海洋鉆井裝備技術現狀與發展思路研究*

王定亞 孫娟 張茄新 陳才虎

(寶雞石油機械有限責任公司;國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心)

0 引 言

黨的十八大報告明確提出“海洋強國”發展戰略，《中國制造2025》把海洋高船舶技術領域作為重點發展目標，這都突出體現了我國對大力開發海洋資源的信心和決心。眾所周知，地球表面70.8%被海水覆蓋，海洋的平均水深為3 800 m，其中超過2 000 m的深海區域占海洋面積的84%。就油氣儲量而言，目前海底石油儲量占全球總量的45%，天然氣占50%，亟待開發利用[1-2]。但受該領域惡劣工況和氣候條件的影響，特別是我國受深海勘探開發能力不足的困擾和裝備技術水平的限制，與世界發達國家相比，在深海開發技術方面仍存在著較大差距，這不僅對我們如何快速進入海洋、加大力度開發海洋提出了挑戰，而且也對我國如何快速提升國產化裝備水平提出了新的目標[3]，尤其在當前情況下，面對中國共產黨建黨100周年和國家“十四五”開局之年，深入研究并做好海洋裝備研究工作，對開發我國海洋油氣資源和保障國家能源安全有著重要意義。

1 海洋鉆采裝備國內外技術發展現狀

1.1 國際海洋鉆井裝備技術發展現狀

世界海洋鉆井裝備以美國和挪威等為代表的西方發達國家起步最早，并于18世紀中后期開始涉足，截至目前，西方發達國家無論在技術能力上，還是在裝備水平上一直處于世界領先地位，主要表現在以下3個方面。

1.1.1 平臺建造能力及建造水平發展迅速

從鉆井平臺發展而言，西方發達國家從淺水起步不斷向深海拓展，先后開發了滿足淺海鉆井需要的樁基式鉆井平臺、坐底式鉆井平臺、自升式鉆井平臺及適應深水、超深水需要的張力腿鉆井平臺(TLP)、半潛式鉆井平臺及超深水鉆井船等，形式多樣，適應各種水深和作業工況能力較強；從鉆井裝備來說，從滿足百米級到千米級鉆深，又從千米級持續發展到超過萬米等不斷升級，產品由淺入深，代際分明，尤其是浮式鉆井平臺的發展，自20世紀60年代初期開始以來，從適應水深能力不足100 m的第一代半潛式鉆井平臺開始，歷經數十年的研究和積累，已發展到當今適應水深3 600 m的第七代，并能夠適應各種風、浪、流等工作環境，成效顯著。

1.1.2 平臺建造數量和鉆探深度突飛猛進

在鉆井平臺建造方面，西方發達國家長期處于優勢發展狀態，從20世紀90年代至21世界初的十多年時間內表現尤為充分，海上移動式鉆井平臺從1996年的56艘急增至2002年的670艘；其中1 524 m(5 000 ft)及以上超深水鉆井平臺(船)在2006年的擁有量為111艘(包括83艘超深水半潛式鉆井平臺和28艘超深水鉆井船)，鉆井平臺擁有量多，增長速度快；在深水和鉆深適應能力發展方面，其適應性實現了跨越式發展，2001年在美國墨西哥灣的鉆井水深突破了2 964 m，2002年雪佛龍公司鉆井垂深實現9 210 m，2003年雪佛龍德士古公司在美國墨西哥灣鉆井工作水深突破3 000 m等，可謂日新月異[4-5]。

1.1.3 高端鉆井裝備的研發工作勢頭強勁

近十幾年來，隨著韓國、新加坡、中國等東方國家造船業的逐漸興起，西方發達國家大型鉆井平臺的建造發展速度開始減緩，而其從事高端核心鉆井裝備的研發速度開始加快。美國NOV公司早在2007年就開發了適應超深水鉆井平臺所需要的TDX-1250型頂部驅動裝置，該頂驅采用交流變頻電驅動形式，最大提升載荷能力為11 340 kN，可滿足鉆深15 000 m海洋和陸地特深井鉆機配套需要。2015年斯倫貝謝推出了GeoSphere服務，探測深度達30 m，該套技術包括SpectraSphere(井下流體分析服務)在內的整套隨鉆測井技術，并與地表測井技術結合使用，可以繪制出真實反映油藏結構與流體形態的圖形；2016年斯倫貝謝公司推出的隨鉆前探儀器(ENLA)樣機，前探距離達到30 m，隨鉆遠探技術可以探測井筒周圍數十米內的流體和油藏邊界，具有隨鉆油藏描繪和地質導向功能；隨后，到2018年，哈利伯頓公司推出的EarthStar隨鉆電磁波測井技術將遠探距離再次提高到61 m[6]。斯倫貝謝旗下的OneSubsea公司近年來研制的140 MPa水下井口系統，可以靈活調節以匹配復雜的套管組合形式，具有消除鉆井和生產鎖定設備的性能，密封總成具有高溫高壓下懸掛鎖定8.89×109N載荷的能力，并可承受鉆機1.38×1011N/m2的載荷強度，具有高溫高壓井設計承載需求，同時具有通過減少起下鉆次數大大降低操作費用等技術特點。威德福公司新研制的TR1P一趟式完井系統，將射頻識別(RFID)技術與其高級完井技術結合，突破了單趟系統的技術瓶頸。該系統由遠程控制滑套、封隔器、安全閥及相關工具等組成，不僅能夠遠程激活單趟下鉆式深水完井系統，僅需單趟鉆即可安裝上部與下部完井工具，作業時間可縮短40%，而且該系統無需控制管線、沖管、電纜、連續管及修井設備，完全實現了100%的無干涉作業，降低了作業風險。貝克休斯公司將工業互聯網技術與防噴器融合開發的智能BOP系統，將機器與先進的傳感器、控制系統和軟件鏈接起來，即通過防噴器傳感器提供數據存儲在一個叫 “數據記錄器”的數據庫中，基于 “數據記錄器”開發的SeaLytics防噴器顧問，允許人員監控防噴器組件的運行狀況并確定其運行時間，從而判斷何時需要維修哪些部件。當產品某個部位出現問題時，監控器會在幾秒內及時發現并且采取相應的措施，方便了來自防噴器各種異常數據的收集和分析，實現了將“漏油”掐滅在萌芽狀態，有效感知并預防了水下防噴器存在的各種安全風險等[7]。

1.2 國內海洋鉆井裝備技術發展現狀

相比較，我國自20世紀60年代開始在渤海灣建造第一座固定式鉆井平臺，經過幾十年的不斷發展進步，也取得了顯著的成績，尤其近20年，我國加強了海洋深水開發力度，無論在平臺建造技術方面，還是在核心關鍵裝備研究方面，均積累了豐富的經驗，集中表現在以下4個方面。

1.2.1 基本具備固定式和自升式平臺自主研發能力

我國經過幾十年的持續發展，目前已在常規固定式鉆井平臺、坐底式鉆井平臺和自升式鉆井平臺設計建造方面具備了較強的自主研發能力。比如，我國先后在惠州、春曉、番禺及冀東南堡等建造了多座導管架式鉆井平臺和自升式鉆井平臺，從平臺自身到鉆井裝備等，基本都實現了國產化，特別通過國內各大造船公司和石油裝備企業的共同努力，建造完成目前尚在使用的70多座自升式鉆井平臺，能夠滿足國內百米水深勘探開發要求，其中自升式平臺最大適應水深能力可達到122 m(400 ft)。另外，2020年3月在珠海開工建造的陸豐15-1導管架平臺，平臺設計高度達300 m等[8-9]。

1.2.2 具有半潛式鉆井平臺建造及系統集成配套能力

我國自20世紀80年代開始建造第一座勘探三號半潛式鉆井平臺，目前已擁有半潛式鉆井平臺約17座，特別是近10年，圍繞深水特深水半潛式鉆井平臺(包括鉆井船)建造技術和平臺系統配套技術，國內以中海油集團公司、上海外高橋造船有限公司、煙臺中集來福士海洋工程有限公司和大連船舶重工集團有限公司等為代表的多家大型企業，圍繞中海油981平臺、982平臺、興旺號、藍鯨1號、藍鯨2號鉆井平臺以及深水勘察船等項目，先后建成了多座具有世界先進水平的浮式超深水鉆井平臺，適應水深能力可滿足1 500～3 600 m，適應鉆深能力可達到7 500～15 000 m,使得大型、超大型平臺的建造水平和平臺系統集成能力得到了快速提升，迅速成長為國際造船領域的知名企業，為今后海洋裝備的持續發展奠定了基礎。

1.2.3 具備萬米鉆井裝備的自主研發能力

從陸地鉆井裝備研發起步逐漸向海洋領域拓展，幾十年來，我國以寶雞石油機械有限責任公司、蘭州蘭石集團有限公司和中國航天科工集團有限公司宏華集團有限公司等為代表的裝備制造企業，先后圍繞固定式平臺和自升式平臺配套鉆井裝備做了大量研究工作，累計研制各種海洋鉆井包上百套。目前，在陸地鉆井裝備方面已先后成功研制出了適應鉆深能力8 000、9 000和12 000 m的系列鉆機，配套海洋鉆機的鉆井深度主要集中在5 000～9 000 m范圍，并已具備了海洋萬米級鉆探配套開發能力，其中先后研制成功的大功率2 200/3 000 hp鉆井泵、載荷能力11 250 kN游車、開口直徑1 537/1 918 mm轉盤等單元部件及技術可滿足15 000 m特深井鉆機配套要求[10-12]。

1.2.4 已初步建立了水下關鍵裝備研究基礎

近年來,在國家科技部、工信部、發改委及中石油、中石化、中海油三大石油集團公司等資金的支持下，國內多家企業、高等院校和科研院所等先后致力于海洋高端水下裝備研究工作，從總體技術研究和系統配套分析著手，致力于單元核心部件的研制，近年來取得了較大的成績。如圍繞深水鉆井隔水管、水下井口裝置、深水采油樹以及水下BOP等關鍵產品開發已做了大量的設計和試制性研究工作，并在多項關鍵技術上取得了突破，其中，水下采油樹和水下BOP等工程樣機已完成淺海岸邊性能測試試驗，鉆井隔水管通過老舊平臺更新改造已先后在多座平臺上獲得實質性應用，為今后深入研究及海試推廣應用創造了條件[13-14]。

2 存在的主要問題

縱觀我國海洋鉆井裝備發展情況，盡管近年來我國在大型鉆井平臺的建造等多個方面均取得了優異的成績，但認真分析后不難發現，我國無論在平臺整體系統研究、關鍵鉆井裝備研發、甲板配套裝備開發方面，還是在系統控制技術研究、水下系統裝備開發、試驗基礎設施建設等研究方面，與世界發達國家相比，仍存在著較大的差距和不足，其主要問題集中表現在以下方面。

2.1 缺乏系統的海洋裝備研發設計能力

海洋油氣鉆井屬于高風險、高技術、高難度技術領域，涉足氣象預測分析技術、現代通信技術、造船工程技術、機械制造技術、地質探測技術和鉆井工藝技術等多門學科，需要綜合多領域、多學科、多專業聯合交叉實施攻關，而我國在此方面的研究基礎仍然比較薄弱，需要在融合性及兼容性研究方面不斷強化。

2.2 缺乏大型超深水鉆井配套開發能力

盡管我國先后建造了多座深水超深水鉆井平臺，但其所配套的關鍵鉆井裝備及核心部件幾乎都來自國外，如超過9 000 m鉆深能力的鉆井裝備及自升式平臺升降系統、浮式平臺鉆井控制技術、半潛平臺用鉆井補償系統和管柱自動化處理裝備等依然依賴進口，因此海洋油氣裝備的發展仍然處于被動局面。

2.3 缺乏產品開發設計方面的實踐經驗

相比較，我國涉足海洋鉆井平臺開發的經驗積累不夠，僅從當前擁有的平臺數量和類型而言，不僅數量少，而且類型比較單一，除在常規固定式平臺、自升式平臺及半潛式平臺研發方面具有一定的研發基礎外，截至目前，尚無張力腿式(TLP)、單柱式(spar)及順應式平臺等高適應性、多類型和多功能的鉆井平臺研發能力，需要進一步做好這方面的開發研究工作[15-16]。

2.4 水下等關鍵裝備研發尚處于初級階段

受深水水下裝備自身要求高、工況惡劣，尤其受力環境復雜等多種條件的影響，一方面，在整個水下鉆采裝備的系統性研究開發方面我國尚處于初級階段；另一方面，在水下BOP、水下井口裝備、水下采油樹、水下機器人、深水鉆井補償裝置和海洋管柱自動化處理系統等關鍵核心單元開發研制方面，還停滯在理論研究、陸地或淺水試驗驗證階段，距離工業性應用還有很大的差距[17-18]。

2.5 海工試驗基礎設施和條件嚴重不足

由于資金和人力等多方面投入不足，在很大程度上限制了海洋裝備技術的快速發展，一方面受地面試驗條件的限制，缺乏系統完備的試驗基礎和配套設施，多項產品的性能試驗、綜合測試試驗等都難以有效開展；二是缺乏國家層面的海洋裝備試驗基地或試驗平臺，使得多項產品在研制完成后得不到實際性的驗證，難以得到用戶和第三方的認可，給海工裝備的開發工作帶來了很大阻力。

2.6 平臺整體集成控制研究工作比較薄弱

海洋平臺的控制系統集信息化、數字化、自動化、智能化等多種要求于一體，而且除了正常的鉆井集成控制系統外，還包括水下裝備遠程控制技術、風浪流等預測報警技術、動力定位控制技術、船體自航或拖移控制技術以及無線電遙控測試技術等，我國在該方面的研究工作一直比較薄弱，一方面受制于自身的研發水平，另一方面部分核心控制器件仍屬于卡脖子工程，有待加快攻關。

3 發展思路及發展建議

3.1 未來技術發展思路

3.1.1 逐漸向多類型、適合多領域平臺方向發展

隨著海洋勘探事業的不斷進步和新能源技術的有效發展，在滿足當前常規鉆井技術要求的前提下，給鉆井平臺賦予新的功能或創造搭載新的工作條件，并逐漸向適應地質勘探、海洋勘察、大洋科考、水合物開采、海洋資源利用等多功能、多目標方向發展已為鉆井平臺的不斷發展亮起了新的曙光，為此，做好現有平臺的改造升級并逐漸研發不同要求和功能特點的新型平臺必將成為海洋裝備的發展方向[19]。

3.1.2 逐漸向超深水高風險水域和復雜地層發展

隨著中淺水、低風險區域油氣開采資源量的減少及國家對油氣需求量的日益增大，加大深水、超深水技術領域研究，開發海面惡劣環境條件和水下各種工況高風險海域，并加大海底地質鉆探高溫高壓復雜地層等開發必將成為今后人們涉足的重點研發方向，為此，提前做好各大海域環境和地質條件分析研究工作，開發適應特殊氣候環境和地質資源條件的鉆井裝備將成為未來油氣行業新的發展目標[19]。

3.1.3 逐漸向環境保護和綠色裝備技術方向發展

隨著人們對自然環境保護意識的不斷增強，世界大多數國家均出臺了多項環境保護方面的政策和措施，迫使各個領域不斷提升綠色意識和環境保護意識，尤其涉及海洋環境保護要比陸地資源保護更加苛刻，受鉆井液、有毒有害氣體、液體及固體排放的限制，圍繞綠色環保做好海洋鉆井過程中各種廢棄物回收裝備、凈化再利用處理裝備等研發工作，防止跑、冒、滴、漏等影響海洋環境的現象刻不容緩，需要花大力氣做好技術研究工作。

3.1.4 逐漸向智能化和水下鉆井技術方向發展

隨著信息化、數字化、自動化和智能化技術的不斷發展進步，受海洋風浪流和深水鉆探高風險等因素的影響，鉆井裝備向智能型、少人化或無人化操作發展將成為今后的趨勢，將鉆井平臺依靠智能化在陸地或其他安全區域工作站實施遠程控制操作或將鉆機直接置入海底免遭風、浪、流等惡劣環境因素的影響，必將成為今后和未來鉆井的新模式、新思路，且部分國家已經開始著手水下鉆井裝備的研究工作，提前策劃做好鉆井裝備智能發展及盡早涉足水下鉆井裝備研發具有良好的發展前景。

3.2 今后發展建議

3.2.1 認真做好海洋鉆井裝備發展規劃

全面總結我國在海洋鉆井裝備研發工作方面存在的問題，結合國家宏觀經濟政策，立足國內和企業實際，系統分析我國在海洋鉆井裝備研發工作中的不足和短板，分階段有目標地開展海工裝備技術研究工作，由點到面、由單元到系統，逐個擊破，逐漸積累，形成與我國海洋總體發展相適應的配套方案。

3.2.2 努力做好海洋裝備基礎研究工作

不斷加強團隊建設和人才培養力度，在深入做好油氣裝備專項工作的同時，重點做好多專業融合發展技術研究工作，搭建必要的試驗平臺，集中做好基礎性試驗、檢測和分析研究工作，以國家投資為主，聯合國內從事海洋裝備的相關企業，盡快搭建海洋鉆井裝備專用試驗平臺，為海洋裝備產品入水海試創造條件。

3.2.3 由淺入深做好鉆井系統配套開發

以瞄準深水領域裝備研發技術儲備和立足系統做好中淺水設備配套開發研究工作為目標，不斷強化與發達國家之間的對標工作和溝通交流，不斷增強與高船舶技術領域之間的融合發展，大力開展產學研用聯合攻關，循序漸進做好海洋鉆井裝備系統研究，以爭取在較短的時間內取得實際性的成果。

3.2.4 集中攻克一批關鍵卡脖子技術

在國家或行業設置專門的研究課題，加大獎勵力度，鼓勵科研人員攻克制約發展的核心技術及卡脖子工程，尤其在甲板核心單元裝備研發、水下裝備系統設計、鉆井裝備集成控制開發及部分長期依賴進口的控制、密封元器件等開發方面狠下功夫，盡早形成自主知識產權的產品，從而為海洋鉆井裝備技術國產化發展奠定堅實的基礎。

4 結 論

(1)我國在海洋裝備研發設計能力、大型鉆井平臺配套開發能力、產品設計實踐經驗、水下裝備開發工作、海工試驗基礎條件和平臺整體集成控制研究等方面與發達國家還存在較大差距。

(2)通過對未來海洋鉆井裝備發展趨勢分析預測，提出了今后鉆井裝備將逐漸向多類型和多領域趨勢方向、適應超深水高風險和復雜地層方向、環境保護和綠色裝備方向及智能化和水下鉆井技術方向發展等4點研發思路。

(3)對我國海洋裝備發展研究工作提出了認真做好海洋鉆井裝備發展規劃、努力做好海洋裝備基礎研究工作、由淺入深做好鉆井系統配套開發以及集中攻克一批關鍵卡脖子技術等4點發展建議。