专题综述
海洋钻井平台技术现状与发展趋势
王定亚1 丁莉萍2
(1.宝鸡石油机械有限责任公司 2.江汉机械研究所)
摘要 概述了国内外海洋钻井平台的发展历史与现状,分析了固定式、座底式、自升式和半潜式(钻井船)等各类钻井平台的性能特点,介绍了我国目前新建的几个平台(船),包括中海油3号座底式钻井平台、海洋石油981号半潜式钻井平台,“S E V A ND R I L L E R”海洋钻探储油平台、B i n G o9000半潜式钻井平台以及3000m水深海洋勘察船等,指出海洋钻井平台将向高可靠性、自动化、多功能化以及深水领域方向发展。
关键词 海洋钻井平台 发展历史 技术现状 性能特点 发展趋势
0 引 言
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。
1 海洋钻井平台发展概况
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,所用的平台都是固定式平台,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[1]。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限制,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[2]。截至2005年,我国共有移动式钻采平台46
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石 油 机 械
C H I N AP E T R O L E U M M A C H I N E R Y
DOI:10.16082/j.cn ki.issn.1001-4578.2010.04.019
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。
2 海洋钻井平台技术特点
海洋钻井平台经历了一个比较漫长的发展过程,期间钻井平台无论在形式上、数量上,还是在性能方面均发生了巨大变化,这是时代发展的必然规律。对各类平台而言,每种钻井平台的诞生都代表了各个时代的特征,并具有各自生存和发展的必然性。为了更好地了解海洋钻井平台的结构和性能特点,以下对几类主要钻井平台做简要介绍。
2.1 固定式钻井平台
固定式钻井平台是所有钻井平台中最古老、最传统的平台形式,这类平台随着时间的推移先后涌现出桩基式、重力式、绷绳塔式、张力腿式等多种形式。目前,该类平台适应水深的能力为:桩基式可以达到400m,重力式为150m,绷绳塔式和张力腿式分别可以达到180和300m等,适应钻深的能力均可达到3000m以上。一般来说,固定式平台的共同特点是结构简单、钻井风险小、制造成本低、受海风海浪等环境因素影响小,同时还兼有前期钻井和后期采油的多功能特点。因此,多年来该类平台在世界上仍然拥有一定的数量,占据着一定的市场份额。不仅如此,随着技术的不断进步,固定式钻井平台在安全可靠性、系统完备性和钻井先进性等方面也发生了重大变化,如部分平台为了满足单点位置打多口井需要,平台上的钻井模块分别设计有可以实现左右、前后移动的推移装置及其它具有多种功能特点的设施等,使得该类平台至今仍保持着一定的发展势头,尤其适合于在一些经济和技术相对比较落后的国家及地区发展。
2.2 坐底式钻井平台
坐底式平台通常由沉浮箱、工作平台及中间支撑等部件组成。这类平台最大的优点是完井后可以用拖船运输到其它需要钻井的场所,可移动性能良好,钻井时平台底面坐放在海床面上,基本不受海洋环境的影响,钻井稳定性较好。但其不足有2点:一方面该类平台对海底地基要求较高,另一方面受平台本身工作高度的限制,适应水深能力较差。目前在用的平台最多也只能在30m以内的水深范围内工作,若要提高水深适应能力其制造成本会增加很多,经济性不好。另外,对坐底式平台而言,一旦平台高度确定,就意味着该平台永远只能在低于平台高度以下的水域中工作,灵活性较差,因此使其发展受到了一定限制。
2.3 自升式钻井平台
自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台,这种平台一般由平台本体(或称浮体)、升降装置和桩腿(一般3～4个)等主要部件组成。整个平台设计为一个整体,钻井时,桩腿插入海床用于支撑整个平台及台面设备进行海洋钻井作业。自升式平台通常能满足拖航移位时的浮性、稳定性要求,又能够满足作业时着底稳定性、强度的要求。这类平台以其升降灵活、移动方便、适应海底土壤条件和水深范围广、便于建造等各种优点而得到了广泛应用;其不足是拖航困难,平台定位操作比较复杂,同时难以适应更深海域的工作要求。资料显示,当前世界上共有自升式平台大约400座,占海洋平台总量的40%以上,其中作业水深大于120m 的有20多座,最大适应水深能力已达到168m。我国现有自升式平台17座,其中作业水深大于90 m的有4座。
2.4 半潜式钻井平台(含钻井船)
自1961年第1座半潜式钻井平台诞生以来,目前这类平台已发展到第6代。在全球现有钻井平台中,半潜式平台的数量大约占到了1
⒎,其中水深超过3000m,钻井能力达到10000m的钻井平台(船)有15座(艘),发展速度很快。从适应水深能力来说,自第1代开始到当前的第6代平台,其适用水深工作范围分别为100、300、500、1500、2300、3000m,钻井深度也经历了一个由浅到深的过程,目前钻井深度已超过12000m;从船体结构、承载能力和自动化程度来说,半潜式平台经历了一个由低向高的发展历程,如平台定位已由过去传统的锚泊定位发展到推进器辅助定位,直到目前性能先进的D P3动力定位,钻井工艺由单井口发展到双井口,钻井工具由过去比较简单的以手工操作为主发展到全自动化操作等。半潜式平台最大的优点是稳定性好、移动灵活、能够在非常广阔的海域工作,其不足是造价高,自航速度相对较低。另
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外,海洋钻井船与半潜式平台相比,除具有半潜式的许多优点外,同时还在造价、航行速度等方面具有优势,但钻井船存在的最大缺点是夹板使用面积小,工作受海洋环境因素的影响和限制。对风浪等敏感性极强、整体稳性差、被迫停工率高等因素导致钻井船发展速度相对较慢。当前,我国在用的半潜式平台共有5座,主要集中在近海海域从事钻井作业,所有平台的作业水深均没有超过500m。
3 我国主要新建平台(船)
近年来,我国海洋石油装备开发工作发生了重大变化,海洋装备无论从大型平台开发建设,还是从钻井配套装备研发来说,发展势头均非常迅猛,并在世界海洋油气装备发展格局中开始占据重要位置。一方面,国内3大石油公司均制定了比较宏伟的海洋发展战略,另一方面,国内各大造船企业、石油装备企业均开始重视海洋石油市场开发,从而使得国内海洋油气勘探开发呈现出新的局面。当前,我国除正在加紧建设多座固定式、自升式平台之外,更让人欣喜的是国内造船公司已经开始承担国内外多座具有较高水平的钻井平台及勘探船项目。下面对几个主要项目做简要介绍。
3.1 中海油3号坐底式钻井平台[3]
中海油3号坐底式钻井平台由中国石油海洋公司与上海七O八所联合研制,于2008年6月在我国山海关造船厂建成后运抵冀东南堡油田。该钻井平台长78.4m,宽41m,上甲板高20.9m,空船总质量5888t,适合10m以内水深的海上作业环境,是目前全球最大的坐底式钻井平台。该平台的投入使用将大大提高我国滩海地区的石油勘探开发能力。
3.2 海洋石油981号半潜式钻井平台
海洋石油981号半潜式钻井平台是由中海油总体负责,新加坡F r i e d e＆G o l d m a n公司和上海七O 八所共同承担详细设计的一座海洋深水钻井平台项目,属于当今最先进的第6代深水半潜式钻井平台。据中海油网站报道,该项目已于2009年4月20日在上海外高桥造船有限公司顺利开工,平台设计能力能够抵御200a一遇的台风,定位系统选用大功率推进器和D P3动力定位,并能够在1500 m水深内使用锚泊定位,甲板最大可变载荷达8.82×104k N(9000t),设计使用寿命30a。平台主要设计参数:工作水深3050m(10000英尺),钻井深度10000m(32830英尺),平台设计质量30670t,长度为114m,宽度为79m,从船底到钻井塔顶高度130m,电缆总长度650k m。该平台的建造代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平,其性能先进,具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能。它建成后,将成为我国首座自行设计建造并拥有自主知识产权的超深水半潜式钻井平台。
3.3 “S E V A ND R I L L E R”海洋钻探储油平台
“S E V A ND R I L L E R”海洋钻探储油平台是由我国中远船务集团所属的南通中远船务工程有限公司为挪威S E V A NM A R I N E(塞旺海事)公司建造的一座第6代半潜式平台。该平台已于2009年6月28日正式建造完成,造价6亿美元,是当今世界上最先进的首座圆筒形超深水海洋钻探储油平台。据新华网报道,该平台设计水深3810m(12500英尺),钻井深度12200m(40000英尺),平台通过8台推进器进行定位,并配置全球最先进的D P3动力定位系统和系泊系统,可以适应英国北海-20℃的恶劣海况,平台设计总高135m,圆柱直径84m,平台甲板可变载荷1.47×105k N (15000t),拥有23.85万m3(15万桶)的原油存储能力,属于当今世界海洋石油钻探平台中技术水平最高、作业能力最强的高端产品。
3.4 B i n G o9000半潜式钻井平台[4]
B i n G o9000半潜式钻井平台的名称为“N O-B L ED A N N YA D K I N S”。该平台是由我国大连船舶重工集团有限公司和新加坡造船厂共同为N o b l e
C o r p o r a t i o n公司改造的一座深水半潜式钻井平台。改造后的主要技术参数为:工作水深3656m (12000英尺),钻井深度11278m(37000英尺),船体设计尺寸93.57m×84.5m×38.1m (307英尺×277英尺×125英尺),可变载荷7.84×104k N(8000t)。
3.5 3000m水深海洋勘察船
3000m水深海洋勘察船是中海油服为满足国内海洋深水地质勘察工作需要而开发的工程项目,由挪威维克公司(V I K-S A N D V I K)负责船体设计,广州造船厂将负责建造,钻井系统及水下基盘等辅助设备由北京宝石M H公司牵头,具体设计制造由宝鸡石油机械有限责任公司负责。主要技术参数为:船体总长105m,垂线间长93.9m,型宽23.4m,型深9.6m,船体定位采用D P2动力定位装置,钻机采用127m m钻杆作业,在作业水深3000m时地层钻深200m,在1500m水深时地层钻深600m。目前,该项目已完成技术开发设计工
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2010年 第38卷 第4期王定亚等:海洋钻井平台技术现状与发展趋势
作,预计在2011年完成整个工程建造。该勘察船的成功建造将标志着我国在深海石油勘探技术方面有了新的突破。
4 海洋钻井平台发展趋势
随着当前世界各国对石油重要性的认识和现代高科技的飞速发展,预计海洋钻井平台将会朝着以下几个方面发展。
4.1 海洋钻井平台被少数国家长期垄断的局面将逐渐被打破
在海洋钻井平台技术发展过程中,美国、挪威等西方发达国家由于起步早已积累了一定经验,尤其在海洋深水技术开发方面一直处于领先和垄断地位,但随着近几年世界多个国家涉足海洋勘探开发领域,尤其是我国、巴西、韩国、日本等国家的崛起,今后海洋装备技术将呈现出多渠道、多国化,百花齐放的发展局面。
4.2 海洋钻井平台将向高可靠性、自动化方向发展
面对风、浪、流等各种复杂的海洋作业环境及海上安全与技术规范条款的要求等,石油装备的高可靠性是保证海洋油气能否顺利开发的先决条件。同时,为了提高平台作业效率,降低劳动强度及减小手工操作的误差率,海洋装备的自动化、智能化控制技术已得到较好的应用。但对发展中国家而言,尚需对D P3定位系统、自动化管子处理系统以及海洋水下设备下入工具等做进一步研究。
4.3 海洋钻井平台向多功能化方向发展趋势明显
20世纪90年代后期,部分钻井平台开始向多功能化方向发展。新型的多功能海洋平台不仅具有钻井功能,同时还具备修井、采油、生活和动力等多种功能。如具有动力定位装置的F P S O,不仅完全具备上述功能,而且还可以作为穿梭油轮,实现一条船开发一个海上大型油田的目标。多功能半潜式钻井平台不仅可用作钻井平台,也可用作生产平台、起重平台、铺管平台、生活平台以及海上科研基地,甚至可用作导弹发射平台等,适用范围越来越广。
4.4 海洋钻井平台向深水领域发展必将成为新的发展方向
世界主要海洋装备制造强国均已开始研究并制造大型化的海洋油气开发装备,作业水深已由早先的10～25m发展到当今的3000m以上,海洋油气开发装备的最大钻井深度可达12000m。目前,第5代、第6代超深水半潜式平台已成为发展潮流。根据美国权威机构统计分析,2001—2007年全世界投入的海洋油气开发项目为434个,其中水深大于500m的深水项目占48%,水深大于1200 m的超深水项目达到22%[5],各大石油公司在深海领域的投资有不断增加的趋势,海洋钻井平台正不断向深水领域发展。
5 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] 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,2009,24(1):1-9.
[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,2009,37(9):136
-139.
[3] 《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):44-45. [4] 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.
[5] 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.
第一作者简介:王定亚,高级工程师,生于1966年, 1989年毕业于西北工业大学机制专业,2003年获西南石油学院机械设计及理论专业硕士学位,现从事海洋石油装备技术研究工作。地址:(721002)陕西省宝鸡市。电话: (0917)3462866。E-m a i l:h y s w d y@b o m c o.c n。
收稿日期:2009-09-24
(本文编辑 谢守平)
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