模式，取得了顯著的效果。

2.1 總體建造方案

制定深水半潛式鉆井平臺的建造方案時，首先要進行結構的分段/總段劃分。分段劃分圖是平臺建造的指導性文件，分段劃分的有效合理直接影響到平臺建造周期。平臺的下浮體、立柱和上船體既有縱向骨架，又有橫向密集的肋板，而橫撐、克令吊、鉆臺等結構鋼級較高、板厚較厚，因此在平臺分段/總段劃分時，應充分考慮其結構特點，遵循相關原則，最大可能地提供預舾裝率，同時根據具體建造場地及設施條件，盡最大可能發揮各個設備和場地的功效，減少分段/總段數量。

分段、總段劃分方案經過優化后，整個平臺分為159個分段、35個總段，在建造過程中，根據工程項目關鍵設備的到貨情況，及時調整立柱和上船體的總段劃分方案，從建造過程看，圍繞提高預舾裝率為目標展開分段、總段的劃分工作符合半潛式鉆井平臺的結構和設備/系統布置特點。

2.2 有限元數值模擬技術

在平臺的建造過程中，有限元數值模擬技術得以廣泛應用[1]。

2.2.1 塢墩布置計算

深水半潛式鉆井平臺本身重量較大，而可布置塢墩的面積較小，再則，塢內總裝過程中，上船體重量通過4個立柱傳遞到2個下浮體上，這樣下部塢墩的受力非常之巨大且分布極不均勻。在制定塢墩布置方案時，對平臺總裝建造的塢墩布置進行了受力分析及優化，保證總裝建造過程中平臺、塢墩及塢底承力的安全性，見圖3。

2.2.2 吊裝計算

結合平臺分段/總段的劃分，在采用“塔式法”進行總裝建造時，需分析平臺上船體（包括生活樓、鉆臺結構）各總段結構特點，制定吊裝方案。為保證吊裝作業的安全性，控制吊裝作業對平臺主體結構的變形，對于重量大于200t的分段和總段結構以及尺度較大的結構（如柔性較大的上船體的雙層底總段），應用有限元技術，分析吊裝狀態下各總段結構在重力作用下的應力及位移響應，對吊裝方案進行評估及優化，并提出了對總段結構吊裝進行加強的建議和措施，見圖4。

圖3 塢墩布置

圖4 雙層底總段吊裝、鉆臺吊裝的數值計算

2.2.3 建造精度計算

在精度控制方面，引入有限元數值精度分析技術，與建造階段的精度測量技術相結合，建立并應用深水半潛式鉆井平臺精度控制技術方案，改變了國內依據經驗制定總段反變形值的傳統方法，實現平臺建造精度的可控性，見圖5。

圖5 數值計算與精度控制的結合

2.3 焊接技術

焊接工作對于平臺建造有著極其重要的意義。在深水半潛式鉆井平臺的建造過程中，焊接方面的研究主要圍繞超高強度鋼的應用、復雜節點的焊接技術、焊接殘余應力的控制以及高壓管線的焊接技術等展開[2～4]。

2.3.1 EQ56/EQ70超高強度鋼的焊接

通過系列試驗，確定EQ56、EQ70超高強度鋼冷裂敏感性及焊前預熱溫度、層間溫度以及焊后熱處理對焊接接頭力學性能的影響，確定建造的推薦工藝。同時在上述試驗的基礎上，對EQ56/EQ70超高強度鋼板試件進行了CTOD（裂紋尖端張開位移）試驗，了解了這類材質鋼板的CTOD性能。

2.3.2 復雜節點的焊接技術

針對平臺局部結構較為復雜的特點，研究了水平橫撐與立柱結構、立柱與上下船體結構、克令吊基座、推進器基座等復雜結構的焊接技術，對其焊接工藝進行了總結提煉，包括安裝順序、坡口角度及加工方法、焊接方法、焊前預熱、層間溫度控制、焊后熱處理、焊接前準備和焊接順序等。

2.3.3 焊接殘余應力的控制

通過數值計算結合試驗驗證的方式，對重要局部結構焊接殘余應力控制技術進行了初步研究，對超聲沖擊、焊趾重熔、焊接線能量、焊縫打磨、焊前預熱及焊后熱處理等降低殘余應力的工藝進行評估。焊縫打磨可降低應力集中，使焊接接頭表面光滑，改善焊接殘余應力的分布，建造中易于操作。焊前預熱和焊后熱處理對焊接殘余應力的減小有著很好的作用，雖然因裝置復雜而不易實現，但由于在EQ56、EQ70鋼焊接時，從提高本身焊接性的角度就需要進行，因此在實際焊接中有很好的應用價值。在實船建造中，對復雜局部結構，采用了焊縫打磨、焊前預熱及焊后熱處理等方式來降低殘余應力。

2.3.4 高壓管線的焊接技術

通過研究ASTM4130鋼的冷裂傾向、一次焊接熱影響區對各個區域的組織和性能的影響、線能量對一次焊接粗晶區組織和性能的影響、二次熱循環峰值溫度對一次焊接粗晶區組織和性能的影響以及焊接工藝試驗，通過分析金相組織、沖擊韌性、維氏硬度以及沖擊斷口形貌，得出了ASTM4130鋼推薦的主要焊接工藝措施，并應用于平臺高壓管線的焊接。

2.4 碼頭抗臺風系泊技術

在完成平臺的塢內建造后，需根據平臺出塢前的狀態，計算平臺拖航時所受到的風、流等阻力，制定起浮壓載、出塢拖航方案，保證平臺出塢的安全性。

出塢后，平臺在碼頭舾裝的時間較長，期間將會經歷一個臺風季。為確保平臺碼頭系泊的安全性，采用數值計算和試驗驗證相結合的研究方法，對深水半潛式鉆井平臺、浮箱、駁船組成的多浮體進行風、流載荷共同作用下的受力計算分析，系泊帶纜采用高強度尼龍纜和鋼絲繩混合帶纜的方式。計算結果表明，系泊系統可承受12級臺風和3節流的共同作用。在平臺舾裝期間，該系泊系統可確保作業安全，同時具備足夠的彈性避免系泊裝置局部受力過大產生結構破損。多浮體混合系泊帶纜系統已應用于目標平臺進行碼頭系泊，并可推廣應用到具有類似碼頭條件的建造場地，為船級社相應規范的補充提供依據，見圖6。

圖6 出塢拖航及碼頭系泊安全性試驗

2.5 減震降噪技術

深水半潛式鉆井平臺對降噪要求極高，為在舾裝中實現船東的要求，需對降噪技術進行分析。采用覆蓋全頻域（20Hz～10kHz）的聲學混合數值預報技術，基于統一軟件計算平臺，對平臺的動力學特性及艙室/環境振動噪聲形成與傳播機理進行了研究，建立了平臺有限元動力學、聲學數值計算模型，預報了原始設計方案下各艙室的聲壓級，對艙室和環境噪聲水平進行了評估，提出了合理可行的降噪減振優化方案，并按照IMO（國際海事組織）關于船舶和海上移動鉆井裝置艙室噪聲標準，完成深水半潛式鉆井平臺艙室噪聲設計，見圖7。

圖7 振動計算模型及聲學計算模型

2.6 復雜系統的調試技術

通過對主發電機、電站、推進器等大型設備的研究，掌握了碼頭調試過程中，深水半潛式鉆井平臺相關大型設備及系統的安裝調試技術要點，制定了相關安裝調試方案及程序文件。電站由發電機組、配電板、用電負載組及電站控制管理系統PMS組成，為整個平臺提供所需動力；主發電機是整個平臺的主動力源，其支撐著整個鉆井平臺的輔助系統、動力定位系統、鉆井系統運行所需的電源，而安裝質量的優劣將直接關系到平臺的正常運行；根據外高橋碼頭的實際情況，制定了平臺推進器的水下安裝方案。

鉆井系統是平臺的核心系統，大型鉆井設備諸如高壓泥漿泵、灰罐、BOP吊車和臺車、采油樹吊車和臺車、井架等形狀特殊、重量大、定位精度要求高，而鉆井系統調試中涉及多臺泵組、大量閥組的開/關以及鉆井控制系統和中央控制系統的共同配合，如高低壓泥漿系統和散料系統等的調試，見圖8。以上述鉆井設備和系統為載體，研究了深水半潛式鉆井平臺的鉆井設備和系統的安裝調試技術，制定了超高井架的安裝方案，明確了相關鉆井設備安裝精度要求，并通過分析高低壓泥漿和散料系統等的控制邏輯和系統操作情況，掌握了鉆井系統的調試技術。

圖8 井架總組

2.7 重量控制技術

重量控制貫穿于平臺的設計建造全過程，通過對平臺各部分的細致定義、分類，跟蹤全過程中的重量變化，采取各種減重措施，達到控制重量的目的。通過重量控制技術在平臺建造中的應用，出塢時根據平臺實測吃水得出的總重與預計值相比，減輕了2.8%，確保了平臺在作業狀態下的最大可變載荷，實現了對平臺建造重量的控制。

3 結 語

通過“海洋石油981”的設計建造和相關課題攻關項目的開展和工程項目的有序推進，上海外高橋造船有限公司已掌握了深水半潛式鉆井平臺的設計建造關鍵技術，建立了深水半潛式鉆井平臺的設計建造體系，在此基礎上，已經著手開展對深水半潛式鉆井平臺的優化設計和自主設計，期望在不遠的將來推出新的半潛平臺設計方案。

[1]周 佳，馬曙光，王 璞. 半潛式鉆井平臺建造變形控制研究[J]. 上海造船，2011, (3)∶ 30-33.

[2]中國船級社焊接與材料規范[S]. 2006.

[3]美國鋼結構焊接規范[S]. AWS D1.1. 2006.

[4]ABS Guide for Nondestructive Inspection of Hull Welds[S]. 2002.