深水钻探装备技术发展现状及展望

张海彬

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

1 海洋资源开发装备体系

1.1 海洋资源类别

海洋中蕴藏着极其丰富的资源，包括能源、物质资源和空间资源等。其中，能源包括水面以上的风能、太阳能，海洋水体中的波浪能、潮汐能、海流能和温差能，以及海底以下的油气资源、天然气水合物资源等；物质资源包括海洋水体中的水资源、化学资源、生物资源，以及海底表面和地表以下的矿产资源；而空间资源则更为广阔，地球71%的表面是被海洋所覆盖。为了利用这些资源，人类研究开发了各种各样的海洋装备，形成了丰富的海洋装备产业体系。

1.2 世界能源结构演变历程

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。人类自从学会使用火以来，薪柴在相当长时间内是人类利用的主要能源。截至目前，世界能源结构完成了两次转型：第一次能源结构转型是在1881年，人类从薪柴时代进入煤炭时代，煤炭替代木柴成为主导能源；第二次能源结构转型是在1965 年进入到油气时代，石油和天然气替代煤炭成为主导能源。随着人类环保意识的提高，包括氮氧化物、硫氧化物和温室气体等排放控制需求，风能、太阳能、核能和氢能等可再生清洁能源使用越来越多。预计2040年能源结构将由油气时代进入低碳时代，但是未来不会出现某一种能源占绝对主导地位的情况，在相当长的时间内，油气仍然会在能源结构中占有非常重要的地位。

世界能源结构演变历程如图1 所示。

图1 世界能源结构演变历程

1.3 海洋油气资源分布及开发前景

油气属于不可再生能源，当陆上油气资源得到充分开发后，人类便将目光投向了广袤的海洋。海洋油气资源非常丰富，其储量据估计占全球油气资源总储量的1/3 以上，人类从20 世纪40 年代就开始了海洋油气开发。我国陆地能源“富煤、贫油、少气”，但南海的油气资源极为丰富，地质储量约在230 亿t 至300 亿t，占我国油气总储量的1/3，其中70%蕴藏于深海海域。国际上传统的海洋油气开发区域包括墨西哥湾、北海、巴西海域和西非海域等。近年来，南美洲的苏里南和圭亚那海域成为海洋油气开发的热点区域，预估油气资源储量超过130 亿桶油当量，多家钻井承包商已启动了该海域的钻井勘探活动。

海洋油气资源分布如图2所示。

图2 海洋油气资源分布

由于受到新冠疫情和低油价的打击，海洋油气开发在相当长的时间持续低迷，但国际普遍对未来海洋油气开发前景持乐观态度。一是随着新冠疫苗的接种，疫情逐步得到控制，经济复苏动力强劲。2021 年，中国、美国、欧盟都实现了GDP 正增长，随着经济复苏，对油气需求将强劲反弹；二是 2021年以来，原油价格持续走强，目前每桶原油价格已超过了90 美元，将会推动海洋油气开发走出低谷；三是近年来在低油价倒逼下，海洋石油开发成本持续下降，目前仅次于中东陆上石油开发成本（约为每桶43 美元），如此会增强石油公司海上石油开发的意愿。据IHSMarkit 机构预测，海洋油气开发在2022 年会缓慢上升，到2023 年有望恢复到疫情前水平，2023 年后将有较大增幅。

1.4 海洋油气开发阶段及装备

海洋油气开发大致分为地球物理勘探、钻井勘探、油气田开发建设和油气生产4 个阶段，每个阶段都会用到不同的海洋工程装备。例如地球物理勘探阶段主要用到物探船、震源船；钻井勘探阶段会用到各类钻井装备；油气田开发建设阶段会用到起重船、铺管船和半潜船等；油气生产阶段会用到生产平台、FPSO 和穿梭油轮等。其中，钻井勘探是海洋油气开发非常重要的一个阶段，它是评估海洋油气资源储量的重要途径，这个阶段的实施需要采用钻井装备。此外，油气田开发建设中的钻生产井以及油气生产中的修井作业，均离不开钻井装备。可见，钻井装备在海洋油气开发中扮演着十分重要的角色。

钻井装备的发展经历了陆地钻机、固定式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船等装备类型，目前具备深水钻井作业能力的装备主要包括半潜式钻井平台和钻井船，它们各具特点和优势。半潜式平台的主要优点是运动性能优异，定位性能受环境载荷方向影响较小，甲板面积大，可抵御更恶劣的海况；其缺点是机动性比较差，可变载荷有限。钻井船的主要优点是机动性好，可变载荷大，某些大型钻井船还具有储油功能；其缺点是运动性能和定位能力受环境载荷方向影响较大，运营成本稍高。

1.5 海洋矿产资源开发前景及装备

近年来，海洋矿产资源开发越来越受到重视。浅海矿产资源主要包括滨海砂矿、磷钙土和多金属软泥土，其开发利用较为成熟。深海矿产资源量巨大，含有许多陆地稀有的重要战略性资源和贵金属资源，且品位普遍高于陆地，主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物。据估计，仅东太平洋“克拉里恩·克里帕顿断裂带”的多金属结核储量就达210 亿t，西太平洋“原生结壳带”的富钴结壳储量达5 000 万t，全球海洋多金属硫化物储量约6 亿t，目前均尚未实现商业化开发。多金属结核和富钴结壳主要赋存于海底表面，而多金属硫化物则赋存于海底以下数百米，其勘探需采用大洋钻探装备。

深海矿产资源主要分布于国际海底和各国专属经济区，其中国际海底的矿产由国际海底管理局管理。我国已从国际海底管理局获得了5 个区块（见表1），涵盖了所有3 类深海矿种，并拥有15 年的专属勘探权。目前，我国已完成了其中2 个多金属结核和富钴结壳区块的初步勘探，而多金属硫化物区块勘探工作尚未开展。

表1 我国获得的国 际深海矿产资源矿区km2

海洋矿产资源开发与海洋油气开发类似，分为地质资源调查、钻探取样、采矿、运输及加工4 个阶段。地质资源调查阶段主要采用调查船和物探船，钻探取样阶段采用钻探船，采矿阶段采用采矿船，运输及加工阶段采用矿物运输船。其中，钻探取样是评估多金属硫化物资源储量和品位的重要途径，我国目前尚未有大洋钻探船，多金属硫化物资源勘探工作还未开展。可见，无论是海洋油气资源开发，还是海洋矿产资源开发，钻探装备都必不可少。

2 深水钻探装备发展现状

2.1 国外深水钻探装备发展现状

下文将从油气资源钻井和矿产资源钻探两方面介绍国外深水钻探装备发展现状。

目前，国际上用于海洋油气资源开发的钻井装备已发展至第7 代。钻井装备的代级主要是根据作业水深、钻机大钩载荷等指标来区分。第1 代和第2 代钻井装备最大作业水深一般在200 m 以内，大钩载荷不超过200 st（1 st=0.907 t）；第3 代钻井装备最大作业水深为500 m，大钩载荷为300 st；第4 代钻井装备最大作业水深为1 500 m，大钩载荷为300 st 以上；第5 代钻井装备最大作业水深为2 250 m，大钩载荷为750 st；第6 代钻井装备最大作业水深超过3 000 m，大钩载荷为1 000 st；第7 代钻井装备作业水深为3 600 m 以上，大钩载荷达1 250 st。

从装备类别来看，半潜式钻井平台的发展脉络比较清晰，每一代在平台形式、性能指标和设备配置上都有较明显变化。半潜式钻井平台早期多采用多立柱、多撑杆和单甲板平台形式，后期逐渐发展为4 立柱、少撑杆和箱形甲板平台形式。钻井船的更新换代在早期不如半潜式平台明显，但在20 世纪90 年代以后，钻井船技术发展的步伐越来越快。当前市场主流的钻井装备仍处于第6 代水平，第7代钻井装备还停留在设计方案阶段，建成投入使用的不多。

国际上典型的深水半潜式钻井平台主要包括挪威AKER Solution 公司的Aker H-6、荷兰GustoMSC公司的DSS50、瑞典GVA 公司的GVA7500M、美国F&G 公司的ExD 和挪威Frigstad 公司的D90。

Aker H-6 平台（见图3）最大作业水深为 3 000 m，钻机大钩载荷为1 000 st。其船型特点为采用双下浮体、8 立柱、呈空间布置的多撑杆，静气隙高达18.5 m，适用于北海恶劣海域作业，目前已建造了2 座。在总体布置上，该平台隔水管水平布置于井口区前部，钻杆、套管布置于井口区后部，备用泥浆布置于下浮体内。

图3 Aker H-6 半潜式钻井平台

DSS50 平台（见图4）最大作业水深为3 000 m，钻机大钩载荷为1 000 st。其船型特点为采用双下浮体、4 立柱、4 根横撑、箱形甲板，静气隙为12.8 m，适用于缓和海域作业，目前已建造了6 座，主要用于墨西哥湾、西非海域。在总体布置上，该平台主、辅井口对称布置，隔水管采用平放与立放相结合的方式，钻杆、套管布置于井口区后部，备用泥浆布置于下浮体内。GVA7500M 平台（见图5）最大作业水深为 3 650 m，钻机大钩载荷为1 000 st。其船型特点为采用双下浮体、4 立柱、2 根翼形横撑、箱形甲板，静气隙为15 m，适用于较恶劣海域，目前已建造了6 座，主要用于北海、巴西海域。

图4 DSS50 半潜式钻井平台

图5 GVA7500M 半潜式钻井平台

在总体布置上，该平台4 个机舱分散布置于上平台四角，主井口位于右舷3 m 处，辅井口位于左舷7 m 处，隔水管全部平放于井口区前部，钻杆、套管布置于井口区后部，备用泥浆布置于立柱内。

ExD 平台（见图6）最大作业水深为3 000 m，钻机大钩载荷为1 000 st。其船型特点为采用双下浮体、4 立柱、4 根横撑、箱形上平台，静气隙为12.4 m，适用于缓和海域，目前已建造了12 座，主要用于墨西哥湾和巴西海域。在总体布置上，该平台2 个机舱布置于上平台后部，主井口位于中心，辅井口位于左舷7 m 处，隔水管采用平放与立放相结合的方式，钻杆、套管布置于井口区后部，备用泥浆布置于立柱内。

图6 ExD 半潜式钻井平台

D90平台（见图7）最大作业水深为3 650 m，钻机大钩载荷为1 250 st。其船型特点为采用双下浮体、4立柱、4根横撑、箱形甲板，静气隙为 16.5 m，适用于较恶劣海域，目前已建造了3座，可在南海、墨西哥湾、西非和巴西等海域作业。在总体布置上，该平台设置4个独立机舱，配置8台电站，满足DP-3级动力定位要求，配置双井口液压钻机，隔水管立放于井口区前部，钻杆、套管布置于井口区后部。

图7 D90 半潜式钻井平台

国外主流的钻井船船型方案主要有韩国三星重工的S10000、荷兰GustoMSC 公司的P10000 和PRD12000。

S10000 型钻井船（见图8）由韩国三星重工开发，排水量为96 000 t、最大作业水深3 650 m、最大可变载荷为22 000 t，采用双井架钻井系统，具备DP-3 级动力定位能力。三星重工于1996 年获得首个钻井船建造合同，S10000是其最常见的钻井船设计船型，目前已建造22 艘。

图8 S10000 型钻井船

P10000型钻井船（见下页图9）排水量为75 000 t、最大作业水深3 650 m、最大可变载荷为22 000 t，采用双井架钻井系统，具备DP-3级动力定位能力。该型钻井船已在韩国现代船厂建造了10艘，主要用于墨西哥湾、巴西和西非海域。

图9 P10000 型钻井船

PRD12000 是一型紧凑型钻井船（见下页图10），排水量为45 000 t、最大作业水深3 650 m、最大可变载荷为23 000 t。该型船的特点是采用紧凑的设计使其拥有较高的成本优势，钻井系统采用Huisman 公司开发的柱塔式钻机（MPT），可节省布置空间，提高作业效率。钻机顶部可拆卸，能通过巴拿马运河的美洲大桥。

图10 PRD12000 型钻井船

国外用于海洋矿产资源勘查的大洋钻探装备主要有美国的决心号钻探船、日本的地球号钻探船和欧洲的DP HUNTER钻探船。与油气钻井装备相比，矿产资源钻探装备需具备取芯和船载实验能力，但对井控的需求不大。

决心号钻探船（见图11）建于1978 年，最初用于墨西哥湾的海洋油气勘探，于1985 年完成适应性改造后成为大洋钻探船。该船具备钻探取芯功能，采用无隔水管钻探作业方式，用取芯器通过钻杆中间的孔洞进行取样，接立根采用单根操作，相对而言，钻探系统自动化程度不高，钻探效率较低。

图11 决心号钻探船

决心号钻探船目前仍是国际大洋发现计划（IODP）实施的主力船型，在海洋资源调查和科考中发挥了显著作用，我国曾分别于2014 年和2017年租用该船在南海进行科学钻探。

地球号钻探船（见图12）是日本于2005 年建造的用于大洋科考的钻探船，是世界上首艘采用隔水管钻探的大洋钻探船。其最大作业水深为 2 500 m，技术形态上相当于第5 代钻井船。该钻探船具备钻探取芯和船载实验功能。与决心号钻探船不同之处在于，地球号采用隔水管泥浆闭式循环钻探方式，钻探能力和效率比决心号显著提升。

图12 地球号钻探船

DP Hunter 钻探船（下页图13）建于1978 年，于2002 年进行了加装钻探系统的改造，是IODP欧洲船舶平台的主要用船，同时，多家矿产公司租用该船对海洋矿产资源进行了勘探和资源评价。

图13 DP Hunter 钻探船

2.2 国内深水钻探装备发展现状

我国已具备浅水和深水钻井装备设计建造能力。在浅水钻井装备方面，已自主设计建造了胜利三号、中油海三号坐底式钻井平台，渤海一号、港海一号、中油海系列自升式钻井平台和勘探三号半潜式钻井平台等；在深水钻井装备方面，完成了海洋石油981 半潜式钻井平台、蓝鲸号半潜式钻井平台以及TIGER 系列钻井船等超深水钻井装备的设计建造。

海洋石油981 半潜式钻井平台（见图14）是我国设计、建造和使用的首座第6 代半潜式钻井平台。它是在ExD 船型基础上，考虑南海作业的适应性改进而来，在可变载荷、南海恶劣环境适应性和定位能力等方面都有显著提升。该平台投入使用以来，在南海成功发现了荔湾3-2、荔湾21-1 和流花29-2 等多个油气区块，取得了良好的经济效益。

图14 海洋石油981超深水半潜式钻井平台

蓝鲸号半潜式钻井平台（见图15）是由中集来福士于2016 年建成的准第7 代半潜式钻井平台，其采用挪威Frigstad 公司设计的D90 船型。该平台相对于第6 代钻井平台，在作业水深、钻井深度、可变载荷和钻井作业能力上均有了明显提升。特别是该平台配置了高效的液压双钻机和闭环动力系统，作业效率可提升30%，燃料消耗可节省10%。2017年5 月，我国使用蓝鲸1 号在南海神狐海域成功进行了天然气水合物试开采，实现了我国海洋天然气水合物试采的历史性突破。2020 年3 月，我国又使用蓝鲸2 号在南海神狐海域成功完成了第2 轮天然气水合物试采，创造了产气总量和日均产气量2 项世界纪录。

图15 蓝鲸号超深水半潜式钻井平台

BULLY 号钻井船（见下页图16）是采用PRD12000 的设计方案，由上海船厂作为新加坡的分包商于2007 年承担船体部分的建造。该钻井船开启了我国深水钻井船建造的序幕。

图16 BULLY 号钻井船

TIGER 号钻井船（见图17）是上海船厂于2011 年承接的1 500 m 水深钻井船EPC 总包建造项目（2+2 艘），是国内拥有自主知识产权并负责完整建造的首个钻井船项目。该船属紧凑型钻井船，采用锚泊定位方式，经济性十分突出。另外，主要钻井设备由四川宏华集团供货，在钻井设备国产化应用上取得了里程碑式突破。

图17 tIGER 号钻井船

3 深水钻探装备主要设计要点

3.1 半潜式钻井平台主要设计要点

半潜式钻井平台设计需关注总体性能指标综合平衡、总体布置、重量控制、结构设计和主要系统集成设计等几个方面。

（1）总体性能指标综合平衡

对于半潜式钻井平台而言，运动性能（包括垂荡、横摇、纵摇和气隙性能）、稳性和甲板可变载荷同等重要。运动性能影响平台的钻井作业窗口期，稳性关乎平台的安全，甲板可变载荷关系到平台钻井作业能力，而这些因素在平台方案论证中却互为矛盾、相互牵连，因此需要采用数值分析与模型试验相结合的方式实现总体性能指标的综合平衡。

（2）总体布置

半潜式钻井平台的总体布置需要考虑上平台布置、下浮体布置和立柱布置，各区域的布置要素各不相同。上平台布置主要关注钻井设备、隔水管、钻杆、套管堆场、机舱、配电间、生活舱室布置、双层底管系和电缆走向等；下浮体布置主要关注推力器舱、泵舱、消耗品舱和压载舱等；立柱布置主要关注锚链舱、灰罐、压载舱、管系和电缆走向等。在总布置设计中，需关注作业流程的高效实现、重量重心和浮态的控制、设备安装和维护空间、逃生路线规划和危险区影响等。此外，考虑到DP-3 冗余设计，设备容量增大，管系和电缆走向复杂，需采用三维设计手段综合解决布置方面的难题。

（3）重量控制

对于半潜式钻井平台来说，重量控制是平台设计的重中之重，它将影响到平台稳性、可变载荷和运动性能等综合性能以及平台的作业能力。为此，需要在设计之初明确重量、重心控制的关键要素，编制重量统计表格和控制程序，并且定期进行重量分析和预警。若超过预警值，需及时采取有效的减重措施。重量控制需贯彻于半潜式平台设计、设备采办、建造的整个过程。

（4）结构设计

结构强度是半潜式钻井平台安全作业的前提。半潜式钻井平台的结构设计需采用直接计算法（包括波浪载荷预报、结构总强度分析、局部结构强度分析和关键结构节点的全概率疲劳寿命分析等），以确保半潜式平台结构安全性。在波浪载荷和结构强度设计波分析时，需要考虑纵向剪切、扭转和横向分离等典型波浪工况，在确定设计波参数过程中，还需考虑波浪参数的敏感性分析，以避免确定的设计波参数不具有代表性，遗漏更危险的波浪条件。（5）系统集成设计

半潜式钻井平台在设计中需要引入集成设计理念，以任务系统“钻井系统”为核心，综合考虑各系统功能的实现和相互的接口设计，包括：实现平台沉浮的压载系统，抵抗环境条件实现钻井作业的锚泊和动力定位系统，提供电力需求的电站系统，维护内部环境的空调通风系统以及平台的“大脑”中央控制系统。通过各系统的集成设计，更好地为平台钻井作业服务。

3.2 钻探船主要设计要点

钻探船设计中需要关注的内容与半潜式平台类似，但在运动性能、阻力性能和动力定位能力分析方面需要特别注意钻探船的船型特点。

（1）运动性能分析

钻探船的运动性能分析可采用三维线性势流理论，但需要重点考虑月池效应。月池效应体现在静水力、势流、耦合和黏性等方面，需要月池模型结合阻尼修正来考虑。一般来说，月池对垂荡和纵摇响应影响有限，但会显著增加横摇响应，主要是由于月池会显著降低横摇运动的固有周期，故需特别注意。

（2）阻力性能分析

钻探船的航速一般为10~12 kn，阻力成分中摩擦阻力和黏压阻力占主要地位，兴波阻力所占比例较小，因此为了防止黏压阻力增加，需注意去流段的设计，还需关注月池开口的影响。

月池会显著增加钻探船航行时的阻力，需要在阻力估算中仔细考虑。船体航行时，月池内水体会发生垂荡或晃荡运动（短月池开口主要是垂荡运动，长月池开口主要是晃荡运动），航速越高、吃水越小、垂荡或晃荡运动的幅度越大，所引起的附加阻力就越大。图18 为某钻探船在不同吃水和航速下的月池附加阻力增加百分比。由图可见：在浅吃水和高航速情况下，月池附加阻力增加甚至可以达到100%。在阻力估算时必须加以重视，一般可采用CFD 或水池模型试验的方式进行确定。

图18 某钻探船月池附加阻力增加情况

经验表明，月池附加阻力与月池内流体运动的幅度呈正相关，因此月池附加阻力的改善可以从降低月池内流体运动的幅度入手，包括：改变月池流体运动方式，如改变月池形状、设置月池平台等；减少运动能量来源，如设置月池切口和突起、采取月池关闭措施等；增加运动阻力，如设置月池阻尼板、多孔舱壁等。

（3）动力定位能力分析

对于钻探船动力定位能力分析来说，需要关注环境载荷，特别是风载荷的计算。钻探船甲板设备布置密集，在采用传统模块法进行风载荷计算时，无法考虑遮蔽效应，而且对于斜向风载荷的计算误差较大。为更准确地计算风载荷，需要对传统模块法进行改进，需关注斜向风载荷的准确计算和设备间遮蔽效应的影响。

另外，钻探船定位能力对载荷方向特别敏感，从经济性考虑一般采取有利于首向的定位方式，需要对定位能力进行更精细化的分析。在获得定位环境载荷之后，考虑到钻探船多推力器、推力器类型、相互间的干扰等因素，需采用优化方法进行推力分配（推力器推力最小为优化目标），获得抗风能力和功率利用率曲线，为钻探船推力器配置和布置论证提供设计依据。

4 深水钻探装备技术发展趋势

4.1 新一代超深水钻井装备

海洋油气钻井装备已发展到了第7 代，对于下一代钻井装备的定义目前还不清晰。国外有从钻井作业指标提出钻机大钩载荷需达到1 500 st，防喷器压力等级需达到20 000 psi（137.9 mPa）。除此之外，笔者认为智能化技术的应用将是新一代钻井装备的显著特征。

对于钻井装备来说，智能化有现实的需求：一是降低人员成本的需要。钻井装备设备系统复杂，涉及的技术、知识繁多，需要大量的专业作业人员，定员多达150~200 人。提高智能化应用水平，加强辅助决策和自主决策能力，可有效减少上船人员及成本。二是提高作业效率的需要。基于历史经验的智能决策可以优化作业流程，提高作业效率。三是减少人员伤亡的需要。油气钻井作业危险性高，火灾、井喷事故造成的人员伤亡事故频发。应用智能化技术既可以提高安全水平，也可以将高风险作业活动采用智能化手段替代，减少人员伤亡。

中央控制系统是钻井装备作业控制中枢系统，其智能化应用具有广阔前景。图19 为某钻探船构建的智能中央控制系统集成平台，包括综合信息系统和综合监控系统，可实现对船舶系统、钻井系统和船载实验室系统的一体化智能管控。智能化技术的应用是一个循序渐进的过程，对于未来新一代钻井装备而言，智能化水平将成为重要的技术指标。

图19 某钻探船智能中央控制系统架构

4.2 海洋矿产资源钻探装备

在海洋矿产资源钻探装备领域，业界正在对泥浆闭式循环技术、新一代液压钻机和取芯技术方面进行积极探索和研究。

泥浆是深水钻探作业的重要材料，起到冷却钻头、携带岩屑和稳定井筒等作用。根据是否回收泥浆，钻井作业可分为无隔水管钻探和隔水管钻探两种方式。无隔水管钻探不回收泥浆，但存在污染海洋环境、岩屑堆积和钻探效率低的问题；隔水管钻探通过钻杆与隔水管之间的间隙回收泥浆，但隔水管较重，对钻机大钩载荷和船体可变载荷要求非常高，进而造成钻探装备的主尺度和排水量比较大，投资成本增加。

近年来，无隔水管泥浆闭式循环技术逐步得到发展和应用，其采用泥浆返流管线来代替隔水管完成泥浆回收，以接近无隔水管钻探作业方式的可变载荷实现隔水管钻探作业方式的效果，特别适合不需要防喷器的深海矿产资源勘探。目前，该技术在国外457 m 水深已有工程应用，在1 419 m 水深完成了试验测试。我国也非常重视该项技术的研究，正在开展2 000 m 水深的无隔水管泥浆闭式循环技术攻关和相关设备研制工作，并有望在不远的将来实现超深水工程应用，这对于进一步降低深水钻探装备的规模和成本具有重要意义。

钻机是钻井装备的核心任务系统，国内外钻井设备供应商正在开展新一代绿色环保液压钻机的研发工作。与传统的绞车提升钻机相比，液压钻机不仅更轻，而且由于通过液压缸驱动提升并同步实现升沉补偿，故还具有作业效率高、补偿能力强、响应速度快等特点。新一代绿色环保液压钻机性能将得到进一步提升，理论起下钻柱提升速度比绞车提升钻机提高40%以上，钻机装机功率仅为同等大钩载荷常规钻机的50%，在多海域作业适应性和节能环保方面具有显著优势。

取芯作业对于海洋矿产资源勘探至关重要。传统的取芯方式包括绳索取芯和提钻取芯，取芯效率较低。国内研究机构正在开展气举反循环取芯技术研究，其使用海水、高压空气作为循环介质，通过抽吸作用可实现不停钻取芯，将大大提升取芯作业效率。气举反循环取芯成本低，且取芯效率可比绳索取芯提高40%以上，更适合于深水和硬岩钻探取芯作业。

4.3 极地钻井装备

极地除了在航运上具有战略地位外，油气资源开发的需求也潜力巨大。北极地区蕴含着丰富的油气和矿产资源。据预测，北极海域石油储量约900亿桶，天然气储量约47万亿m，分别占全球石油和天然气储量的13%和30%。2016年8月，中海油服的海洋石油720物探船受俄罗斯业主委托，在北极巴伦支海北部首次成功完成了极地三维物探作业任务。随着物探作业的深入开展，未来极地钻井勘探作业需求将会提上日程，极地钻井装备需求前景广阔。

为保护极地脆弱的生态环境，国际海事组织颁布了《极地规则》，从船舶构造、设备、操作、搜救和环保等方面提出了诸多要求，提高了装备极地作业的准入门槛。除了《极地规则》影响，极地恶劣环境会对钻井作业带来诸多挑战，包括冰载荷、暴风雪和低温等对装备稳性、结构性能、定位能力、作业环境、可变载荷和泥浆性能等的不利影响，都需要在钻井装备设计中作出有针对性的考虑。挪威、瑞典和俄罗斯等国家在该领域开展了大量研究工作，我国相关领域研究才刚刚起步。国内正在开展极地钻井船设计和钻完井工艺技术研究工作，培育极地钻井装备的自主开发设计能力，以支撑我国未来极地钻井装备的建造和应用。

5 结 语

本文针对深海资源开发的钻探装备，介绍了半潜式钻井平台、深水钻井船和大洋钻探船等装备国内外的技术发展现状，分析了半潜式钻井平台和钻探船的主要设计要点，并展望了深水钻探装备的技术发展趋势。在深水钻探装备开发设计中，除了需要关注总体性能指标综合平衡、总体布置、重量控制、结构性能和主要系统的集成设计之外，还需考虑不同船型特征带来的特殊问题，比如：半潜式钻井平台总体方案论证需考虑气隙性能的满足，半潜式钻井平台结构设计需考虑立柱与下浮体、横撑、上甲板的连接节点设计，钻探船的运动性能和阻力性能分析需考虑月池的影响，钻探船的动力定位能力分析需考虑环境载荷的特点等。深水钻探装备未来的技术发展方向呈现出新技术应用和新领域拓展的特点，将在智能化技术应用、无隔水管泥浆闭式循环技术、高效取芯技术、绿色节能技术和极地环境适应性等方面取得突破和进展，有力推动深海资源的开发进程。

虽然当前海洋油气市场还处于恢复期，海洋矿产资源开发离商业化还有很长的一段路要走，但深海海洋资源开发的趋势没有改变，面临的挑战和机遇并存。此时，我们应做好深海开发装备的技术储备，加强科研攻关，强化自主可控，推动我国海洋资源开发技术和产业的可持续、高质量发展。