自升式钻井平台设计
自升式钻井平台的主要特点是桩腿升降作业和悬臂梁钻井作业，这些特点给总体方案和结构设计带来很大困难，我国研发设计人员主要从以下方面开展自升式钻井平台的设计。
1.总体方案的确定
自升式钻井平台的船体采用模块化设计与施工，加大甲板主尺度和作业面积，增大可变载荷和钻井物资储放能力。一方面，将平台生活区移到船首，采用挑出式与包络式设计，既可减少悬臂梁钻井作业发生事故时对船员造成的伤害，也可以腾出甲板中部空间给作业堆料；另外，悬臂梁悬挑出作业时，会使平台整体重心往船尾移动。平台生活区的前移，可以减少平台重心的后移量，减少左舷与右舷桩腿轴力的增加量。
根据设计输入要求的甲板面积以及生活区容量，初步确定平台型宽和型长，并结合功能需求进行初步的总体布置。在初步方案阶段根据机械设备的布置需求以及电缆和通风管系的布置等确定平台的型深，同时结合自持力要求，确定各类液舱的舱容和位置。型深的确定还须满足浮态时干舷的要求以及为平台拔桩提供足够的储备浮力。
平台总体布置初步完成后，将经过初步估算的桩腿布置到平台上，并对平台的重量和重心进行初步的统计估算。根据平台重量和可变载荷指标，确定平台的设计吃水，根据平台的整体重心，调整桩腿的位置，使桩腿形成的几何中心位置尽量与平台的重心接近。平台船体的浮心位置也应尽量与平台重心接近，这样可大幅减少在平台进行升降操作前的调载准备工作，提高作业效率。另外，为了最大程度地发挥升降装置的能力，应考虑使平台不计桩腿、桩靴的船体部分重心位置尽量保持在桩腿的几何中心附近，从而保证进行升降作业时每条桩腿及升降装置的受力基本一致。
初步方案确定后，进行桩腿强度校核和性能校核，根据校核结果进一步调整甲板主尺度并优化舱室布置，不断接近最优甲板主尺度。由于一般的自升式钻井平台为非自航平台，拖航航速有严格的考核要求，因此，在船型确定前，一般需要开展船体模型的水池拖曳试验，尤其需关注桩靴对阻力的影响。有研究表明，如果桩靴外置，船体所受阻力将较桩靴收进船体时增加50%。因此，大部分的设计方案是将桩靴收进船体内。
2.桩腿和桩靴型式选取
自升式钻井平台主要由平台船体、钻井系统、升降装置、桩腿和桩基等组成。
平台船体主要用于布置各种舱室，安放各种机械设备，提供生产作业和生活的场地，并在拖航过程中提供浮力，以保证拖航的稳定性。
升降装置安装在桩腿和平台主体交接处，其作用主要有两个方面：一方面，驱动升降装置能使桩腿和主体做相对的上下运动；另一方面，当平台上下运动到桩腿某一位置后，将平台固定在桩腿上，对平台起到支撑作用。
自升式钻井平台的升降装置既要满足拖航移位时强度方面的要求，又要满足作业时着底稳性和强度的要求，是保证平台在钻井、风暴自存等工况下安全作业的最关键设备，直接影响到平台的安全及其使用效果。
自升式钻井平台的船体依靠桩腿的支撑得以升离水面，使平台处于固定的钻井作业状态。桩腿需支撑平台的全部重量和经受各种环境载荷的作用。自升式钻井平台的桩腿主要有两种结构型式：整体式和桁架式。整体式一般采用3～4根圆柱桩腿，外径为2～10米，可采用液压或气动进行升降；桁架式桩腿为桁架结构，一般为3～4根，其截面可以是三角形或正方形，通常采用齿轮齿条式升降装置。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，且因建造工艺比较简单，适用于作业水深浅的海域。桁架式桩腿结构由弦管及撑管构成，通常使用于水深较大时的海域。
自升式钻井平台的桩基有沉垫式与桩靴式两种。沉垫式将自升式钻井平台的所有桩腿固定在一个桩基系统上。沉垫式桩基结构主要有两大优势：①面积更大，因此所受轴向压力小于桩靴结构，这在土质不能承受较大轴向压力时显得尤为重要；②在漂浮拖航模式下，沉垫式桩基也参与提供浮力，提高了钻井平台的载重能力。
沉垫式桩基结构的主要缺点为：①不适用于不平坦或具有较大斜面的海底。倾斜海底使桩基结构及桩腿受到较大弯矩，抵抗如此大的弯矩需要相当坚固的桩基结构。②沉垫式桩基结构在海底铺有管线等其他物件时不适用。③在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以致降低稳性。当需要重新升起桩腿时，桩基内的水必须泵出。
桩靴形状为带尖头的锥形结构。这种设计可以增大桩腿与泥土的接触面积，在减少入泥深度的同时保证足够的承载力，并降低插拔桩的难度，有利于改善平台的移动性。现役的平台桩靴还有长方形和正方形等。带有独立桩靴的桩基结构的桩靴数量与桩腿数量相同。桩靴式桩基结构最大的优势在于能够适应不同的海底地形。除此之外，桩靴的压载并没有严格的顺序要求。目前，主流自升式钻井平台多采用桩靴式桩基系统，避免了在软土层地区作业时桩腿插入太深影响作业深度，同时也提高了插桩和拔桩作业时的安全性。
3.升降系统设计
升降系统是自升式钻井平台的关键系统，是平台与桩腿之间力传递的主要构件，与平台的安全性、可靠性息息相关，其性能的优劣直接影响平台的安全和使用效果。目前升降系统主要有绞车+滑轮组式、液压油缸顶升式、齿轮齿条式三种形式，根据平台的作业要求和水深，选择合适的升降系统可以取得良好的经济效益。
（1）绞车+滑轮组式升降系统主要由摩擦卷筒绞车、桩腿顶部滑轮组、桩腿底部滑轮组、升降室、两组高强度钢索和导向装置等组成闭合拉力系统。一组钢索一端固定在绞车上的端部索节上，缠绕在桩腿的顶部滑轮组和升降室旁边的平衡轮上，最后到绞车；另一组钢索一端固定在绞车底部的压板上，缠绕在桩腿底部的滑轮组和升降室旁边的平衡轮上，最后回到绞车上。当需要桩腿下降时，下端钢索出绳，上端钢索收绳，桩腿下端的滑轮组和与之匹配的平衡轮组合承受桩腿重力，上端滑轮组提供向下的压力，桩腿就沿着导向向下运动。当桩腿插入海床后，桩腿顶端的滑轮组继续压迫桩腿向下运动，平台受到向上的抬升力，通过一定的动、定滑轮组组合，可以把平台抬离水面。反之，下端钢索收绳，顶端钢索出绳，桩腿下端的滑轮组对桩腿有一个向上的抬升力，上端滑轮组承受平台重力，靠平台重力沿着桩腿向下运动。(https://www.daowen.com)
绞车+滑轮组式升降系统操作方便，适合平台的频繁升降，经济性是几种升降系统中最好的。但此种升降系统的抬升能力有限，同步性较差，抗水平载荷差，因此使用范围也受到了一定的限制，主要适用于水深小于20米的海域。这种水域风浪小，环境载荷要求不高，桩腿主要承受垂向载荷，工作时不需要把船体抬离水面太高，或者不完全抬离水面就可以满足作业定位要求。
（2）液压油缸顶升式升降系统主要有顶升油缸、固定环梁、移动环梁、插销和平衡器等组成。它是利用液压油缸中活塞杆的伸缩运动带动环梁上下运动，用锁销将环梁和桩腿锁紧使桩腿升降。上部固定环梁通过拉力杆与平台甲板连接，下部移动环梁借助顶升油缸与上部环梁连接，能相对平台上下移动。桩腿上设置有销孔，用销子插入销孔中，当下插销脱开销孔时，依靠顶升油缸活塞的伸缩，移动环梁能相对于桩腿上下移动，当油缸活塞向上收缩则带动移动环梁向上提升一个油缸行程，再将下插销插入桩腿销孔。同理，可将上插销脱开，当油缸活塞伸展时，以移动环梁锁销为支点，推动上环梁，使其向上提升，从而带动平台提升。这种升降系统的动作犹如猴子爬树。液压油缸顶升式是断续升降，每次只能升降一个顶升油缸行程，中间需要重复上下锁销的插入和拔出，升降速度较慢。对液压阀件要求较高，但它不需要复杂的变速机构，体积小，传动效率高，控制比较灵活，比较经济。液压油缸顶升式升降系统一般和圆柱形桩腿或者方形桩腿配合使用，但这两种桩腿使用的水深一般都不超过60米，因此液压顶升式升降系统一般应用在60米以下的自升式钻井平台上。
（3）齿轮齿条式升降系统主要由电动机、减速齿轮箱、爬升小齿轮等组成。与桩腿上的齿条啮合完成升降功能。齿条作为桩腿结构的一部分安装在桩腿上，升降系统安装在与平台本体结构相连的固桩架上，使爬升小齿轮与桩腿上的齿条啮合，通过电机驱动爬升小齿轮来达到升降的目的。
齿轮齿条形式的升降系统适应性强，可广泛应用于桁架式桩腿、圆柱形桩腿，作业水深可达150米，相对于液压油缸顶升式，升降速度快，可连续升降，操作灵活，维修方便。但是，它需要庞大而复杂的变速机构，体积大，对齿轮和桩腿上的齿条材料和制造工艺要求高，造价也是三种升降系统中最高的。从经济性能方面考虑可采用绞车+滑轮组式和液压油缸顶升式两种升降系统，但目前齿轮齿条式升降系统是自升式钻井平台升降系统设计的主流选择。
锁紧装置主要包括锁紧基座、垂直螺旋升降机、水平螺旋升降机、齿形楔块和下导向。它布置在船体底部到主甲板这段桩腿井口的距离，其箱型基座结构与平台主体融为一体，这种结构形式较简单，能有效地减少建造施工的难度，便于安装维护。
齿轮齿条式升降系统的锁紧装置使用液压马达作为动力元件，液压马达通过联轴器与螺旋升降机蜗杆相连，螺旋升降机蜗杆-涡轮螺-丝杠推杆机构可以将液压马达的回转运动转化成推杆的移动，因而液压马达的正反转动可以驱使丝杠推杆的伸缩。
一套锁紧装置设有两个齿形楔块、四组水平螺旋升降机、四组垂直螺旋升降机，分别以弦杆齿条为中心，左右对称。齿形楔块的后面开有T形槽，水平升降机的推杆头嵌在T形槽中；垂直升降机的推杆端面直接顶在齿形楔块的上、下面上；同时还有挡板和垫块的限位作用使得齿条楔块只能在一定范围的平面内纵向或横向移动，以保证对桩腿弦杆齿条实施锁紧动作。使用螺旋升降机的优点是可以利用其机械自锁功能实现齿条楔块和弦杆齿条的锁紧，同样因为螺旋升降机的自锁功能保证楔块不会在平台或桩腿升降过程中与桩腿弦杆齿条干涉打齿。锁紧工作过程：当析架桩腿升降到一定位置需要锁紧时，先通过垂直螺旋升降机推动齿形楔块进行纵向调节，使齿形楔块齿牙对准弦杆齿条齿隙，然后再通过水平螺旋升降机推动齿形楔块进行横向调节，达到锁紧目的。
4.桩腿结构设计技术
新一代自升式钻井平台的桁架式桩腿多采用超高强度钢、大壁厚、小管径的主弦管与支撑管，以减小水阻力与波浪载荷。一般采用具有高强度、高刚度的“X”与逆“K”形管节点，并减少节点数量。在逆“K”形水平撑管上多采用叠加式节点，以提高节点抗剪强度。
在自升式钻井平台上普遍采用三角桁架式桩腿，即使用3根主弦杆与若干水平及斜撑杆焊接而成。主弦杆由2个半圆形管和中间的齿条板构成。根据斜撑杆的分布形式又分为K形、X形等结构形式。该类平台较多采用K形三角桁架式桩腿进行优化计算，对桩腿强度在所有可能出现的工况（自存、作业、预压）下进行分析，确定桩腿的尺度。
自升式钻井平台受风、浪、流等海洋环境因素影响显著。在外载荷作用下，平台产生摇荡运动，在桩腿上产生较大的惯性载荷，会对桩腿强度产生较大影响。因此，对于桩腿的强度考核需特别注意拖航时的极限工况。
5.稳性校核
自升式钻井平台在拖航情况下，升起的桩腿不仅使平台重心升高，还导致受风面积显著增大，直接影响自升式钻井平台稳性。在钻井平台设计过程中，要准确预报风倾力矩，保证稳性计算结果满足标准要求。平台需满足入级船级社和挂旗国的法规要求。在拖航过程中，平台需要足够的稳性来承受近海拖航工况和远洋拖航工况下360度全方向的风荷载作用。目前，相关规范规则对稳性标准都有规定。另外，稳性的校核主要与平台的复原能力和所受的风载荷有关，复原能力主要与平台静水力模型有关，而建立的风载荷模型是否准确直接影响到稳性的计算精度。
自升式钻井平台外形轮廓比较特殊，计算稳性和风倾力矩时需要考虑360度全方向，然后求出最危险角度下的极限重心高。在计算过程中一旦出现稳性标准问题，应该适度降低初始重心再次进行计算。反之，在所有横倾角度下稳性都满足标准且留有裕度，则应该适度提高初始重心高，反复进行计算，直至求出与标准值无限接近的极限重心高。
定义破损舱室是计算破损稳性的关键，舱室破损范围主要根据相关船级社规范要求以及舱室水密完整性进行定义划分。如该平台尺寸比较对称，可单独选取左舷或右舷，然后再进行破损舱组定义，且通过计算表明，边舱破损对重心高度起决定性作用。
6.悬臂梁技术
自升式钻井平台的钻台已经从早期的槽口式发展到当今的悬臂梁式，大大提高了钻井效率。目前悬臂梁已发展成可移动式。即悬臂梁伸出钻井船体艉部，移到导管架平台位置，并坐落到导管架平台顶部进行钻井作业。此技术使得自升式钻井平台可以在有风暴的情况下，更安全、更高效地进行钻井作业。如MSC软件公司研发的X-Y悬臂梁，钻台保持在悬臂梁中心，由滚式支座实现整体沿纵向与横向移动，两侧主梁承受相同的荷载，最大悬挑27.4米。在悬臂梁悬挑27.1米及其移动范围内，具有均匀的1 400吨可变载荷。
此外，荷兰Huisman公司发展出概念新颖的旋转型悬臂梁，它通过径向与环向滑轨实现移动，有与X-Y悬臂梁类似的可移动范围内均匀的可变载荷，旋转型悬臂梁的可变载荷没有X-Y悬臂梁大，但旋转型悬臂梁可以在甲板上抬高，以增加甲板的可用面积。
