（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深水钻井船船型开发及总体性能分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： hd is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g h u l lf o r m d e v e l o p m e n t a n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fd e e p w a t e rd r i l l s h i p c a n d i d a t e ：m ac u i r o n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u nl i p i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， 如 蕴 ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：料界 日期：肜年月，泪 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：雷l 犁茕 日期：纠口年月，日 导师( 签字) ： 印i o 年( 月 1 产 哈尔滨工程大学 摘 海底油气的开采向深水超深水海域 成为了研究的热点。与其它钻井平台相 板可变载荷大、良好的机动性、巨大的 点，钻井船是中国南海深水油气探采设 钻井船具有常规的船体外形，对波 大，通过合理的船型设计和系泊系统设 文对1 5 0 0 米钻井船初步设计中的一些问题进行了研究，研究重点是船型开发 及稳性及运动性能研究。 本论文的主要工作包括以下几个方面： 搜集整理国外现有钻井船资料及相关文献，归纳总结钻井船船型特点与 功能需求及钻井作业能力内在关系，完成钻井船选型与型线设计，并进行舱 室布置与划分。 按规范计算校核钻井船完整稳性及破舱稳性，分析计算结果及设计过程 相关问题，对比研究开口、舱室布置、装载等不同设计方案对稳性的影响， 提出克服稳性不足应采取的相应技术措施。 根据a p ir p 2 s k 进行系泊缆设计，采用半张紧式系泊形式，该形式有 效地减轻了系泊缆重量，降低了安装成本，提高了钻井船甲板可变载荷，具 有更好的定位能力。 对五种系泊缆布置方案进行计算，研究系泊缆布置角度对船型钻井平台 系泊系统定位能力的影响规律。通过对比确定最优设计方案，完成钻井船系 泊系统设计。在南海海洋环境下对钻井船系统进行时域耦合模拟，分析其运 动性能。 关键词：初步设计；深水钻井船；船体型线；稳性；系泊系统 1 ，。 t 4 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no fo c e a no i la n dg a ss w i t c h i n gt od e e pw a t e ra n du l t r a d e e p w a t e rf i e l d s ，r e s e a r c ho nd r i l l i n ga n dp r o d u c t i o ns y s t e mf o rd e e p w a t e rh a s b e c o m eh o ti t e m d r i l l s h i ph o l d sd e f i n i t e a d v a n t a g e so v e ro t h e rp l a t f o r m si n d e e p w a t e re x p l o r a t i o nd r i l l i n gp r o j e c t ，e s p e c i a l l yi nt e r m so fv a r i a b l ed e c kl o a d , r a n g e o fa v a i l a b l ew a t e rf i l e d s ，m o b i l i t ya n d s t o r a g ev o l u m e s d r i l l s h i p i s p r e f e r r e df o rf u t u r ed e v e l o p m e n ti ns o u t hc h i n as e a t h ep r i m a r yc h a l l e n g ed e e p w a t e rd r i l l s h i pf a c e di st h a ti t sm o r es e n s i t i v eo f w a v ei m p a c t t h eb e t t e rm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ec a l lb ea c h i e v e d t h r o u g ho p t i m i z i n gt h es h a p eo ft h eh u l l ，l i n es l e e k n e s sa n de n h a n c e dm o o r i n g s y s t e md e p l o y m e n t r e s e a r c h e so np r e l i m i n a r yd e s i g no fd e e p w a t e rd r i l l s h i pf o r s o u t hc h i n as e aa r es t u d i e da n dp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，e s p e c i a l l yi nh u l l f o r md e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ef o l l o w i n gi t e m s - 1 c h a r a c t e r i s t i c so fd r i l l s h i ph u l lf o r mi si n t r o d u c e db a s e do nas u r v e y c o n d u c t e d f u r t h e r m o r e ，t h eh u l lf o r md e s i g na n dg e n e r a la r r a n g e m e n t a r ec a r r i e do u tb a s e do nt h es u r v e ya n dp r i m a r yd e s i g nt a r g e t 2 i n t a c ta n dd a m a g es t a b i l i t yf o rd r i l l s h i pi sc a l c u l a t e di nt h ep a p e r s t u d i e so fh o wt h e s t a b i l i t yr e s p o n d i n g t od i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，d i f f e r e n ta r r a n g e m e n to fa p a r t m e n ta n do p e n i n gi sc a r r i e d o u tt of m dt h eb a s i cf a c t o r se f f e c t i n gd r i l l s h i p si n t a c ts t a b i l i t ya n d d a m a g es t a b i l i t y ，a p p r o p r i a t ec o u n t e r m e a s u r e st o b et a k e nw h e nt h e s t a b i l i t yi sf o u n di n s u f f i c i e n ti sp r o p o s e db a s e do n t h ea n a l y s e s 3 t h em o o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea p ir p - 2 s kr u l e s t h es e l e c t e dm o o r i n gs y s t e ms p l i t st h ed i f f e r e n c eo fc a t e n a r ym o o r i n g s y s t e ma n dt a u tm o o r i n gs y s t e m t h er e s u l t so fa n a l y s e si n d i c a t et h a t 哈尔溟工程大学硕十学位论文 t h ep r o j e c tr e d u c e st h ew e i g h to fm o o r i n gl i n ea n dm o o r i n gs y s t e m d e p l o y m e n tc o s t s ，a n di ta l s oi n c r e a s e st h ev a r i a b l el o a do fd r i l l s h i p 4 a n a l y s i so fm o o r i n gs y s t e mw i t hf i v ed i f f e r e n tk i n do fd e p l o y m e n ti s c a r r i e do u tt o s t u d yt h e e f f e c to fm o o r i n gs y s t e md e p l o y m e n to n r e s t o r i n gf o r c ea n dt h et e n s i o no fl i n e su n d e rd e s i g nc o n d i t i o n t h e c o u p l i n ga n a l y s i so f t h es y s t e mi n d i c a t e st h a tt h em o o r i n gs y s t e mo f f e r s s t a t i o nk e e p i n ga b n i t y k e yw o r d s ：i n i t i a ld e s i g n ；d e e p w a t e rd r i l l s h i p ；h u l lf o r m ；s t a b i l i t y ；m o o r i n gs y s t e m s 第1 章绪论 1 1 本课 1 2 深水 1 2 1 1 2 2 1 3 研究 1 3 1 1 3 2 1 3 3 1 4 论文 第2 章钻井 2 1 钻井 2 2 钻井 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 3 钻井 2 3 1 2 3 2 2 4 钻井 2 4 1 2 4 2 2 4 3 2 4 4 2 5 本章 第3 章钻井 3 1 稳性 3 1 1 3 1 2 3 2 静水 3 3 风倾 3 4 完整 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 - 3 4 4 4 5 第5 章 5 1 5 2 5 4 锚点的最大垂向张力值“9 0 5 5 本章小结9 1 结论9 2 参考文献9 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 7 致谢9 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 本课题研究的背景目的和意义 辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，深海油气资源的开发是海洋资源开发的 重要组成部分，海洋的平均水深为3 7 3 0 米，其中超过9 0 海洋面积水深在 2 0 0 - 6 0 0 0 米之间，7 4 以上的水深在3 0 0 0 6 0 0 0 米之间【，而目前已探明的 海洋石油储量8 0 以上在水深5 0 0 米以内，因此有大量的海域面积还有待勘 探，海洋油气的探采向深水域( 水深4 5 0 - 1 5 0 0 米) 和超深水域( 水深1 5 0 0 米以 上) 发展是必然趋势【2 】。 随着水深的增加，传统的导管架式平台和重力式平台等由于自重和成本 的大幅度增大而不适用于深海开发，因此适于深海作业的移动式平台成为探 采油气资源的重要装备。我国现已探明有工业价值的海上油气田所在海域包 括所有的中国海域，我国对南海油气资源的开发也开始向更深的海域进军。 目前，许多国家深海钻井设备及技术发展成熟，在水深为1 0 0 0 - 3 0 0 0 m 的范 围内进行海洋石油资源开发。在面临世界各国对人类共同拥有的深海资源激 烈竞争的形势下，中国对深海钻采平台技术进行系统而深入的研究迫在眉睫。 近几十年来，由于墨西哥湾、巴西、西非、北海等深海油气的不断开发， 涌现出多种适于深海油气钻采平台型式：半潜式平台( s e m i s u b m e r s i b l e ) 、立 柱式平台( s p a r ) 、张力腿平台( t l p ) 及钻井船( d r i l l s h i p ) 等。半潜平台、t l p 、 s p a r 等钻井平台在作业期间，遇到很恶劣的海况，不能轻易撤离井位，经 常发生倾覆事故。而钻井船由于良好的机动性和巨大的承载能力，在适当的 天气条件下常用于远距离的深海作业，可以在恶劣海况发生之前规避撤离， 降低海上作业的风险。在深海油气开发挑战主要是更恶劣的海洋环境，因此 在深水或者恶劣的海况下，钻井船具有明显优势。钻井船还具有相对总投资 小，更大的甲板空间、甲板可变载荷和工作水深范围，后期升级可使用动力 定位系统，易于改造并具备探井、钻井、修井等工作功能，无需海上安装， 全球全天候的工作能力和自存能力等优点 2 ，一1 。 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 我国海洋工业开始于上世纪6 0 年代末期，最早在渤海湾的2 0 米深的水 域，8 0 年代在1 0 0 米左右，现在我国加快了南中国海油气资源的勘探开发， 考虑投资成本、工作水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，钻 井船是中国南海深水油气探采设备的优先选择。 1 2 深水钻井船的特点和发展趋势 1 2 1 钻井船特点 钻井船是具有船形结构的海上钻井平台，经过特殊的设计携带钻井装置 到深海作业。典型的钻井船除了具有一艘大型海船所具备的结构设施外，甲 板中部布置钻井平台及井架，钻井平台下面有贯通的月池结构，可由此安装 钻杆进行钻井。因为船形的结构对波浪的运动比较敏感，易受所遭遇海况影 响，而钻井作业时船体与钻孑l 之间有立管和钻杆连接，所以利用定位系统控 制船体运动和保持船体姿态是非常重要的。定位系统一般分为锚泊定位和动 力定位两种，船上装备定位系统，可保持船体与海底钻孔的方位。 钻井船按船形钻井船分两种，常规的钻井船和超大型钻井船。常规钻井 船比超大型钻井船更易受风浪影响。5 0 0 英尺或6 0 0 英尺的钻井船，其长度 一般不足以跨过4 到6 个平均海浪波长，新一代的超大钻井船尺度与大型油 轮相似，能达到1 0 0 0 英尺或更长，跨过约1 2 个平均海浪波长，因而其运动 性能更稳定。超大钻井船的市场价值在于它可以减少3 0 的钻井时间，兼有 早期油田开发和多井并行钻探的特点，还具备更强的钻井功能。这些功能需 要配置更多的设备或设备升级来处理超重或长期承载情况。如果它能同时钻 两口井，那么相应地就必须有两套钻井系统，即绞车、立根盒、压井管汇、 立管和钻具舱、三缸泵组、泥浆池等都是原来的两倍，同时双井架对月池尺 寸的要求也是与井架相对应的。 1 2 2 钻井船发展趋势 截止2 0 0 9 年7 月底，全球有钻井船4 2 艘，还有4 5 艘正在建造、审批中。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在建的4 5 艘钻井船中有4 1 艘即将部署在远东、东南亚地区，而并不是在传 统的石油产区，说明未来远东，东南亚( 如南中国海) 将是未来深海油气开 采的重点区域。新造钻井船中有3 9 条在韩国三星重工和d a e w o o 船厂建造。 在1 9 9 7 年的开发热潮中签的钻井船w e s tn a v i g a t e r 和w e s tn a v i o n ，排 水量1 0 万吨，总长8 3 0 f t 。到2 0 0 2 年，世界上仅有4 艘同等量级的钻井船， 另外两艘是d i s c o v e re n t e r p r i s e 和s a i p e m l 0 0 0 0 。它们在最大程度上集合了钻 井、完井和修井的综合能力。s m e d v i g 在2 0 0 0 年2 月交付w e s tn a v i o n 这条 新一代的钻井船。t r a n s o c e a n 公司的d i s c o v e r e re n t e r p r i s e 钻井船是第一条具 有并行钻井技术的超深水钻井船，其总长8 3 5 t t ，能钻探的深度从其钻井甲板 向下可达6 5 英里。它能在世界已开发的最深的水域中作业，可以减少深水 开发费用达4 0 ，能在超过1 0 0 0 0 f f 水深的海域钻井、测试和完井。i h cg u s t o 公司开发了新一代钻井船，最大工作水深1 0 0 0 0 f l 。这条船在中长周期的波浪 的海况下的运动性能比同类的常规半潜式钻井平台还要优越。i h cg u s t o 在 业界基于他的“p e l i c a n ”钻井船设计经验提出了“g u o s t o1 0 0 0 0 的概念， g u s t o1 0 0 0 0 相对于其它的钻井结构能承载更大的可变载荷，从而可以降低钻 井费用。9 0 年代后期，p r i d ei n t e r n a t i o n a l 公司的两个钻井船“p r i d ea f r i c a 和 “p r i d ea n g o l a 建造并交付。此后，这两条船在西非油田以其技术优势而获 得巨大成功。而目前的发展趋势则是应用钻井船的并行操作能力，同步进行 这些作业程序，并行操作已经证实有效并正在逐步走向成熟。目前世界上不 到1 0 条船上具有高级的双井架系统。 目前适应水深达到1 0 0 0 0 r 的钻井船有3 4 艘，其中有2 0 艘适应水深达 到1 0 0 0 0f t ，其中1 4 艘达到1 2 0 0 0 f f 。不同适应水深下的钻井船分布如图1 1 。 仍在建造的钻井船中只有8 艘适应水深为9 8 0 0 r 。在建钻井船的额定钻井深 度均超过3 0 0 0 0 f i ，也有不少达到3 5 0 0 0 f i ，个别的甚至达到4 0 0 0 0 f i 。不同额 定钻井水深下钻井船分布如图1 2 图1 1 不同适应水深下钻井船分布图 图1 2 不j 司额定钻井水深f 钻井船分布图 目前世界上拥有钻井船的船东约1 7 家，其中美国t r a n s o c e a n 公司是世 界上最大的钻井承包商，拥有1 4 艘钻井船。占钻井船总数1 4 3 5 。且该公 司仍有9 艘钻井船在建，这9 艘船也将部署在远东、东南亚地区。其他的公 司也都在扩大自己钻井船的数量，以期在未来深海钻井市场上扩大影响。如 s e a d r i l ll t d 、f r o n t i e rd r i l l i n ga s 、n o b l ed r i l l i n gi n c 公司各拥有3 艘钻井船， a b a no f f s h o r el t d 、p r i d ei n t e r n a t i o n a li n c 、s t e n ad r i l l i n g 、o n g c 公司各拥有 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 艘钻井船，n o r t h e r no f f s h o r el t d 、n e p t u n em a r i n ed r i l l i n g 、d o l p h i na s 、 d i a m o n d o f f s h o r e 、p e t r o l i ad r i l l i n g 、s c h a h i nc u r y 、s a i p e m 和s o n g ao f f s h o r e 等公司各拥有1 艘钻井船。还有如v a n t a g ee n e r g ys e r v i c e s 、e t e s c o 、g a z p r o m f n o c ) 、m p fc o r p l t d 、o c e a nr i ga s a 等公司也在建造钻井船。各承包商拥 有钻井船的数量及所占百分比如图。 图1 3 承包商拥有钻井船的数量及所占百分比 1 3 研究历史与现状 1 3 1 钻井船开发 1 9 5 5 年，大陆( c o o n o e o ) 、联合( u n o c o ) 、壳牌( s h e l lo i l ) 、苏必利尔( s u p e r i o r ) 四家组成的c u s s 集团成功的利用一条大型甲板驳船( 2 6 0 f t x 8 8 f l x 8 t t ) 加以 改造，该船有3 块甲板，工作面积达3 万多平方英尺。在船底部切出一块菱 气 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 形空间，上面安装钻机，采用桅杆式井架，设计了一套独特的立管和井口。 至1 9 5 8 年，c u s s 1 号已经钻进1 0 万多英尺，这是最早的成功钻井的钻井 船。其他一些公司以它为例设计建造了几条浮式钻井船【4 】。 9 0 年代后期，p r i d ei n t e r n a t i o n a l 公司【5 】的两条超大型钻井船p r i d e a f r i c a 和“p r i d ea n g o l a ”建造并交付。超大型钻井船尺度与大型油轮相似，能达到 1 0 0 0 f i 或更长，跨过约1 2 个平均海浪波长，因而运动性能更稳定。这两条钻 井船可减少3 0 的钻井时间，兼有早期油田开发和多井并行钻探的特点，具 备更强的钻井功能，在西非油田以其技术优势而获得巨大成功。 2 0 0 8 年，t r a n s o c e a n 公司【6 j 着手建造新一代双体钻井船，作业水深1 2 ，0 0 0 r ，钻井深度达4 0 ，0 0 0f t 。该钻井船是t r a n s o c e a n 公司的c r l u i g s 和j a c k r y a n 等超大型钻井船系列的升级版，具有更好的稳性性能和双重的钻井效 率。 i h cm e r w e d e 【7 s 】针对偏僻寒冷条件恶劣地区( 如北极圈) 推出紧凑精巧型 超深水钻井船设计理念，设计钻井水深为3 0 0 0 米。这种设计主要是在单体船 壳上进行，钢材质量更轻，动力定位系统也更准确，船首尾各有一个作业平 台，钻井系统融合在船体内，能够抵抗低温，在寒冷海区作业，船体重心更 低，能够方便灵活的穿越海峡，在新海域布置作业。 图1 4d r i l l m a x 冰区钻井船 目前s t e n a 公司为了提高其最新冰区系列钻井船性能，在d r i l l m a x 上 采用了h i l o a dm v d 9 ，该系统是一建议的钢结构，安装在钻井船月池底部， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该结构有调节压载的能力，可以降低钻井船重心，保证其稳性。并且该结构 具有f p s o 内转塔功能，可以提供系泊点，钻井船可以绕该系统旋转来降低 风浪流等载荷影响。为了开发北极圈等海域油气能源，s t e n a 公司也正在开 发更多的该系列钻井船。 1 3 2 完整稳性与破损稳性研究 船舶稳性问题所涉及的是非线性的随机事件，问题复杂，因素众多，相 关研究主要集中在船舶在静水中稳性问题的研究、运动中船舶稳性问题的研 究、船舶稳性校核衡准的研究、船舶随浪稳性研究等方面。 稳性衡准研究旨在确定一个最低的安全值。船舶在静水中稳性问题研究 大多集中在稳性衡准修正或应用技术上，如e l i o p o u l o ue 【9 】阐述了修正稳性衡 准的主要方法，以及这些和衡准的确定对设计的影响。p a p a n i k o l a o u a 等【l o 】 研究了静水中新的破舱稳性衡准对设计的影响，该衡准优点是可利用简单的 计算式来进行校核，但不确切性也很明显，不能确定在动力作用下的稳性储 备等。虽然对此类稳性衡准的研究日趋完善，但因其以静水中船舶为讨论对 象，因此具有较大的局限性。 船舶在随浪的稳性损失已逐步得到重视，因为在完整船舶的海难事故中 竟有一半发生在随浪或尾随浪航行状态。j m t t h o m p s o n 1 1 】研究了瞬时混 乱的不规则波中船舶稳性衡准评定问题。徐筱龙【1 2 】在讨论了评定船舶稳性的 基本原理的基础上，考虑了横摇预报的理论问题，建议采用环境危险模型作 为评估船舶在设计阶段的完整稳性。w o m a c k j ，j o h n s o n b a 【l3 】系统的研究了 波浪对稳性力臂曲线的影响，并提出了相应修正方法。黄鼎良【1 4 】提出船在这 种情况下的均方渐近稳性概念及其判别公式。 破舱稳性方面，陈宾康【5 】开发了极限重心高度曲线的算法，使用功能较 强的样条函数作为插值函数，不硬性规定统一的初稳心高计算区间，而采用 搜索法来求满足基本衡准数规定的极限重心高。赵晓非与蔡伟科【1 5 】采用三维 浮态平衡方程求解方法，大大减少了近似求解时的迭代次数。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 现今的稳性计算己逐步由二维向三维过渡。i m o 稳性部给出了某船按二 维和三维方法计算出的稳性极限重心高度，结果相差0 5 5 m 。赵成壁【1 6 】在船 体曲面、舱室描述上开发出灵活实用的系统，简化了破损稳性计算量。张明 霞 1 7 】在三维空间下基于n u r b s 的船体曲面计算破舱稳性，避免了传统计算 方法的缺点，提高了破损稳性计算效率与稳定性。 1 3 3 系泊系统设计与性能研究 1 9 6 9 年p a n g a l i l a ( 1 8 】采用悬链线法研究浮体的受力分析和运动响应，通过 实验对比表明系泊系统在较小水深时对浮体的影响大于较大水深，同时发现 增加系泊缆数量可以明显降低缆的最大张力。但是随着水深的增大，系泊缆 水平刚度减小，浮体的运动范围变大，从而可能不符合规范对浮体水平偏移 的要求。在恶劣海况下，水深超过2 0 0 0 f t 时，悬链线系统已不适用【1 9 】。 陈徐均掣【2 0 】对交叉型和人字型的锚链布置方式进行了研究，推导了不同 布置下系泊系统所提供的横摇及首摇复原力矩表达式，研究了锚链系统所提 供横摇恢复力矩大小及方向的不确定性，给出了两种布置方式系泊系统横摇 及首摇恢复力矩随锚固点变化的曲线。 t m s m i t h 等【2 1 】研究了对称分布系泊系统，以系泊缆的角度不同来表 示不同的布置型式，分析了不同系泊缆布置方式的系泊系统在不同浪向角下 的回复力，结果表明在4 0 6 0 。浪向情况下，3 5 6 0 。的系泊缆布置方式系泊 系统回复力性能最好。 黄祥鹿等【2 2 】提出一种计算系泊浮式结构在波浪上运动响应的近似方法， 采用二阶摄动理论，在频域内考虑系泊系统与结构运动间的动力耦合和系泊 线上的流体作用力及其变形，得到浮式结构物的波频运动和二阶慢漂运动响 应，以及锚系载荷一阶和二阶响应。 k o t e r a y m a 2 3 】提出一种计算系泊系统在规则波作用下动力响应的近似方 法：把缆索作为一个集中质量，类似单摆，考虑附加质量和拖曳力。k o t e m y m a 与n a k a m u r a 2 4 】把该方法从频域推广到时域，并用该方法计算系泊系统的时 8 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 域动力响应，发现即使在松弛状态，系泊系统的动力效应也对系泊浮式结构 物的慢漂运动有很大影响。 1 4 论文的主要研究内容 由于钻井船具有常规的船体外形，对波浪的运动比较敏感，运动幅值相 对较大，通过合理的船形设计及系泊系统设计可改善钻井船的运动性能。计 算分析钻井船在南海海况下的静水力性能、稳性及运动性能，对设计船形进 行分析评估，优化设计也是至关重要的。同时总结钻井船概念设计中船型开 发及性能研究的关键技术、主要环节及设计流程。 本论文针对南海海况，根据钻井船总布置设计要求，完成15 0 0 米钻井船 船型开发及总体性能研究，主要包括以下工作： 搜集整理国外现有钻井船资料，归纳总结钻井船船型特点与功能需求及 钻井作业能力内在关系，完成钻井船选型与型线设计，并根据功能需求进行 舱室布置与划分。 根据总布置设计中对排水量、基本功能需求及甲板使用面积等要求，绘 制型线c a d 草图，利用t r i b o n 软件l i n e s 模块，进行钻井船型线设计与 光顺，得到型线图与型值表。利用s u r f a n c e & c o m p a r t m e n t 模块完成钻井船舱 室划分与布置； 概括钻井船的稳性校核规范及其移航、钻井作业典型工况，利用c a l c 模块，进行静水力计算，计算校核钻井船完整稳性及破舱稳性，分析计算结 果及设计过程相关问题。对比研究开口、舱室布置、装载等不同设计方案对 稳性的影响，提出了克服稳性不足应采取的相应技术措施。 利用a r i a n e 软件对五种系泊缆布置方案进行计算，研究系泊缆布置角度 对船型钻井平台系泊系统定位能力的影响规律。通过对比确定最优设计方案， 完成钻井船系泊系统设计。 利用h a r p 软件对钻井船在南海海洋环境下的响应情况进行时域耦合数 值模拟，分析作业工况和风暴自存工况下深海系泊钻井船的性能。 9 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第2 章钻井船船型开发 钻井船是具有船形结构的海上钻井设备，经过特殊设计可携带钻井装置 到深海作业。因为其常规的船体外形，钻井船对波浪的运动比较敏感，其运 动幅值相对较大。合理优良的船型能够改善钻井船的稳性运动性能，同时能 够满足钻井作业对甲板空间的要求。因此，针对南海海况和环境，根据钻井 船总布置设计要求，设计出具有我国特色且性能优良的钻井船是钻井船概念 设计的基础。 2 1 钻井船设计流程 钻井船设计时需要兼顾多方面互相冲突的要求，是多参数、多目标、多 约束的求解和优化问题。因而，最初粗估得到的主要参数可能不符合要求， 通过反复的迭代校验和修正，最终得到可靠的方案。设计过程中，要与船东 和船厂经常联系和协商，以使设计工作保持实用性和减少失误。 本钻井船主要运用t r i b o n 的i n i t i a ld e s i g n 模块进行初始设计，包括： 船型选择、型线设计、舱室布置划分。 图2 1t r i b o n i n i t i a ld e s i g n 初始设计 l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 总布置设计甲板使用面积 a u t o c a d 绘制横刮面面积曲线、横刮线 利用样条曲线初步光顺一 l 奠- e s 模块 新建项目，创建边界线( 中纵剖 线、平边线、平底缝、平行中俸 线) l i n e s 模块 将横剖线唯d a t 文件导入t n b o n l i i 吧s 模块，创建横剖线并修改， 使之与边界线清足投影关系 l i n e s 模块 创建p l i n e 线，光顺横刮线j l i n e s 模块 以横刮线为基础插值生成水线 并光顺，利用水重新拟合生成横 剖线，两者结合反复2 d 光顺j l i n e s 模块 以水线及横剖线为基础插值生 成纵刮线，反复两两光顺、重新 拟合，进行3 d 光顺 l i n e s 模块 选择适当型线作为边界，生成 p a t c l = 1 曲面模型，检查曲面质量 l i n e s 模块 估算排水量、浮心坐标等静水力 多数、检查初稳性 l 旺s 型线图 s u r f a c e & c o m pa r t m e n t 模块 创建船体表面模型，创建舱壁， 划分舱室 c a l c & h y d r o 模块 静水力计算、稳l 生计算校核 静水力图 稳性校核结果 舱容图 图2 2 总体设计流程 图2 2 为钻井船总体设计流程。第一轮设计之后，以后每重复一遍并不 是每个步骤都需要深入展开，有时可省略某些步骤。凡能精确计算的项目， 如静水力要素、容积、纵倾和稳性等，应尽可能按型线图和总布置图进行初 步的详细计算。采用实船统计资料时，应了解其背景，统计资料应符合各要 素之间的内在规律。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 钻井船主要参数确定 钻井船主要参数的确定从比较可靠的原始资料导出的第一次近似的基本 要素入手，结合置信度较高的、通过统计回归分析建立的数学模型和先进的 分析计算方法，可以缩短过程，减少反复，得到较为可靠的、综合性能平衡 的方案。在概念设计阶段，搜集同类钻井船的主要参数和主要性能资料，并 进行一定的分析，得到具有相当统计相关程度的数据，是很有效的方法。 2 2 1 基本功能需求 本钻井船设计作业海域为南海，最大作业水深为15 0 0 米，钻井深度为 1 0 0 0 0 米，定位系统设计为锚泊定位，将来可配置2 级动力定位系统。 设计水深：1 5 0 0 米； 钻井深度：1 0 0 0 0 米； 甲板最大可变载荷：1 4 0 0 0 1 6 0 0 0 吨； 井架：初步设计为单井架，月池加长，将来可增加井架和转盘； 直升机：s i k o r s k ys 9 2 ； 月池：沿船纵向长度为4 0 米，横向宽8 6 米，深1 2 5 米； 定位：1 2 点常规锚泊定位系统，预留2 级动力定位系统； 生活设施：8 0 1 2 0 人生活单元，设医务、健身、娱乐及洗浴室。 2 2 2 主尺度 确定主尺度的过程中，要了解各主尺度对船体性能、使用特点、经济性 等各种性能和使用要素的影响，综合考虑。一般来说，各项使用要素都是相 互矛盾，相互制约的，在设计过程中要明确设计的偏重点，有取有舍，有主 次的兼顾多个方面。船舶使用要素对船舶主要量度可能有的影响，见下表： 1 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 表2 1 船舶主要量度与船舶使用要素的关系 船舶使用要素 三bdt c 8c w pl b 或1 7 3b | tb | dd | 1l | d 进港的可能性 木木木 靠码头的可能性 木木木木 干坞得得利用率 木= i c木 浮力 术，i c：i c ，l ： 快速性 木木木木木木木 稳性与横摇 ：i c木 出 木拳术木 纵摇、垂荡及失速 木 ，l c，k：l c木 木 ：i c 木木 士：i ： 回转性及航向稳定性 木；i ：木木j i c木木 抗沉性 j i c：l c木 ，l ： 木，i c 求 木木 最小干舷规定 j l c木 虫 木木 强度 木木，k木木木；i c 术木 重量与造价 木木木，i c木 吨位决定的税款 木 j i c 木木 l 一船长；b 一船宽；d 一型深；t 一吃水； 备注 c 口一方形系数；c h 5 p 一水线面系数：一排水量； 注：牝某一项船舶使用要素对某一项船舶主尺度的选择有影响 设计过程中，选择l 、b 、d 、t 时需考虑的主要因素，是选择主要参数 的重要参考依据。 选择l 时需考虑的主要因素主要有纵摇、垂荡及失速、浮力、装载能力、 抗沉性、重量同时兼顾规范、规则要求和造价。当旯三 0 8 时，增长l 可改 善纵摇、垂荡及失速。船体的排水量与船长成正比a = k p l b t c b ( k - 船体 外板系数，p 一水的密度) 。增长l 有利于改善抗沉性( 增加可浸长度及降 低破舱稳性损失) 。l 在主尺度中对船体外板重量和造价的影响最大，在选择 l 时应取其他主要性能损失不大的最短l 。 选择b 时需考虑的主要因素有稳性和横摇、装载能力及重量和造价。加 宽b ，可使初稳性高和最大静稳性力臂值增大，但横摇周期下降，还可能使 哈尔滨工程大学硕十学位论文 最大静稳性力臂对应角和稳性曲线消失角减小，设计时常由稳性下限决定b 的最小值。同时，从节省造价考虑，应尽可能加宽b 、缩短l ，在同样条 件下，加宽b 引起的空船重量增加约为加长l 的1 5 。 选择t 时需考虑的主要因素有港口、航道限制、浮力、推进性能及耐波 性。在选择t 时不能超过港口、航道对t 许用最大值限制。t 值的选择应尽 可能使螺旋桨有最适宜的直径，同时l t 大可改善耐波性。 选择d 时考虑的主要因素主要有装载能力、总强度、最小干舷规定、稳 性及抗沉性。用增大d 来增加舱容对船体重量的影响最小；大型船舶l d 及 b d 值要适度，有利于总强度；增加d 可提高静稳性力臂最大值对应角及稳 性曲线消失角，增加可浸长度，改进船体抗沉性。 根据钻井船基本功能需求与设计要求，在确定主尺度的过程中，综合考 虑各主尺度对钻井船总体性能、使用特点、经济性等各种性能和使用要素的 影响。明确设计的偏重点，有取有舍，有主次的兼顾多个方面。经过分析研 究，确定的钻井船主尺度如下： 总长：2 0 0 米 水线长：1 9 5 米 垂线间长：1 8 9 米 型宽：4 2 6 米 型深：1 8 6 0 米 迁航吃水：9 5 米 设计( 作业) 吃水：1 2 o o 米 2 2 3 资料搜集与研究 明确了钻井船基本设计需求后，通过对参考型船数据进行分析，得到相 关参数与主要性能资料、作业能力与相关结构设备重量关系是针对性很强， 最容易接近设计目标参数的一种方法。 2 2 3 1 参考型船选择与分析 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 与普通船不同，钻井船资料搜集要以作业水深、钻井深度、作业能力等 为主要依据。对于钻井船而言，不同的作业能力，船体的外形特征和立管、 套管等钻井设备重量会有很大差别。 钻井船按船形分两种，一种是常规的钻井船，另一种是超大型钻井船。 常规钻井船比超大型钻井船更易受风浪影响。超大钻井船减少3 0 的钻井时 间，兼有早期油田开发和多并并行钻探的特点。这些功能需要配置更多的设 备或进行设备升级来处理超重或长期承载情况。如果它能同时钻两口井，那 么相应的月池尺度需要加大。同时必须有两套钻井系统，这意味着绞车、立 根盒、压井管汇、立管和钻具舱、三缸泵组、泥浆池等都是原来的两倍，同 时双井架对月池尺寸的要求也是与井架相对应的【5 1 。 表2 2 主要参考型船参数表 钻井船主尺度( m ) 作业水深( m )钻井深度( m )甲板可变载荷( t ) p r i d ea f r i c a2 0 0 x3 0x 2 01 8 0 06 1 0 01 7 6 9 9 c & l u i g s 1 9 0x3 5x1 62 0 0 06 1 0 01 5 5 8 4 n o b l er o g e re a s o n1 7 0 x3 0 x 2 02 0 0 08 0 0 01 0 1 2 4 p r i d ea n g o l a2 0 4 x3 0 x1 5 2 0 0 09 1 0 01 7 6 9 9 e x p l o r e 2 3 0 x 3 6 x1 82 4 0 09 1 0 02 1 3 4 9 w e s tn a v i g a t o r2 5 3x4 2x1 92 0 0 09 l o o2 3 1 2 7 图2 3w e s tn a v i g a t o r 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过对参考型船资料分析研究，发现钻井船作业能力与钻井深度很大程 度上决定了钻井船尺度及相关设