北极地区作为全球重要的油气资源储备基地,受到越来越多国家的关注和重视。常规海上钻井平台是海上油气勘探开发必不可少的装备,然而其在参与北极海上油气资源的开发过程将面临着巨大的挑战和考验,需要突破一系列关键技术并进行特殊设计,才能保障其在北极海域的安全、高效作业。这些挑战及关键技术可以总结为:①极地冰区海洋环境统计数据较少,尚未形成明确设计海况条件;②针对北极大型海洋平台的冰荷载研究仍不成熟,需要建立开发更加具备工程应用价值的冰荷载预测模型及分析软件;③严寒多冰的海洋环境对钻井平台的结构强度、定位系统及钻井系统等的抗冰耐寒、运行可靠和应急处理能力等提出了更高的要求。本文的主要研究工作概述为以下几个方面:(1)调研喀拉海和巴伦支海两个典型极地海域的风、波浪、海流、水深、温度、海冰等的长期观测情况及现有相关研究成果,并与现有规范中其他类似海域的数据进行对比分析,基于概率统计方法提出这两个典型北极海域的设计基础。(2)研究海冰与大尺度垂直结构、大尺度斜面结构及细长柔性结构的作用机理,修正并提出适合极地半潜式平台立柱大尺度斜面结构及钻井立管细长柔性结构的冰荷载计算方法,并利用离散元方法分析结果与规范分析方法结果及冰水池实验或现场观测数据进行了对比,验证了利用离散元方法开展工程优化的价值。(3)开展半潜式钻井平台总体结构形式的创新设计,将冰载荷作为平台的控制设计载荷,并综合考虑风、浪、流等环境载荷,建立钻井平台的优选模型,综合评估平台的运动性能、抗冰性能、功能要求以及定位能力等,优化抗冰型半潜式钻井平台的最优设计方案并通过水池实验开展了部分验证。(4)针对半潜式钻井平台在有冰海域开展钻井作业的定位要求及北极海域冰山出现难以规避的特殊海况,创新性地提出系泊系统快速解脱和再连接方案并分析验证该方案的定位能力和可行性,并对部分参数进行了优化设计,分析总结出优化方向。同时研究了冰载荷对动力定位系统的影响,提出并验证了应对冰载荷的动力定位系统控制策略建议,保证了冰区动力定位系统的定位能力。(5)综合考虑典型海域海冰自身力学性能及海冰与管柱结构相互作用,开展不同工况下海冰与立管局部碰撞有限元数值模拟,进而建立极地冰区钻井立管整体动力响应分析模型,研究钻井立管系统在破碎冰载荷作用下的极限强度评估方法,提出冰区钻井立管系统临界评估准则及快速解脱的创新设计方案,并通过室内试验验证该评估方法的准确性。