自升式鉆井平臺(tái)石油開采生力軍

海洋油氣資源的勘探開發(fā)，經(jīng)歷了從近海到遠(yuǎn)海、從淺海到深海的過(guò)程。受技術(shù)條件的限制，最初只能開采從海岸直接向淺海延伸的油氣礦藏。在能源危機(jī)和技術(shù)進(jìn)步的刺激下，近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展，海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進(jìn)，逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺(tái)是實(shí)施海底油氣勘探和開采的工作基地，它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。

海上鉆井平臺(tái)一般可分為固定式鉆井平臺(tái)和移動(dòng)式鉆井平臺(tái)。固定式鉆井平臺(tái)穩(wěn)定性好，海面氣象條件對(duì)鉆井工作影響小，但缺點(diǎn)是不能移動(dòng)和重復(fù)使用，其造價(jià)成本隨水深增加而急劇增加。為解決鉆井平臺(tái)的移動(dòng)性和深海鉆井問(wèn)題，又出現(xiàn)了多種移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，主要包括：沉墊式鉆井平臺(tái)、自升式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船等，其中自升式鉆井平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)的60％。自升式鉆井平臺(tái)由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)等組成，平臺(tái)能沿樁腿升降，一般無(wú)自航能力。工作時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)被抬起到離開海面的安全工作高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。完井后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起．整個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖輪拖到新的井位。因其定位能力強(qiáng)、作業(yè)靈活、可移動(dòng)性能好等特點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)海洋油氣勘探開發(fā)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

自升式鉆井平臺(tái)的基本組成

在海洋油氣資源開發(fā)過(guò)程中，自升式鉆井平臺(tái)主要用于打探油氣井，也可用于打生產(chǎn)井、修井作業(yè)，也可作為早期生產(chǎn)中的鉆采平臺(tái)，這些主要功能的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于其特殊部件如樁腿、升降系統(tǒng)、鎖緊裝置以及懸臂梁等的應(yīng)用。

樁腿及樁靴

樁腿是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵部位，當(dāng)自升式鉆井平臺(tái)實(shí)施作業(yè)的時(shí)候，需通過(guò)升降機(jī)構(gòu)將平臺(tái)舉升到海面以上安全高度，接著進(jìn)行樁腿的插樁，并由樁靴來(lái)支撐整個(gè)平臺(tái)。典型的自升式鉆井平臺(tái)有3個(gè)獨(dú)立樁腿，每個(gè)樁腿根部設(shè)計(jì)有樁靴。世界第一艘三樁腿自升式鉆井平臺(tái)“天蝎號(hào)”于1956年在美國(guó)建成并投入使用，該設(shè)計(jì)大膽采用了創(chuàng)新的桁架式樁腿及齒條和齒輪升降系統(tǒng)，該平臺(tái)型長(zhǎng)56.7米，型寬45.7米，樁腿長(zhǎng)42.7米，總重4000噸，是現(xiàn)代自升式鉆井平臺(tái)的雛形。

樁腿結(jié)構(gòu)有圓柱式、封閉式、桁架式等，新一代自升式鉆井平臺(tái)樁腿大多采用桁架式。桁架式樁腿能夠極大地減少水阻力和波浪載荷的影響，從而使作業(yè)水深得以大幅提升，能深達(dá)120米或者更深。桁架式樁腿多采用高強(qiáng)度鋼、大臂厚、小管徑臂厚比的主弦管和支撐管，管節(jié)點(diǎn)一般采用高強(qiáng)度、高剛度的“X”和逆“K”形，以減小節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

樁靴是獨(dú)立插樁式海洋自升式鉆井平臺(tái)在海上安全鉆井的關(guān)鍵，用來(lái)承擔(dān)海底對(duì)平臺(tái)的支撐力。自升式平臺(tái)依據(jù)其樁腿和樁靴的形式可分為2種：一是由樁靴支撐的，獨(dú)立桁架式樁腿的自升式平臺(tái)；二是席地支撐的自升式平臺(tái)，該席地將所有的樁腿連接在一起。

獨(dú)立桁架式樁腿的自升式平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是樁腿之間的機(jī)械獨(dú)立性。因?yàn)檫@個(gè)性能，平臺(tái)可以安裝在略微傾斜或不平的海底。整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定性就取決于其樁腿和樁靴的幾何形狀和直徑。樁靴的形狀和尺寸可根據(jù)作業(yè)的需求進(jìn)行不斷的更新改進(jìn)，其受力面設(shè)計(jì)更加趨于受力均勻，而且能夠承受更多的載荷要求。早期的樁靴形狀為罐體形狀，直徑在 5-10米左右，從上世紀(jì)70年代開始，逐漸演變?yōu)椤伴蠙烨蛐螤睢保ㄋ追Q錐形），直徑增加到了10-20米。

升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)中的關(guān)鍵部分，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中歷來(lái)受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全和使用效果。自升式平臺(tái)的升降系統(tǒng)大致分為兩大類：齒輪齒條電動(dòng)升降和孔穴插銷液壓升降。由于齒輪齒條式升降速度快、操作簡(jiǎn)單、易對(duì)井位，多為桁架式自升式鉆井平臺(tái)所采用。

齒輪齒條式升降系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)（主要包括齒輪齒條及相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)）和平臺(tái)升降控制系統(tǒng)等3大部分組成。動(dòng)力通過(guò)樁邊馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱，然后傳遞給與齒條嚙合的小齒輪．從而帶動(dòng)平臺(tái)的升降。

鎖緊裝置

所有的升降裝置都必須將環(huán)境、重力和運(yùn)行時(shí)的載荷在平臺(tái)與支腿之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。有些平臺(tái)是依賴起升的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，但是大部分平臺(tái)卻是只在起升時(shí)依賴齒輪，而其他多數(shù)時(shí)間是依靠鎖緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。

鎖緊裝置主要由夾鎖緊液壓缸、驅(qū)動(dòng)液壓缸及鎖緊塊等組成。通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)鎖緊塊與齒條接觸，并與齒條緊緊嚙合，通過(guò)上下兩鎖緊液壓缸將鎖緊塊緊緊夾住，這樣可將整個(gè)平臺(tái)的重量施加在鎖緊塊上，以固定平臺(tái)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將平臺(tái)與鎖緊塊聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)紐帶。在進(jìn)行升降操作時(shí)，松開上下部夾緊液壓缸，驅(qū)動(dòng)液壓缸回縮，即可將鎖緊塊與齒條脫開。

懸臂梁

自升式平臺(tái)的鉆臺(tái)已經(jīng)從早期的槽口式發(fā)展到當(dāng)今的懸臂梁式。懸臂梁平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造，大大提升了自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)功能，從傳統(tǒng)的純勘探鉆井發(fā)展到鉆完井作業(yè)、修井作業(yè)和鉆調(diào)整井等作業(yè)，大大減輕井口導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)承載量，減少導(dǎo)管架平臺(tái)的成本。目前，200米水深以內(nèi)大陸架海域的油氣開發(fā)有90％采用導(dǎo)管架生產(chǎn)平臺(tái)，所以懸臂梁鉆井平臺(tái)備受歡迎。目前，新建和待建的自升式鉆井平臺(tái)幾乎均設(shè)計(jì)成懸臂梁式鉆井平臺(tái)。

活躍在海洋石油開采的主力裝備

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)石油資源的需要也在迅速增加。目前，我國(guó)已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)，陸地油氣資源的勘探開發(fā)已接近飽和，油氣供求矛盾日益突出，能源安全已成為政治、經(jīng)濟(jì)、外交等重要的議題之一，向海洋進(jìn)軍，開發(fā)新的海洋油氣資源已是必然趨勢(shì)。我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線和廣闊的海域，在渤海、黃海、東海、南海等區(qū)域均蘊(yùn)藏著極為豐富的油氣資源，據(jù)有關(guān)部門估計(jì)，我國(guó)的海底石油資源領(lǐng)儲(chǔ)量約占全國(guó)石油資源儲(chǔ)量的10％-14%，天然氣資源量約占全國(guó)天然氣資源的25％-34%，由此可見，海上油氣資源的開發(fā)有著相當(dāng)可觀前景。

我國(guó)第一艘自升式鉆井平臺(tái)“渤海1號(hào)”由原船舶工業(yè)總公司708研究所完成設(shè)計(jì)，由大連造船廠于1971年建造完畢，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，其總長(zhǎng)60.4米，總寬32.5米，型深5米，井槽尺寸10.5 x l0.8米，作業(yè)水深30米，最大鉆井深度4000米，滿載排水量5700噸，吃水3.3米，采用4根圓柱形樁腿。此后，在“渤海1號(hào)”的基礎(chǔ)上，又成功設(shè)計(jì)并建造了“渤海5號(hào)”和“渤海7號(hào)”兩艘自升式鉆井平臺(tái)，平臺(tái)長(zhǎng)76米，寬46.6米，型深5.5米，井槽尺寸11 x 8.4米，滿載排水量6400噸，吃水3.5米，作業(yè)水深也增加到40米。兩船也采用的是4根圓柱形樁腿，并均獲得DNV和ZC雙重船級(jí)社的認(rèn)可，主要的性能都達(dá)到了當(dāng)時(shí)國(guó)際上同類鉆井船的水平。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)際油價(jià)飛漲，海洋油氣資源的勘探開發(fā)更加迫切。中國(guó)石油集團(tuán)公司于2004年成立海洋工程有限公司（簡(jiǎn)稱中油海洋公司），目的就是加快海洋油氣資源勘探開發(fā)步伐、持續(xù)推進(jìn)專業(yè)化重組的戰(zhàn)略部署。公司一成立就立即著手海洋石油鉆井平臺(tái)的研發(fā)工作，但當(dāng)時(shí)僅有一艘“港海l號(hào)”平臺(tái)（現(xiàn)改稱“中油海1平臺(tái)”）。公司于2006年8月開工建造作業(yè)水深40米的“中油海5號(hào)”，和“中油海6號(hào)”兩艘姐妹船。隨后又開建“中油海7號(hào)”、“中油海8號(hào)”兩艘自升式鉆井平臺(tái)，并分別于2009年l月底和2009年3月底交付使用。為滿足海上油氣勘探開發(fā)需要，進(jìn)一步提高海上勘探開發(fā)工程技術(shù)服務(wù)保障能力，2008年12月“中油海9號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)由大連船舶重工建造完成并投入使用，該平臺(tái)最大作業(yè)水深91.4米，最大鉆井深度7000米。緊隨其后“中油海10號(hào)”鉆井平臺(tái)也已于2009年7月投入使用，兩艘平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造均采用美國(guó)船級(jí)社和中國(guó)船級(jí)社現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則，大大提升了中國(guó)石油國(guó)內(nèi)外海洋資源的勘探開發(fā)能力。2010年4月28日，中國(guó)石化集團(tuán)公司“勘探六號(hào)”在新加坡勝科海事PPL船廠成功下水，“勘探六號(hào)”屬于BMPC-375型自升式鉆井平臺(tái)，是當(dāng)今世界上在建和投產(chǎn)平臺(tái)中技術(shù)較為成熟的型號(hào)之一，平臺(tái)可載員120人，最大作業(yè)水深115米，最大鉆井深度9144米，作業(yè)最大可變載荷3401噸，風(fēng)暴工況下最大可變載荷2948噸，于2011年投入使用。平臺(tái)建成后，能夠承擔(dān)中國(guó)石化近中期海洋勘探任務(wù)，同時(shí)也能對(duì)海外海域勘探作業(yè)提供支撐，并能為潛在區(qū)塊作業(yè)支撐能力提供堅(jiān)實(shí)的保障。“勘探六號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)建造項(xiàng)目是中國(guó)石化集團(tuán)公司根據(jù)其實(shí)施海洋油氣發(fā)展戰(zhàn)略的要求而投資興建的，平臺(tái)投入使用后，將進(jìn)一步優(yōu)化中國(guó)石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高其海洋工程板塊的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)海洋石油總公司是中國(guó)第三大國(guó)家石油公司，負(fù)責(zé)在中國(guó)海域?qū)ν夂献鏖_采海洋石油及天然氣資源，是中國(guó)最大的海上油氣生產(chǎn)商。近年來(lái)，公司對(duì)海洋石油資源的勘探開發(fā)投入不斷加大。2006年7月，“海洋石油941”在大連船舶重工集團(tuán)有限公司建成交付，無(wú)論是船型設(shè)計(jì)，還是主要設(shè)備配置都達(dá)到了當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平。該平臺(tái)作業(yè)水深為122米，是目前國(guó)內(nèi)作業(yè)水深最深的一座自升式海洋鉆井平臺(tái)，并可在惡劣的海況下作業(yè)，懸臂梁最大外伸22.86米，鉆臺(tái)左右橫向移動(dòng)各4.57米，鉆井深度超過(guò)9000米，一次定位就能鉆30多口井，它是世界上首次采用鉆機(jī)全變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、國(guó)內(nèi)首座具備高溫高壓井鉆探能力的鉆井平臺(tái)，其自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到世界級(jí)水平。2008年9月，同類型的鉆井平臺(tái)“海洋平臺(tái)942”也投入使用。

2008年年底，海洋石油工程青島有限公司場(chǎng)地相繼開建“海洋石油921”、“海洋石油922”、“海洋石油923”、“海洋石油924”4艘自升式鉆井平臺(tái)，是國(guó)內(nèi)首次批量生產(chǎn)的鉆井平臺(tái)，平臺(tái)為穩(wěn)固形的三角形結(jié)構(gòu)，并且有3個(gè)下角形桁架組成，型長(zhǎng)57.2米，型寬53.34米，樁腿長(zhǎng)94米，定員100人，作業(yè)水深60.9米，最大鉆井深度6000米，并可抗12級(jí)臺(tái)風(fēng)，全部按美國(guó)船級(jí)社（ABS）和中國(guó)船級(jí)社雙船級(jí)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)，2010年年底全部交付使用后，可在渤海及其他同類海域進(jìn)行作業(yè)，大大加快了中海油的海上油氣開發(fā)的步伐。目前，我國(guó)三大石油集團(tuán)正在使用的自升式鉆井平臺(tái)已接近30艘，雖然對(duì)早期從國(guó)外引進(jìn)的平臺(tái)做了改造，但改造也僅限于更換部分設(shè)備和改善生活設(shè)施，性能上沒有大的改變，何況部分己超齡“服役”。隨著海洋資源開發(fā)力度不斷地加大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的自升式鉆井平臺(tái)還是滿足不了需要。

未來(lái)發(fā)展前景

國(guó)內(nèi)海洋油氣勘探開發(fā)已從渤海灣逐步走向南黃海、東海、南海，并逐步走向世界。由于自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)水深的限制，作業(yè)也僅適用干大陸架（水深200米）的海域。但是，南黃海、東海以及南海大陸架水深大，作業(yè)水深在40米-60米以內(nèi)的鉆井平臺(tái)，并且部分服役已超過(guò)30年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足勘探開發(fā)的要求。

深水和超深水海域的油氣資源，正成為美國(guó)、英國(guó)、娜威等國(guó)競(jìng)相開發(fā)的熱點(diǎn)，深海油氣勘探開發(fā)被認(rèn)為是石油工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要前沿陣地，在墨西哥灣、巴西以及西非等地，深海石油開發(fā)已經(jīng)有了極大的發(fā)展。未來(lái)新一代自升式鉆井平臺(tái)的主要特點(diǎn)：(l）加大鉆井平臺(tái)的作業(yè)水深，作業(yè)水深將從目前122米，增至152-183米；(2）采用高強(qiáng)度鋼和甚高強(qiáng)度鋼，以降低平臺(tái)自重；(3）增大可變載荷和自持能力；(4）采用先進(jìn)的樁腿（包括樁靴）結(jié)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)；(5）配備鉆井能力更強(qiáng)、自動(dòng)化程度更高的先進(jìn)鉆井設(shè)備；(6）更加注重健康、安全、環(huán)保。

由于自升式鉆井平臺(tái)受樁腿的高度的限制，樁腿高度越高，抵抗風(fēng)浪的能力就越差，其穩(wěn)定性也隨之變差，因此不適合深海水域作業(yè)。未來(lái)半潛式鉆井平臺(tái)（SEMI）和鉆井船的出現(xiàn)，解決了深海區(qū)的鉆井問(wèn)題，前者優(yōu)點(diǎn)是在作業(yè)過(guò)程中，抵抗風(fēng)浪的能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，作業(yè)水深可達(dá)900-1200米，特別是在海況特別惡劣的深海海域，但不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，自持能力差。后者適用于較深海域作業(yè)，且移動(dòng)性能好、造價(jià)低、易維護(hù)。但缺點(diǎn)對(duì)風(fēng)浪極敏感、穩(wěn)定性差，對(duì)作業(yè)海域的海況要求較高。