SJ350型自升式钻井平台总体性能分析

诸国华 马网扣

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011； 2.中船邮轮科技发展有限公司 上海 200137）

自升式钻井平台具有定位能力强、作业稳定性好的优点，是目前使用最广泛的移动式钻井平台[1-2]。尽管目前海洋油气生产正逐步走向深水，但深水油气勘探开发技术难度大、生产成本高，而且需要远距离输送[3]，因此，在未来相当长的一段时间内，海洋油气生产仍以浅水为主，作业水深100 m以上的高规格自升式钻井平台仍有很大的市场需求。近年来，我国船企陆续建造了一批深水自升式钻井平台，国内三大石油公司也陆续装备了10多条深水自升式钻井平台，但这些平台一般都采用国外的基本设计，真正的自主品牌少之又少。因此，亟需开发设计拥有我国自主知识产权的高规格深水自升式钻井平台，这既是国家能源战略的需要，也是提升我国海工装备制造核心竞争力的需要[4-6]。

SJ350型钻井平台是我国自主研发的高规格自升式钻井平台，设计最大作业水深106.7 m，最大钻井深度10 668 m，大钩载荷907 t。本文详细介绍了该船型的主尺度和总体布置，进行了设计环境条件、拖航稳性、抗倾稳性、拖船海况限制条件、插桩性能等关键总体性能分析校核，并开展了风洞试验及水池试验，从而为该船型的稳定性与运动性能评估、结构优化设计提供了参考依据。

1 SJ350主尺度和总体布置简介

SJ350采用三角箱形主船体，船体长70 m，宽66 m，型深8.5 m。主船体内左右距中9 m各设1道边纵舱壁，设4道横舱壁及2层平台，其中机械甲板距基线1.8 m，中间甲板距基线5.15 m。V型生活楼位于主船体首部，共4层，层高均为3 m，能满足120人生活居住。轻型悬臂梁位于主船体中后部，长51.8 m、宽18 m、高7.5 m，最大外伸距离22.86 m，最大组合载荷1 360 t。钻台位于悬臂梁后端顶部，左右最大滑移距离±4.57 m。3根自带桩靴的X型桁架式桩腿分别位于主船体首部、尾部左舷和右舷，桩腿总长149 m，纵向间距44 m，横向间距48 m。SJ350整体外形如图1所示。SJ350的主甲板上共设左、中、右等3个管子堆场，堆场总面积520 m2。共设3台电-液驱动甲板吊，尾部1台主钩吊质量为35 t，首部2台主钩吊质量为50 t，主钩最大吊距均为40 m。主甲板四角各设1台定位锚绞机。

图1 SJ350外形图Fig.1 Outline drawing of SJ350

SJ350的主船体内3个围井区和船体周界均为预压载舱。机械甲板上设有机舱、辅机舱、变压器舱、空压机舱、泥浆泵舱、袋装品库、泥浆池、灰罐舱等，中间甲板上设配电板间、变频器间、仓库、重型工具间、橡胶品库、设备舱等，双层底内设燃油舱、淡水舱、钻井水舱、基油舱、盐水舱、雨水泄放舱等。机舱内设5台1 800 k W柴油发电机组，泥浆泵舱内设3台1 615 k W、51.7 MPa（7 500 psi）高压泥浆泵。

SJ350的生活楼舱室居住条件满足UK HSE标准，生活楼整体用作临时避难所。生活楼将住宿区与生活区分开布置，以尽量保持住舱的安静。住宿区位于生活楼的左侧，内设6个单人间，57个双人间。生活楼右侧布置厨房、餐厅、冷库、更衣室、洗衣间、医院、休息室、娱乐室、健身房、会议室、办公室、储藏室等公共服务舱室。无线电室和升降控制室位于生活楼顶部。生活楼前部设1个直升机甲板，能起降S61N／S92A机型。

SJ350采用比较有特色的纵向滑移轻型悬臂梁设计，固控设备、固井设备、录井设备布置在主甲板上，而不随悬臂梁移动，从而有利于降低悬臂梁自重，增加钻井组合载荷。悬臂梁为开敞式门型结构，内部左右侧各设一层平台，布置BOP控制单元、马达控制单元、撇油柜、计量泵等。月池区设一层甲板，用于布置套管张力系统、BOP运送系统。悬臂梁顶部设300 m2的管子堆场、1套20 t猫道机、1台3.5 t运管折臂吊。

SJ350的钻台自动化程度高，司钻房视野良好，设双鼠洞实现离线接单根来提高钻井效率。井架高度54.5 m，底部横向跨距13.4 m，纵向跨距12.2 m。SJ350的桩腿弦管间距11 m，齿条板厚度165 mm。多边形桩靴截面积170 m2，最大对地均布压力49 t／m2。桩靴底部设1 m高的小尖锥，特别适合硬质地基的插桩作业。齿轮齿条升降机构采用变频驱动，共54个小齿轮，最大升降能力15 120 t。

表1详细列举了SJ350与国际主流的106.7 m最大作业水深自升式钻井平台船型的比较，可以看出，SJ350的主要性能指标，包括钻井深度、大钩载荷、可变载荷、悬臂梁组合载荷、井位覆盖范围、环境条件、定员、升降能力等已达到或超过同类国际主流品牌船型。

表1 SJ350与国际主流自升式钻井平台的比较Table1 Contrast of SJ350 with international famous jack-up drilling units

2 总体性能分析

2.1 设计环境条件确定

ABS规范要求至少按50年一遇的重现期来确定SJ350自存工况的设计环境条件，并且风、浪、流同时同向出现，风速不低于51.4 m／s。北海是世界主要海上油气产区之一，也是自升式钻井平台利用率和日费率最高的海域之一。北海南部靠近英国、荷兰、丹麦的海区处于大陆架上，水深特别适合自升式钻井平台作业。但受冬季风暴的影响，北海风大浪高，是深水自升式钻井平台设计的重要参考海况。

基于北海的气象资料，该海域的风速和波高均呈现北面大、南面小的特点。北海南部50年回归期、海面以上10 m高度的1 h平均风速为34 m／s，折合成1 min平均风速为40 m／s。北海南部50年回归期的有义波高为9 m，对应的波高极值为有义波高的1.75倍，即15.75 m。另外，北海南部50年回归期的1 h平均风暴潮流速为0.6 m／s。综合规范要求和北海海况，最终确定SJ350自存工况下的设计环境条件（表1）。

2.2 拖航（湿拖）稳性分析

SJ350依靠拖船拖带调遣，装载多变。综合完整和破舱稳性确定不同吃水下满足稳性要求的许用重心高度（AVCG），拖航配载时实际重心高度小于同吃水的AVCG即可。

对于自升式平台直壁船型，拖航时将桩靴清空能降低吃水，增加干舷，对提高稳性极为有利[4]。但深水自升式平台桩靴的体积庞大，将压载水完全排空费时费力。另外，也有部分自升式平台在拖航时将桩腿下放一段或从顶部截去一段，以降低重心，减小风倾力矩，提高拖航稳性；但桩腿下放会造成拖航阻力增加较大，航道浅时桩腿还有触底的风险，而且将桩腿截去一段拖航到作业地点再连接的方案代价高昂，可操作性差[6]。

SJ350拖航时桩腿完全回收至主船体内，桩腿既不下放也不截短，桩靴满载，无需清空。SJ350拖航稳定性计算使用NAPA软件，风倾力矩由风洞试验确定，进水点按照图2所示的外部水密和风雨密边界取值，确定油田拖航和远洋拖航在各个吃水下的许用重心高度，如图3所示。

图2 SJ350外部水密和风雨密边界（半宽）Fig.2 External watertight and weathertight border of SJ350（half-width）

图3 SJ350拖航许用重心高度曲线Fig.3 AVCG curve of SJ350 towing condition

表2 SJ350典型远洋拖航装载工况Table2 Typical ocean towing loadingcondition of SJ350

表3 SJ350抗倾稳性校核Table3 Overturning stability check of SJ350

2.3 抗倾稳性分析

站立工况下，SJ350应具有足够的抗倾覆能力，即抗倾稳性。抗倾稳性通过抗倾安全系数Kq来表示，即

式（1）中：MF为抗倾复原力矩，N·m；Mq为倾覆力矩，N·m。

为了保守起见，计算MF时不考虑土壤给予平台的任何有利效应，如粘聚力、吸附力、拔桩力等，应考虑装载和安装的最不利偏心的影响。Mq应包括风、浪、流引起的倾覆力矩、动力放大效应引起的倾覆力矩以及P-Δ效应引起的二次弯矩的同向叠加[7]。

SJ350抗倾稳性校核时，按规范假定50%的可变载荷，MF计算时考虑了重心纵向0.50 m和横向0.25 m的不利偏心的影响。SJ350抗倾稳性的倾覆轴定义如图4所示。

图4 SJ350坐标系和倾覆轴定义Fig.4 Definition of coordinate system and overturning axis of SJ350

SJ350抗倾稳性校核结果如表3所示，经计算，SJ350抗倾安全系数Kq均大于ABS规范要求的1.1，满足规范要求。

2.4 拖航（湿拖）海况限制条件分析

SJ350拖航时桩腿完全回收至主船体内，高耸的桩腿受到惯性力、风力和自身重力的作用。如果海况恶劣，平台运动过大，会在桩腿底部约束处产生较大的弯矩而造成桩腿损坏，或发生直升机甲板入水砰击，因此须对SJ350拖航时的海况条件加以限制。

SJ350的典型远洋拖航装载工况如表2所示，计算结果显示考虑自由液面影响后的实际重心高度为19.61 m，初稳性高余量为4.90 m，满足规范要求。

有义波高Hs与平均跨零周期Tz的关系可按百年一遇极限波陡公式推算，即

式（2）中，Hs最大不超过16 m。设计波波高H取3 h短期预报（1／1 000超越概率）的波高极值，即Hmax=1.86Hs。SJ350拖航时直升机甲板的静气隙为18.9 m，考虑1.5 m的气隙余量，则允许的直升机甲板与波面间的最大垂向相对位移为17.4 m。由平台的水池运动试验提取各个周期、各浪向下单位波高的最大垂向相对运动，进而推算出满足气隙限制的最大允许Hmax和Hs。

SJ350桩腿在上导向处的弯矩按下式计算：

式（3）中：MW为风倾力矩，风速20 m／s对应的MW=10.3 MN·m，该值由风洞试验确定；MI为横摇或纵摇引起的惯性力弯矩，MN·m；MG重力垂向分量引起的弯矩，MN·m。

SJ350横摇或纵摇引起的惯性力弯矩按下式计算：

式（4）中：h1为上导向高度，取值16.8 m；h2为桩腿高度，取值149 m；m为桩腿单位长度质量，取值8.06 t／m；θm为最大横摇或纵摇角，（°）；T为波浪周期，s。

SJ350桩腿重力分量引起的弯矩按下式计算：

式（5）中：g为重力加速度，m／s2。

已知SJ350上导向处的许用弯矩为390 MN·m。由平台的水池运动试验提取各个周期下单位波高的最大横摇或纵摇角，进而推算出满足桩腿强度限制的最大允许Hmax和Hs。

图5给出了直升机甲板气隙、桩腿强度、极限波陡公式各自对应的Hs许用值曲线。根据计算结果，SJ350拖航时的海况条件由桩腿强度最终限制，最大Hs=5.3 m；综合规范要求的拖航海况条件，实取Hs=5 m。

图5 拖航时的许用波高曲线Fig.5 Allowable wave height curve of towing condition

2.5 插桩性能分析

自升式平台插桩过深时有2个弊端：一是气隙不能保证，影响站立状态下的安全；二是拔桩困难，影响平台的机动性。自升式平台的插桩深度主要取决于桩靴对地压力和地基承载力2个因素，桩靴对地压力越大，入泥越深。地基承载力越小，入泥也越深；自升式平台作业地点灵活多变，会面临各种地质条件及相应的地基承载力，因此在每次插桩作业前都要详细勘察地质资料以确定桩深度，避免发生穿刺。换言之，具有普遍适用性的桩靴设计是不存在的[8]。

SJ350采用大桩靴设计以降低对地压力，桩靴的最大对地均布压力为49 t／m2，小于CJ46-X100-D的53 t／m2的指标。初步选择我国沿海某井位海底地质资料（表4），按《海洋井场调查规范》的方法[9]进行SJ350插桩分析，分析时未考虑土体回填，最终计算得到SJ350桩靴入泥深度与地基承载力的关系曲线如图6所示。根据图6，SJ350的安全插桩深度为9.9 m，最大极限承载力为82.39 t／m2，由此可以算出穿刺安全系数为1.68，大于规范要求的穿刺相对安全系数1.50。若再进一步考虑最大作业水深、安全气隙，升桩室顶部之上的桩腿长度不低于1.5 m，满足作业要求。

表4 中国沿海某井位海底地质资料Table4 Seabed geological data of a well location off the coast of China

图6 SJ350桩靴入泥深度与地基承载力关系曲线Fig.6 Relation between spudcan penetration depth and seabed bearing capacity of SJ350

3 风洞试验分析

SJ350上结构物、设备众多，生活楼、甲板室、桩腿、悬臂梁、钻台、井架等之间存在遮蔽，遮蔽程度又因风向而异。规范计算、数值模拟和风洞试验是3种常用的确定风载荷的方法，其中风洞试验精度最高，但代价也最高[10-11]。SJ350采用风洞试验来确定风载荷，从而合理评估稳性、运动等性能，优化船型设计。SJ350风洞试验模型按1∶150的缩尺比制作，拖航工况下，风向角0°～360°，间隔15°，平台吃水4～6 m，间隔1 m；站立工况下，风向角0°～360°，间隔15°，气隙15.2、22.86 m和悬臂梁外伸4.57、22.86 m的组合，该工况下的试验模型如图7所示。

通过在风洞工作段前方适当设置尖劈和地面粗糙元（图8），以获得所要求的风速剖面和紊流结构。风速剖面指数律模型为

式（6）中：U0为海面以上10 m高度的1 h平均风速，m／s；z为距海面的剖面高度，m。

图7 SJ350站立工况下风洞试验模型Fig.7 Wind tunnel test model of SJ350 in standing condition

图8 SJ350风洞试验时尖劈和地面粗糙元设置Fig.8 Layout of wedge and floor roughness element for SJ350 wind tunnel test

图9为SJ350站立工况下的试验模型安装示意图，模型的水面以上部分位于转盘之上，转盘与模拟海平面的地板间留有转动间隙；模型安装在六分量应变测力天平上，模型的漂心与天平坐标原点在同一垂直线上；测力天平安装在与转盘相连的支座上，通过转动支座可实现不同的风向角。

图9 SJ350站立工况下风洞试验模型安装示意图Fig.9 Sketch of wind tunnel test model installation of SJ350 in standing condition

表5 SJ350风洞试验所得风载荷试验值与理论计算值的比较（站立工况，风速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列出了风速25.7 m／s、气隙15.2 m、悬臂梁外伸4.6 m的站立工况下，SJ350风载荷的试验值与理论计算值的比较，可以看出：各个风向角下风洞试验得到的风载荷均小于理论计算值，风力最大相对误差为29.1%，风倾力矩最大相对误差32.3%；风向角180°和0°时风洞试验得到的风力相差不大，但风向角180°时的风倾力矩却要比0°时大出23%，这是因为风向角180°时直升机甲板处于迎风面，甲板下方发生气流堵塞，对甲板产生垂向升力，从而加大了风倾力矩。其余站立工况和飘浮工况的规律相似，只是相差程度不同。

4 水池试验分析

SJ350的直升机甲板不宜设置过高，否则对控制生活楼规模、降低受风面积和重心高度不利。SJ350采用水池试验来确保直升机甲板的高度设置合理，拖航状态下不会发生入水砰击。SJ350水池试验模型采用1∶50的缩尺比制作，如图10所示，并在图11所示的3个位置布置浪高仪。

图10 SJ350拖航状态下的水池试验模型Fig.10 Pool test model of SJ350 at towing condition

图11 SJ350直升机甲板气隙试验的测量点Fig.11 Measure points of heli-deck airgap test in SJ350

试验时首先在水池中造流，待流剖面达到稳定的预期剖面后启动造风系统，待风场稳定后下达造波指令开始造波。SJ350直升机甲板气隙水池试验的风、浪、流环境条件为：风向角180°、165°、150°，波浪谱JONSWAP，有义波高5 m，谱峰周期为9.5 s，峰值系数为2.4，风速20 m／s，流速0.51 m／s。

表6列出了SJ350直升机甲板气隙水池试验结果，最小气隙为0.46 m，出现在迎浪时甲板的首部中间位置。总体来看，SJ350直升机甲板的高度设置合理，拖航时既不会发生入水砰击，气隙又不至过于保守。

表6 SJ350直升机甲板气隙试验结果Table 6 Result of SJ350 heli-deck airgap test m

5 结论

本文详细介绍了我国自主研发的SJ350型自升式钻井平台的主尺度和总体布置，分析了其整体性能，并开展了风洞试验及水池试验，结果表明SJ350的主要技术性能指标达到或超过了同类型国际主流品牌船型。目前该船型的基本设计已通过ABS的审查认证，并取得了ABS的原则认可证书，其船级符号为“ABS+A1 Self-Elevating Drilling Unit”。当然，要把SJ350真正建成一个优秀船型，还需对其开展更深入的设计分析及论证，通过实船建模和使用验证来优化改善该船型的具体细节。