我國海洋油氣鉆井裝備技術現狀及展望*

趙濤 黃元元 賈向鋒 李亞偉 喬維鶴 魏峰 侯和杰

(寶雞石油機械有限責任公司)

0 引言

2020 年，我國已成為世界第二大石油消費國和第三大天然氣消費國，原油對外依存度達到了創歷史的74%，天然氣對外依存度超過了40%，能源安全形勢異常嚴峻。隨著陸地石油資源的持續大規模開采和儲量的不斷減少，海洋油氣資源的開發將成為我國“十四五”期間油氣資源開發的主要增長點，而海洋鉆井裝備的技術水平則直接決定著海洋油氣開發的進程。目前，國內在役的深水鉆井平臺中，90%以上的鉆井裝備進口國外，這已經嚴重制約了我國海洋油氣勘探開發特別是深水油氣開發的進程。為了促進海洋油氣鉆井裝備技術進步，加快海洋油氣勘探開發裝備的國產化步伐，筆者對我國海洋鉆井裝備的整體技術發展現狀和主要鉆井裝備進行了深入分析，指出了我國與國外存在的差距和不足，并提出了后續海洋鉆井裝備的發展方向及發展建議。

1 我國海洋油氣鉆井裝備技術現狀

我國海洋石油工業起步于20 世紀50 年代的鶯歌海。1982 年中國海洋石油總公司正式成立，標志著我國海洋石油工業跨上新臺階。1984 年，我國自主設計、建造的國內第一座半潛式鉆井平臺“勘探三號”交付使用，其最大作業水深200 m，最大鉆井深度6 000 m。平臺鉆井系統的核心裝備海洋動態井架和鉆井泵由寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司) 生產配套，這是我國最早的國產海洋鉆井裝備[1－2]。

進入21 世紀，隨著我國海洋油氣勘探開發業務的大幅增長，海洋鉆井裝備技術得到了快速發展。從技術研發模式來講，先后經歷了仿制、部分研制、自主研制和創新研制4 個階段[3]。從技術路線而言，由早期的機械傳動和直流電驅動技術逐步發展為交流變頻電驅動和液壓驅動等先進技術，并不斷向自動化及智能化方向延伸。國內部分油氣鉆井裝備制造企業目前已經具備了淺水海洋鉆井裝備的設計制造和總包集成能力，正在向深水鉆井裝備領域不懈探索。

1.1 淺水鉆井裝備技術現狀

淺水鉆井平臺一般適應的工作水深為150 m 以內，主要包括坐底式平臺、導管架平臺和自升式平臺等，也包括淺灘和人工島等作業模式的固定平臺，其配套的鉆井設備主要為模塊鉆機或鉆修機。其中，導管架平臺和坐底式平臺的鉆井系統裝備已經全部實現了國產化。國內寶石機械公司于2002年為中海油“惠州19－3”平臺自主研制了我國首臺7 000 m 成套海洋模塊鉆機，目前的四川宏華石油設備有限公司和蘭州蘭石石油裝備工程有限公司等已具備了鉆深9 000 m 及以下模塊鉆機的供貨能力，特別是國產變頻器自2015 年開始陸續在海上獲得應用，打破了西門子和ABB 等國外公司的長期技術壟斷。寶石機械公司已累計交付海洋模塊鉆修機系統90 余套，占國產海洋鉆修機交付數量的70%以上，是我國海洋鉆修機領域的技術引領者，可提供鉆深12 000 m 及以下的海洋模塊鉆機。自升式平臺鉆井系統的塔式井架、絞車和鉆井泵等常規設備國內均可自主生產，寶石機械公司曾在2010—2015 年完成了6 套91.5 m(300 ft)自升式鉆井平臺EPC 總包，所用鉆井系統裝備均自主生產；大連遼河重工(現已破產重組) 在2011—2015年自主建造了2 座91.5 m(300 ft)和121.9 m(400 ft)自升式鉆井平臺，鉆井系統裝備也全部國產，但未配置全套管柱自動化處理系統，僅配套了鐵鉆工、液壓吊卡和動力卡瓦等單元設備。總體來看，淺水鉆井裝備國內企業基本可以實現自主生產配套[4]。

1.2 深水鉆井裝備技術現狀

深水鉆井平臺主要包括張力腿平臺(TLP)、立柱式平臺(SPAR)、半潛式平臺和鉆井船等。隨著工作水深的不斷增加，TLP 平臺和SPAR 平臺在適應性及經濟性等方面已經沒有優勢，當前全球主流的深水和超深水鉆井平臺主要以半潛式平臺和鉆井船為主。國內在役的半潛式鉆井平臺共有18座，其中中海油12 座，中石化2 座，工銀租賃2座，中集來福士2 座，如表1 所示。除南海2 號平臺的鉆井泵、勘探三號平臺的井架和鉆井泵為國產外，其余鉆井裝備均由國外提供。鉆井船方面，上海船廠2012 年為荷蘭OOS Energy 公司建造了“TIGER－1”號深水鉆井船，其最大作業水深為1 524 m，最大鉆井深度為10 000 m，搭載的鉆井系統設備中，升沉補償系統、頂驅和管柱處理系統等設備進口國外，其余的井架、絞車和鉆井泵等常規設備由四川宏華石油設備有限公司提供。

表1 國內在役的半潛式鉆井平臺概況Table 1 Overview of semi-submersible drilling platforms in service in China

國際上半潛式鉆井平臺已發展到第七代，其顯著特點是采用DP3 動力定位，雙井口作業模式，配備雙鉆井提升系統，作業水深超過3 658 m，最大鉆井深度超過12 192 m。目前全球最先進的半潛式鉆井平臺為中集集團煙臺來福士船廠建造的“藍鯨Ⅰ號”和“藍鯨Ⅱ號”超深水半潛式鉆井平臺。該平臺以Frigstand D90 為基礎設計，由中集來福士完成詳細設計和建造，主要鉆井設備全部進口美國NOV 公司，其最大特點是采用雙井口油缸舉升式全液壓鉆井系統，作業效率可提升30%[5]。

1.2.1 海洋動態井架

海洋動態井架主要有單井架、一個半井架、主輔井架和雙主井架等4 種，目前國際上主流的深水鉆井平臺或鉆井船均采用雙聯井架模式。雙聯井架通常分為兩種:一種為全液壓雙聯井架，是挪威Aker MH 公司的專利產品；另一種為變頻絞車提升的雙聯塔式井架，是美國越洋鉆探公司(Transocean) 的專利產品。全液壓雙聯井架采用多組液壓油缸提升系統，代替了傳動的絞車提升系統，具有體積小、質量輕、噪聲低、自動化程度高以及安全性好等優勢。目前國內還未自主建造過此種井架。四川宏華石油設備有限公司在2012 年曾為“TIGER”鉆井船提供了1 套額定載荷6 750 kN 的深水塔式井架，但未進行工程應用；寶石機械公司2018 年承擔了國家工信部項目“第七代半潛式鉆井平臺創新專項”，已完成了額定載荷11 500 kN的雙聯塔式井架設計，但未投入建造[6]。

1.2.2 鉆井泵組

目前的浮式鉆井平臺或鉆井船通常配套4～5臺1 617 kW (2 200 hp) 高壓鉆井泵或3～4 臺2 205 kW (3 000 hp) 高壓鉆井泵。國內大功率高壓鉆井泵技術比較成熟，寶石機械公司在2005 年研制出了國內第一臺1 617 kW 三缸高壓鉆井泵，2010 年研制出了國內第一臺2 205 kW 三缸高壓鉆井泵，近幾年又先后開發了1 617、2 205 kW 五缸高壓鉆井泵，年產量達600 臺以上，是國內最大的鉆井泵供應商；四川宏華石油設備有限公司也開發了1 617 kW 三缸高壓鉆井泵和1 764 kW 五缸高壓鉆井泵；蘭州蘭石石油裝備工程有限公司也具備1 617 kW 三缸高壓鉆井泵的供貨能力。

1.2.3 鉆柱升沉補償系統

鉆柱升沉補償系統主要用于克服波浪上下升沉運動對鉆柱產生的影響，維持鉆柱底部的恒定鉆壓。鉆柱升沉補償系統按照其安裝位置和結構形式，通常可分為游車補償、天車補償、絞車補償和死繩補償4 種類型；按照動力供應模式可分為主動補償(AHC)、被動補償(PHC) 和半主動補償(SAHC) 3 種類型[7]。目前浮式鉆井升沉補償技術主要被歐美發達國家所壟斷，如Aker MH 公司、NOV 公司和Control Flow 公司等，國內僅有寶石機械公司先后研制過120 t 游車補償、450 t 天車補償和1 103 kW (1 500 hp) 絞車補償樣機，并在2017年為“海洋地質十號”船生產過1 套補償能力為40 t 的被動式游車補償裝置，其他裝備制造廠家也有相關研究，但均沒有生產制造和應用業績。

1.2.4 管柱自動化處理系統

管柱自動化處理系統主要用于代替人工實現管柱的運輸、上卸扣和排放等作業，是現代自動化、智能化鉆井的關鍵技術和配套裝備。目前固定式平臺配套的海洋模塊鉆修機已開始配套部分管柱自動化處理單元設備，如鐵鉆工和二層臺排管機械手等。用于深水作業的浮式鉆井平臺或鉆井船配套的管柱自動化處理系統，通常可分為橋式排管系統和柱式排管系統兩種，且帶有離線建立根功能，其技術目前主要被NOV 公司、Aker MH 公司和Hydralift 公司所壟斷，國內各大企業還不具備系統化供貨能力，僅能提供部分單元設備。其中寶石機械公司生產的折臂抓管吊機、軌道式鐵鉆工、動力貓道和二層臺排管機械手等管柱處理系統設備已在海上實現了工程應用[8]。

1.2.5 鉆井隔水管系統

海洋鉆井隔水管是深水鉆井作業的關鍵配套裝備。海洋鉆井隔水管的核心技術主要集中在美國和挪威等發達國家的專業公司，美國的GE (Vetco Gray) 公司和Cameron 公司是當今世界上最大的海洋鉆井隔水管生產制造商，其產品占據全球60%以上市場，另外還包括美國的NOV 公司、Dril-Quip 公司、FMC 公司以及挪威的Aker MH 公司。目前全球在役的鉆井隔水管最大工作水深記錄為3 628 m (西非安哥拉海域)，最大載荷級別為15 568 kN。隔水管系統全部配套設備包括提升工具、卡盤、向節、分流器、緊環、伸縮裝置、隔水管單根、灌注閥、撓性接頭、下部隔水管總成和隔水管浮力塊等。國際上主流的隔水管接頭形式主要包括鎖塊式、法蘭式和快速連接式3 種。國內對海洋隔水管研究起步較晚，中國石油大學、上海交通大學和西南石油大學等從事過海洋隔水管的分析計算；惠州和湛江等地民營企業從事過隔水管修理業務，但技術能力薄弱，工藝方法混亂。寶石機械公司先后完成了科技部和工信部3 個國家級科研項目、4 個隔水管大修和4 個隔水管制造項目，并取得了目前國內唯一的隔水管API Spec 16F 證書，隔水管單根、伸縮節和卡盤等產品已實現工業化配套應用，同時還建立了海洋立管全尺寸疲勞試驗臺、海洋立管焊接試驗臺和深水高壓模擬倉等隔水管系統試驗設施，已具備整套隔水管系統的供貨能力[9－10]。

1.2.6 水下防噴器系統

水下防噴器安裝在海底，上部連接隔水管系統，下部連接水下井口裝置或水下采油樹，是深水鉆井作業最重要的井控設備。國外主流的水下防噴器工作壓力為103.5 MPa，最高工作壓力可達137.9 MPa，工作水深可達3 000 m 以上。水下防噴器系統通常由下部隔水管總成、下部防噴器組以及控制系統組成。目前水下防噴器主要被CAMERON 公 司、NOV (SHAFFER) 公 司、GE(HYDRIL) 公司等所壟斷。美國CAMERON 公司在2015 年OTC 上，推出了全球第一個三箱(3－POD) 水下防噴器控制系統，其技術處于全球領先水平。國內僅有華北榮盛公司開展了水下防噴器技術研發，曾研制了1 套68.9 MPa 水下環形防噴器和1 套103.5 MPa 水下閘板防噴器組樣機，沒有研制防噴器控制系統，也未進行海試。總體來看，國內目前還未掌握水下防噴器及控制系統關鍵技術，距離工程化應用差距較大[11]。

2 我國海洋油氣鉆井裝備與國外的差距

2.1 鉆井裝備自動化、智能化水平較低

鉆井裝備的自動化、智能化水平與鉆井效率和作業成本息息相關，也事關操作者的人身安全。其中鉆井集成控制系統和自動化管柱處理系統是鉆井裝備自動化水平的最直接體現。美國的NOV 公司早在20 世紀80 年代就已經開發出了立柱式全套海洋排管系統，主要設備包括柱式排管機、動力指梁、鐵鉆工、鉆臺機械手、動力貓道和抓管吊機等，與其配套的是“cyber base”司鉆集成控制系統。挪威的Aker MH 公司也在20 世紀90 年代開發了橋吊式全套海洋排管系統，主要設備包括二層臺排管機械手、動力指梁、鷹爪機、鐵鉆工、低位導向臂、動力貓道和折臂抓管機等，搭配的是“drill view”司鉆集成控制系統。這些設備優先在英國北海、墨西哥灣和西非等海域得到了批量應用，減輕了工人的勞動強度，提高了作業效率和作業安全性[12]。

德國海瑞克公司于2010 年推出了TI－350T 陸地全液壓自動化鉆機，該鉆機可以實現地面水平建雙立根作業，通過液壓機械手臂直接將鉆柱舉升至鉆臺面，并通過液壓頂驅完成鉆柱連接，無需二層臺，整個管柱處理系統路線短，安全性高，省時省力[13]。同時該鉆機井架采用了先進的液壓油缸伸縮模式，可確保提升速度和效率。意大利的Drillmec 公司在2006 年就推出了HH350 全液壓自動化鉆機，該鉆機的鉆具提升和下放運動通過舉升液缸來實現。鉆機井架采用柱式結構，具有自升能力，由單液缸驅動井架的伸縮，液壓頂驅具有伸縮功能，可在井眼與鼠洞之間水平移動，以實現在鼠洞與井眼間移送管柱。同時該鉆機還采用了垂直管架輸送系統以及扇形的立根盒布置，立根區安裝有兩個可上、下移動的排管機，可實現管柱自動化操作。該鉆機目前已在全球銷售100 多臺[14]。

美國的斯倫貝謝公司最新研制了一款名為FUTURE RIG 的未來智能鉆機，其控制系統設置有兩個前后錯位排放、高低位分別布局的主、輔司鉆操作臺，二層臺配置了多個機械手，司鉆系統內置各種傳感器超過1 000 個，可以對鉆機進行全方位的自動監測。斯倫貝謝公司還開發了“DrillPlan”操作平臺，可以實現整套鉆機的虛擬數字化控制，自動化和智能化水平較高。美國NOV 公司開發的“eHawk”專家故障診斷系統具有在線技術支持、故障診斷、遠程監視及維護提醒分析等功能，可貫穿鉆機的全生命周期[3]。

由于我國基礎工業的起步較晚，加之國外的技術壟斷和封鎖，海洋鉆井裝備的自動化和智能化技術起步較晚且發展緩慢。寶石機械公司和四川宏華石油設備有限公司等企業先后開發出了一系列海洋管柱自動化處理設備，但是僅在陸地實現了配套應用，還沒有真正實現全套海洋管柱自動化處理系統的工業應用。在液壓鉆機方面，寶石機械公司雖然2017 年交付了我國首套海洋全液壓鉆探系統，該鉆探系統具備一定的自動化水平，但提升能力僅為60 t，最大水深＋鉆深為600 m，技術難度遠低于國外的全液壓自動化鉆機。

國內在役的海洋鉆井平臺自動化和智能術水平普遍較低，遠遠落后于國外發達國家。目前中海油在用的鉆井平臺中，僅有 HYSY941/942 和HYSY981/982 等近幾年新建的高端鉆井平臺配置了全進口的自動化管柱處理系統和司鉆集成控制系統，但這些自動化裝備大多都是國外20 世紀90 年代或21 世紀初的技術，自動化水平相對較低。而被譽為全球最先進的超深水半潛式鉆井平臺“藍鯨Ⅰ號”，其主要鉆井設備均來自美國NOV 公司，其配套的柱式自動化排管系統等先進設備國內還不具備設計制造能力。

2.2 高端海洋鉆井裝備核心技術未掌握

在海洋裝備領域，歐洲等西方發達國家以研發、建造深水和超深水等高附加值海洋工程裝備為核心，掌握了高端海洋油氣勘探開發裝備設計、制造及關鍵件集成配套技術，特別是在裝備的集成化和智能化方面形成了一定的技術壟斷態勢。與國外相比，我國海洋鉆井裝備在一些關鍵核心技術上仍然不夠成熟，特別是適用于深水和超深水鉆井作業的關鍵設備，如全液壓鉆探系統集成設計技術、海洋柱式排管機、天車補償/死繩補償裝置、水下防噴器及控制系統、大型液壓控制系統及液壓泵站、海洋鉆井隔水管系統集成配套技術、智能化集成控制技術，以及液壓油缸、水下傳感器和水下接頭等關鍵零部件。要掌握這些技術還需要花費數年甚至數十年進行探索、研究和實踐[15]。

2.3 海洋裝備基礎研究不夠深入

國外對海洋鉆井的技術研究已超過120 a，其基礎研究扎實，技術水平先進，裝備工藝成熟，且工程應用經驗豐富。我國自20 世紀60 年代才開始海洋油氣的開發，為了快速追求效益，多以模仿和集成為主，雖然起點相對高一些，但基礎技術的研究仍然不夠，比如應用于海洋領域的高端金屬材料、工程材料、防腐材料以及用于自動化控制的變頻器、芯片、水下電液插頭和臍帶纜等技術仍然比較薄弱，對于產品現場應用經驗也不足。

2.4 海洋裝備產業化發展機制不健全

國外的海洋裝備研發制造企業自研發立項開始，就與最終油田公司和作業方建立戰略聯盟，實現深度合作，較好地解決了海試和產業化推廣問題。而國內由于體制與機制各方面問題的制約，用戶往往從當前收益和固定資產投入角度來考慮，不愿意承擔相應海試風險，導致了國內眾多的海洋新產品雖被研發出來但沒有用戶依托，無法完成海試和推廣應用。這樣不僅沒有促進技術發展，反而導致裝備制造企業失去技術研發的積極性，形成惡性循環。好在近年來，國家層面也看到了問題的癥結所在，一些激勵與免責等政策相繼出臺，產、學、研、用一體化結合已經逐步開始。

3 我國海洋油氣鉆井裝備的發展方向

3.1 淺水鉆井裝備逐漸向標準化發展

目前我國淺水海洋鉆井裝備技術已經比較成熟，并且形成了系列化開發和完全國產化制造，但產品定制化多，用戶特殊要求多，這樣既不利于裝備制造企業的生產組織，也不便于用戶的設備管理和配件集中采購。目前各鉆井裝備企業都在積極推進標準化和模塊化技術的發展。

3.2 自動化和智能化發展已成定局

從鉆井裝備的總體發展趨勢分析，結合HSE相關要求，自動化和智能化是大勢所趨。國外新建的鉆井平臺全部配套了自動化管柱處理系統、智能司鉆控制系統和云數據分析系統等，部分裝備已具備了一鍵自動操作和無人值守作業功能。國內的海洋模塊鉆修機也開始逐步配套自動化管柱處理系統等，海洋鉆井裝備的自動化和智能化已全面開啟。

3.3 深水化發展是大勢所趨

據Global Data 統計數據，2018—2025 年，全球海洋油氣投資60%以上分布在深水區和超深水區，全球排名前50 的超大型油氣開發項目，75%是深海項目，70%以上水深超過1 000 m。國內目前已探明可開發的油氣資源中，陸地占42%，海洋油氣資源中深海占82%，因此專家提出，中國油氣增長看海洋，海洋油氣增長看深海。隨著國家海洋強國戰略的深入推進以及保障國家能源安全的需要，海洋深水油氣開發已成定勢，海洋鉆井裝備的深水化發展也是大勢所趨[16－17]。

3.4 綠色環保節能發展將不斷加快

目前傳統的海洋鉆井裝備在動力消耗、震動噪聲、固廢排放和地層污染等方面對環境保護帶來諸多挑戰，隨著國家在海洋環保和綠色發展方面出臺的一系列政策，未來海洋鉆井裝備的綠色、環保和節能化發展步伐將不斷加速。國內已經有企業在開發鉆井液零排放系統、海洋固廢物處理系統和海洋水處理系統相關裝備。

4 發展建議

4.1 加大科研支持力度，完善科技創新機制

建議國家層面應持續穩定地支持高端海洋油氣鉆井裝備的科技研發立項，特別是海試試驗及推廣應用等方面，可設立專項資金，滾動立項支持。應建立健全保障海洋裝備研發的體制與機制，建立鼓勵和激勵企業開展自主創新的制度，形成面向行業內外，集產、學、研、用為一體的開放式協同創新研發體系；建立用戶單位對新裝備新技術試驗應用的激勵措施和免責體制，解除用戶后顧之憂，鼓勵其主動參與新產品推廣，助推海洋裝備國產化。

4.2 加強基礎研究和配套工業基礎能力建設

應進一步加強高強度鋼材、高溫高壓密封件、海洋防腐和震動噪聲等基礎性技術研究，為高端海洋裝備的研制提供基礎保障。要加大海洋油氣鉆井裝備設計、制造和配套產業等工業基礎能力建設，加快建設國家級深水油氣開發裝備海試平臺，為海洋新裝備工業化應用提供試驗依托。

4.3 注重高端人才隊伍的培養

應加快引進和培養一批專業水平高、創新能力強的高級科研人才隊伍；培養操作技術熟練、專業技能高超的高級技能人才隊伍。為高端人才提供專項資金，鼓勵其采取多種形式促進科技成果轉化。

4.4 強化國際間的交流合作

大力開展多層次、多渠道、多模式的國際間技術交流，積極參與國外標準的制訂與修訂，加強與國外高新技術企業合作，通過技術引進、技術轉讓和合資合作等多種形式，帶動我國海洋油氣鉆井裝備的技術進步[18]。

5 結束語

深海原油的勘探與開發是一項高投資、高技術、高風險的系統工程，深海油氣鉆井裝備的國產化任重而道遠。目前，國家層面已經全面吹響了海洋油氣勘探開發的號角，相信在不久的將來，在油氣資源豐富的南海最深處，也有我國自主設計建造的完全國產化的海洋鉆井平臺作業的身影。