極地冰區海上鉆井平臺發展趨勢研究

劉大輝，Ove T. Gudmestad，白 勇，滕 瑤，陳 昱，吳延明

(1.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；2.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264670；3.斯塔萬格大學，挪威 斯塔萬格 8600；4.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264004)

北極地區主要是指北極圈(北緯66°34′)以北的區域，包括北冰洋和8個環北極國家(加拿大、丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典、俄羅斯和美國)的北方領土。近年來，世界不同組織、機構對該地區的油氣資源進行了如火如荼的調查評估，盡管評估都顯示北極油氣資源的儲量相當可觀，但是，要對北極油氣資源進行規模開發，則會遇到眾多技術上的困難。

目前加拿大、美國、俄羅斯、挪威等國都已經開展了北極的海上油氣勘探開發工作。近年來受到低油價的影響，及對環保因素的考慮，多數國家基本暫停了北極的海上油氣勘探開發活動，但是俄羅斯仍在積極布局北極海上油氣資源的勘探開發工作。另外，很多油氣公司及海工裝備的研發設計單位也在積極開展北極勘探開發裝備的研發設計工作，這些企業都看好未來的北極海上油氣資源開發前景，希望通過早期的研發設計積累，為未來積極參與北極勘探開發工作做好準備。

本文就北極海上油氣資源開發面臨的挑戰、適用的開發裝備及開發模式等進行了分析研究，為我國參與極地油氣資源的勘探開發提出一些建議，對北極海上油氣資源開發裝備及模式的發展方向進行了思考。

1 北極海上油氣資源開發的挑戰

北極的海上勘探開發面臨著路途遙遠、生態環境脆弱、環境溫度超低、浮冰、冰山、極夜、暴風雨(雪)、永久凍土、地震等挑戰[1]。

1.1 超低溫、浮冰、冰山等帶來的挑戰

北極地區1月份平均氣溫-20～-40 ℃，而氣溫最高的8月，平均氣溫也只有-8 ℃。北冰洋海域的表層廣泛覆蓋著海冰，冬季海冰最大覆蓋面積占北冰洋總面積的3/4，即使在暖季，海冰最小覆蓋面積也接近1/2，另外還分布著冰山、冰島。北極地區常年存在的超低溫和多浮冰環境給極地鉆井作業帶來了嚴峻挑戰，如海洋浮式裝置的特殊防寒抗冰設計、運營和維護困難、鉆井設備和工具機械性能降低、鉆井管柱易發生脆性破壞、鉆井液性能發生變化、隔水管容易被浮冰破壞、作業人員無法在露天環境下正常作業等[2]。

1.2 風、浪、流等帶來的挑戰

隨著近年來海冰面積和厚度的減小，極區表面波強度已經顯著增強，尤其在極區的冰緣區和副極區的冰水交界處，波浪引起的力是海冰運動的主要作用力之一。同時，由于極地海水的密度和鹽度隨深度變化較大，極地海域的內波和海流以及引起的流體混合對極地海洋的循環和熱動力學起到重要的作用。表面波、內波和海流的傳播和變化不僅影響海冰的運動和分布，對工作在其影響區域內的船舶和海洋平臺也將引起嚴重的環境載荷[3]。

北極海域的風、浪會引起浮式結構物大移位，導致隔水管發生變形和渦激振動，因此對隔水管抗疲勞強度設計提出了更高要求。當環境載荷超出隔水管作業極限載荷時，需要斷開隔水管系統和水下防噴器的連接。懸掛隔水管的動態壓縮也可能造成局部失穩，增大隔水管的彎曲應力和碰撞月池的可能性。

1.3 暴風雨(雪)帶來的挑戰

極地低壓(polar low)等會引起強烈的海洋暴風雨(雪)，這對海洋平臺或船舶等具有極大的破壞作用。除了影響平臺或船只的安全作業、定位能力外，還會快速地在平臺上形成大量的積冰、積雪等，影響平臺上人員的安全，并對平臺的穩定性有較大影響，迅速降低平臺的有效可變載荷，歷史上出現過由此引起的平臺或船只失穩或傾覆事故，有的鉆井平臺(船只)需要快速地排除鉆井泥漿、鉆桿等可變載荷來保證平臺或船只的安全。這對極地鉆井裝備、對海洋暴風雨(雪)的預測及快速撤離危險海域提出了更高要求。

1.4 路途遙遠、極夜帶來的挑戰

北極地區是世界上最偏遠的地區之一，人跡罕至，物資供應極其困難，難以為石油鉆探提供穩定可靠的后勤保障。另外，北極和南極都有極晝和極夜之分，一年內大致連續六個月是極晝，六個月是極夜。極夜對海上油氣勘探生產作業帶來極大的不便，對海上作業人員的挑戰也極大。

1.5 脆弱的生態環境帶來的挑戰

北極地區生態環境脆弱，鉆井過程中一旦發生井噴，鉆救援井和海上溢油回收都十分困難。如出現漏油則極易對當地生態環境帶來極大破壞。特別在冬季，該地區缺少光照，氣候寒冷，對漏油的吸收降解能力將更加困難。

1.6 凍土帶來的挑戰

在極地凍土層鉆井過程中，低溫環境會改變鉆井液的流變性，需要研究在低溫下具有較好抑制性的鉆井液體系，盡量降低鉆井液的凝固點。另外，鉆頭破巖過程中產生的熱量會使井底升溫，導致凍土層軟化，造成井壁坍塌，給鉆井安全帶來嚴重挑戰。

2 北極海上油氣資源勘探開發的裝備

北極地區的惡劣環境條件及脆弱的生態環境等都增加了勘探、鉆井、生產、運輸等作業的風險。目前適合極地惡劣環境的油氣資源勘探開發裝備數量非常有限。對國際上已經開展的、正在建造或研發的極地油氣資源開發裝備進行分析研究，希望通過比較分析發現未來極地開發裝備的主流方向。

2.1 固定式平臺(人工島)

淺水海域，多應用固定式鉆井生產平臺鉆井。固定式鉆井平臺多采用鋼筋混凝土建造方式，平臺堅固，重量大，抗冰能力強。如俄羅斯Prirazlomnaya固定平臺能抗3.5 m厚浮冰，加拿大Hibernia平臺可抵抗110萬t冰山撞擊(見圖1)。另外，在庫克灣(Cook Inlet)等海況較好的海域，利用導管架平臺鉆井和生產。此外，在由礫石或冰建造的人工島上進行鉆井作業，也是最為經濟有效的解決方案。淺水區除了用各種材料建造人工島外，各種沉箱或擋水結構也被用作鉆井設施。例如：埃克森美孚公司在北極作業中使用了礫石島、冰島、沉箱固定島(CRI)、混凝土島鉆井系統(CIDS)、Molikpaq和單個鋼制鉆井沉箱(SSDC)系統[4]。

2.2 自升式鉆井平臺

目前，北極海況條件較好的海域和夏季無冰期的海域或冰情較輕的情況下，可采用自升式鉆井平臺鉆井，主流的極地自升式鉆井平臺如下。

(1) “奮進號”自升式鉆井平臺。“奮進號”是一座由Marathon LeTourneau公司建造的116-C自升式鉆井平臺，1982年制造，2004年經過升級改裝(見圖2)。可在91.4 m水深中作業，用-10 ℃級別的鋼建造而成，可在包括楚科奇海(Chukchi Sea)和波佛特海(Beaufort Sea)在內的北極圈內的廣闊環境領域內安全工作。

(2)GustoMSC SEA ICE系列自升式鉆井平臺。GustoMSC設計的 SEA ICE系列自升式鉆井平臺(見圖3)，采用全封閉式設計，作業水深30～50 m，可抗2 m厚的浮冰，冰級相當于PC4。SEA ICE采用四個圓形腿作為支撐腿，配備液壓舉升系統。

圖1 俄羅斯Prirazlomnaya平臺及加拿大Hibernia平臺

圖2 “奮進號”自升式鉆井平臺

圖3 GustoMSC SEA ICE自升式鉆井平臺

(3) “Arkticheskaya”號、“Amazon”號自升式鉆井平臺。由Gazflot擁有和運營的“Arkticheskaya”號、“Amazon”號自升式鉆井平臺(見圖4)，“Arkticheskaya”號最大工作水深100.6 m，最大鉆井深度6553.2 m，樁腿長度121.9 m，主尺度為61.7 m ×66.1 m ×9.4 m，由CDB Corall設計，Zvezdochka船廠在2012年建造。“Amazon”號最大工作水深52.3 m，最大鉆井深度3048.0 m，由Gusto Engineering 設計，1982年建造于Stord Verft A/S at the Aker Stordverft Norway shipyard，入籍挪威船級社(DNV)[5]。

圖4 “Arkticheskaya”號、“Amazon”號自升式鉆井平臺

圖5 勘探六號

(4)Nordic、Shelf Exp.、勘探六號(見圖5)。三座自升式鉆井平臺的適應溫度為-20 ℃，最大作業水深90 m，最大鉆井深度7500 m(勘探六號為9000 m)，最大工作風速分別為70節、88節、90節，作業可變載荷為2700 t、2955 t、3400 t，頂驅鉤載為450 t、450 t、680 t[6]。

(5)吉寶岸外與海事研發項目。新加坡吉寶岸外與海事公司在設計及工程領域子公司Keppel O&M Technology Centre及美國康菲國際石油有限公司聯合開展了極地用自升式鉆井平臺的開發項目，該極地用自升式鉆井平臺將服務在北冰洋近海油田上。平臺將通過Dual Cantilever，在一定時間內，進行最佳的鉆井工作；在沒有外部援助的情況下，自己可進行最多14 d的鉆井工作。還有該鉆井平臺的船體可以抵消來自流冰的沖擊[7]。

2.3 鉆井船

(1) “Stena DRILLMAX ICE”號。韓國三星重

工集團推出了一種既適應全球超深水作業又適應北極惡劣氣候的鉆井船：三星DP Dual Mast Ice+1A1型鉆井船。其甲板起重機額定作業溫度-30 ℃，符合耐寒基本要求。

瑞典Stena公司與韓國三星重工集團簽訂了建造一艘Stena DRILLMAX ICE Ⅳ型鉆井船(見圖6)的合同，“Stena DRILLMAX ICE Ⅳ”號鉆井船是世界上第一艘動力定位的雙鉆塔冰區鉆井船，配備動力定位系統，額定作業水深3048 m，配備雙井架和雙作業鉆機，額定鉆深10 668 m，船長228 m，寬42 m，高19 m，排水量97 000 t，可以在-40℃溫度、16 m浪高和41 m/s風速的環境下作業，冰級符號為+1A1，船體冰級為PC5，安裝6個5500 kW的ICE-10冰級的全回轉推進器，造價11.5億美元。

圖6 “Stena DRILLMAX ICE Ⅳ”號極地鉆井船

(2)大宇造船與海洋工程公司的北極鉆井船。大宇造船與海洋工程公司目前正在開發能夠在北極作業的鉆井船。該船采用球鼻艏設計，適合在無冰水域和薄冰區域航行；船尾采用加強結構，以適于厚冰區域操作。該船安裝有2個Azipod裝置和4個可收縮方位推進器，以提高船舶操作和動力定位能力。該船的作業環境為0.5～1.5 m厚冰區，在薄冰區域的穿透度為90%以上，在厚冰區域的穿透度為50%[8]。

(3) “PRD12000”冰區型鉆井船、“Pelican”冰區鉆井船。GustoMSC公司在20世紀70年代開發了可在冰區作業的“Pelican”級冰區鉆井船。近期開發的“PRD12000”冰區型鉆井船適合在北極航行和作業，滿足ICE-05船級符號要求。新加坡吉寶船廠為Frontier鉆井公司和殼牌公司總裝的2艘“Bully”級鉆井船就采用了“PRD12000”型設計方案，首艘船“Bully 1”號于2010年交付[8]。

(4)俄羅斯克雷洛夫國家科學中心研發北極鉆井船。俄羅斯克雷洛夫國家科學中心研發的北極鉆井船可在北極風暴中航行，破冰能力可達1.5 m，并可在北極地區獨自作業長達3個月時間。

(5)GustoMSC全封閉鉆井平臺和鉆井船。GustoMSC NanuQ系列鉆井船(見圖7)：可抗4 m厚浮冰，冰級PC4，最大作業水深1524.0 m，可提供DP3動力定位和錨泊定位兩種選擇，作業區域覆蓋全部北極地區，可實現全年候作業。

圖7 NanuQ極地鉆井船

(6)Cat-I極地鉆井船。挪威Inocean公司為Statoil所做的Cat-I鉆井船概念設計(見圖8)，配備耐寒裝置。船長232 m，寬40 m，型深19 m，工作排水量為89 800 t，有效載重量為22 400 t，危險區域和噪音遠離生活區，不僅適合極地使用，在任何開敞水域的鉆井效率都得到優化提升。船體進行了冰區加強，采用動力定位時可抵抗16 m的冰脊，錨泊定位時可抵抗水下8 m的浮冰。同時，具有一定的破冰航行能力，可在3～4節航速下穿越1.2 m厚的冰層。工作水深為100～1500 m，可進行鉆井、完井、水下維護、電纜測井，以及試井等工作。北極地區的鉆井深度為5000 m，自持力120 d。開敞水域的鉆井深度可達8500 m[9]。

2.4 柱穩半潛式鉆井平臺(Column Stabilized)

(1)Moss Maritime CS50/60設計。典型代表是俄羅斯天然氣工業股份公司(Gazprome)的“北極星Polar Star”“北極光Northern Light”兩座柱穩半潛式鉆井平臺(見圖9)，采用的是MOSS Maritime 設計的CS50型，可以在巴倫支海(Barents Sea)和喀拉海(Kara Sea)作業，兩座平臺由韓國大宇造船與海洋工程公司于2010年建造交付，于2015年12月到達煙臺中集來福士海洋工程有限公司，完成了技術維修改裝和5年特檢取證工作。

圖8 Cat-I鉆井船布置示意圖

圖9 “北極星Polar Star”“北極光Northern Light”柱穩半潛式鉆井平臺

(2)GM4-D系列半潛式鉆井平臺。 煙臺中集來福士海洋工程有限公司聯合挪威設計公司Global Maritime AS自主研發設計并總裝建造交付的“North Dragon”“Beacon Pacific”和“Beacon Atlantic”三座GM4-D系列柱穩半潛式鉆井平臺(見圖10)，煙臺中集來福士擁有80%自主知識產權，該平臺可以抵抗0.3 m厚的冰，擁有ICE-T、Winterization和Clean Design等符號，可以在巴倫支海作業，具備極地冰區作業的能力。

(3)“極地先鋒號”鉆井平臺。瑞士越洋鉆探公司Transocean建造了“極地先鋒號”半潛式鉆井平臺(見圖11)，目前正在挪威巴倫支海Skrugard油田服務。該平臺的鉆機組塊和管匯采用低溫碳鋼建造，所有操作都是全封閉的，并配有加熱系統，便于在寒冷的北極地區開展油氣鉆探活動[10]。

圖10 “North Dragon”“Beacon Pacific”柱穩半潛式鉆井平臺

圖11 “極地先鋒號”半潛式鉆井平臺

2.5 圓筒半潛式鉆井平臺

(1)Sevan Marine圓筒形半潛式鉆井平臺。挪威Sevan Marine公司以制造半潛式圓筒形鉆井儲油平臺的優勢為基礎，設計制造適用于北極海上的抗冰圓筒形半潛式鉆井平臺(見圖12)。Sevan Marine圓筒形半潛式鉆井平臺配備圓筒形破冰船體，可抗2 m厚浮冰，作業水深60～1500 m。上部模塊、管道及電纜完全封閉，并擁有可拆換的系泊及立管系統。

圖12 Sevan Marine公司圓筒形鉆井平臺

圖13 受11 m高的巨浪襲擊，殼牌公司“Kulluk”號鉆井船擱淺

(2)“Kulluk”鉆井平臺。2012年7月初，殼牌公司的“Kulluk”鉆井平臺(見圖13)駛向阿拉斯加北極地區，計劃在波佛特海的一個海域(距離阿拉斯加州海岸大約32 km)鉆2口探井，在楚科奇海的一個海域(距離阿拉斯加州海岸大約112 km)鉆3口探井。其主要目的是對這2個區域做進一步的勘探和研究，而不是開采石油。2013年1月1日，該鉆井船在拖航中遭遇風暴，船體和設備受到損壞，不得不返回船塢整修。同年2月12日，殼牌公司宣布暫停北極石油勘探鉆井活動。

(3)Huisman可升降圓筒形半潛式鉆井平臺。近北極區的主要特點是冬季結冰很厚，夏季風大浪高。針對這種特殊氣候，荷蘭Huisman設備公司設計了兩種適合近北極地區的半潛式鉆井平臺，即“JBF Arctic”和“Arctic S”鉆井平臺(見圖14)。其中“JBF Arctic”作業水深50～1500 m，采用20點錨泊定位，其獨特的結構能夠承受冬季厚冰(冰厚度可達2.0～3.0 m)和夏季風浪沖擊，便于在近北極地區全年全天候作業。該鉆井平臺可在兩種吃水深度下作業：在無冰水域，可像普通半潛式鉆井平臺一樣進行作業或拖航；在覆冰水域，通過壓載艙(部分進水)增加吃水深度，平臺可以實現快速升降，以保護隔水管免受冰的破壞，有效保護隔水管等設施的安全和穩定。無冰期可作為傳統的半潛式平臺，移動性能好。“Arctic S”可抵抗冰厚為1.0～1.5 m，配備16點錨泊，作業水深為35～1000 m，除了具備“JBF Arctic”的兩種作業模式外，在12.0～29.2 m水深情況下作為重力式平臺進行作業。

3 極地深海油氣開發模式新技術

隨著新材料、制造技術、網絡通訊和氣象科學技術的不斷發展，及鉆井作業的機械化、自動化和信息化程度不斷提高，鉆井作業將實現完全自動化，鉆井效率與成功率極大提高，并將惡劣氣候對鉆井作業的不利影響降至最低，從而逐步提高北極深海鉆探生產的安全性。北極深海的油氣開采一定會在不遠的將來成為可能[11]。

3.1 套管鉆井技術

目前，可利用套管鉆井技術(CWD)來改善北極環境中的鉆井作業。該技術可使作業者一趟完成鉆井和下套管作業，對鉆井液的排量要求相對較低，從而避免引起井眼擴大。由于排量較低，因此可以使用更小、更輕便的鉆機設備，降低了搬運鉆機時對冰層最小厚度的要求，從而延長了北極的冬季作業時間[4]。

3.2 水下生產系統

水下鉆井系統包括海底鉆機模塊和上部輔助保障模塊兩部分。海底鉆機通過模塊化結構運輸和組裝，利用井底電動馬達或水下頂驅，通過遠程控制水下機器人完成鉆完井、修井作業。上部保障模塊主要是輔助船或冰上設備，通過連續撓性管柱、臍帶管及電纜，實現鉆井過程中循環鉆井液、電力供應、遠程控制，應急處理等。

水下鉆井具備以下優點：實現遠程控制完成鉆完井、修井作業，節約投資30%～40%以上、降低惡劣天氣干擾；井底電動馬達或水下頂驅鉆井；遇大塊浮冰威脅，輔助船可短時間與隔水管斷開，迅速撤離；可實現極地環境全年候作業：無冰期依靠輔助船配合，冰封期在冰層上遠程控制。

挪威的Robotic Drilling System AS 公司和英國的 Maris International等公司的海底鉆機已完成概念設計。部分單元已經進行了地面試驗。目前用于海底取樣海底鉆機已經應用，具備較大作業水深和鉆井能力的海底鉆機仍處在概念設計階段。

4 發展趨勢

經過總結目前全球正在建造或研發的項目情況，并結合已經運營項目的經驗，作者認為極地海上油氣資源勘探開發的未來發展趨勢如下。我國的海工裝備研發及建造企業可以根據自身的產業基礎優勢做好布局，力爭獲得較好的技術儲備和積累。

(1)鉆井裝備及操作區趨向于采用全封閉設計，保障裝備運行效率和人員安全。

(2) 船體、隔水管、定位系統等具備較強的抗暴風雪和冰荷載能力，最大限度地降低北極海域惡劣環境對鉆井裝備帶來的風險。

(3)采用輕質耐低溫的新材料，自動化安全控制系統。

(4) 提高鉆井平臺自身的抗冰耐寒能力和自持力，并配備破冰船和破冰供給船等冰管理系統，增加冰期的活動能力，延長作業期。

(5)智能冰負荷監測系統，安全高效管理裝備。

(6)海底鉆機的研制與應用，降低惡劣環境的影響。

(7)浮式鉆井或生產裝備具備快速解脫和再連接的能力，應對冰山等不可抗因素。

(8)水下鉆井(生產)系統的運用，提高鉆井和生產的效率及安全性。

目前美國、加拿大等國家均停滯了北極的開發進程，俄羅斯還在積極開展北極的海上油氣開發工作，但是受到歐美的制裁，目前在尋求亞洲國家的合作，我國的裝備研發和總裝建造企業應該與中國的油氣公司一起參與到俄羅斯的北極開發工作中。極地裝備的開發不僅僅與船型有關，而且與設備有關，更與基礎數據特別是環境數據有關，考慮到北極主權因素影響，歐洲和俄羅斯等國家進行合作開發，是一種可行性較高的推進方式。

另外，由于北極脆弱的環境，一直有許多針對北極區環保問題的研究，如溢油處理、鉆井活動對北極生態系統的影響等相關的研究也是北極開發裝備研發需要重點考慮的。