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（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011； 2.中船郵輪科技發(fā)展有限公司 上海 200137）

自升式鉆井平臺具有定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最廣泛的移動式鉆井平臺[1-2]。盡管目前海洋油氣生產(chǎn)正逐步走向深水，但深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)難度大、生產(chǎn)成本高，而且需要遠(yuǎn)距離輸送[3]，因此，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，海洋油氣生產(chǎn)仍以淺水為主，作業(yè)水深100 m以上的高規(guī)格自升式鉆井平臺仍有很大的市場需求。近年來，我國船企陸續(xù)建造了一批深水自升式鉆井平臺，國內(nèi)三大石油公司也陸續(xù)裝備了10多條深水自升式鉆井平臺，但這些平臺一般都采用國外的基本設(shè)計(jì)，真正的自主品牌少之又少。因此，亟需開發(fā)設(shè)計(jì)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高規(guī)格深水自升式鉆井平臺，這既是國家能源戰(zhàn)略的需要，也是提升我國海工裝備制造核心競爭力的需要[4-6]。

SJ350型鉆井平臺是我國自主研發(fā)的高規(guī)格自升式鉆井平臺，設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深106.7 m，最大鉆井深度10 668 m，大鉤載荷907 t。本文詳細(xì)介紹了該船型的主尺度和總體布置，進(jìn)行了設(shè)計(jì)環(huán)境條件、拖航穩(wěn)性、抗傾穩(wěn)性、拖船海況限制條件、插樁性能等關(guān)鍵總體性能分析校核，并開展了風(fēng)洞試驗(yàn)及水池試驗(yàn)，從而為該船型的穩(wěn)定性與運(yùn)動性能評估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 SJ350主尺度和總體布置簡介

SJ350采用三角箱形主船體，船體長70 m，寬66 m，型深8.5 m。主船體內(nèi)左右距中9 m各設(shè)1道邊縱艙壁，設(shè)4道橫艙壁及2層平臺，其中機(jī)械甲板距基線1.8 m，中間甲板距基線5.15 m。V型生活樓位于主船體首部，共4層，層高均為3 m，能滿足120人生活居住。輕型懸臂梁位于主船體中后部，長51.8 m、寬18 m、高7.5 m，最大外伸距離22.86 m，最大組合載荷1 360 t。鉆臺位于懸臂梁后端頂部，左右最大滑移距離±4.57 m。3根自帶樁靴的X型桁架式樁腿分別位于主船體首部、尾部左舷和右舷，樁腿總長149 m，縱向間距44 m，橫向間距48 m。SJ350整體外形如圖1所示。SJ350的主甲板上共設(shè)左、中、右等3個管子堆場，堆場總面積520 m2。共設(shè)3臺電-液驅(qū)動甲板吊，尾部1臺主鉤吊質(zhì)量為35 t，首部2臺主鉤吊質(zhì)量為50 t，主鉤最大吊距均為40 m。主甲板四角各設(shè)1臺定位錨絞機(jī)。

圖1 SJ350外形圖Fig.1 Outline drawing of SJ350

SJ350的主船體內(nèi)3個圍井區(qū)和船體周界均為預(yù)壓載艙。機(jī)械甲板上設(shè)有機(jī)艙、輔機(jī)艙、變壓器艙、空壓機(jī)艙、泥漿泵艙、袋裝品庫、泥漿池、灰罐艙等，中間甲板上設(shè)配電板間、變頻器間、倉庫、重型工具間、橡膠品庫、設(shè)備艙等，雙層底內(nèi)設(shè)燃油艙、淡水艙、鉆井水艙、基油艙、鹽水艙、雨水泄放艙等。機(jī)艙內(nèi)設(shè)5臺1 800 k W柴油發(fā)電機(jī)組，泥漿泵艙內(nèi)設(shè)3臺1 615 k W、51.7 MPa（7 500 psi）高壓泥漿泵。

SJ350的生活樓艙室居住條件滿足UK HSE標(biāo)準(zhǔn)，生活樓整體用作臨時(shí)避難所。生活樓將住宿區(qū)與生活區(qū)分開布置，以盡量保持住艙的安靜。住宿區(qū)位于生活樓的左側(cè)，內(nèi)設(shè)6個單人間，57個雙人間。生活樓右側(cè)布置廚房、餐廳、冷庫、更衣室、洗衣間、醫(yī)院、休息室、娛樂室、健身房、會議室、辦公室、儲藏室等公共服務(wù)艙室。無線電室和升降控制室位于生活樓頂部。生活樓前部設(shè)1個直升機(jī)甲板，能起降S61N／S92A機(jī)型。

SJ350采用比較有特色的縱向滑移輕型懸臂梁設(shè)計(jì)，固控設(shè)備、固井設(shè)備、錄井設(shè)備布置在主甲板上，而不隨懸臂梁移動，從而有利于降低懸臂梁自重，增加鉆井組合載荷。懸臂梁為開敞式門型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部左右側(cè)各設(shè)一層平臺，布置BOP控制單元、馬達(dá)控制單元、撇油柜、計(jì)量泵等。月池區(qū)設(shè)一層甲板，用于布置套管張力系統(tǒng)、BOP運(yùn)送系統(tǒng)。懸臂梁頂部設(shè)300 m2的管子堆場、1套20 t貓道機(jī)、1臺3.5 t運(yùn)管折臂吊。

SJ350的鉆臺自動化程度高，司鉆房視野良好，設(shè)雙鼠洞實(shí)現(xiàn)離線接單根來提高鉆井效率。井架高度54.5 m，底部橫向跨距13.4 m，縱向跨距12.2 m。SJ350的樁腿弦管間距11 m，齒條板厚度165 mm。多邊形樁靴截面積170 m2，最大對地均布壓力49 t／m2。樁靴底部設(shè)1 m高的小尖錐，特別適合硬質(zhì)地基的插樁作業(yè)。齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動，共54個小齒輪，最大升降能力15 120 t。

表1詳細(xì)列舉了SJ350與國際主流的106.7 m最大作業(yè)水深自升式鉆井平臺船型的比較，可以看出，SJ350的主要性能指標(biāo)，包括鉆井深度、大鉤載荷、可變載荷、懸臂梁組合載荷、井位覆蓋范圍、環(huán)境條件、定員、升降能力等已達(dá)到或超過同類國際主流品牌船型。

表1 SJ350與國際主流自升式鉆井平臺的比較Table1 Contrast of SJ350 with international famous jack-up drilling units

2 總體性能分析

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)境條件確定

ABS規(guī)范要求至少按50年一遇的重現(xiàn)期來確定SJ350自存工況的設(shè)計(jì)環(huán)境條件，并且風(fēng)、浪、流同時(shí)同向出現(xiàn)，風(fēng)速不低于51.4 m／s。北海是世界主要海上油氣產(chǎn)區(qū)之一，也是自升式鉆井平臺利用率和日費(fèi)率最高的海域之一。北海南部靠近英國、荷蘭、丹麥的海區(qū)處于大陸架上，水深特別適合自升式鉆井平臺作業(yè)。但受冬季風(fēng)暴的影響，北海風(fēng)大浪高，是深水自升式鉆井平臺設(shè)計(jì)的重要參考海況。

基于北海的氣象資料，該海域的風(fēng)速和波高均呈現(xiàn)北面大、南面小的特點(diǎn)。北海南部50年回歸期、海面以上10 m高度的1 h平均風(fēng)速為34 m／s，折合成1 min平均風(fēng)速為40 m／s。北海南部50年回歸期的有義波高為9 m，對應(yīng)的波高極值為有義波高的1.75倍，即15.75 m。另外，北海南部50年回歸期的1 h平均風(fēng)暴潮流速為0.6 m／s。綜合規(guī)范要求和北海海況，最終確定SJ350自存工況下的設(shè)計(jì)環(huán)境條件（表1）。

2.2 拖航（濕拖）穩(wěn)性分析

SJ350依靠拖船拖帶調(diào)遣，裝載多變。綜合完整和破艙穩(wěn)性確定不同吃水下滿足穩(wěn)性要求的許用重心高度（AVCG），拖航配載時(shí)實(shí)際重心高度小于同吃水的AVCG即可。

對于自升式平臺直壁船型，拖航時(shí)將樁靴清空能降低吃水，增加干舷，對提高穩(wěn)性極為有利[4]。但深水自升式平臺樁靴的體積龐大，將壓載水完全排空費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外，也有部分自升式平臺在拖航時(shí)將樁腿下放一段或從頂部截去一段，以降低重心，減小風(fēng)傾力矩，提高拖航穩(wěn)性；但樁腿下放會造成拖航阻力增加較大，航道淺時(shí)樁腿還有觸底的風(fēng)險(xiǎn)，而且將樁腿截去一段拖航到作業(yè)地點(diǎn)再連接的方案代價(jià)高昂，可操作性差[6]。

SJ350拖航時(shí)樁腿完全回收至主船體內(nèi)，樁腿既不下放也不截短，樁靴滿載，無需清空。SJ350拖航穩(wěn)定性計(jì)算使用NAPA軟件，風(fēng)傾力矩由風(fēng)洞試驗(yàn)確定，進(jìn)水點(diǎn)按照圖2所示的外部水密和風(fēng)雨密邊界取值，確定油田拖航和遠(yuǎn)洋拖航在各個吃水下的許用重心高度，如圖3所示。

圖2 SJ350外部水密和風(fēng)雨密邊界（半寬）Fig.2 External watertight and weathertight border of SJ350（half-width）

圖3 SJ350拖航許用重心高度曲線Fig.3 AVCG curve of SJ350 towing condition

表2 SJ350典型遠(yuǎn)洋拖航裝載工況Table2 Typical ocean towing loadingcondition of SJ350

表3 SJ350抗傾穩(wěn)性校核Table3 Overturning stability check of SJ350

2.3 抗傾穩(wěn)性分析

站立工況下，SJ350應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力，即抗傾穩(wěn)性?？箖A穩(wěn)性通過抗傾安全系數(shù)Kq來表示，即

式（1）中：MF為抗傾復(fù)原力矩，N·m；Mq為傾覆力矩，N·m。

為了保守起見，計(jì)算MF時(shí)不考慮土壤給予平臺的任何有利效應(yīng)，如粘聚力、吸附力、拔樁力等，應(yīng)考慮裝載和安裝的最不利偏心的影響。Mq應(yīng)包括風(fēng)、浪、流引起的傾覆力矩、動力放大效應(yīng)引起的傾覆力矩以及P-Δ效應(yīng)引起的二次彎矩的同向疊加[7]。

SJ350抗傾穩(wěn)性校核時(shí)，按規(guī)范假定50%的可變載荷，MF計(jì)算時(shí)考慮了重心縱向0.50 m和橫向0.25 m的不利偏心的影響。SJ350抗傾穩(wěn)性的傾覆軸定義如圖4所示。

圖4 SJ350坐標(biāo)系和傾覆軸定義Fig.4 Definition of coordinate system and overturning axis of SJ350

SJ350抗傾穩(wěn)性校核結(jié)果如表3所示，經(jīng)計(jì)算，SJ350抗傾安全系數(shù)Kq均大于ABS規(guī)范要求的1.1，滿足規(guī)范要求。

2.4 拖航（濕拖）海況限制條件分析

SJ350拖航時(shí)樁腿完全回收至主船體內(nèi)，高聳的樁腿受到慣性力、風(fēng)力和自身重力的作用。如果海況惡劣，平臺運(yùn)動過大，會在樁腿底部約束處產(chǎn)生較大的彎矩而造成樁腿損壞，或發(fā)生直升機(jī)甲板入水砰擊，因此須對SJ350拖航時(shí)的海況條件加以限制。

SJ350的典型遠(yuǎn)洋拖航裝載工況如表2所示，計(jì)算結(jié)果顯示考慮自由液面影響后的實(shí)際重心高度為19.61 m，初穩(wěn)性高余量為4.90 m，滿足規(guī)范要求。

有義波高Hs與平均跨零周期Tz的關(guān)系可按百年一遇極限波陡公式推算，即

式（2）中，Hs最大不超過16 m。設(shè)計(jì)波波高H取3 h短期預(yù)報(bào)（1／1 000超越概率）的波高極值，即Hmax=1.86Hs。SJ350拖航時(shí)直升機(jī)甲板的靜氣隙為18.9 m，考慮1.5 m的氣隙余量，則允許的直升機(jī)甲板與波面間的最大垂向相對位移為17.4 m。由平臺的水池運(yùn)動試驗(yàn)提取各個周期、各浪向下單位波高的最大垂向相對運(yùn)動，進(jìn)而推算出滿足氣隙限制的最大允許Hmax和Hs。

SJ350樁腿在上導(dǎo)向處的彎矩按下式計(jì)算：

式（3）中：MW為風(fēng)傾力矩，風(fēng)速20 m／s對應(yīng)的MW=10.3 MN·m，該值由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；MI為橫搖或縱搖引起的慣性力彎矩，MN·m；MG重力垂向分量引起的彎矩，MN·m。

SJ350橫搖或縱搖引起的慣性力彎矩按下式計(jì)算：

式（4）中：h1為上導(dǎo)向高度，取值16.8 m；h2為樁腿高度，取值149 m；m為樁腿單位長度質(zhì)量，取值8.06 t／m；θm為最大橫搖或縱搖角，（°）；T為波浪周期，s。

SJ350樁腿重力分量引起的彎矩按下式計(jì)算：

式（5）中：g為重力加速度，m／s2。

已知SJ350上導(dǎo)向處的許用彎矩為390 MN·m。由平臺的水池運(yùn)動試驗(yàn)提取各個周期下單位波高的最大橫搖或縱搖角，進(jìn)而推算出滿足樁腿強(qiáng)度限制的最大允許Hmax和Hs。

圖5給出了直升機(jī)甲板氣隙、樁腿強(qiáng)度、極限波陡公式各自對應(yīng)的Hs許用值曲線。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，SJ350拖航時(shí)的海況條件由樁腿強(qiáng)度最終限制，最大Hs=5.3 m；綜合規(guī)范要求的拖航海況條件，實(shí)取Hs=5 m。

圖5 拖航時(shí)的許用波高曲線Fig.5 Allowable wave height curve of towing condition

2.5 插樁性能分析

自升式平臺插樁過深時(shí)有2個弊端：一是氣隙不能保證，影響站立狀態(tài)下的安全；二是拔樁困難，影響平臺的機(jī)動性。自升式平臺的插樁深度主要取決于樁靴對地壓力和地基承載力2個因素，樁靴對地壓力越大，入泥越深。地基承載力越小，入泥也越深；自升式平臺作業(yè)地點(diǎn)靈活多變，會面臨各種地質(zhì)條件及相應(yīng)的地基承載力，因此在每次插樁作業(yè)前都要詳細(xì)勘察地質(zhì)資料以確定樁深度，避免發(fā)生穿刺。換言之，具有普遍適用性的樁靴設(shè)計(jì)是不存在的[8]。

SJ350采用大樁靴設(shè)計(jì)以降低對地壓力，樁靴的最大對地均布壓力為49 t／m2，小于CJ46-X100-D的53 t／m2的指標(biāo)。初步選擇我國沿海某井位海底地質(zhì)資料（表4），按《海洋井場調(diào)查規(guī)范》的方法[9]進(jìn)行SJ350插樁分析，分析時(shí)未考慮土體回填，最終計(jì)算得到SJ350樁靴入泥深度與地基承載力的關(guān)系曲線如圖6所示。根據(jù)圖6，SJ350的安全插樁深度為9.9 m，最大極限承載力為82.39 t／m2，由此可以算出穿刺安全系數(shù)為1.68，大于規(guī)范要求的穿刺相對安全系數(shù)1.50。若再進(jìn)一步考慮最大作業(yè)水深、安全氣隙，升樁室頂部之上的樁腿長度不低于1.5 m，滿足作業(yè)要求。

表4 中國沿海某井位海底地質(zhì)資料Table4 Seabed geological data of a well location off the coast of China

圖6 SJ350樁靴入泥深度與地基承載力關(guān)系曲線Fig.6 Relation between spudcan penetration depth and seabed bearing capacity of SJ350

3 風(fēng)洞試驗(yàn)分析

SJ350上結(jié)構(gòu)物、設(shè)備眾多，生活樓、甲板室、樁腿、懸臂梁、鉆臺、井架等之間存在遮蔽，遮蔽程度又因風(fēng)向而異。規(guī)范計(jì)算、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)是3種常用的確定風(fēng)載荷的方法，其中風(fēng)洞試驗(yàn)精度最高，但代價(jià)也最高[10-11]。SJ350采用風(fēng)洞試驗(yàn)來確定風(fēng)載荷，從而合理評估穩(wěn)性、運(yùn)動等性能，優(yōu)化船型設(shè)計(jì)。SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?∶150的縮尺比制作，拖航工況下，風(fēng)向角0°～360°，間隔15°，平臺吃水4～6 m，間隔1 m；站立工況下，風(fēng)向角0°～360°，間隔15°，氣隙15.2、22.86 m和懸臂梁外伸4.57、22.86 m的組合，該工況下的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

通過在風(fēng)洞工作段前方適當(dāng)設(shè)置尖劈和地面粗糙元（圖8），以獲得所要求的風(fēng)速剖面和紊流結(jié)構(gòu)。風(fēng)速剖面指數(shù)律模型為

式（6）中：U0為海面以上10 m高度的1 h平均風(fēng)速，m／s；z為距海面的剖面高度，m。

圖7 SJ350站立工況下風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.7 Wind tunnel test model of SJ350 in standing condition

圖8 SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)尖劈和地面粗糙元設(shè)置Fig.8 Layout of wedge and floor roughness element for SJ350 wind tunnel test

圖9為SJ350站立工況下的試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b示意圖，模型的水面以上部分位于轉(zhuǎn)盤之上，轉(zhuǎn)盤與模擬海平面的地板間留有轉(zhuǎn)動間隙；模型安裝在六分量應(yīng)變測力天平上，模型的漂心與天平坐標(biāo)原點(diǎn)在同一垂直線上；測力天平安裝在與轉(zhuǎn)盤相連的支座上，通過轉(zhuǎn)動支座可實(shí)現(xiàn)不同的風(fēng)向角。

圖9 SJ350站立工況下風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b示意圖Fig.9 Sketch of wind tunnel test model installation of SJ350 in standing condition

表5 SJ350風(fēng)洞試驗(yàn)所得風(fēng)載荷試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較（站立工況，風(fēng)速25.7 m／s）Table5 Contrast of wind load test value and theorial calculation value in SJ350 wind tunnel test（standing condition，wind speed 25.7 m／s

表5列出了風(fēng)速25.7 m／s、氣隙15.2 m、懸臂梁外伸4.6 m的站立工況下，SJ350風(fēng)載荷的試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較，可以看出：各個風(fēng)向角下風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)載荷均小于理論計(jì)算值，風(fēng)力最大相對誤差為29.1%，風(fēng)傾力矩最大相對誤差32.3%；風(fēng)向角180°和0°時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)力相差不大，但風(fēng)向角180°時(shí)的風(fēng)傾力矩卻要比0°時(shí)大出23%，這是因?yàn)轱L(fēng)向角180°時(shí)直升機(jī)甲板處于迎風(fēng)面，甲板下方發(fā)生氣流堵塞，對甲板產(chǎn)生垂向升力，從而加大了風(fēng)傾力矩。其余站立工況和飄浮工況的規(guī)律相似，只是相差程度不同。

4 水池試驗(yàn)分析

SJ350的直升機(jī)甲板不宜設(shè)置過高，否則對控制生活樓規(guī)模、降低受風(fēng)面積和重心高度不利。SJ350采用水池試驗(yàn)來確保直升機(jī)甲板的高度設(shè)置合理，拖航狀態(tài)下不會發(fā)生入水砰擊。SJ350水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶50的縮尺比制作，如圖10所示，并在圖11所示的3個位置布置浪高儀。

圖10 SJ350拖航狀態(tài)下的水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.10 Pool test model of SJ350 at towing condition

圖11 SJ350直升機(jī)甲板氣隙試驗(yàn)的測量點(diǎn)Fig.11 Measure points of heli-deck airgap test in SJ350

試驗(yàn)時(shí)首先在水池中造流，待流剖面達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)期剖面后啟動造風(fēng)系統(tǒng)，待風(fēng)場穩(wěn)定后下達(dá)造波指令開始造波。SJ350直升機(jī)甲板氣隙水池試驗(yàn)的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件為：風(fēng)向角180°、165°、150°，波浪譜JONSWAP，有義波高5 m，譜峰周期為9.5 s，峰值系數(shù)為2.4，風(fēng)速20 m／s，流速0.51 m／s。

表6列出了SJ350直升機(jī)甲板氣隙水池試驗(yàn)結(jié)果，最小氣隙為0.46 m，出現(xiàn)在迎浪時(shí)甲板的首部中間位置?？傮w來看，SJ350直升機(jī)甲板的高度設(shè)置合理，拖航時(shí)既不會發(fā)生入水砰擊，氣隙又不至過于保守。

表6 SJ350直升機(jī)甲板氣隙試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of SJ350 heli-deck airgap test m

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了我國自主研發(fā)的SJ350型自升式鉆井平臺的主尺度和總體布置，分析了其整體性能，并開展了風(fēng)洞試驗(yàn)及水池試驗(yàn)，結(jié)果表明SJ350的主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到或超過了同類型國際主流品牌船型。目前該船型的基本設(shè)計(jì)已通過ABS的審查認(rèn)證，并取得了ABS的原則認(rèn)可證書，其船級符號為“ABS+A1 Self-Elevating Drilling Unit”。當(dāng)然，要把SJ350真正建成一個優(yōu)秀船型，還需對其開展更深入的設(shè)計(jì)分析及論證，通過實(shí)船建模和使用驗(yàn)證來優(yōu)化改善該船型的具體細(xì)節(jié)。