海洋工程裝備關鍵技術和支撐技術分析

周 國 平

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引 言

海洋作為全球油氣資源開發的新領域，已經成為全球油氣資源重要的接替區。開發海洋油氣資源特別是深水油氣資源已作為國家的重要戰略舉措之一。我國已將海洋工程裝備產業列為培育發展的新興產業[1]，在“十二五規劃綱要”中要求優化海洋產業結構，培育壯大海洋工程裝備制造業。上海在“十二五規劃綱要”中將“積極發展海洋油氣開采、特種工程船等海洋工程裝備及關鍵配套系統”列為培育發展的戰略性新興產業[2]，積極創建和培育國家新型海洋工程裝備工業化基地，全面提升海洋工程裝備制造和科技自主創新能力和競爭力，實現上海海洋工程裝備產業新的歷史性跨越[3]。為此，上海市船舶與海洋工程學會組織了有關專家、學者針對《上海市海洋工程裝備產業發展戰略與對策研究》課題展開研究[4]，意在為國家和上海市有關部門制定規劃提供決策參考。本文針對主要海洋工程裝備，特別是深水海洋工程裝備，從技術研究的角度，作簡要闡述。

1 海洋工程裝備關鍵技術研究

1.1 自升式鉆井平臺

1.1.1 技術特征

自升式鉆井平臺是主體能自行至海面升降的平臺，屬于移動平臺，見圖1。其優點是鉆井作業平穩、效率高、造價相對低。缺點是樁腿長度有限，使工作水深受到限制。自升式鉆井平臺由船體、樁腿和升降裝置3部分組成。

鉆機布置在鉆井平臺懸臂梁上，可以懸伸到外面打井，作業水深在90m（300ft）以上大多是懸臂梁式鉆井平臺。船體決定了鉆井平臺的拖航浮力和艙室及甲板容量，可變載荷的大小。樁腿是自升式鉆井平臺最明顯特征，三條腿的占絕大多數，樁腿長度決定最大工作水深，作業水深超過50m大都采用桁架式，樁腿承受鉆井作業負荷。升降裝置是實現自升式鉆井平臺船體和樁腿相對垂直升降的重要機構，常用類型是由電機、齒輪和齒條等組成的機械式升降裝置，而由液壓馬達、油缸、定位銷等組成的液壓式升降裝置主要用在小型平臺上。

1.1.2 技術研究

懸臂梁式自升式鉆井平臺是發展主流，它便于在導管架上修井、鉆井、實現快速鉆井等。液壓驅動移動式懸臂梁，鉆臺在懸臂梁上沿縱橫向移動，一次定位能鉆數十口叢式井。鉆井設備的配置，一般采用頂部驅動裝置、大功率絞車、大功率泥漿泵、電驅動系統等，可整體提升鉆井平臺的作業能力，也為安全、快速鉆井提供了前提條件。

自升式鉆井平臺是近海石油勘探開發的主要鉆井平臺形式，主要關鍵技術有：1)總體優化設計；2)懸臂梁優化設計；3)樁腿高強度鋼應用研究；4)升降系統研究；5)建造技術研究。

圖1 自升式鉆井平臺（海洋石油941）

1.2 半潛式鉆井平臺

1.2.1 技術特征

半潛式鉆井平臺主要由浮體、立柱和工作平臺3大部分組成，見圖2。浮體提供平臺的大部分浮力，立柱用于連接工作平臺和浮體，支撐工作平臺。工作平臺即上部結構，用于布置鉆井設備、鉆井器材、起吊設備、直升式平臺、安全救生、人員生活設施以及動力、通訊和導航等設備。

深水半潛式鉆井平臺的可變載荷是衡量平臺性能的重要指標，因此，優化平臺設計，應用高強度鋼，減輕自重，增加可變載荷，可加大工作水深，鉆井更深。半潛式鉆井平臺僅立柱暴露在波浪環境中，抗風暴能力強，穩性等安全性能良好。采用動力定位系統后充分顯示出深水作業的優越性，但動力定位輔助加錨系泊定位或純動力定位都將消耗大量能源，使裝機總功率呈上升趨勢。在新鉆井設備、動力定位、電力設備、監測報警、救生消防、通訊等都得到發展的同時，鉆井作業的自動化、智能化、效率和安全性能等都有顯著提高。

1.2.2 技術研究

隨著海洋勘探開發向深水發展，對深水半潛平臺的設計技術提出了更高要求，如：適應更加惡劣海況、解決穩性與可變載荷的平衡矛盾、使平臺結構更趨合理簡潔、減少焊接缺陷和疲勞裂紋、采用高強度鋼以減輕自重、提高可變載荷量、設備材料的選擇、建造成本的控制、水動力性能和運動性能預報、強度和疲勞評估等技術研究，使深水半潛平臺的設計更優化，以趨向最佳。

半潛式鉆井平臺是深海水域進行油氣勘探開發的主要鉆井平臺形式之一，主要關鍵技術有：1)深水半潛式鉆井平臺優化設計；2)鉆井系統及設備配套技術；3)深水半潛式鉆井平臺控制系統集成技術；4)深水半潛式鉆井平臺定位技術；5)深水半潛式鉆井平臺建造技術。

圖2 深水半潛式鉆井平臺（海洋石油981）

1.3 鉆井船

1.3.1 技術特征

鉆井船是用于海上鉆井的船形浮式裝置，船體結構與普通船相類似，常為單船體式，也有雙船體式結構。鉆井船的“船井”開設在船體中央，處在縱橫搖的搖擺中心附近，見圖3。鉆井船分為自航鉆井船和非自航鉆井駁船兩類。鉆井船設有錨泊定位或動力定位系統，作業水深超過 500m，大都采用動力定位。在錨泊定位中有多點錨泊或中心轉塔式錨泊，中心轉塔錨泊可任意調節船首方向，使之正對風浪流方向以減少對鉆井船的影響。鉆井船在所有鉆井裝置中機動性最好，移運靈活，停泊較簡單，適應水深范圍較廣泛，一般從20～5000m乃至更深，特別適用深水、超深水鉆井作業。

鉆井船與半潛式鉆井平臺相比更側重于超深水作業，與半潛式鉆井平臺一樣配置了先進、可靠、安全的鉆井設備，如：大功率絞車、大功率泥漿泵、頂部驅動裝置、電控制系統、鉆臺輔助設備等，但鉆井船采取雙殼船體更趨向使用大功率、雙鉆井系統、高精度動力定位系統。目前鉆井船最大鉆井深度已達到11430m。

1.3.2 技術研究

隨著鉆井水深和鉆井深度的不斷增加，鉆機的鉆深能力也不斷加大，配套的鉆機功率也不斷增大。鉆井船受風浪影響大，穩定性差，搖擺幅度大，海況條件對正常鉆井作業有較大限制，解決在高海況惡劣環境條件下的耐波性能、提高減搖性能是鉆井船技術研究中的關鍵問題之一。主要關鍵技術有：1)總體優化設計；2)鉆井系統及設備配套技術；3)控制系統集成技術；4)高海況耐波性能；5)建造技術。

圖3 鉆井船

1.4 張力腿平臺

1.4.1 技術特征

張力腿平臺（TLP）是一種垂直系泊浮式平臺，是深水順應式平臺的一種典型形式，見圖4。張力腿平臺通過張緊纜索或張力腱將浮式半潛平臺結構系于海底，適用于 150～2000m水深海域。張力腿平臺由平臺上體、浮體、張力腿、上部設施組塊、頂張力井口立管、懸鏈式立管（外輸/輸入）和錨樁基礎構成，船體通過由鋼管組成的張力腿與固定于海底錨樁相連。船體浮力使得張力腿始終處于張緊狀態，從而使平臺保持垂直方向穩定。

由于浮力由立柱和位于水面以下的浮箱提供，浮箱位于水面下較深處，受表面波浪力影響較小，因此張力腿平臺自由浮動時的穩定性較好，張力腿與立柱一一對應，每條張力腿由2～4根張力筋腱組成，上端固定在平臺本體上，下端與海底錨樁相連。采油井位于平臺本體的中部，支持采油干樹系統，生產立管通過采油井，上與生產設備相接，下與海底油井相接。

張力腿平臺根據油氣處理方式及外輸形式，可以與不同的海工設施進行組合：1)TLP+外輸管線，依靠外輸管線將油氣送往岸上設施，這是TLP常用的開發模式；2)TLP+浮式卸油終端，使用穿梭油輪將原油外運；3)TLP+FPSO，這種方式適合于大型油氣田的開發。

1.4.2 技術研究

張力腿平臺的動力響應問題在設計中非常重要，運動性能的優劣會直接影響到TLP的設計形式以及結構用鋼量等，張力腿平臺動力響應分析包括波頻響應、低頻響應、高頻響應等。系索問題也是TLP設計研究的關鍵技術之一，主要是系索的形式、安裝、受力分析及可靠性等方面的分析研究。

張力腿平臺在深水和超深水海洋油氣勘探開發時可與海工設施靈活組合，是油氣處理及外輸的主要鉆井平臺形式之一，主要關鍵技術有：1)總體優化設計；2)系泊系統技術；3)動力響應分析；4)油氣處理外輸形式；5)建造技術。

圖4 張力腿平臺（TLP）

1.5 立柱式平臺

1.5.1 技術特征

立柱式平臺（Spar Platform）的主要特點是：主體吃水很深，水線面相對較小，在系泊系統和主體浮力控制作用下，6個自由度上的運動固有頻率都遠離海洋能量集中頻率范圍，從而有效減少波浪引起的平臺垂蕩，具有良好的運動性能；柱體底部裝有壓載使平臺重心低于浮心，保證了平臺穩性和垂向穩定，減少縱搖；平臺中部側面布置錨泊系統以錨泊在海底，從而減少平臺的縱蕩和垂蕩。與其他深水平臺相比，Spar平臺的系泊系統投資成本可降低一半左右，因而成為當今國際海洋工程領域的研究熱點之一。

Spar平臺主體為垂直懸浮于水中的立柱體或組合主體，主要由頂部甲板模塊、主體結構、系泊系統和立管系統組成。Spar平臺使用剛性懸鏈線立管通過海底采油裝置進行油氣開采，同時利用剛性懸鏈線立管或柔性立管通過海底管網系統將油氣送往岸上處理，或利用穿梭油輪、附近FPSO等聯合進行油氣處理和輸出。Spar平臺系泊系統一般采用多根半張緊的懸鏈線系泊纜，導纜器位于重心附近，海底處使用抓力錨或吸力錨基，見圖5。

1.5.2 技術研究

Spar平臺運動響應技術分析主要研究垂蕩運動、縱蕩/橫蕩、縱搖/橫搖、首搖和渦激振蕩。系泊系統設計分析主要研究渦激振動對系泊系統的影響。疲勞強度分析主要集中在頂部模塊同Spar筒體間連接、桁架同硬艙/軟艙間連接等關鍵節點上。Spar平臺與海底管道立管及浮筒的相互作用以及在運輸、建造、安裝中的技術問題也需進行研究。技術研究的主要內容：1)總體優化設計；2)系泊系統技術；3)動力響應分析；4)理論研究與模型試驗技術；5)建造和安裝技術。

圖5 立柱式平臺（Spar）

1.6 浮式生產儲卸油裝置

1.6.1 技術特征

“這幫人們，都干啥去了！”他返回洞里，氣哄哄地往地上一坐，“他們難道不知道缺了兩個人嗎？可是師父該知道的呀！師父該讓人來找咱們呀！”

FPSO（浮式生產儲卸油裝置）由錨系到海底的大型油輪型駁船構成。FPSO通常與井口平臺或海底采油系統組成完整的采油、原油處理、儲油和卸油系統。FPSO具有投資省、建造周期短、遷移方便、可連續生產、重復使用等優點，適應水深條件范圍非常廣泛，具有風標效應，被廣泛應用于環境條件比較惡劣的海域。

FPSO主要包括系泊系統、船體部分、油生產設備、艉卸載系統等幾個部分，見圖6。系泊系統有單點系泊、多點系泊、動力定位系泊，單點系泊系統有浮筒式系泊系統、轉塔式系泊系統及塔架式系泊系統。船體按特定要求新建或改裝，用于儲油的油船或駁船；油生產設備是由采油設備和儲油設備，及油氣水分離設備等組成；艉卸載系統包括卷纜絞車、軟管絞車等，用于與固定穿梭油船的連接，將FPSO儲存的原油卸入穿梭油船。

1.6.2 技術研究

FPSO關鍵技術主要包括系泊系統、外輸油系統、生產工藝系統及船體結構等。深水超大型 FPSO除考慮結構強度與疲勞強度外，還要考慮船體極限強度要求。隨著海洋工程裝備不斷發展，新型的FPSO不斷涌現，如：FPDSO（浮式生產鉆井存儲裝置）把油氣鉆井設備并入 FPSO裝置中，LNG FPSO是浮式液化天然氣生產、儲存、卸載裝置；LNG FSRU 是浮式儲存與再氣化裝置。主要關鍵技術有：1)總體優化設計；2)系泊系統技術；3)外輸系統技術；4)油氣處理系統技術；5)FPDSO的鉆井系統技術。

圖6 FPSO（海洋石油113）

1.7 海洋工程作業船

1.7.1 技術特征

海洋工程作業船是指能獨立從事海洋工程作業，為海洋油氣勘探開發工程系統提供配套裝備工程作業和技術支持服務的工程船舶，主要有：海洋資源調查船、地球物理勘探船、天然氣水合物綜合調查船、海洋工程起重船、導管架下水駁、大型半潛運載船、深潛水作業支持船、海洋工程鋪管/纜船、海底開溝埋管船、海洋工程綜合勘察船（見圖7）、水下工程作業船、海洋工程綜合檢測船、海上油田運行維護支持船等。

隨著海洋油氣勘探開發迅速發展，為海上工程提供配套裝備工程作業和技術支持服務的工程船舶，得到了快速發展，并逐漸趨向于多樣化、復合化和智能化。特別是近幾年來，海洋油氣勘探開發從淺海逐步擴展到深海，滿足深水作業要求的海洋工程作業船舶已成為當前急需開發研究的項目之一。海洋工程作業船舶船型品種較多，涉及范圍較廣，其不同船型特性，高新技術含量也各不相同，船型個性化因素突出。

海洋工程作業船的技術研究，旨在開發出適應于我國海洋石油工業的發展，滿足海洋石油和天然氣勘探、開采工程要求，特別是我國南海深水區域海洋油氣勘探開發作業要求，能為之提供各種配套裝備工程作業和技術支持服務的海洋工程作業船舶。如：1)深水多功能水下工程作業船；2)大型海洋資源綜合調查船；3)深海天然氣水合物綜合調查船；4)海底開溝埋管船。

圖7 深水工程勘察船（海洋石油708）

1.8 海洋工程輔助船

1.8.1 技術特征

海洋工程輔助船是指為海洋油氣勘探開采工程裝備提供配套服務的輔助工程船舶，主要有：三用工作船、平臺供應船、油田守護船（見圖8）、海工遠洋拖船、破冰工作船、油田消防船、浮油回收船、多功能營救船、油田交通船等。隨著海洋油氣勘探開發迅速發展，為海上工程裝備提供配套服務的輔助工程船舶，同樣得到了快速的發展，正朝著多品種化、多功能化、高智能化、全自動化等方向發展，成為海洋油氣勘探開采工程中不可缺少的一個組成部分，特別是近幾年來，海洋油氣勘探開發從淺海逐步擴展到深海，海洋工程輔助船舶同樣要適應海洋工程裝備深水作業要求，已成為當前急需開發研究的項目之一。

1.8.2 技術研究

新型海洋工程輔助船的技術研究，特別是我國的海洋油氣勘探開發已逐漸向深海區域發展，深水海洋工程輔助船必須以更強大的作業支持功能與之相匹配，技術研究主要是針對不同的海洋工程裝備作業配套要求、不同的船型特性進行個性化技術研究，針對不同需求開發新船型，并對大功率推進、電力推進、快速性能、系柱拖力、抗風浪性能、耐波性能、動力定位、大型拖曳設備配置和多種特種作業功能等技術進行綜合分析和專題開發研究[5]。技術研究主要是開發船型，如：1)深水多功能三用工作船；2)深水多用途供應船；3)新型多功能深水油田守護船；4)大型深水中轉站型供應母船。

圖8 電力推進油田守護船（海洋石油623）

2 海洋工程裝備支撐技術研究

2.1 動力定位系統

2.1.1 技術特征

動力定位系統是海洋工程裝備技術研究中的主要支撐技術研究之一，是深水海洋油氣勘探開采、海底工程作業、水下打撈、海洋資源調查、海洋工程起重、海洋工程管纜鋪設、深潛水作業支持、水下工程作業和海底綜合檢測等海洋工程作業不可少的手段。

動力定位系統由測量、控制、電源及推進系統等組成。具有保持指定位置、目標定位、自動搜尋最佳船首位置、轉向點跟蹤、ROV自動跟蹤、變換回轉中心、自動航行和平行移動等功能。中國船級社對動力定位系統分為DP-1、DP-2和DP-3三級[6]。

2.1.2 技術研究

動力定位系統技術研究主要針對產品研制和技術應用，模塊化設計和研制，故障模擬分析，浮動式平臺動力定位推進器和推進器之間的相互作用，推進器和船體的相互作用，環境力和低頻運動，深水錨泊和動力定位系統組合的技術研究。主要關鍵技術有：1)控制系統的設計與研制；2)執行機構的國產化；3)安全性及可靠性；4)理論研究與試驗手段。

2.2 深水錨系泊系統

2.2.1 技術特征

深水一般是指水深在500～1500m之間的水域，1500m以上為超深水。我國南中國海油氣資源勘探開發的海域水深在500～2000m，最大水深在3000m以上，平均水深在1200m以上。常規水深的海上定位，是錨系泊系統。深水及超深水錨系泊系統主要有柔性和剛性兩種錨系泊形式，柔性錨系泊形式為懸鏈線系泊系統，見圖9。剛性錨系泊形式為張緊式系泊系統[7]，見圖10。深水錨系泊系統是海洋工程裝備技術研究中的主要支撐技術研究之一。

圖9 懸鏈線系泊系統

圖10 張緊線系泊系統

在作業水深 1000m以內常使用錨鏈加置入鋼纜的懸鏈線系泊方式，也采用錨鏈加置入纖維纜索的懸垂線系泊或張緊線系泊方式，選擇拖入式埋置錨。超過 1000m水深通過置入合成纖維纜索來減輕系泊線質量，除懸鏈線系泊方式外，更多選擇張緊線系泊方式，系泊線以 45°大角度進入海底，系泊錨主要有垂直負載錨、吸力錨、動態重力穿刺錨。1500m以上超深水水域主要采用錨鏈加置入纖維纜索作為系泊線，建立張緊線系泊系統，采用垂直負載錨、吸力錨、動態重力穿刺錨等。

2.2.2 技術研究

懸鏈線系泊系統即為傳統展開式錨泊系統，定位的復位力是靠錨泊纜的重量產生。張緊式系泊系統定位的復位力量是靠錨泊纜的軸向彈性產生。合成纖維纜索具有強度/重量比大、彈性好、成本低等優點，已廣泛代替鋼纜用于懸鏈線系泊或張緊式系泊，但其相關機理特性、動力因素模擬等需進行更深入研究，為深水及超深水系泊提供更有效和更精確的理論支撐。主要關鍵技術有：1)深水、超深水錨系泊系統選型與配置；2)懸鏈線系泊系統設計與分析；3)張緊式系泊系統設計與分析；4)深水、超深水錨系泊作業方法及規程；5)錨系泊系統關鍵設備的國產化；6)高強度合成纖維纜索的開發應用。

3 結 語

海洋工程是建設世界造船大國和強國的重要一環，目前海洋工程市場前景普遍看好，發展海洋工程裝備正當其時。必須以科學發展觀為指導，以引進消化吸收再創新為重要手段，進行深層次自主研發，研究設計出具有自主知識產權的、主要技術經濟指標達到或接近國際先進水平的120m以上水深自升式鉆井平臺、深水半潛式鉆井平臺、超大型和特殊需求 FPSO、深水海洋工程作業船和輔助船等海洋工程裝備，在深水浮式鉆井船、張力腿平臺（TLP）、柱狀式平臺（Spar）自主研發設計和建造上取得突破，動力定位系統自主研制取得實質性進展，深水錨系泊系統技術取得深海工程作業實際經驗，使設計、制造、安裝、檢驗和配套等技術有進一步的提高，縮小與世界先進水平的差距，從而全面提升我國海洋工程裝備開發設計能力和制造技術水平。

[1]國家發改委等4部委編制. 海洋工程裝備產業創新發展戰略（2011-2020）[Z]. 2011.

[2]上海市造船工程學會. 船舶行業技術發展報告[R]. 2009.

[3]上海市船舶與海洋工程學會. 上海船舶與海洋結構物設計制造學科發展報告[R]. 2011.

[4]上海市船舶與海洋工程學會. 上海市海洋工程裝備產業發展戰略與對策研究（未定稿）[Z]. 2011.

[5]周國平. 海洋工程輔助船研發構想[J]. 上海造船，2009, (4)∶ 4-8.

[6]中國船級社.鋼質海船入級與建造規范[S]. 2009.

[7]陸忠杰，周國平. 深水錨系泊作業技術應用初探[J]. 船舶設計通訊，2011（增刊）∶ 67-72.