海洋钻井装备技术现状与发展思路研究*

2021-04-18王定亚孙娟张茄新陈才虎

石油机械 2021年3期

王定亚孙娟张茄新陈才虎

(宝鸡石油机械有限责任公司;国家油气钻井装备工程技术研究中心)

0 引言

党的十八大报告明确提出“海洋强国”发展战略，《中国制造2025》把海洋高船舶技术领域作为重点发展目标，这都突出体现了我国对大力开发海洋资源的信心和决心。众所周知，地球表面70.8%被海水覆盖，海洋的平均水深为3 800 m，其中超过2 000 m的深海区域占海洋面积的84%。就油气储量而言，目前海底石油储量占全球总量的45%，天然气占50%，亟待开发利用[1-2]。但受该领域恶劣工况和气候条件的影响，特别是我国受深海勘探开发能力不足的困扰和装备技术水平的限制，与世界发达国家相比，在深海开发技术方面仍存在着较大差距，这不仅对我们如何快速进入海洋、加大力度开发海洋提出了挑战，而且也对我国如何快速提升国产化装备水平提出了新的目标[3]，尤其在当前情况下，面对中国共产党建党100周年和国家“十四五”开局之年，深入研究并做好海洋装备研究工作，对开发我国海洋油气资源和保障国家能源安全有着重要意义。

1 海洋钻采装备国内外技术发展现状

1.1 国际海洋钻井装备技术发展现状

世界海洋钻井装备以美国和挪威等为代表的西方发达国家起步最早，并于18世纪中后期开始涉足，截至目前，西方发达国家无论在技术能力上，还是在装备水平上一直处于世界领先地位，主要表现在以下3个方面。

1.1.1 平台建造能力及建造水平发展迅速

从钻井平台发展而言，西方发达国家从浅水起步不断向深海拓展，先后开发了满足浅海钻井需要的桩基式钻井平台、坐底式钻井平台、自升式钻井平台及适应深水、超深水需要的张力腿钻井平台(TLP)、半潜式钻井平台及超深水钻井船等，形式多样，适应各种水深和作业工况能力较强；从钻井装备来说，从满足百米级到千米级钻深，又从千米级持续发展到超过万米等不断升级，产品由浅入深，代际分明，尤其是浮式钻井平台的发展，自20世纪60年代初期开始以来，从适应水深能力不足100 m的第一代半潜式钻井平台开始，历经数十年的研究和积累，已发展到当今适应水深3 600 m的第七代，并能够适应各种风、浪、流等工作环境，成效显著。

1.1.2 平台建造数量和钻探深度突飞猛进

在钻井平台建造方面，西方发达国家长期处于优势发展状态，从20世纪90年代至21世界初的十多年时间内表现尤为充分，海上移动式钻井平台从1996年的56艘急增至2002年的670艘；其中1 524 m(5 000 ft)及以上超深水钻井平台(船)在2006年的拥有量为111艘(包括83艘超深水半潜式钻井平台和28艘超深水钻井船)，钻井平台拥有量多，增长速度快；在深水和钻深适应能力发展方面，其适应性实现了跨越式发展，2001年在美国墨西哥湾的钻井水深突破了2 964 m，2002年雪佛龙公司钻井垂深实现9 210 m，2003年雪佛龙德士古公司在美国墨西哥湾钻井工作水深突破3 000 m等，可谓日新月异[4-5]。

1.1.3 高端钻井装备的研发工作势头强劲

近十几年来，随着韩国、新加坡、中国等东方国家造船业的逐渐兴起，西方发达国家大型钻井平台的建造发展速度开始减缓，而其从事高端核心钻井装备的研发速度开始加快。美国NOV公司早在2007年就开发了适应超深水钻井平台所需要的TDX-1250型顶部驱动装置，该顶驱采用交流变频电驱动形式，最大提升载荷能力为11 340 kN，可满足钻深15 000 m海洋和陆地特深井钻机配套需要。2015年斯伦贝谢推出了GeoSphere服务，探测深度达30 m，该套技术包括SpectraSphere(井下流体分析服务)在内的整套随钻测井技术，并与地表测井技术结合使用，可以绘制出真实反映油藏结构与流体形态的图形；2016年斯伦贝谢公司推出的随钻前探仪器(ENLA)样机，前探距离达到30 m，随钻远探技术可以探测井筒周围数十米内的流体和油藏边界，具有随钻油藏描绘和地质导向功能；随后，到2018年，哈利伯顿公司推出的EarthStar随钻电磁波测井技术将远探距离再次提高到61 m[6]。斯伦贝谢旗下的OneSubsea公司近年来研制的140 MPa水下井口系统，可以灵活调节以匹配复杂的套管组合形式，具有消除钻井和生产锁定设备的性能，密封总成具有高温高压下悬挂锁定8.89×109N载荷的能力，并可承受钻机1.38×1011N/m2的载荷强度，具有高温高压井设计承载需求，同时具有通过减少起下钻次数大大降低操作费用等技术特点。威德福公司新研制的TR1P一趟式完井系统，将射频识别(RFID)技术与其高级完井技术结合，突破了单趟系统的技术瓶颈。该系统由远程控制滑套、封隔器、安全阀及相关工具等组成，不仅能够远程激活单趟下钻式深水完井系统，仅需单趟钻即可安装上部与下部完井工具，作业时间可缩短40%，而且该系统无需控制管线、冲管、电缆、连续管及修井设备，完全实现了100%的无干涉作业，降低了作业风险。贝克休斯公司将工业互联网技术与防喷器融合开发的智能BOP系统，将机器与先进的传感器、控制系统和软件链接起来，即通过防喷器传感器提供数据存储在一个叫 “数据记录器”的数据库中，基于 “数据记录器”开发的SeaLytics防喷器顾问，允许人员监控防喷器组件的运行状况并确定其运行时间，从而判断何时需要维修哪些部件。当产品某个部位出现问题时，监控器会在几秒内及时发现并且采取相应的措施，方便了来自防喷器各种异常数据的收集和分析，实现了将“漏油”掐灭在萌芽状态，有效感知并预防了水下防喷器存在的各种安全风险等[7]。

1.2 国内海洋钻井装备技术发展现状

相比较，我国自20世纪60年代开始在渤海湾建造第一座固定式钻井平台，经过几十年的不断发展进步，也取得了显著的成绩，尤其近20年，我国加强了海洋深水开发力度，无论在平台建造技术方面，还是在核心关键装备研究方面，均积累了丰富的经验，集中表现在以下4个方面。

1.2.1 基本具备固定式和自升式平台自主研发能力

我国经过几十年的持续发展，目前已在常规固定式钻井平台、坐底式钻井平台和自升式钻井平台设计建造方面具备了较强的自主研发能力。比如，我国先后在惠州、春晓、番禺及冀东南堡等建造了多座导管架式钻井平台和自升式钻井平台，从平台自身到钻井装备等，基本都实现了国产化，特别通过国内各大造船公司和石油装备企业的共同努力，建造完成目前尚在使用的70多座自升式钻井平台，能够满足国内百米水深勘探开发要求，其中自升式平台最大适应水深能力可达到122 m(400 ft)。另外，2020年3月在珠海开工建造的陆丰15-1导管架平台，平台设计高度达300 m等[8-9]。

1.2.2 具有半潜式钻井平台建造及系统集成配套能力

我国自20世纪80年代开始建造第一座勘探三号半潜式钻井平台，目前已拥有半潜式钻井平台约17座，特别是近10年，围绕深水特深水半潜式钻井平台(包括钻井船)建造技术和平台系统配套技术，国内以中海油集团公司、上海外高桥造船有限公司、烟台中集来福士海洋工程有限公司和大连船舶重工集团有限公司等为代表的多家大型企业，围绕中海油981平台、982平台、兴旺号、蓝鲸1号、蓝鲸2号钻井平台以及深水勘察船等项目，先后建成了多座具有世界先进水平的浮式超深水钻井平台，适应水深能力可满足1 500～3 600 m，适应钻深能力可达到7 500～15 000 m,使得大型、超大型平台的建造水平和平台系统集成能力得到了快速提升，迅速成长为国际造船领域的知名企业，为今后海洋装备的持续发展奠定了基础。

1.2.3 具备万米钻井装备的自主研发能力

从陆地钻井装备研发起步逐渐向海洋领域拓展，几十年来，我国以宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石集团有限公司和中国航天科工集团有限公司宏华集团有限公司等为代表的装备制造企业，先后围绕固定式平台和自升式平台配套钻井装备做了大量研究工作，累计研制各种海洋钻井包上百套。目前，在陆地钻井装备方面已先后成功研制出了适应钻深能力8 000、9 000和12 000 m的系列钻机，配套海洋钻机的钻井深度主要集中在5 000～9 000 m范围，并已具备了海洋万米级钻探配套开发能力，其中先后研制成功的大功率2 200/3 000 hp钻井泵、载荷能力11 250 kN游车、开口直径1 537/1 918 mm转盘等单元部件及技术可满足15 000 m特深井钻机配套要求[10-12]。

1.2.4 已初步建立了水下关键装备研究基础

近年来,在国家科技部、工信部、发改委及中石油、中石化、中海油三大石油集团公司等资金的支持下，国内多家企业、高等院校和科研院所等先后致力于海洋高端水下装备研究工作，从总体技术研究和系统配套分析着手，致力于单元核心部件的研制，近年来取得了较大的成绩。如围绕深水钻井隔水管、水下井口装置、深水采油树以及水下BOP等关键产品开发已做了大量的设计和试制性研究工作，并在多项关键技术上取得了突破，其中，水下采油树和水下BOP等工程样机已完成浅海岸边性能测试试验，钻井隔水管通过老旧平台更新改造已先后在多座平台上获得实质性应用，为今后深入研究及海试推广应用创造了条件[13-14]。

2 存在的主要问题

纵观我国海洋钻井装备发展情况，尽管近年来我国在大型钻井平台的建造等多个方面均取得了优异的成绩，但认真分析后不难发现，我国无论在平台整体系统研究、关键钻井装备研发、甲板配套装备开发方面，还是在系统控制技术研究、水下系统装备开发、试验基础设施建设等研究方面，与世界发达国家相比，仍存在着较大的差距和不足，其主要问题集中表现在以下方面。

2.1 缺乏系统的海洋装备研发设计能力

海洋油气钻井属于高风险、高技术、高难度技术领域，涉足气象预测分析技术、现代通信技术、造船工程技术、机械制造技术、地质探测技术和钻井工艺技术等多门学科，需要综合多领域、多学科、多专业联合交叉实施攻关，而我国在此方面的研究基础仍然比较薄弱，需要在融合性及兼容性研究方面不断强化。

2.2 缺乏大型超深水钻井配套开发能力

尽管我国先后建造了多座深水超深水钻井平台，但其所配套的关键钻井装备及核心部件几乎都来自国外，如超过9 000 m钻深能力的钻井装备及自升式平台升降系统、浮式平台钻井控制技术、半潜平台用钻井补偿系统和管柱自动化处理装备等依然依赖进口，因此海洋油气装备的发展仍然处于被动局面。

2.3 缺乏产品开发设计方面的实践经验

相比较，我国涉足海洋钻井平台开发的经验积累不够，仅从当前拥有的平台数量和类型而言，不仅数量少，而且类型比较单一，除在常规固定式平台、自升式平台及半潜式平台研发方面具有一定的研发基础外，截至目前，尚无张力腿式(TLP)、单柱式(spar)及顺应式平台等高适应性、多类型和多功能的钻井平台研发能力，需要进一步做好这方面的开发研究工作[15-16]。

2.4 水下等关键装备研发尚处于初级阶段

受深水水下装备自身要求高、工况恶劣，尤其受力环境复杂等多种条件的影响，一方面，在整个水下钻采装备的系统性研究开发方面我国尚处于初级阶段；另一方面，在水下BOP、水下井口装备、水下采油树、水下机器人、深水钻井补偿装置和海洋管柱自动化处理系统等关键核心单元开发研制方面，还停滞在理论研究、陆地或浅水试验验证阶段，距离工业性应用还有很大的差距[17-18]。

2.5 海工试验基础设施和条件严重不足

由于资金和人力等多方面投入不足，在很大程度上限制了海洋装备技术的快速发展，一方面受地面试验条件的限制，缺乏系统完备的试验基础和配套设施，多项产品的性能试验、综合测试试验等都难以有效开展；二是缺乏国家层面的海洋装备试验基地或试验平台，使得多项产品在研制完成后得不到实际性的验证，难以得到用户和第三方的认可，给海工装备的开发工作带来了很大阻力。

2.6 平台整体集成控制研究工作比较薄弱

海洋平台的控制系统集信息化、数字化、自动化、智能化等多种要求于一体，而且除了正常的钻井集成控制系统外，还包括水下装备远程控制技术、风浪流等预测报警技术、动力定位控制技术、船体自航或拖移控制技术以及无线电遥控测试技术等，我国在该方面的研究工作一直比较薄弱，一方面受制于自身的研发水平，另一方面部分核心控制器件仍属于卡脖子工程，有待加快攻关。

3 发展思路及发展建议

3.1 未来技术发展思路

3.1.1 逐渐向多类型、适合多领域平台方向发展

随着海洋勘探事业的不断进步和新能源技术的有效发展，在满足当前常规钻井技术要求的前提下，给钻井平台赋予新的功能或创造搭载新的工作条件，并逐渐向适应地质勘探、海洋勘察、大洋科考、水合物开采、海洋资源利用等多功能、多目标方向发展已为钻井平台的不断发展亮起了新的曙光，为此，做好现有平台的改造升级并逐渐研发不同要求和功能特点的新型平台必将成为海洋装备的发展方向[19]。

3.1.2 逐渐向超深水高风险水域和复杂地层发展

随着中浅水、低风险区域油气开采资源量的减少及国家对油气需求量的日益增大，加大深水、超深水技术领域研究，开发海面恶劣环境条件和水下各种工况高风险海域，并加大海底地质钻探高温高压复杂地层等开发必将成为今后人们涉足的重点研发方向，为此，提前做好各大海域环境和地质条件分析研究工作，开发适应特殊气候环境和地质资源条件的钻井装备将成为未来油气行业新的发展目标[19]。

3.1.3 逐渐向环境保护和绿色装备技术方向发展

随着人们对自然环境保护意识的不断增强，世界大多数国家均出台了多项环境保护方面的政策和措施，迫使各个领域不断提升绿色意识和环境保护意识，尤其涉及海洋环境保护要比陆地资源保护更加苛刻，受钻井液、有毒有害气体、液体及固体排放的限制，围绕绿色环保做好海洋钻井过程中各种废弃物回收装备、净化再利用处理装备等研发工作，防止跑、冒、滴、漏等影响海洋环境的现象刻不容缓，需要花大力气做好技术研究工作。

3.1.4 逐渐向智能化和水下钻井技术方向发展

随着信息化、数字化、自动化和智能化技术的不断发展进步，受海洋风浪流和深水钻探高风险等因素的影响，钻井装备向智能型、少人化或无人化操作发展将成为今后的趋势，将钻井平台依靠智能化在陆地或其他安全区域工作站实施远程控制操作或将钻机直接置入海底免遭风、浪、流等恶劣环境因素的影响，必将成为今后和未来钻井的新模式、新思路，且部分国家已经开始着手水下钻井装备的研究工作，提前策划做好钻井装备智能发展及尽早涉足水下钻井装备研发具有良好的发展前景。