自升式钻井平台简论

王越杨亮

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

自升式钻井平台至上世纪50年代起加入海洋石油开发大军，至今已成功应用在海洋石油开采、钻井、生产、储存、平台维护等各个方面。随着新技术的不断涌现，自升式钻井装置不断打破原有设计准则的限制。这些突破包括平台的有效载荷（浮于海面及升离海面），环境的限制，钻井条件的限制，土壤的限制等各个方面。取得以上突破应归于向更深水，更恶劣海况进军的热望及在某些海域海底土壤的不稳定性。

通过预先计算的预压载水量保证当船体升离海面指定高度后对桩腿施以足够载荷以得到海底的稳定支撑［1］。现代典型的自升式钻井平台能够在水深500英尺（1英尺=25.4 cm）的恶劣的环境中工作（波高达80英尺，风速超过100 kn）。本文主要是就钻井平台在不同的作业模式下进行简单探讨。由于不同的设计准则和作业环境，钻井船可以有多种不同的形式。本文主要关注其中一种三桩腿结构形式。首先介绍关于钻井船各个组成部分的一些背景知识，然后分章介绍钻井船的特性、作业模式、船级社的入级。

1 自升式钻井平台组成及各部分功能

自升式钻井平台主要由主船体、桩腿结构、机械设备三部分组成［2］。

1.1 主船体

自升式钻井平台的主船体部分是一个水密结构，用以承载机械，实现钻井采油功能。 当其浮于海面上时，主船体部分产生的浮力用以平衡桩腿、机械、结构等的重力。主船体的不同设计参数影响整个装置的性能。现介绍如下：

总体上说，主船体的长度及宽度越大，结构布置形式就越多样。这一点对浮式结构物来说尤是如此。

同样，更大的主船体结构能够提供更大的舱室空间来安装设备，更大的主甲板空间布置管线、安装第三方设备，更明确的工作区域。更大的主船体结构提供更大的预压载能力实现更加灵活的预压载方案。

更大的主船体结构同样会产生一些负面的影响，例如会承受更大的风、浪和流载荷。船体更大的自升式钻井装置需要更大马力的升降装置，实现船体的升降及固定。更大的自重也会影响自升式钻井装置在升降模式下的自然周期。

船体吃水，或者说从水线到船体基线的距离，对于在漂浮状态下主甲板的承载能力有直接的影响。船体吃水与干舷（水线面到主甲板上沿的距离）逆向相关，每单位长度的吃水的增加就会减少相应长度的干舷。

对两个有相同船体型线的平台来说，其中一个吃水较深，多出来的质量可能是由于空船质量或是可变的甲板载荷所致。相应的深吃水的平台就比浅吃水的平台拥有较少的储备浮力。对于具有同样船体结构和桩腿长度的钻井平台来说，具有更大干舷也就意味着具有更大的稳性边际。

1.2 桩腿及桩靴结构

自升式钻井装置的桩腿及桩靴有钢结构组成。当平台处于坐底模式时对主船体起到支撑作用，同时提供稳性抵抗侧向载荷。桩靴增大了土壤的受力面积，相应地减小了对土壤强度的要求。桩腿及桩靴对处于坐底模式和漂浮模式钻井船特性都有重要的影响。对不同形式的桩腿及桩靴结构将在后文予以说明。

钻井船的桩腿结构在拖航状态下完全缩进主船体内时可能达到高于海面500英尺的高度。由于其巨大的尺寸，桩腿结构对漂浮状态下的船舶稳性通常会产生不利的影响。很大程度上提高了装置的重心，增大了受风面积，都会对船舶稳性产生不利的影响。对于拥有相同的船体型线及吃水的平台而言，更大的桩腿结构会减小船舶稳性。

当处于坐底模式下，桩腿受到风浪流的等载荷的共同作用。

不同设计形式和尺寸的桩腿具有不同的侧向刚度（产生单位变形所需要的载荷值）。钻井船的刚度随着水深的增加而减小（更精确地说，随着桩靴到船体与桩腿交点距离的增大而减小）。进一步地，对于更大水深，弯曲刚度的影响遮蔽剪切刚度的影响。在坐底状态下，桩腿的刚度直接影响着整个钻井船系统的刚度，进而影响整个系统的横荡及自然周期。

1.3 预压载及插桩深度

钻井平台到达指定海域后通过预压载系统保证在桩基失效或土壤失效情况下能够提供组工的桩基反力。桩腿的插入深度取决于土壤属性、桩腿的垂向应力、桩基范围等因素。大体上说，在垂向应力和土壤属性相同的情况下，桩基的范围越大，需要的插桩深度就越小。有多种的预压载技术，例如单腿预压载法和最小气隙法等。所谓最小气隙法是指在降桩过程中保持最小气隙以减小土壤突然失效产生的风险。在指定海域进行降桩操作时，事先收集土壤信息和绘制插桩曲线是十分必要的。强烈建议在插桩操作的预压载环节时记录相关数据以便与预先绘制的插桩曲线进行对比。这些数据为以后进行插桩计算提供了可靠的参考。

1.4 设备

自升式钻井装置搭载设备因使用目的的不同而有所差异。反过来设备又影响着船体型线和空船质量。钻井平台上的设备通常可分为三类：海事设备、完成使用功能的必要设备、升降设备。

所谓“水上设备”指的是钻井平台上除完成使用功能那一部分以外的设备。无论是外形和功能都能够在任何海船上找到。包括主柴油机、燃油管线、配电盘、救生艇、通信设备、厨房设备等。海事设备虽然不与钻井船的使用目的直接相关，但与航行安全和后勤保障息息相关，所有的海事设备的质量都应包括在空船质量之内。

“必要设备”是指钻井平台用来完成指定任务而必不可少的设备。根据任务的不同分类也多种多样。对于两艘同样用于勘探钻井的钻井船，必要设备也可能不一样。

必要设备包括钻塔、泥浆泵、泥浆管线、钻井控制系统、生产设备、起重机、可燃气体检测器及报警系统等。必要设备的质量并不总是包括在空船质量之内，一些特定设备，通常因它并不总是安装在钻井船上而把它归结到可变载荷中。

升降设备是指自升式钻井平台用于升降桩操作及锁定桩腿与船体相对位置设备的总称。这些设备将在2.5-2.8节中详细探讨。

2 自升式钻井平台的基本结构

自升式钻井平台包括很多通用的结构，但由于设计理念和具体操作规程的不同而有细微的差别。自升式钻井装置最大的不同在于桩腿结构、升降系统、桩腿与船体之间的载荷传递系统。这里将详细说明这些不同点。

2.1 沉垫式与桩靴式桩基系统

几乎所有的自升式钻井平台都有桩基结构。桩基的作用是增大桩腿的受力面积，相应的降低对土壤强度及插桩深度的要求。目前世界上主要有两种桩基结构：沉垫式和桩靴式。

沉垫式将自升式钻井装置的所有桩腿固定在一个桩基结构上。通常呈矩形结构，上下水平，没入水中后桩基内舱室注水。沉垫式桩基结构主要有两大优势：第一，面积更大，因此所受轴向压力小于桩靴结构，这点在土质不能承受较大轴向压力时显得尤为重要。第二，在漂浮拖航模式下，沉垫式桩基提供更大浮力，相应提高了钻井平台的载重能力。沉垫式桩基结构的主要缺点是对于不平坦或具有较大斜面的海底并不适用。桩基结构及桩腿会因此受到较大弯矩。抵抗如此大的弯矩需要相当重的桩基结构。沉垫式（重力式）桩基结构在海底铺有管线等其他障碍物时同样不适用。重力式桩基结构的最后一个主要的缺点是拖航到指定地点进行降桩作业时，桩基内必须充水；而桩基充水顺序必须严格按照规程才不至于产生大的倾斜力矩和降低稳性。当需要从新升起桩腿时，桩基内的水必须泵出，而泵水设备在独立式桩腿结构中是没有的。

带有独立式桩靴的桩基结构的桩靴数量与桩腿数量相同。桩靴通常是锥型结构，顶面和底面都具有一定的坡度（图1）。带有坡度的顶面有助于清除桩靴在插桩过程中聚集的上面的淤泥。带有坡度的底面保证了即使土层硬度很大也能顺利实现插桩操作。桩靴通常设计成在没入水中时自动充水，而在检修时又能将内部的水排干。

图1 桩靴

桩靴式桩基结构具有很多优点，其最大的优势在于能够适应不同的海底地形。无论海底土层是软是硬，或是海底布有管线或其他障碍物，钻井船都能够顺利地实现插桩操作。除此之外，桩靴的压载并没有严格的顺序要求。

与沉垫式桩基相比较，桩靴式自升式钻井装置在底部会受到更大的轴向压力，桩靴在海底软层土壤处会留下深深的印痕。当另一艘钻井船日后在同一区域工作时，在桩靴滑向已有印痕的过程中，一个或几个桩腿会受到水平力的作用，也是自升式钻井平台比较危险的工况。

2.2 圆柱式桩腿与桁架式桩腿

所有的自升式钻井平台都具有桩腿结构。桩腿结构的作用是保证船体升离水面到一定高度而不必承受波浪载荷。桩腿结构主要有两种形式：圆柱式和桁架式。

圆柱式桩腿结构由中空的钢管组成。钢管内部可能具有加强结构。在桩腿外壳处装有齿条或开孔实现船体的升降。圆柱式桩腿适用作业水深小于300英尺，当水深大于300英尺时通常使用桁架式桩腿结构。这主要是因为在抵抗相同的环境载荷时圆柱式桩腿结构需要更多的钢材。

圆柱式桩腿结构最大的优势在于体积较小，占用较少的甲板面积，因而建造工艺比较简单。桁架式桩腿结构由弦管及撑管构成。总体上说，撑管提供桩腿抵抗剪切应力的能力，而弦管提供轴向及弯曲刚度。桁架式桩腿结构使钢材的利用达到最佳配置，减轻了结构质量减小了拖曳力载荷。

2.3 三腿结构对四腿结构

世界上绝大多数自升式钻井平台装腿结构都不超过四根。但出于稳性考虑又不能少于三根。确有多于四个桩腿的钻井装置出现，但不在本文的考虑之列。

三桩结构的钻井平台桩腿呈三角形布置。三桩结构的最大优点是三角形具有极好的稳定性而不需要额外建造桩腿。较少的桩腿受到的波浪力较小，除此之外，对于给定的主船体尺寸，能够节省更多的甲板空间；同时能够减少升降装置的数量，也间接减少了对能源的需求、减轻了结构质量，减少了成本。三腿结构最大缺点在于需要预压载水舱。

四桩结构桩腿一般呈矩形排列。四桩结构在主船体内几乎不需要预压载舱。这是因为四桩结构可以同时压载两条桩腿而将升降装置质量作为预压载重量。这减小了相关的管线及设备重量。四桩结构在升桩作业时比三桩结构具有更大的强度。但这一优势可能会被桩腿所受到额外的风浪流载荷所抵消。在拖航模式下，四桩结构较三桩结构因多处的桩腿而大大增加了拖航质量。

2.4 桩腿支撑结构

桁架式桩腿有3到4根主垂向支撑结构（见图2）。现今几乎所有的带有桁架式桩腿的自升式钻井平台都具有此类结构。事实上三弦管与四弦管相比的优缺点与三桩腿与四桩腿类似，差别仅在于弦管不影响预压载程序。

图2 桩腿

2.5 升降系统

所有的自升式钻井平台在主船体上都安装升降机械。最基本的升降系统由插销及圆孔组成。但它只能使船体在桩腿上几个离散的点上定位。现今绝大多数自升式钻井装置都安装了齿轮/齿条升降系统以实现连续的升降操作。有两种基本的升降系统，浮式和固定式。浮式系统使用相对柔软的衬垫来平衡舷管载荷，而固定式系统允许在固定时存在不等的舷管载荷。固定式系统存在两种动力来源：电力及液压。

2.6 升降导向装置

所有的自升式钻井平台在桩腿穿过船体时都设有导向设备（见图3）。对于齿轮装置来说，导向在齿轮与齿条的咬合过程中起到保护作用。因此，所有的自升式钻井平台都配备有上下导向。对于型深较大或桩腿较长，还配备有中部导向。这些导向的作用体现在两个方面：一是使齿轮与齿条保持适当距离；二是使桩腿产生的弯矩不会传递到主船体。导向有多种形式，通常是沿着齿条的长板型结构。由于导向与齿条的接触距离的不同，现在一些导向结构也被所谓“防磨板”结构取代。

图3 升降导向装置

除了能够保护齿轮和主船体结构外，导向装置还能在预定方向上将桩腿弯矩传递给主船体，在水平方向传递的弯矩值取决于导向装置与齿轮及固定系统的相对刚度。

2.7 齿轮系统

带有齿轮/齿条升降系统的自升式钻井装置的齿轮与齿条的接触面有以下两种形式：双齿轮系统与单齿轮系统。所有的齿轮/齿条升降系统在接触面上都会受到水平与垂直方向的力（因为接触的区域时非水平的）。双齿轮系统所受水平方向的力在舷管处相互抵消，因而撑管处并不会受到水平力的作用。单齿轮系统由于齿轮安放位置的原因会向撑管处施加一个水平方向的力。

双齿轮系统在同一弦管两侧都安装了齿条及升降系统。通常情况下呈对称排列。这样做最大的好处是可以平分桩腿载荷。如果两个齿轮安装在舷管的同侧，与异侧相比，降低了升降塔的总的高度。如果两个齿轮等高，理论上说会平分桩腿产生的载荷。随着升降塔中齿轮数目的增加，在各齿轮所承受的载荷中，最大值与最小值间的差异会逐渐增大。双齿轮系统的另一个优点是降低了升降塔的高度。它在减小自升式钻井装置风载荷的同时也减小了结构质量。

单齿轮系统仅在舷管的一侧安装有齿轮/齿条升降系统，因此只有一个对称面，齿轮所受的垂向载荷载在离心的作用下对舷管会产生弯矩。带有单齿轮升降系统的自升式钻井装置与双齿轮系统相比有两大优势：第一，单齿轮系统的上下导向间距与双齿轮系统相比更大，这就是说单齿轮系统的总长更大；第二，单齿轮系统的桩腿舷管具有更小的拖曳力系数，从理论上说这是因为单齿条相对于双齿条来说引起更少的流体动力阻力。

2.8 桩腿固定系统

所有的自升式钻井平台都会在主船体与桩腿之间传递环境载荷、重力及作业载荷。一些钻井船通过升降齿轮来传递以上载荷，另外一些在桩腿升降时依靠齿轮传递载荷，而在其余的大部分时间内载荷依靠固定式系统来传递。

桩腿弯矩通常作为水平或垂直的力偶传递到主船体。力矩的传递比例与他们之间的相对刚度有关。带有桩腿固定装置的钻井船增大了垂向力偶传递力矩的比例。

不带有桩腿固定装置的钻井平台需要更重的撑管承受桩腿与船体之间的载荷反力。由于升降装置是唯一的锁定设备，因此应保证其时刻处于正常工作状态。除此之外，任何升降/固定能力损失都会造成累加效应最终导致增加了桩腿载荷。同时，更大的撑管结构能够在锁定前承受更大的载荷，这也使在面对突发事件时撑管具有一定的承载能力。但同时，增大尺寸也增加了风浪流载荷，这也使与固定式系统相比降低了承载环境载荷的能力。基于以上原因，如何分配舷管与撑管上的载荷就显得尤为重要，这也使舷管与撑管之间的连接点变得至关重要。

带有固定系统的自升式钻井平台所需要的齿轮较少。除此之外，与导向装置相比刚度也有所增强，桩腿/船体间力矩绝大部分转变为垂向力偶。因而可以适当减少撑管宽度与厚度。固定系统减小了桩腿的结构质量和所受的拖曳阻力，增加了抵抗环境载荷的能力及在桩腿结构全部缩紧主船体时的拖航能力。固定结构还能在突发事故中对钻井设备起到支撑作用，这是因为撑管在事故中是最容易受到损坏的结构。

3 钻井平台的作业模式

自升式钻井平台主要有三种作业模式 （见图4）：一是从一地到另一地的拖航模式；二是在制定地点工作时的升船模式；三是在两者之间进行的升降桩操作模式。为保证每一作业模式的平稳有序进行，每一模式都有需要遵循的特定操作规范。以下简单介绍几个在操作中需要注意的关键问题。

3.1 拖航模式

图4 自升式钻井平台作业模式

当从一地转移到另一地时钻井平台所处的模式为拖航模式。拖航模式又可分为干拖航及湿拖航两种。下面将就两种拖航模式进行详细探讨。拖航之前主要准备工作是将桩腿与主船体固结在一起，并保持整体结构的水密性。固定货物和设备以免产生不必要的运动。尽管需要将桩腿升高保证其脱离海底，但没有必要将其完全收缩进主船体内。允许桩腿的一部分在主船体的基线以下不仅节省了升桩时间，减小在拖航时桩腿的惯性载荷，而且由于减小了风倾力矩而提高了船舶的稳性。适当的降低桩腿结构同样可以改善围井区域水的流动减小拖航阻力。不论在拖航中桩腿处于什么位置，必须要保证桩腿与主船体的固结结构的强度，使其能够承受在拖航过程中桩腿的重力及惯性载荷。

平台拖航是指钻井平台漂浮于水面上，桩腿升起，由拖轮拖运到较近水域。由于拖航时间较短，使得对于天气和海况的预报相对准确。因此对拖航前的准备工作并没有远距离拖航那么严格。很多船级社对油田拖航的定义为拖航时间不超过12 h，对拖航时船舶的运动也需要满足一定的要求。船舶的运动主要体现在一定周期下的横摇、纵摇幅值，也就限定了桩腿的惯性载荷和桩腿固定装置的强度。

如果拖航时间超过12 h，可称之为大范围的平台拖航。其可定义为当天气条件恶化时，钻井船在拖航期间可以找到安全水域躲避风险。因此，拖航过程可能持续很多天。大范围拖航对船体运动的要求与油田拖航相同，所需要的准备工作也类似，不过此时要额外注意监测拖航时的天气变化情况。

湿拖航是指用拖轮将钻井平台拖运到指定海域。拖航时间一般会超过12 h，因此不满足油田拖航条件。在油田拖航时，桩腿升起，钻井船依靠主船体提供的浮力漂浮在海面上。但对于大多数钻井装置来说，还有许多其他问题值得关注。这是因为湿远洋拖航对船体运动的要求要比油田拖航严格得多。因此需要作一些额外的准备工作，包括降低桩腿高度，对主船体内和主甲板上的货物及设备进行额外的固定。

大洋拖干航是指将钻井船置于另一艘船的甲板上。在这种情况下，钻井平台并没有漂浮在水面上，而是作为另一艘船的货物固定在甲板上。对钻井平台运动的要求与托运船对甲板货物的要求一致。通常来说，干拖航要求桩腿结构尽量收缩进主船体内，这样可以使船体与拖船甲板尽量接近，从而减少支撑结构的数量。对于干拖航来说另一个需要关注的问题是对主船体的支撑结构。应该在主船体内的加强结构如舱壁处安装支撑结构。对于钻井平台突出拖船部分应给于特别关注，这是因为突出部分可能受到波浪砰击，产生额外压力。如果突出部分包括桩腿结构，会使主船体所受弯矩显著增加。对这部分力应仔细计算以保证拖航安全。

3.2 拖航结束

到达拖航地点以后，钻井船开始为升船作准备。这些准备工作包括清除桩腿中的楔形结构，启动升降系统，清除拖航时安装的桩腿固定装置使桩腿产生的重力由齿轮承受。

3.3 预插桩

如果自升式钻井平台的工作地点紧邻有固定式结构物或是受海底条件的限制，钻井船经常需要安置在非指定作业区。称作“预插桩”。这一过程包括降下一个或几个桩腿直至桩靴接触到海底。这样做的目的是为接下来向指定工作区域移动提供一个“站点”。此时，检查前期所有准备工作确保钻井船向作业地点下桩过程万无一失。检查工作包括调整辅助拖船的位置，收紧锚链使钻井船向作业地点缓慢移动，如果安装有定位推进装置则启动，核实预压载及升船过程中的天气情况等。

3.4 最终到达指定点

无论自升式钻井平台是否停留在制定作业区，都需要通过特定手段使其固定下来以实现升降桩之前的预压载操作。对于具有独立桩腿的自升式钻井装置，可以通过降低桩腿直至桩靴接触海底来将其固定在指定位置。当最终到达作业位置后，继续降桩操作，直到不需拖轮辅助也可将钻塔安装到指定位置为止。

沉垫式自升式钻井平台或者通过拖轮就位，或者通过靴管就位。所谓靴管，是一些圆柱型的管状物内部由混凝土填充。它会使自升式钻井装置一直保持在指定位置直到实现压载及降桩操作。

3.5 升降过程

沉淀装置使沉垫在压载过程中逐渐接触海底，一但沉垫接触海底，即可将主船体升离水面，此时沉垫继续进行压载操作。所有的独立式桩腿结构在升离海面一定高度以前均需进行预压载操作。绝大多数桩腿结构在压载水质量集中在船体内时都不可能将船体升离海面指定高度。对于此类装置，下一步的操作就是将船体升离海面一定高度避免长峰波的干扰，这一段气隙的高度一般不会超过5英尺。此后将继续进行预压载操作。少数新型的桩腿结构在压载水质量集中在船体内时仍可将船体升离海面到作业高度。对于此类装置，当船体在水中时压载水集中在船体内。

3.6 预压载操作

所有的自升式钻井平台都需依靠土壤提供的支撑反力固定在指定位置并能在风浪中保存下来。预压载操作降低了风暴中地基移动及土壤失效的可能性。但预压载操作本身也可引起地基的滑移及土壤失效。为了减小上诉情况所带来的风险，建议主船体在避免波浪抨击的基础上尽可能的接近水面。

当发生土壤失效及桩腿滑移事故后，桩退会失去载荷承载能力，高度迅速降低，主船体随之落入水面。由失效桩腿承载的载荷会传递给其他桩腿，这就存在潜在的过载风险。此时存在两种情况：一是失效的桩腿会继续向土壤中插入直至土壤提供的反力足以支撑桩腿。二是当船体落水以后其所提供的浮力可以阻止桩腿继续向土壤中插入。随着船体的跌落，桩腿需要承受由导向板传递船体的持续增加的载荷和弯矩。随着导向板所承受载荷的不断增加，桩腿上的撑杆可能会承受较大的压力。当此种情况发生时，又一些详细的操作规程可供遵循，但这不是本文讨论的范围。

在正常的预压载操作工程中，保持船体重力，甲板载荷及预压载载荷等的合力作用点位于桩腿的几何中心很重要。这样可以保证各桩腿受力均匀。

预压载水来源于海水，由潜水泵输送到船体内。通常预压载水会在船体内保存一段时间直到桩腿可以提供足够支撑力同时又不继续向土壤中插入。预压水量取决于所需的环境反力及自升式钻井装置的形式。通常沉垫式平台所需的预压水量较少。

四腿的独立式钻井平台通常需要很少或几乎不需要预压载水。这只是因为相对四腿结构来说可以依靠主船体的质量一次实现对角线压载。这些装置升船到预压载气隙高度，然后缓慢升起一条对角线上的两条腿，这时就可以依靠主船体的质量使其余两条桩腿插入土壤制定深度，这时再将船体升高指定高度，将其余两条桩腿也插入到海底指定深度。

三条腿的自升式钻井平台所需的压载水量最多。因为装置无法凭借自身压载升降，故主船体升到预压载气隙高度，后抽取压载水。如果压载水中有沉淀物，必须在再次升至预压载气隙高度之前泵出压载水，重复压载，直至无沉淀物。

因为钻井船可以满预压载升降，主船体在水中时可以抽入压载水，然后升起主船体。通常在特定干舷停留短时间直到主船体到达预压载气隙高度，然后保持预压载一段时间。此时，泵出压载水，准备升至工作气隙高度。

3.7 升至操作气隙高度操作

当预压载操作完成后，钻井平台准备升至操作间隙高度。其中，最重要的是监测主船体高度和升降系统的载荷及特征。当升至操作间隙高度后，停止升降系统，启动桩腿锁定系统，钻井平台可以开始工作。

3.8 工作状态

当升至工作状态后，各种形式的平台没有特别大的区别。同样，在操作上也没什么区别。如果悬臂梁载荷较大，则需要注意保证桩腿底部有足够大的反作用力。

3.9 风暴自存状态

当平台升至工作状态后，有可能遇到恶劣天气。如果遭遇工作状态之外的环境条件，平台需要升至风暴自存状态。此状态下，停止工作及相关设备，封闭平台。在可能的情况下，人员应撤离平台。

4 自升式钻井平台设计

综合考虑钻井设备和布置需要及不同的操作状态，自升式钻井平台设计取决于两个相互对立方面——建造和结构承受能力，通常两者相辅相成。

4.1 基本环境载荷

环境载荷主要由风，浪，流，雪，冰导致，地震载荷也可以归为环境载荷。

风载荷主要是由风作用于结构水线以上部分产生。取决于风速、风作用面积、风作用系数以及作用面积距水线高度。

浪和流载荷主要是由浪的作用和流作用于结构水线以下部分和飞溅区域产生。取决于浪高、周期、流速，黏性系数以及作用面积。

冰载荷和雪载荷主要是由冰雪作用于结构水线以上和接触区域产生。冰载荷主要分为两种——大面积冰对结构的挤压和流冰对结构的冲击。取决于冰雪的厚度和聚集度。

4.2 平台漂浮稳性分析

在外力作用下，平台离开平衡位置发生倾斜而不致倾覆，当外力消失后平台能自行恢复到原平衡位置的能力，称为平台稳性。在设计过程中，通常绘制稳性曲线以说明平台稳性性能；同时，工作状态下，由于钻井平台运动会导致钻杆弯曲，产生交变应力，造成钻杆疲劳破坏，所以对钻井平台运动有严格的限制：

1）平台摇摆角小于2°时，可正常作业。

2）平台摇摆角 3°～5°时，工作困难，钻杆寿命减小。

3）平台摇摆角大于5°时，不能作业。

对于漂浮状态，平台稳性分为完整稳性和破损稳性。

平台的漂浮稳性通常取决于：船体型线，型深，风作用面积等。

4.3 平台的着底稳性

平台着底作业时要求有足够的着底稳性，即要求地基稳定和平台本身稳定，防止在外载荷作用下造成平台倾覆、滑移、过大的沉陷、冲刷掏空等事故［3］。

1）平台抗倾稳性。在平台的设计中，环境载荷给定后，平台的抗倾稳性主要取决于平台的总重和主尺度。平台的总重主要随平台的可变载荷大小而变化；平台的主尺度主要取决于桩腿之间的间距。

2）平台滑移稳性。平台的滑移稳性是平台在设计载荷作用下所具有的抵抗水平滑动的能力。其取决于土壤的粘结力、摩擦力、被动土压力和抗滑装置作产生的抗滑力。

3）地基应力。自升式钻井平台在着底状态时，其下部海底地基的应力必须小于地基容许应力，并应有一定的安全系数，以防止过大的不均匀沉陷所导致的平台倾覆。

4）平台的座底面积丧失率。对于自升式钻井平台，应考虑冲刷使其座底面积有一定的丧失率后，再按有效的座底面积计算地基应力、抗倾和抗滑稳性。

5）影响平台着底稳性的因素。影响平台的着底稳性的因素很多，也比较复杂，有结构型式方面的，也有地基方面的。此外意外载荷，如地震引起的沙土变化，水流冲刷使平台底部掏空，都会使平台失去稳性。

4.4 自振特性分析

与所有的结构物一样，自升式平台也有其自振特性。计算平台的自振周期，已成为结构动力计算的首要问题。算出结构的自振周期后，可根据平台的自振周期分析与作业区波浪周期发生共振的可能性，确定平台是否需要进行动力响应分析。通常：

1）工作水深越大，自振周期越大。

2）平台距水面高度越大，自振周期越大。

3）桩腿底部处土壤强度越大，自振周期越小。

4）桩腿越大，自振周期越小。

确定平台的自振特性和环境载荷，便可进行平台动力分析，计算平台动力响应。

5 平台检验

5.1 平台检验的目的和意义

平台通过建造入级检验和法定检验，可以提高设计与建造的质量，保障平台和人员的安全，防止海洋污染。平台通过检验入级后，也可为业主带来利益——可以取得海上保险，提高竞争力，通过部分国家的入境审核。

5.2 平台检验的种类

平台检验可分为平台级检验，法定检验（安全检验），公证检验。

6 结语

自升式钻井平台适用于大陆架海域（水深200 m以下）油气勘探开发。随着我国能源发展新的形势和要求，为我国海洋油气勘探开发提供新型经济和实用的海洋平台是我们的机遇，但同时也是挑战：

1）最大作业水深需要增大。

2）采用高强度钢以减小平台自重。

3）增大可变载荷和自持能力。

4）采用更先进的桩腿、桩靴结构和升降系统。

5）配备钻井能力更强，自动化程度更高的先进钻井设备。

6）更加注重健康，安全，环保。

［1］彭熙民.加大海洋钻采平台及特种船舶的研究力度迎接海洋新时代［M］.北京：中国海洋平台，2000.

［2］任贵永，李淑琴.海洋活动式平台设计［M］.天津：天津大学出版社，1983.

［3］窦培林，袁洪涛.自升式海洋平台结构可靠性分析［J］.舰船科学技术，2006，28（4）：31－32.