海洋钻井平台的制造技术

贺杰, 魏庆

摘要: 海洋石油钻井平台是海洋油气开发的基础装备, 我国海洋石油装备产业在海洋油气产业持续快速发展的带动下, 正处于高速发展的新时期。深入分析研究了我国海洋石油钻井设备产业的发展现状、市场需求及与国外的差距, 进一步探索我国钻井平台未来几年的发展趋势, 并提出了若干发展建议。

关键词: 海洋平台; 技术现状; 发展趋势;关键技术

Manufacturing Technology of Offshore Drilling Platform

HE Jie, WEI Qing

Abstract: The offshore drilling plat form is the key equipment for developing offshore oil and gas. The offshore oil equipment industry is in the new period of development driven by sustainable development of offshore oil and gas industry. The further study of the status and market demand of the drilling equipment industry is carried out and the technical feature of the offshore drilling platform is presented and its development state was focused on. The main gap between China offshore drilling platform and that of foreign countries and some development suggestions were put forward.

Key words: off shore platform; technical status; developing trend; key technology

引言

海洋钻井平台（drilling platform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。它的主要作用就是在海洋上面创建一个供钻井设备能够正常工作的平台。随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断减少, 占全球资源总量约34% 的海洋石油资源已成为人们关注的焦点和新一轮油气勘探开发的热点。海洋钻井平台作为海上油气勘探开发的重要装备之一, 目前已在世界范围内受到了普遍关注。受海洋作业恶劣环境的影响, 海洋钻井平台技术发展在近十几年中发生了重大变化, 人们已经不再满足于过去传统的平台装备技术和钻探方式,而是逐渐将目光从浅海移向深海、由浅油气层转向深油气层、由简单地质层转向复杂地质层等, 从而使得海洋钻井平台装备也随之由过去比较单一的固定式、自升式等装备发展到技术先进、控制性好、钻探能力强、适应范围广的钻探船、半潜式平台等勘探开发装备上来, 并已成为当前和今后一段时间内世界海洋油气勘探开发的必然趋势。

海洋钻井平台的技术现状

纵观世界海洋钻井平台的发展历史, 自1887年世界上最早的海上石油勘探开发工作起源以来,直到50多年以后, 也就是20 世纪40年代末期,海上石油工程才开始有了新的起色并发生了较大变化。当时世界范围内共有3个国家能够从事海上石油开发工作, 所用的平台都是定式平台, 且结构和钻井方式均比较简单, 平台适应水深的能力只有几十米。但随着装备技术的不断进步及石油的战略意义和石油本身带给人们巨额利润的诱惑, 致使海洋油气资源的勘探开发格局发生了巨大变化。60年来, 尤其近20年来, 以美国、挪威等西方发达国家为代表的海洋勘探开发水平已上升到了一个很高的层次, 无论从钻井平台本身而言, 还是从钻井装备能力、控制技术及适应性而言, 均为海洋油气勘探开发提供了良好的保障。一方面钻井平台的数量剧增, 品种多样; 另一方面, 适应水深和钻深的能力越来越强。据统计, 目前世界上仅移动式钻井平台数量已接近700台, 最大适应水深能力已超过3000m, 钻井深度已超过12000m 。不仅如此,世界范围内具备从事海洋勘探开发能力的国家和海洋油气开采量也同样发生了巨大变化, 目前全球范围内能够从事海洋勘探开发的国家和地区已达到100多个, 所开发的油气产量已占全球总油气产量的35% 左右, 其发展速度非常迅猛。

相比较, 我国受自身工业基础的, 从事海洋油气勘探开发的时间相对较短。我国海洋石油勘探工作起源于20世纪60年代, 1966年建造了第1座固定式钻井平台, 1972年制造了第1 座自升式钻井平台 ”渤海一号” , 1974 年, 第1 条钻井船“勘探一号” 在南黄海试验成功, 1978年则建造了第1艘浅海坐底式钻井船 ”胜利一号” 并在莱州湾投入使用, 直到20世纪80 年代中期, 国内第1座半潜式钻井平台 ”勘探三号” 正式建成以后,我国才开始在海洋平台的建造方面有了长足发展 。截至2005年, 我国共有移动式钻采平台46座, 海洋采油平台19座, 中国海洋石油总公司拥有其中的大部分设备, 中石油集团有1座自升式钻井平台(移动式) 和1座导管架平台(固定式) ,只能在滩海和极浅水域作业; 中石化则拥有8座钻井平台, 其中3座坐底式, 5座自升式。但随着前几年石油价格的一路攀升及我国对海洋钻探工作力

度的迅速加大, 2006年以来, 我国在海洋平台建造方面的发展速度有了惊人变化, 短短几年内, 国内建造的平台数量以自升式为主, 并得到了快速增加, 增加数量在30台左右, 这为今后我国能够更好地从事海上作业打下了良好基础。

尽管我国海洋石油钻井技术在引进、消化、吸收、再创新以及国产化方面取得了长足进步，但与国外近百年的发展比较而言，仍有一些差距需要我们正视，比如一些关键设备仍需进口中。现在我国一些钻井设备生产厂商的技术还仅限于制造结构件，一些配套技术、关键设备等都还没完全掌握，无法大规模生产。现阶段我国的钻井平台仅有百分之三十为国产的，并且自配套的产品范围有很大局限性，无论是质量还是性能与国外相比都有相当大的差距。一些关键设备（比如配套的控制设备、水下防喷器等）全部进口，成本几乎占整个建造成本的一半，其它需要进口的设备包括船舶主机、大型吊机、轴系、主推进系统以及前后侧推等，此外还有很大一部分的钻机的管子排放系统、铁钻工以及顶部驱动系统等也都要进口。

海洋钻井平台的未来发展趋势

（一）将打破少数国家技术垄断的格局

海洋钻井平台技术经过一定时期的发展，因为挪威、美国等发达国家起步较早，所以积累了较多的技术经验，特别是深水技术的开发，西方发达国家一直处于垄断的领先地位。不过近些年很多国家都开始向海洋勘探开发技术发展，特别是日本、韩国、巴西和中国的迅速崛起，将会打破以往少数国家技术垄断的格局，而向着多国化、多渠道的方向发展。

（二）将向着自动化、可靠性的方向发展

海洋作业环境经常要面临着风、浪、流等恶劣的自然环境，因此石油开采设备要具有高度的可靠性，才能保证海洋钻井工程的顺利开发。并且不仅要保证开采工程的顺利进行，还要提高作业平台的工作效率，降低手工操作存在的误差以及减轻劳动强度等，因此要将智能化、自动化的控制技术更好的应用于海洋钻井装备。不过对于我国来说，还要在自动化管子处理系统、水下设备下入工具以及DP3 定位等技术领域进行深入研究。

（三）向着多功能化的方向发展

从上个世纪九十年代后期开始，钻井平台着多功能化发展的趋势越来越明显。很多新建的钻井平台不再单纯的只具备钻井功能，还同时具备动力、采油、修井、完井等各种配套功能，比如FPSO具备动力定位装置，不但具有上述功能，还可以当作穿梭油轮，真正的完成了一条船开发一个海上油田的目标。拥有多项功以的半潜钻井平台，不但能作为钻井平台，还能同时兼具生活、铺管、起重、生产等功能，甚至还可以作为导弹的发射平台等。

（四）向着深水领域方向发展

钻井平台的作业水深由最初的10到25米，发展到如今的3000米，海洋钻井设备的钻井深度最大已经达到12000米。根据相关部门的统计分析，2001 年到2007 年六年间，世界投入海洋油气的开发项目中，超过500米水深的项目占据总项目数量近百分之五十，而超过1200米的超深项目占百分之二十的比例，由此可见超深水钻井平台成为该领域的发展潮流。

关键制造技术

深水半潜式钻井平台设计和建造的关键技术主要涉及以下几个方面：总体设计技术、系统集成技术、钻井系统集成与钻井设备技术、平台定位技术、结构强度与疲劳寿命分析技术、平台制造技术等。

●总体设计技术：总体设计是一项综合性技术，是深水半潜式钻井平台自主研制需要突破的关键环节。关键技术主要有：海洋环境条件和海洋工程地质等资料的研究和分析以确定设计环境条件、平台主要性能和技术参数的论证、平台型式及主尺度论证、平台总布置、平台定位方式论证、主要设备配置论证、平台重量、平台技术规格书确定等。同时还包括：水动力性能预报技术：水动力性能计算分析是深水半潜式平台设计的重要基础。关键技术有：平台水动力性能计算分析、平台与线性、非线性波浪耦合水动力性能分析、特殊结构型式平台在深水恶劣海况下的水动力特性参数分析、非线性波浪载荷预报、气隙预报研究、平台主体/定位系统和隔水管的耦合水动力性能研究。大水深平台水池模型试验技术：与运动响应特性相关的平台主尺度确定，定位系统设计等都需要水池模型验证。关键技术有：极端强非线性波浪和非定常风的模拟技术、深水系泊系统的等效水深截断技术、波浪爬升与砰击模型和适合半潜式钻井平台的混合模型试验技术、平台动力性能及伴流场的测量技术、隔水管涡激振动和动力定位试验设备的测试设备研制技术。

●平台系统集成技术：系统集成是利用计算机网络等技术，通过结构化的综合系统，将平台上各个的系统集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使信息和资源达到充分共享,实现集中、高效、精确而便利的控制和管理。系统集成技术主要研究、解决各个系统之间的互连和互操作性等问题；研究、解决多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构；研究、解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、环境、组织管理和人员配备相关的一切面向集成的问题。关键技术有：系统监控技术、系统安全技术、平台各系统与钻井系统一体化集成技术。

●钻井系统集成与钻井设备技术：平台不仅远离陆地，而且需在深水恶劣环境条件下正常作业和自存，在风、浪、流的作用下，产生垂荡、横荡、纵荡、横摇、纵摇、首摇等多自由度运动。又因平台的甲板面积和空间有限，故要求钻井设备外形尺寸小，钻井系统和重要设备更加安全可靠、自动化程度高。关键技术有:(1)平台钻井系统集成技术及提高平台钻井系统作业效率研究：钻井工艺流程研究、钻井系统和水下设备配置及与平台接口技术、钻井系统优化布置技术、管汇系统优化布置技术、泥浆净化系统技术、钻井设备系统集成技术、钻井设备实时监测技术；(2)双井架钻机技术：双井架自动化钻井装置技术、双井架技术、双井架钻井自动化作业技术；(3)钻柱升沉补偿装置与隔水管系统设计技术：钻柱升沉补偿技术、隔水管系统设计技术、隔水管紧急脱离及回接技术；(4)深水钻机系统钻井设备技术：9 000kN

顶驱、6000HP绞车、钻井新型转盘、井口自动化工具、隔水管张紧器、隔水管系统、钻柱补偿器等技术。

●平台定位技术：平台作业水深600～3000米，定位技术复杂，研究锚泊定位、动力定位和动力定位＋锚泊辅助三种定位方式的水深适应性。关键技术有：锚泊定位方式、动力定位方式、动力定位加锚泊辅助方式的水深适应性、可行性以及经济性分析；平台锚泊定位系统和动力定位系统研究与设计、平台锚泊定位系统等效模拟系统研制。

●结构强度与疲劳寿命分析技术：平台所处的环境条件恶劣，采用大量高强度钢，因此对强度分析和疲劳寿命分析技术提出更高要求。关键技术有：平台结构强度分析、平台疲劳寿命分析、深水恶劣海况下平台特殊结构型式主体结构强度分析、非线性波浪载荷作用下平台主体结构应力分析、平台立柱/横撑等结构碰撞研究、特殊结构型式平台结构关键部位疲劳寿命、特殊结构型式平台结构冗余度；

深水隔水管涡激振动特性分析与抑制技术：隔水管在海洋环境载荷的作用下，将产生涡激振动和疲劳，对隔水管造成破坏。隔水管与流体和平台之间还发生着复杂的相互作用，需要采用理论和试验相结合的方法研究隔水管涡激振动特性与抑制技术。关键技术有：隔水管在深水环境条件中的涡激振动的理论与试验技术、隔水管涡激振动的抑制技术、平台隔水管疲劳寿命评估技术、流固耦合以及平台和隔水管耦合作用对隔水管涡激振动的影响、隔水管的浮力装置对隔水管涡激振动的影响、隔水管涡激振动和涡激振动抑制试验技术。

●平台先进制造技术：为了提高平台建造质量、生产效率和降低生产成本，必须掌握先进的制造技术。关键技术有：平台的总体建造方案、平台的建造精度控制技术、重量控制技术、平台重要设备安装和系统调试技术、平台数字化制造技术、三维虚拟样船构建技术、平台的单元模块化建造技术、大型分段/特型分段吊运方案、高强度/甚高强度大厚度板滚圆加工技术等。

专有焊接技术：深水半潜式平台采用大量高强度钢和甚高强度钢。高强度、大厚度、复杂节点的钢结构焊接技术是建造平台的关键技术。关键技术有：高强度和甚高强度大厚度钢材的焊接工艺、不同钢材连接焊接工艺、高强度钢/重要管节点结构焊接工艺、大厚度钢板焊接探伤和重要局部结构焊接残余应力控制技术等。

结束语

当前, 海洋石油勘探开发已进入到一个新的时代, 世界各国对海洋油气资源勘探开发的力度不断加大。近年来我国虽然在海洋平台建造及技术研究方面做了大量工作, 并取得了可喜的成绩, 但就海洋装备技术实力和技术水平而言, 我国仍处于一个比较落后的位置。现在, 国内建造的多个平台和船体上用的主机、动力系统、专用设备、自动化工具等仍需花巨资向发达国家购买。在海洋钻井、平台定位、系统控制、自动检测和事故处理等技术方面, 我国与发达国家之间还存在着很大的差距。因此, 我国必须加快科研步伐, 奋力追赶西方发达国家, 早日步入世界海洋石油装备强国行列。

参考文献：

[1]《石油与装备》编辑部.2008 年石油装备行业十大新闻[J].石

油与装备,2008 (23)

[2] 王定亚, 王进全. 浅谈我国海洋石油装备技术现状及发展前景[J].石油机械, 2009( 3)

[3] 杨立军,肖龙飞,杨建民.半潜式平台水动力性能研究[J].中国海洋平台, 2009(2)

[4] 张用德,袁学强. 我国海洋钻井平台发展现状与趋势[J]. 石油矿场机械,2010(22)

[5] 汪张棠, 赵建亭. 自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展[J]. 船舶,2010(2)

[ 6] 廖谟圣 国内外海洋石油钻采设备现状、机遇与发展展望[ C] .海洋石油和石化工程专业委员会,2008.

[ 7] 江怀友, 潘继平, 邵奎龙,等.海洋油气勘探开发纵览[ J].石油与装备, 2008 ( 23): 50- 52.

[ 8] 陈如恒. 破除旧观念,创造新钻机(一)[ J] . 石油矿场机械, 2008, 37(3) : 15.

[ 9] 陈如恒. 破除旧观念,创造新钻机(二)[ J] . 石油矿场机械, 2008, 37(4) : 18.

[ 10] 王传荣. 世界海洋油气资源钻采设备发展现状与趋势[J] . 船舶物资与市场, 2006( 6) : 13􀀁15.

[ 11] 张吴湖, 白真权. 关于我国石油钻机的发展建议[ J] . 石油矿场机械, 2004, 33( 2) : 18—21.

[12 ] 　刘文庆,崔学政,张富强. 钻杆自动排放系统的发展及

典型结构[J ] . 石油矿场机械,2007 ,36 (11) :74277.

[13 ] 　机械设计手册编委会. 机械设计手册:第4 卷[ K] . 北

京:机械工业出版社,2004.

[14] 邹伯敏. 自动控制理论( 第3 版)[M]. 北京: 机械工业出版社,2001. 

[15] 董呈彬 变流技术在海洋钻井平台电传动系统中的应用[J ] . 电力技术,2011（199）

[16] 曹士峰，司江舸，程龙，李会通. 电喷柴油发电机组在海洋钻井平台上的应用[J] . 船电技术， 2010.

[17] 　David ,Reid. Varco international Inc. The Development of Automated Drilling Rigs [ R ] . Dallas : IADC/ SPE Drilling Conference ,1998.

[18] 　Hansen M D ,Egill Abrahamsen. Improving Safety Performance Through Rig Mechanization [ R ] . Amsterdam , The Netherlands : SPE/ IADC Drilling Conference ,2001

[19] Z.H. Du, “Design and calculation of loads for marine pipeline system,” MSD thesis, Dalian University of Technology, 2004, pp. 3-5(in Chinese).

[20] W. Schaetzen, “Optimal sampling design for model calibration using shortest path,” genetic and entry algorithms, Urban Water, 2000, 2(2),pp. 141.

[21] Z.Y. Wu, A.R. Simpson, “Competent genetic-evolutionary

optimization of water distribution systems,” Journal of Computing in Civil Engineering, 2001, 15(2), pp. -93 (in Chinese).

[22] Sandurkars, Chenw, “GARPUS-genetic algorithms based pipe routing using tessellated objects,” ComputinInd, 1999, 38, pp. 209-223.

[23] Y.X. Wang, L.C. Liu, S.J. Mu, “Constrained multi-objective optimization evolutionary algorithm,” Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2005, 45(1), pp. 103-106 (in Chinese).

[24] X.P. Wang, L.M. Cao, “Genetic algorithm theory, application and software realization,” Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2003,pp. 45-51 (in Chinese).