1. 引言
钻井船，又称浮船式钻井平台，是一种能够在水上钻井并位移的大型船舶。浮船式钻井装置船身浮于海面，易受波浪影响 [1] [2] 。钻井船的排水量从几千吨到几万吨不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上进行石油钻井。钻井船可简单分成3大基本部分，钻井模块、动力模块、生活模块。钻井模块集中在钻井船中部，主要因为动力定位系统和船舶稳性的影响，水下设备和钻杆通过船中的开口的月池下放入水 [3] [4] [5] 。月池是一个在船体中间直通海水的开口，也是钻采工作的通道。
本文对某钻井船的稳性进行分析。钻井船的几何参数如表1所示，几何外形如图1所示。
Table 1. Parameters of drilling vessels
表1. 钻井船几何参数
Figure 1. Geometric shape of drilling vessel
图1. 钻井船的几何外形
2. 分析前的准备工作
2.1. 舱室定义
该钻井船内部的液舱主要有：储油舱、污水舱、润滑油舱、柴油舱、船底水舱、钻井水舱等。储油舱顾名思义就是储存海底原油的舱室。柴油舱提供动力装置所需的燃料，润滑油舱放置润滑油，为螺旋桨传动轴提供润滑油。舱底水是钻井船在运营过程中，船体里经常寄存的液体，主要是水或含有少量油的水。根据钻井船作业的需要，对部分舱底水进行油水分离处理后排除，以达到清理舱底积累的污油水的目的。船底水舱可以放置压载水用于配重。钻井水舱放置钻井水。钻井水是调配钻井液的一种溶剂，一般是淡水或工业淡水。钻井水可以通过注入站或者造水机获得，也可以把平台上的其他淡水作为钻井水，比如淡水舱、饮用水舱的淡水可以通过淡水驳运泵达到钻井水舱里。
钻井船内部的隔舱主要有：推进器舱室、机舱、配电室、隔离舱、通道、泵房、贮物室、艏尖舱等。钻井船的舱室建模中，有两个非浮力体积类型的舱室(Non-Buoyant Volume)，分别是月池(Moon Pool)和ROV舱。月池位于船体中心，与海水连同；ROV舱室位于泵房旁，用于放置ROV。
各个液舱和隔舱的示意及位置如图2和图3所示。
Figure 2. The various tanks of the drilling vessel
图2. 钻井船的各个液舱
Figure 3. The various compartments of the drilling vessel
图3. 钻井船的各个隔舱
2.2. 载况定义
本文计算钻井船在储油量为80%的工况下的稳性。钻井船上的重量由固定重量、可变重量和液体总量组成。固定重量包括空船、上层建筑、机舱内设备、直升机起降场、起重机和钻塔。空船重量为14,000 t；上层建筑重量为2200 t；机舱及设备重量为1400 t；2个起重机的重量为40 t；钻塔重量为1400 t。可变重量包括平台上人员、管道、立管、钻杆和尾甲板的存储空间。船上人员为120人，按单位重量80 kg估算总重量为9.6 t；管道和立管的重量为55,000 t；钻杆的重量为2500 t；尾甲板的重量为450 t。舱内液体的总重量为47283.9235 t。
2.3. 测深管定义
根据液舱的大小和深度，为每个液舱定义相应的测深管。共定义51个测深管，如图4所示。
Figure 4. Sounding pipes for drilling vessel tanks
图4. 钻井船液舱的测深管
2.4. 计算原理
本文的计算主要依据是上海交通大学盛振邦主编的《船舶原理》 [6] 一书中关于船舶静力学部分的相关理论及船舶大倾角稳性计算的相关章节内容，感兴趣的读者可前去自行查阅，这里不再赘述。
3. 计算结果
3.1. 静水力计算
Figure 5. Hydrostatic curve of drilling vessel
图5. 钻井船静水力曲线
Figure 6. Curve of ship form coefficient for drilling vessels
图6. 钻井船船型系数曲线
钻井船正浮状态下的静水力计算中，纵倾角固定为0˚，吃水从1 m分析到设计吃水10.123 m，吃水增量为1.013 m (每隔1.013 m计算一次)。钻井船在正浮状态下的静水力曲线和船型系数曲线如图5和图6所示。
3.2. 大倾角稳性计算
大倾角稳性计算中，钻井船相对左舷进行横倾，横倾角从−20˚到120˚，每隔10˚计算一次，纵倾设置为自由纵倾(Free Trim to Loadcase)，流体分析方法设置为修正VCG法。钻井船的静稳性和动稳性曲线如图7和图8所示。钻井船的极限静倾角发生在86.4˚，最大复原力臂为5.95 m。
Figure 7. Static stability curve of drilling vessel
图7. 钻井船静稳性曲线
Figure 8. Dynamic stability curve of drilling vessel
图8. 钻井船动稳性曲线
3.3. 溢油计算
MARPOL Oil Outflow为溢油计算，根据《MARPOL》(国际防止船舶造成污染公约)中的规定进行相应的舱内石油溢出量计算。Stability的溢油计算功能包含两个规定，一个是MEPC.141 (53)，规则12A：油箱保护；另一个是MEPC.117 (52)，规则23：意外漏油性能。规则12A适用于燃料舱；规则23适用于货油舱。进行钻井船溢油计算时工具栏中选择MARPOL Oil Outflow，如图9所示。
Figure 9. Analysis toolbar for oil spill calculation
图9. 溢油计算的分析工具栏
单击“Analysis”>“MARPOL Options”，在弹出的Select Tanks for MARPOL Analysis窗口中选择使用的规定和计算的油舱。如图10所示，窗口中可以选择Reg 12A或Reg 23，油舱可以设定是侧面破损或底面破损。选择Oil 1、Oil 2、Oil 3和Oil 4进行溢油计算，勾选Side damage和Bottom damage。
Figure 10. Select Tanks for MARPOL Analysis
图10. Select Tanks for MARPOL Analysis窗口
计算结果显示在Results窗口中的MARPOL表格中。MARPOL表格分为三部分：Main parameters，参与计算的主要船体参数；Side damage，由侧面损坏导致的溢油量；Bottom damage，由底面损坏导致的溢油量。表中可编辑的参数以黑色显示，不可编辑的参数以灰色显示。
Figure 11. Oil spill calculation of drilling vessels
图11. 钻井船的溢油计算
由图11的计算结果可知，当钻井船的4个油舱的侧面受到损害时，油舱的平均溢油量为341.875 m3；当底面受到损害时，油舱的平均溢油量为392.112 m3。
4. 结论
本文结合某钻井船的具体参数，简单介绍了钻井船内部的舱室布置，对该钻井船进行了三维建模，并结合该钻井船在位运行的具体过程对其相关性能进行了详细计算，得到了该艘钻井船的静水力特性和大倾角稳性，得到其最大复原力臂和极限静倾角。最后，本文还给出了使用Stability进行溢油计算的流程，发现该当钻井船的4个油舱的侧面受到损害时，油舱的平均溢油量为341.875 m3；当底面受到损害时，油舱的平均溢油量为392.112 m3。
基金项目
海洋细长挠性结构系统的随机动力响应机理研究–广东海洋大学科研启动经费资助项目 (060302072101)、面向船舶电力物联系统的数据质量优化方法–广东海洋大学科研启动经费资助项目 (060302112008)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。