極地海洋工程裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

師桂杰，馮加果，康美澤，張正藝，劉圓

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中海石油（中國）有限公司，北京 100010；3.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；4.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074； 5.中國船級社天津分社，天津 300457）

一、前言

北極自然環(huán)境惡劣，存在低溫考驗、海冰阻礙、冰山襲擊、暴風(fēng)雪襲擊、生態(tài)環(huán)境脆弱、極夜困擾、能見度差等挑戰(zhàn)，因此，對極地海洋工程裝備提出了嚴(yán)格要求。北極具有豐富的油氣資源，2008年美國地質(zhì)調(diào)查局評估報告顯示，北極待發(fā)現(xiàn)石油900 億桶，占全球13%，天然氣4.7×1013m3，占全球30%。其中，俄羅斯儲量最大，約占58%，大部分為天然氣資源 [1]。本文主要分析用于北極海洋油氣開發(fā)的極地海洋工程裝備。

隨著北極海冰的消融，東北航道貨運規(guī)模提升，黃金水道價值逐漸體現(xiàn)，無冰級船舶通航時間從每年的7月初到9月底，PC4冰級以上可全年通航東北航道 [2]，北極油氣開采與運輸技術(shù)難度降低。由于北極油氣開發(fā)風(fēng)險高、投資大，降低油氣開發(fā)成本并保證安全唯有依賴高端極地海洋工程裝備。據(jù)統(tǒng)計，2012—2018年北極油氣開發(fā)投資的50%以上用于輸油管道建設(shè)，31%投資用于海工平臺建設(shè)，其中固定式平臺投資占75% [3]。近十年，北極油氣開發(fā)的重要油氣工程包括：加拿大紐芬蘭Terra Nova 與 White Rose、挪威Sn?hvit與Goliat、俄羅斯Sakhalin II與Yamal LNG等[4]。

目前，俄羅斯是北極油氣開發(fā)的主要推動者，其國家戰(zhàn)略視北極為能源戰(zhàn)略基地，通過制定政策降低北極油氣開發(fā)稅率，提高外資允許占比，吸引外方投資與技術(shù)服務(wù)。俄羅斯本土公司如諾瓦泰克、俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司、俄羅斯石油公司，法國道達(dá)爾公司，意大利埃尼集團，英國殼牌集團等非北極國家油氣企業(yè)紛紛搶灘北冰洋[5]。2014年，歐美對俄羅斯進行石油產(chǎn)業(yè)制裁[6]，包括限制投資或提供設(shè)備/技術(shù)出口，并延伸至已簽訂合作項目。俄羅斯迫切希望中方參與北極油氣資源開發(fā)，包括金融投資、油氣開采、裝備制造、能源運輸?shù)软椖亢献鳌?/p>

我國是世界貿(mào)易大國、能源進口大國與造船大國，參與北極油氣資源開發(fā)有利于我國經(jīng)濟發(fā)展、能源供應(yīng)與海洋裝備出口。但是，我國參與北極油氣開發(fā)時間晚且規(guī)模較小、極地海洋工程裝備能力弱、尚有關(guān)鍵技術(shù)仍未突破，不能滿足我國參與北極油氣開發(fā)的戰(zhàn)略需求。本文基于能源供應(yīng)與裝備出口等角度，分析我國極地海洋工程裝備的發(fā)展需求；結(jié)合總體油氣分布情況與開發(fā)現(xiàn)狀，分析極地海洋工程裝備的總體應(yīng)用現(xiàn)狀；圍繞北極油氣開發(fā)難點，分析并提出北極油氣裝備的關(guān)鍵技術(shù)；最后提出我國極地海洋工程裝備的發(fā)展建議，為國家及相關(guān)行業(yè)參與北極油氣開發(fā)提供參考。

二、我國極地海洋工程裝備的發(fā)展需求

（一）促進北極海上油氣開采，構(gòu)建北極能源進口的穩(wěn)定渠道

北極政治環(huán)境穩(wěn)定、海上航線較短，我國未來經(jīng)濟社會發(fā)展對油氣進口額度持續(xù)增加，對北極豐富的油氣資源存在重大需求，建立能源供應(yīng)的多元渠道是保障我國能源安全的重要措施。隨著北極油氣開發(fā)規(guī)模增加，“冰上絲綢之路”有望成為我國能源進口的主要渠道之一。發(fā)展極地油氣海洋裝備，通過裝備出口、工程服務(wù)、金融投資等多種方式深度參與北極油氣開發(fā)，為低價競爭北極油氣進口份額提供裝備支撐，有利于滿足我國社會經(jīng)濟發(fā)展對能源進口增長的硬性需求。

（二）降低北極油氣項目實施風(fēng)險，維護我國北極油氣投資安全

我國適時支持俄羅斯北極油氣開發(fā)，2013— 2016年收購俄羅斯北極Yamal液化天然氣（LNG）項目29.9%股份，提供銀行貸款總計120億美元，參與海洋裝備建造、油氣田工程服務(wù)、港口建設(shè)等項目。2019年中國石油天然氣集團有限公司與中國海洋石油集團有限公司分別收購俄羅斯北極LNG-2項目10%股權(quán)，未來北極LNG-3 ～ LNG-7項目仍是我國海外投資的重要方向。目前我國在北極直接投資規(guī)模超300億美元，巨額投資風(fēng)險不容忽視，油氣勘探不利、油氣泄露事故、裝備建造延期等均會導(dǎo)致項目推遲甚至失敗。依托我國完善的工業(yè)體系與科技體系，發(fā)展極地油氣海洋裝備技術(shù)，突破北極惡劣自然環(huán)境束縛，具備參與俄羅斯北極油氣開發(fā)的技術(shù)實力，才能更好地維護我國海外投資安全與投資收益。

（三）帶動極地戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動海洋強國建設(shè)

北極油氣開發(fā)的海洋裝備價值巨大，以正在開發(fā)的北極LNG-2項目為例，該項目新建重力式混凝土平臺、破冰型LNG運輸船、破冰型油船等裝備訂單總價超過120億美元。根據(jù)初步統(tǒng)計，計劃開發(fā)北極油氣項目超過10個，預(yù)計北極油氣海洋裝備未來訂單將超數(shù)千億美元，為船舶工業(yè)發(fā)展提供巨大市場。我國發(fā)展極地油氣海洋裝備，突破防寒保溫、破冰除冰、凍土鉆探、冰下通信導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，推動低溫新材料、極地裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對我國經(jīng)濟社會長遠(yuǎn)發(fā)展具有重大拉動作用。

（四）積累北極數(shù)據(jù)資料與作業(yè)經(jīng)驗，提升對北極環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知

我國參與北極油氣資源開發(fā)，帶動裝備技術(shù)與專業(yè)團隊進入北極，利用北極作業(yè)活動時機，加強北極環(huán)境與資源調(diào)查，全面掌握北極地質(zhì)、水文、聲電磁場、能源等分布，增強我國對北極科學(xué)認(rèn)知，開展國產(chǎn)極地油氣海洋裝備的實地評估，積累北極海上與海底的作業(yè)活動經(jīng)驗，提高我國在北極的應(yīng)急救援與國際治理能力。

三、極地海洋工程裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀

對于環(huán)北極國家，俄羅斯北極油氣儲量最大且開采態(tài)度最積極[7]，挪威北極油氣開采技術(shù)經(jīng)驗豐富 [8]，美國與加拿大對北極油氣開采具有不確定性，格陵蘭與冰島有預(yù)測儲量但未實質(zhì)開采。未來，俄羅斯、挪威、冰島、丹麥四國是我國未來參與極地資源開發(fā)的潛在合作國家，其中俄羅斯是最大合作伙伴，未來中俄能源貿(mào)易增量將主要來自北極海上。

（一）北極油氣勘探裝備

適合北極海上油氣勘探的裝備非常有限，主要采用抗冰鉆井船與抗冰半潛式鉆井平臺，還研發(fā)了圓形鉆井平臺概念設(shè)計，可全年在北極工作。北極油氣勘探海洋裝備主要設(shè)計因素包括海冰、波浪、水深、氣象與作業(yè)時間，其關(guān)鍵系統(tǒng)為鉆井裝置、海冰控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)和水下設(shè)備。

極地鉆井船具有甲板面積大、自給能力強、機動靈活等特點。2007年英國Stena鉆井公司委托韓國三星重工業(yè)株式會社建造全球首艘極地深水鉆井船DRILLMAX ICE IV，造價11.5億美元，相當(dāng)于2～3倍常規(guī)鉆井船造價。該船主尺度為船長228 m，排水量9.7×104t，設(shè)計溫度-40℃，PC5冰級，設(shè)計作業(yè)水深3000 m，最大鉆井深度10000 m，采用動力定位DP3，抵抗16 m海浪和41 m/s海風(fēng)。

極地半潛鉆井平臺適用于深水區(qū)，僅適用于低冰情區(qū)域。2001—2019年建造的極地半潛鉆井平臺見表1。 2014年，中集來福士海洋工程有限公司為中海油田服務(wù)股份有限公司建造的第四座深水半潛式鉆井平臺“中海油服興旺號”（COSL PROSPECTOR），該平臺型長104.5 m，型寬70.5 m，型高37.55 m，最大工作水深1500 m，最大鉆井深度7600 m，滿足冰級、環(huán)保和低溫作業(yè)要求，能夠在挪威北海的惡劣環(huán)境下作業(yè)。2015年，中集來福士海洋工程有限公司為挪威建造的極地半潛式鉆井平臺“維京龍”號，是我國建造的首座適合北極海域作業(yè)的深水半潛式鉆井平臺。該平臺最大工作水深500 m，可升級到1200 m，最大鉆井深度8000 m，配置了DP3動力定位系統(tǒng)和八點系泊系統(tǒng)，最低服務(wù)溫度為-20℃，滿足冰級需求。

表1 2001—2019年建造的極地半潛鉆井平臺

（二）北極油氣開發(fā)裝備

北極海上油氣開采模式包括海油陸采、固定式平臺、浮式平臺、海底開采四大類型[9]，見表2。北極油氣開發(fā)海洋裝備包括人工島、混凝土重力式平臺、浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）、浮式平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)等。

表 2 北極海上油氣開采模式

人工島主要用在美國、加拿大、俄羅斯北極近海區(qū)域，屬于海洋工程與土木工程的交叉領(lǐng)域。其優(yōu)點為建島速度快、成本低、有效場地面積更大，關(guān)鍵技術(shù)包括挖泥船冰區(qū)吹填、凍土施工、邊坡穩(wěn)定等。

混凝土重力式平臺是目前北極使用最廣泛的生產(chǎn)平臺，主要適用于淺水區(qū)（水深＜100 m）。典型代表為Hibernia平臺、Prirazlomnaya平臺、LNG-2平臺。其核心結(jié)構(gòu)為沉箱、立柱和上部甲板；其優(yōu)點為下部沉箱儲油，平臺依靠自身重量保持穩(wěn)定，抵抗海冰環(huán)境荷載能力和抗腐蝕能力更強。

FPSO應(yīng)用于北極冰情不是很嚴(yán)重的區(qū)域。優(yōu)點是具有抗風(fēng)浪能力強、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大、可移動、重復(fù)使用；缺點是受波浪、海冰等環(huán)境荷載影響較大。北極有4個在產(chǎn)項目使用FPSO，包括紐芬蘭島東部海域Terra Nova和White Rose、挪威海的Balder油田以及挪威巴倫支海的Goliat油田。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為深水油氣開采的主要方式。其核心設(shè)備包括水下井口、采油樹、水下管匯、跨接管、海底管道和立管系統(tǒng)等。其關(guān)鍵技術(shù)包括為防止海冰破壞，水下井口和管匯低于海床、管道與設(shè)備之間采用弱連接技術(shù)、管道埋深較大。挪威Sn?hvit項目是首個采用全水下系統(tǒng)開發(fā)的海上氣田，離岸距離145 km，水深250～345 m，2007年投產(chǎn)。

（三）北極油氣運輸裝備

海上輸油管道可串聯(lián)海上生產(chǎn)平臺與岸上設(shè)施、北極海上各平臺之間、水下井頭與生產(chǎn)平臺之間、生產(chǎn)平臺與附近裝載浮體之間、水下井頭與岸上設(shè)施之間等。海底管道是油氣生產(chǎn)的“血管”，串聯(lián)起海底井頭和海底生產(chǎn)設(shè)施，有利于減少分布式油田所需平臺的數(shù)量。

油氣資源的船舶運輸成本遠(yuǎn)低于海底管道，運輸范圍更加靈活。極地LNG船設(shè)計應(yīng)兼顧常規(guī)海況下的快速性、適航性以及冰區(qū)海況下的雙向破冰性能，通常采用吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進系統(tǒng)。LNG船艙主要采用球形和膜型兩種形式。2016年11月全球首艘北極專用LNG船“Christophe de Margerie”號順利完工，PC4冰級，連續(xù)破冰厚度達(dá)2.1 m，新造價為3.3億美元，約為常規(guī)LNG船造價的2倍。

（四）北極油氣作業(yè)保障裝備

后勤保障對于北極地區(qū)鉆井作業(yè)的順利進行至關(guān)重要，而極地供給船是確保后勤保障的關(guān)鍵。由于全年可鉆井時間短，鉆探成本高，需要保證鉆井裝置物資的持續(xù)供應(yīng)以實現(xiàn)鉆井作業(yè)的連續(xù)進行。具有代表性的是阿克爾北極技術(shù)公司開發(fā)的“ARC105”型破冰平臺供應(yīng)船，主要用于為海洋平臺和鉆井船提供物資及設(shè)備，進行破冰/冰區(qū)管理作業(yè)，具備防火和救援能力，為海洋結(jié)構(gòu)物提供救援和守護服務(wù)。

綜上，目前北極油氣勘探主要使用半潛式平臺，未來帶儲油功能的新型鉆井船將是發(fā)展方向。北極油氣生產(chǎn)主要采用人工島與重力式平臺，未來隨著走向深海，F(xiàn)PSO、Spar平臺與水下生產(chǎn)系統(tǒng)將是主流。考慮到北極后勤保障距離遙遠(yuǎn)，同時具有鉆井與生產(chǎn)功能的平臺將受到市場歡迎。北極油氣運輸采用海底管道的成本太高，破冰型油船/LNG船將是未來油氣運輸?shù)闹髁ΑO地海洋工程裝備在抗冰、海冰管理、應(yīng)急脫險、消防逃生、自給保障能力、環(huán)保性能等方面有特殊要求。

四、極地海洋工程裝備的關(guān)鍵技術(shù)

（一）北極海冰環(huán)境預(yù)報和海冰管理系統(tǒng)

北冰洋有常年不化冰蓋、當(dāng)年冰、大面積浮冰以及大塊冰山，海冰環(huán)境研究是極地海洋工程裝備設(shè)計建造以及作業(yè)的前提條件。北極海冰使結(jié)構(gòu)物設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn)，例如海冰對結(jié)構(gòu)物載荷、冰山碰撞安全性評估、冰水混合物中的航行性能評估等。研發(fā)特定作業(yè)區(qū)域的海冰監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展海冰分布遙感監(jiān)測、海冰漂移監(jiān)測、船基海冰力學(xué)性能采集系統(tǒng)、船載雷達(dá)冰情探測、冰下環(huán)境探測等關(guān)鍵技術(shù)，建立高精度海冰預(yù)報模型，準(zhǔn)確預(yù)測海冰的威脅程度。

為實現(xiàn)較長的有效作業(yè)時間，北極海洋裝備除提高抗冰撞能力之外，還應(yīng)配備完整的海冰管理系統(tǒng)。海冰管理系統(tǒng)指的是避免浮冰或冰山與海工平臺發(fā)生碰撞的海上活動總稱，包括海冰監(jiān)測與預(yù)報、冰情預(yù)警、破冰船舶管理等。研發(fā)作業(yè)區(qū)域周邊海域冰情預(yù)警系統(tǒng)，建立破冰船智能協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)，提高船隊的總體破冰效率，用于破碎、攔截、控制海冰，避免其對海洋裝備的破壞。

（二）極地海洋工程裝備基本設(shè)計技術(shù)

北極水域冬季最低氣溫低于-50℃，夏季最高氣溫一般低于5℃。極地海洋裝備的甲板機械設(shè)備及管系暴露在低溫環(huán)境下，會發(fā)生設(shè)備冰凍、管系結(jié)冰、滑油流動性減弱等問題。極地海洋裝備還會發(fā)生上浪結(jié)冰和低溫凍雨結(jié)冰，對平臺穩(wěn)性和人員露天活動安全帶來較大影響。重點攻關(guān)低能耗除冰、智能化除冰、防寒保溫、節(jié)能降耗等低溫防護與能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)，滿足低溫環(huán)境下的長周期作業(yè)需求。

作業(yè)/航行于冰覆蓋水域的海洋裝備經(jīng)常受到冰山、浮冰等碰撞與擠壓，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)提高抗冰能力，避免海冰破壞。由于調(diào)查、救助等作業(yè)需求，極地海洋裝備突破連續(xù)冰蓋束縛，需具備一定程度的破冰能力與推進能力。重點突破冰載荷預(yù)報與結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、大功率推進破冰技術(shù)、破冰下海作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)，滿足極地海洋裝備抗冰破冰需求。

北極油氣作業(yè)對海洋裝備的綠色環(huán)保、防寒保溫、抗冰破冰等提供了特殊需求，具有勘探、開采、儲存、油氣預(yù)處理等大型綜合功能平臺/船舶受到市場歡迎，長周期航行北極水域的破冰型運輸船成為極地開發(fā)首選裝備。圍繞北極油氣開發(fā)需求，開展新型極地平臺與船舶總體設(shè)計技術(shù)研究，突破開采處理儲油一體化平臺、高冰級船型設(shè)計、新型破冰船型設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，填補極地海洋工程裝備技術(shù)的空白。

試驗方法是進行冰載荷預(yù)報的主要手段，新型極地船舶/平臺航行性能、破冰性能、定位性能等評估通常依賴冰水池試驗。不同常規(guī)水池試驗，冰水池試驗還應(yīng)考慮試模擬冰的力學(xué)相似條件。由于在制冰工藝和制冷系統(tǒng)設(shè)計方面不同，冰水池模型試驗方法和相似外推方法也不同。重點突破極地海冰模擬制備、平臺抗冰性能測試等冰水池試驗技術(shù)，建立冰水試驗測試平臺和評估系統(tǒng)。

（三）極地海洋工程裝備動力與配套技術(shù)

極地海洋裝備動力裝置應(yīng)適應(yīng)低溫環(huán)境、偏遠(yuǎn)地區(qū)及其存在的海冰狀況等操作條件，避免船舶停滯或被海冰圍困進而引發(fā)海損或污染事故。柴電動力系統(tǒng)是目前全球破冰船的主流，核動力更有利于保證船上的推進、供電、供暖等需求，雙燃料動力代表未來綠色能源發(fā)展趨勢。重點發(fā)展極地船用LNG動力、核動力、全回轉(zhuǎn)推進器等動力與推進技術(shù)，服務(wù)于極地作業(yè)活動需求。

極地船舶/平臺在定位時會受到浮冰、風(fēng)、浪、流和潮汐等環(huán)境的聯(lián)合作用，可采用純動力定位、錨泊輔助以及純錨泊定位三種方式，最大限度支持海上鉆井采油工作順利進行。大塊冰山與大面積浮冰使油輪和鉆井平臺面臨危險，鉆井平臺應(yīng)具備隨時與油井?dāng)嚅_的能力。重點發(fā)展極地錨泊與動力定位、錨泊與動力定位聯(lián)合控制技術(shù)、高負(fù)載系泊快速脫離與重新連接等關(guān)鍵技術(shù)，滿足作業(yè)定位需求。

聲波是水下信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行лd體，水聲信號處理及聲吶設(shè)備研發(fā)在開發(fā)利用北極的活動中具有不可替代的重要作用，如冰下通信、導(dǎo)航、定位以及海洋環(huán)境、氣候聲學(xué)觀/探測等。通過研究冰下聲學(xué)物理特性與冰下水聲技術(shù)，解決極地環(huán)境下的聲場特性認(rèn)知、冰下網(wǎng)絡(luò)化水聲探測與通信機理等科學(xué)問題，研發(fā)極地分布式長期觀測平臺、冰下移動式聲學(xué)觀測平臺、極地潛標(biāo)及信息透冰通信系統(tǒng)、耐低溫傳感器、適應(yīng)極地環(huán)境的聲吶系統(tǒng)等極地水聲設(shè)備與系統(tǒng)，實現(xiàn)冰下遠(yuǎn)程水聲通信及組網(wǎng)，構(gòu)建冰下探測、通信、定位的一體化能力。

極地船舶建造離不開適應(yīng)極地惡劣環(huán)境的低溫鋼，其具有高強度、抗腐蝕、低溫止裂、易焊接、耐冰水腐蝕等特點。極地生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)格要求涂裝材料的環(huán)保性，船體采用耐冰磨損的低摩擦涂層，LNG工藝模塊采用特有涂層防止-196℃的液化天然氣飛濺到鋼結(jié)構(gòu)引發(fā)脆性斷裂。重點開展發(fā)展船用低溫高強鋼、低溫容器高強鋼、低溫非金屬密封材料、防疏冰涂層材料、輕質(zhì)保溫防火材料、耐低溫電纜材料等低溫材料，突破耐低溫、耐腐蝕、耐磨損、易焊接、高韌性等關(guān)鍵技術(shù)。

（四）北極海洋油氣鉆井系統(tǒng)與工藝

北極凍土給基礎(chǔ)施工帶來較大困難，凍土層是極地冷海鉆井作業(yè)的關(guān)鍵難題。凍土層鉆井難題包括：鉆井造成凍土層孔隙水融化，引起井壁坍塌；鉆井導(dǎo)致凍土層溫度升高，天然氣水合物分解，造成氣侵，嚴(yán)重時可導(dǎo)致井涌或者井噴。重點研制適用于凍土層鉆井的鉆頭、鉆井液、固井水泥漿等系列產(chǎn)品，同時推進低溫氣體鉆井、套管鉆井和隔熱套管等特殊工藝和設(shè)備的研究。

北極油氣開發(fā)主要使用坐底式平臺或人工島進行作業(yè)，為擴大平臺或人工島的開采面積，需采用大位移井進行油氣開發(fā)，目前大位移井的水平位移記錄已超過10 km。開展水平井眼延伸極限能力的制約因素研究，解決萬米大位移井井眼軌道設(shè)計與軌跡控制、防磨減阻等技術(shù)難題。

北極適合海上鉆井的時間窗口為每年的8月初到10月初，最大浪高十幾米，海域施工環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)浪大、氣溫低、大霧天氣多，地層復(fù)雜，給鉆井作業(yè)帶來了很大風(fēng)險。重點采用風(fēng)險分析方法，識別各風(fēng)險點的概率水平，制定可行的預(yù)備方案，實時掌握北極油氣鉆探的安全水平。

（五）北極海洋油氣水下系統(tǒng)與工藝

北極水下系統(tǒng)包括水下井口、采油樹、水下管匯、海底管道和立管系統(tǒng)等，為防止海冰破壞北極水下井口和管匯低于海床，管道與設(shè)備之間采用弱連接技術(shù)，集輸管道埋深較大，或上覆碎石/土保護。針對北極低溫、海冰等特殊海洋環(huán)境條件，開展北極海底管道和立管以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)基本設(shè)計技術(shù)研究，重點研究水下控制和通信技術(shù)、水下遠(yuǎn)距離供電技術(shù)、水下油氣集輸處理技術(shù)、水下管線總體設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，滿足油氣生產(chǎn)耐高壓、高防腐、大排量需求。

為擴展極地作業(yè)深度范圍，冰下作業(yè)潛器是重要發(fā)展方向，在船上/岸上操控潛器實現(xiàn)冰下數(shù)百米水深的探測、測繪、目標(biāo)識別、取樣等工作，還可用于鋪設(shè)水下通信系統(tǒng)與安裝水下模塊。研發(fā)冰下鉆井機器人、冰下遙控?zé)o人潛水器（ROV）、載人作業(yè)型潛器等裝備群，建立在北極水下活動的后發(fā)優(yōu)勢。

（六）北極海洋油氣事故救助技術(shù)

北極海上船舶海事事故偶有發(fā)生，導(dǎo)致燃油泄漏，破壞北極脆弱生態(tài)環(huán)境，為北極油氣開發(fā)敲響了警鐘。1989年3月，美國埃克森美孚公司的油輪“埃克森·瓦爾迪茲”號在阿拉斯加北極附近觸礁，原油泄出達(dá)8×106加侖（1加侖≈3.79 L）。2012年12月，殼牌集團的“庫魯克”號拖航至阿拉斯加灣時，拖繩斷裂、漂流擱淺、燃油泄漏。重點開展冰區(qū)溢油聲電磁探測技術(shù)、冰區(qū)溢油圍控回收處理技術(shù)、北極溢油應(yīng)急救援總體方案、冰下井噴封堵等研究，提高溢油事故防范和應(yīng)急處置能力。

極寒條件下海洋裝備消防逃生技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。北極海洋裝備普遍采用封閉保溫設(shè)計，有火災(zāi)隱患的設(shè)備設(shè)施安裝在室內(nèi)，易燃易爆內(nèi)部積聚，燃爆可能性增加。工作人員穿著厚重防護服，海洋裝備表面結(jié)冰與積雪，導(dǎo)致人員疏散困難。北極海上救援依靠破冰船、直升機等專業(yè)救助設(shè)備，海冰變化、復(fù)雜天氣均會增加救援難度。重點開展北極海上逃生、疏散和救援技術(shù)、救生設(shè)備配備、應(yīng)急救援后勤保障等研究，具備北極海上人命安全救助能力。

（七）極地海洋工程裝備的綠色環(huán)保技術(shù)

為保護極地海洋環(huán)境，國際海事組織（IMO）頒布的強制性規(guī)則《極地規(guī)則》已于2017年1月1日正式生效實施。其要求高于IMO現(xiàn)有國際海上人命安全公約（SOLAS）、國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）等要求。《極地規(guī)則》禁止或嚴(yán)格限制油類、化學(xué)品、生活污水、垃圾、食品廢棄物以及其他物質(zhì)的排放。北極國家嚴(yán)格限制油氣作業(yè)帶來的環(huán)境污染，俄羅斯規(guī)定在油氣鉆井作業(yè)過程中形成的巖屑、泥漿、生活污水、油污水、垃圾等均不能直接排放到大海中，通常采用拖輪運輸至陸地處理，避免對海洋環(huán)境的污染破壞。黑碳對環(huán)境的最大影響是其帶來的溫室效應(yīng)，對極地冰川消融作用尤為突出。加拿大、德國、芬蘭等國家圍繞測量方法、影響因素和減排技術(shù)開展研究，并建議IMO制定極地黑碳排放的控制措施，這將對船舶主機設(shè)計和減排控制技術(shù)產(chǎn)生影響。研究油氣作業(yè)廢水處理、黑碳排放控制等關(guān)鍵技術(shù)，滿足北極作業(yè)的綠色環(huán)保需求，形成符合我國利益的建議案，積極參與國際規(guī)則制定。

極地船舶/平臺在營運過程中需消耗大量能源。通過減少船舶阻力、提高推進效率、有效操作控制、引入清潔能源等方式，使極地船舶在同等效益下降低能源消耗，從而有助于提高船舶營運經(jīng)濟性、減少極地船舶營運所產(chǎn)生的氣體排放。突破極地綠色能源動力、研究蓄電池低溫續(xù)航能力與快速充電系統(tǒng)，滿足長周期冰區(qū)作業(yè)裝備的綠色能源需求。

五、我國極地海洋工程裝備存在的問題及技術(shù)發(fā)展重點

（一）存在問題

1.我國極地油氣海洋裝備自主研發(fā)能力薄弱

我國在極地海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)及裝備研發(fā)領(lǐng)域已具備一定基礎(chǔ)，具有北極巴倫支海夏季無冰/ 少冰期勘探經(jīng)驗、北極LNG核心模塊建造經(jīng)驗以及北極東北航道運輸經(jīng)驗，北極海洋油氣技術(shù)及裝備的自主研發(fā)工作已起步。但我國在北極油氣技術(shù)及裝備研發(fā)工作基礎(chǔ)仍十分薄弱，自主核心技術(shù)和核心裝備數(shù)量非常有限，特別是極地海洋裝備的基本設(shè)計幾乎處于空白，極地鉆井船、極地重力式平臺、極地LNG船等裝備均是設(shè)計建造空白區(qū)。

2.我國在北極油氣工程作業(yè)的經(jīng)驗較少

我國冰區(qū)油氣田作業(yè)主要集中在冬季渤海灣地區(qū)，冰厚小于90 cm，在冰區(qū)油氣田作業(yè)、抗冰平臺建造、海冰監(jiān)測管理等方面已有初步積累。相比渤海灣，北極冰層厚度、作業(yè)窗口期、后勤保障等方面具有顯著不同，渤海灣油氣裝備技術(shù)難以直接應(yīng)用于北極地區(qū)。由于缺乏足夠的技術(shù)儲備，我國參與北極工程投標(biāo)、設(shè)計與施工缺乏話語權(quán)，尚不具備北極油氣工程總包能力，難以主導(dǎo)北極油氣合作。

3.我國在北極油氣的合作項目非常有限

受歐美制裁，投資、設(shè)備與技術(shù)被迫退出俄羅斯北極油氣項目。我國具有海洋裝備制造優(yōu)勢、油氣消費市場需求，進軍北極油氣項目恰逢其時。但是，我國在北極油氣的國際合作項目非常有限，實際參與的北極油氣勘探海域局限在巴倫支海、喀拉海的個別區(qū)塊，尚未掌握北極油氣儲量與分布，缺少自主數(shù)據(jù)資料，無法準(zhǔn)確評估北極項目的可行性。我國實際參與北極油氣開發(fā)只有Yamal 1項，正在參與北極LNG-2項目，參與北極工程項目競標(biāo)缺乏話語權(quán)。我國只有從北極油氣項目的“參與者”成長為實際“作業(yè)者”，才能掌握北極油氣開發(fā)的決策權(quán)，才能帶動更多國產(chǎn)裝備產(chǎn)品與技術(shù)服務(wù)走向北極，才能保證我國安全、穩(wěn)定地獲得北極油氣戰(zhàn)略資源。

4.我國對北極油氣勘探開發(fā)的科研支持力度較弱

《中國的北極政策》白皮書指出，支持企業(yè)通過各種合作形式，在保護北極生態(tài)環(huán)境的前提下參與北極油氣和礦產(chǎn)資源開發(fā)，促進在北極海域石油與天然氣鉆采。北極海上油氣資源的勘探評估、開采運輸以及工程實施均離不開高端極地海洋裝備技術(shù)支持。自2012年以來，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部支持了極地船舶、極地潛器以及極地環(huán)境探測的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，立項支持極地裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)研發(fā)。但是，北極海上油氣資源高精度探測、工程地質(zhì)勘察、項目風(fēng)險評估、工程總體方案設(shè)計、海冰控制管理、冰下作業(yè)開采等一系列問題仍未解決，缺乏國家專項支持北極海上油氣開發(fā)，僅依靠企業(yè)自身力量研發(fā)，短期內(nèi)很難開拓北極油氣開發(fā)合作的新局面。

（二）技術(shù)發(fā)展重點

1.研發(fā)極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料

極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料包括低溫用高強鋼、低溫容器高強鋼、低溫非金屬密封材料、防疏冰涂層材料、輕質(zhì)保溫防火材料、耐低溫電纜材料等，突破耐低溫、耐腐蝕、耐磨損、易焊接、高韌性等關(guān)鍵技術(shù)，滿足極地特殊環(huán)境工程裝備需求。

2.研發(fā)極地船用綠色能源動力設(shè)備

研究極地船用LNG動力、核動力、全回轉(zhuǎn)推進器等大功率推進技術(shù)，研究蓄電池低溫續(xù)航能力與快速充電系統(tǒng)，滿足長周期冰區(qū)作業(yè)裝備的綠色能源需求；研究極地機械設(shè)備耐低溫可靠性，突破低能耗防冰凍和大面積除冰技術(shù)，提高船用設(shè)備低溫環(huán)境適應(yīng)性。

3.研發(fā)極地海洋裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)

研究極地船舶總體性能、冰載荷預(yù)報、結(jié)構(gòu)安全評估、新型破冰技術(shù)、防寒防凍、低溫潤滑密封等關(guān)鍵技術(shù)，提升高冰級船自主研發(fā)水平，帶動重型破冰船、極地LNG船、極地油船等重點船型發(fā)展；開展大型冰水池船模試驗技術(shù)研究，提高復(fù)雜海冰條件的模擬能力，檢驗新型船舶破冰性能、冰區(qū)航行性能與錨系泊定位性能，驗證船用設(shè)備低溫環(huán)境的適應(yīng)性。

4.研發(fā)極地油氣資源勘探開發(fā)裝備

研發(fā)極地物探船、極地鉆井船、極地重力式平臺、極地浮式儲油船等勘探開發(fā)裝備，提升極地海洋裝備研發(fā)設(shè)計水平，提高總裝建造的國際市場競爭力；研發(fā)極地水下生產(chǎn)系統(tǒng)與冰下作業(yè)潛器，突破大口徑低溫油氣閥門、低溫試驗檢驗、破冰下海作業(yè)、冰下探測等關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)極地油氣鉆井設(shè)備，突破極地凍土鉆探技術(shù)、固井技術(shù)、水力壓裂等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建極地冷海鉆完井作業(yè)與技術(shù)服務(wù)能力；研發(fā)海冰控制系統(tǒng)、溢油預(yù)警系統(tǒng)、溢油救助裝備等作業(yè)保障裝備，突破海冰監(jiān)測預(yù)報、海冰攔截破碎、極地溢油預(yù)防、極地溢油處理等關(guān)鍵技術(shù)，建立極地油氣泄露事故預(yù)防與應(yīng)急處理能力。

六、我國極地海洋工程裝備的發(fā)展建議

（一）把握中俄北極油氣合作窗口期，加快發(fā)展極地海洋工程裝備

依托“冰上絲綢之路”倡議，以北極油氣合作為抓手，把握中方參與俄羅斯北極油氣開發(fā)的戰(zhàn)略機遇，以極地海洋工程裝備為基礎(chǔ)和條件，通過技術(shù)服務(wù)能力提升，實現(xiàn)裝備與技術(shù)捆綁，提升中方參與的廣度與深度，推動建立北極能源進口渠道。

（二）成立“北極海上油氣勘探開發(fā)共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用創(chuàng)新”專項

以北極LNG-2項目為載體，圍繞北極海洋油氣裝備研發(fā)、設(shè)計、建造以及應(yīng)用面臨的系列問題，重點開展極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、極地船用綠色能源動力設(shè)備、極地海洋裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)與極地油氣資源勘探開發(fā)裝備研發(fā)，構(gòu)建我國北極油氣開發(fā)的裝備和技術(shù)體系，提升中國參與中俄北極油氣合作開發(fā)的作業(yè)能力。

（三）成立以中俄為主體、多方參與的“極地海洋油氣工程技術(shù)國際研發(fā)中心”

依托中俄雙方北極海洋油氣開發(fā)的石油公司，聯(lián)合工程設(shè)計公司、生產(chǎn)建造企業(yè)、高校院所等優(yōu)勢資源，建立極地海洋油氣裝備的穩(wěn)定研發(fā)團隊，開展長期持續(xù)科研攻關(guān)，打通“產(chǎn)學(xué)研用”的科研成果轉(zhuǎn)化渠道，對前沿技術(shù)與新型產(chǎn)品形成有效積累。該中心突破全產(chǎn)業(yè)鏈裝備及系統(tǒng)核心技術(shù)，推動關(guān)鍵設(shè)備與部件的國產(chǎn)化，組織成果展示、技術(shù)培訓(xùn)、人員交流等國際合作，推動中俄裝備研發(fā)及應(yīng)用合作的深度融合。

（四）建立中俄北極能源合資公司，促進“冰上絲綢之路”務(wù)實合作

建立中俄北極能源合資公司，開展特定油氣區(qū)塊的具體合作，以合作方與參股方的身份參與北極海洋油氣開發(fā)，帶動我國裝備全面進入北極海洋油氣勘探開發(fā)。同時，提升油氣開發(fā)裝備在通信、導(dǎo)航等方面的服務(wù)能力，促進冰上絲綢之路沿線互聯(lián)互通，為北極東北航線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供更經(jīng)濟的方案。