深水鉆探裝備技術發展現狀及展望

張海彬

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

1 海洋資源開發裝備體系

1.1 海洋資源類別

海洋中蘊藏著極其豐富的資源，包括能源、物質資源和空間資源等。其中，能源包括水面以上的風能、太陽能，海洋水體中的波浪能、潮汐能、海流能和溫差能，以及海底以下的油氣資源、天然氣水合物資源等；物質資源包括海洋水體中的水資源、化學資源、生物資源，以及海底表面和地表以下的礦產資源；而空間資源則更為廣闊，地球71%的表面是被海洋所覆蓋。為了利用這些資源，人類研究開發了各種各樣的海洋裝備，形成了豐富的海洋裝備產業體系。

1.2 世界能源結構演變歷程

能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎。人類自從學會使用火以來，薪柴在相當長時間內是人類利用的主要能源。截至目前，世界能源結構完成了兩次轉型：第一次能源結構轉型是在1881年，人類從薪柴時代進入煤炭時代，煤炭替代木柴成為主導能源；第二次能源結構轉型是在1965 年進入到油氣時代，石油和天然氣替代煤炭成為主導能源。隨著人類環保意識的提高，包括氮氧化物、硫氧化物和溫室氣體等排放控制需求，風能、太陽能、核能和氫能等可再生清潔能源使用越來越多。預計2040年能源結構將由油氣時代進入低碳時代，但是未來不會出現某一種能源占絕對主導地位的情況，在相當長的時間內，油氣仍然會在能源結構中占有非常重要的地位。

世界能源結構演變歷程如圖1 所示。

圖1 世界能源結構演變歷程

1.3 海洋油氣資源分布及開發前景

油氣屬于不可再生能源，當陸上油氣資源得到充分開發后，人類便將目光投向了廣袤的海洋。海洋油氣資源非常豐富，其儲量據估計占全球油氣資源總儲量的1/3 以上，人類從20 世紀40 年代就開始了海洋油氣開發。我國陸地能源“富煤、貧油、少氣”，但南海的油氣資源極為豐富，地質儲量約在230 億t 至300 億t，占我國油氣總儲量的1/3，其中70%蘊藏于深海海域。國際上傳統的海洋油氣開發區域包括墨西哥灣、北海、巴西海域和西非海域等。近年來，南美洲的蘇里南和圭亞那海域成為海洋油氣開發的熱點區域，預估油氣資源儲量超過130 億桶油當量，多家鉆井承包商已啟動了該海域的鉆井勘探活動。

海洋油氣資源分布如圖2所示。

圖2 海洋油氣資源分布

由于受到新冠疫情和低油價的打擊，海洋油氣開發在相當長的時間持續低迷，但國際普遍對未來海洋油氣開發前景持樂觀態度。一是隨著新冠疫苗的接種，疫情逐步得到控制，經濟復蘇動力強勁。2021 年，中國、美國、歐盟都實現了GDP 正增長，隨著經濟復蘇，對油氣需求將強勁反彈；二是 2021年以來，原油價格持續走強，目前每桶原油價格已超過了90 美元，將會推動海洋油氣開發走出低谷；三是近年來在低油價倒逼下，海洋石油開發成本持續下降，目前僅次于中東陸上石油開發成本（約為每桶43 美元），如此會增強石油公司海上石油開發的意愿。據IHSMarkit 機構預測，海洋油氣開發在2022 年會緩慢上升，到2023 年有望恢復到疫情前水平，2023 年后將有較大增幅。

1.4 海洋油氣開發階段及裝備

海洋油氣開發大致分為地球物理勘探、鉆井勘探、油氣田開發建設和油氣生產4 個階段，每個階段都會用到不同的海洋工程裝備。例如地球物理勘探階段主要用到物探船、震源船；鉆井勘探階段會用到各類鉆井裝備；油氣田開發建設階段會用到起重船、鋪管船和半潛船等；油氣生產階段會用到生產平臺、FPSO 和穿梭油輪等。其中，鉆井勘探是海洋油氣開發非常重要的一個階段，它是評估海洋油氣資源儲量的重要途徑，這個階段的實施需要采用鉆井裝備。此外，油氣田開發建設中的鉆生產井以及油氣生產中的修井作業，均離不開鉆井裝備。可見，鉆井裝備在海洋油氣開發中扮演著十分重要的角色。

鉆井裝備的發展經歷了陸地鉆機、固定式鉆井平臺、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺和鉆井船等裝備類型，目前具備深水鉆井作業能力的裝備主要包括半潛式鉆井平臺和鉆井船，它們各具特點和優勢。半潛式平臺的主要優點是運動性能優異，定位性能受環境載荷方向影響較小，甲板面積大，可抵御更惡劣的海況；其缺點是機動性比較差，可變載荷有限。鉆井船的主要優點是機動性好，可變載荷大，某些大型鉆井船還具有儲油功能；其缺點是運動性能和定位能力受環境載荷方向影響較大，運營成本稍高。

1.5 海洋礦產資源開發前景及裝備

近年來，海洋礦產資源開發越來越受到重視。淺海礦產資源主要包括濱海砂礦、磷鈣土和多金屬軟泥土，其開發利用較為成熟。深海礦產資源量巨大，含有許多陸地稀有的重要戰略性資源和貴金屬資源，且品位普遍高于陸地，主要有多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物。據估計，僅東太平洋“克拉里恩·克里帕頓斷裂帶”的多金屬結核儲量就達210 億t，西太平洋“原生結殼帶”的富鈷結殼儲量達5 000 萬t，全球海洋多金屬硫化物儲量約6 億t，目前均尚未實現商業化開發。多金屬結核和富鈷結殼主要賦存于海底表面，而多金屬硫化物則賦存于海底以下數百米，其勘探需采用大洋鉆探裝備。

深海礦產資源主要分布于國際海底和各國專屬經濟區，其中國際海底的礦產由國際海底管理局管理。我國已從國際海底管理局獲得了5 個區塊（見表1），涵蓋了所有3 類深海礦種，并擁有15 年的專屬勘探權。目前，我國已完成了其中2 個多金屬結核和富鈷結殼區塊的初步勘探，而多金屬硫化物區塊勘探工作尚未開展。

表1 我國獲得的國 際深海礦產資源礦區km2

海洋礦產資源開發與海洋油氣開發類似，分為地質資源調查、鉆探取樣、采礦、運輸及加工4 個階段。地質資源調查階段主要采用調查船和物探船，鉆探取樣階段采用鉆探船，采礦階段采用采礦船，運輸及加工階段采用礦物運輸船。其中，鉆探取樣是評估多金屬硫化物資源儲量和品位的重要途徑，我國目前尚未有大洋鉆探船，多金屬硫化物資源勘探工作還未開展。可見，無論是海洋油氣資源開發，還是海洋礦產資源開發，鉆探裝備都必不可少。

2 深水鉆探裝備發展現狀

2.1 國外深水鉆探裝備發展現狀

下文將從油氣資源鉆井和礦產資源鉆探兩方面介紹國外深水鉆探裝備發展現狀。

目前，國際上用于海洋油氣資源開發的鉆井裝備已發展至第7 代。鉆井裝備的代級主要是根據作業水深、鉆機大鉤載荷等指標來區分。第1 代和第2 代鉆井裝備最大作業水深一般在200 m 以內，大鉤載荷不超過200 st（1 st=0.907 t）；第3 代鉆井裝備最大作業水深為500 m，大鉤載荷為300 st；第4 代鉆井裝備最大作業水深為1 500 m，大鉤載荷為300 st 以上；第5 代鉆井裝備最大作業水深為2 250 m，大鉤載荷為750 st；第6 代鉆井裝備最大作業水深超過3 000 m，大鉤載荷為1 000 st；第7 代鉆井裝備作業水深為3 600 m 以上，大鉤載荷達1 250 st。

從裝備類別來看，半潛式鉆井平臺的發展脈絡比較清晰，每一代在平臺形式、性能指標和設備配置上都有較明顯變化。半潛式鉆井平臺早期多采用多立柱、多撐桿和單甲板平臺形式，后期逐漸發展為4 立柱、少撐桿和箱形甲板平臺形式。鉆井船的更新換代在早期不如半潛式平臺明顯，但在20 世紀90 年代以后，鉆井船技術發展的步伐越來越快。當前市場主流的鉆井裝備仍處于第6 代水平，第7代鉆井裝備還停留在設計方案階段，建成投入使用的不多。

國際上典型的深水半潛式鉆井平臺主要包括挪威AKER Solution 公司的Aker H-6、荷蘭GustoMSC公司的DSS50、瑞典GVA 公司的GVA7500M、美國F&G 公司的ExD 和挪威Frigstad 公司的D90。

Aker H-6 平臺（見圖3）最大作業水深為 3 000 m，鉆機大鉤載荷為1 000 st。其船型特點為采用雙下浮體、8 立柱、呈空間布置的多撐桿，靜氣隙高達18.5 m，適用于北海惡劣海域作業，目前已建造了2 座。在總體布置上，該平臺隔水管水平布置于井口區前部，鉆桿、套管布置于井口區后部，備用泥漿布置于下浮體內。

圖3 Aker H-6 半潛式鉆井平臺

DSS50 平臺（見圖4）最大作業水深為3 000 m，鉆機大鉤載荷為1 000 st。其船型特點為采用雙下浮體、4 立柱、4 根橫撐、箱形甲板，靜氣隙為12.8 m，適用于緩和海域作業，目前已建造了6 座，主要用于墨西哥灣、西非海域。在總體布置上，該平臺主、輔井口對稱布置，隔水管采用平放與立放相結合的方式，鉆桿、套管布置于井口區后部，備用泥漿布置于下浮體內。GVA7500M 平臺（見圖5）最大作業水深為 3 650 m，鉆機大鉤載荷為1 000 st。其船型特點為采用雙下浮體、4 立柱、2 根翼形橫撐、箱形甲板，靜氣隙為15 m，適用于較惡劣海域，目前已建造了6 座，主要用于北海、巴西海域。

圖4 DSS50 半潛式鉆井平臺

圖5 GVA7500M 半潛式鉆井平臺

在總體布置上，該平臺4 個機艙分散布置于上平臺四角，主井口位于右舷3 m 處，輔井口位于左舷7 m 處，隔水管全部平放于井口區前部，鉆桿、套管布置于井口區后部，備用泥漿布置于立柱內。

ExD 平臺（見圖6）最大作業水深為3 000 m，鉆機大鉤載荷為1 000 st。其船型特點為采用雙下浮體、4 立柱、4 根橫撐、箱形上平臺，靜氣隙為12.4 m，適用于緩和海域，目前已建造了12 座，主要用于墨西哥灣和巴西海域。在總體布置上，該平臺2 個機艙布置于上平臺后部，主井口位于中心，輔井口位于左舷7 m 處，隔水管采用平放與立放相結合的方式，鉆桿、套管布置于井口區后部，備用泥漿布置于立柱內。

圖6 ExD 半潛式鉆井平臺

D90平臺（見圖7）最大作業水深為3 650 m，鉆機大鉤載荷為1 250 st。其船型特點為采用雙下浮體、4立柱、4根橫撐、箱形甲板，靜氣隙為 16.5 m，適用于較惡劣海域，目前已建造了3座，可在南海、墨西哥灣、西非和巴西等海域作業。在總體布置上，該平臺設置4個獨立機艙，配置8臺電站，滿足DP-3級動力定位要求，配置雙井口液壓鉆機，隔水管立放于井口區前部，鉆桿、套管布置于井口區后部。

圖7 D90 半潛式鉆井平臺

國外主流的鉆井船船型方案主要有韓國三星重工的S10000、荷蘭GustoMSC 公司的P10000 和PRD12000。

S10000 型鉆井船（見圖8）由韓國三星重工開發，排水量為96 000 t、最大作業水深3 650 m、最大可變載荷為22 000 t，采用雙井架鉆井系統，具備DP-3 級動力定位能力。三星重工于1996 年獲得首個鉆井船建造合同，S10000是其最常見的鉆井船設計船型，目前已建造22 艘。

圖8 S10000 型鉆井船

P10000型鉆井船（見下頁圖9）排水量為75 000 t、最大作業水深3 650 m、最大可變載荷為22 000 t，采用雙井架鉆井系統，具備DP-3級動力定位能力。該型鉆井船已在韓國現代船廠建造了10艘，主要用于墨西哥灣、巴西和西非海域。

圖9 P10000 型鉆井船

PRD12000 是一型緊湊型鉆井船（見下頁圖10），排水量為45 000 t、最大作業水深3 650 m、最大可變載荷為23 000 t。該型船的特點是采用緊湊的設計使其擁有較高的成本優勢，鉆井系統采用Huisman 公司開發的柱塔式鉆機（MPT），可節省布置空間，提高作業效率。鉆機頂部可拆卸，能通過巴拿馬運河的美洲大橋。

圖10 PRD12000 型鉆井船

國外用于海洋礦產資源勘查的大洋鉆探裝備主要有美國的決心號鉆探船、日本的地球號鉆探船和歐洲的DP HUNTER鉆探船。與油氣鉆井裝備相比，礦產資源鉆探裝備需具備取芯和船載實驗能力，但對井控的需求不大。

決心號鉆探船（見圖11）建于1978 年，最初用于墨西哥灣的海洋油氣勘探，于1985 年完成適應性改造后成為大洋鉆探船。該船具備鉆探取芯功能，采用無隔水管鉆探作業方式，用取芯器通過鉆桿中間的孔洞進行取樣，接立根采用單根操作，相對而言，鉆探系統自動化程度不高，鉆探效率較低。

圖11 決心號鉆探船

決心號鉆探船目前仍是國際大洋發現計劃（IODP）實施的主力船型，在海洋資源調查和科考中發揮了顯著作用，我國曾分別于2014 年和2017年租用該船在南海進行科學鉆探。

地球號鉆探船（見圖12）是日本于2005 年建造的用于大洋科考的鉆探船，是世界上首艘采用隔水管鉆探的大洋鉆探船。其最大作業水深為 2 500 m，技術形態上相當于第5 代鉆井船。該鉆探船具備鉆探取芯和船載實驗功能。與決心號鉆探船不同之處在于，地球號采用隔水管泥漿閉式循環鉆探方式，鉆探能力和效率比決心號顯著提升。

圖12 地球號鉆探船

DP Hunter 鉆探船（下頁圖13）建于1978 年，于2002 年進行了加裝鉆探系統的改造，是IODP歐洲船舶平臺的主要用船，同時，多家礦產公司租用該船對海洋礦產資源進行了勘探和資源評價。

圖13 DP Hunter 鉆探船

2.2 國內深水鉆探裝備發展現狀

我國已具備淺水和深水鉆井裝備設計建造能力。在淺水鉆井裝備方面，已自主設計建造了勝利三號、中油海三號坐底式鉆井平臺，渤海一號、港海一號、中油海系列自升式鉆井平臺和勘探三號半潛式鉆井平臺等；在深水鉆井裝備方面，完成了海洋石油981 半潛式鉆井平臺、藍鯨號半潛式鉆井平臺以及TIGER 系列鉆井船等超深水鉆井裝備的設計建造。

海洋石油981 半潛式鉆井平臺（見圖14）是我國設計、建造和使用的首座第6 代半潛式鉆井平臺。它是在ExD 船型基礎上，考慮南海作業的適應性改進而來，在可變載荷、南海惡劣環境適應性和定位能力等方面都有顯著提升。該平臺投入使用以來，在南海成功發現了荔灣3-2、荔灣21-1 和流花29-2 等多個油氣區塊，取得了良好的經濟效益。

圖14 海洋石油981超深水半潛式鉆井平臺

藍鯨號半潛式鉆井平臺（見圖15）是由中集來福士于2016 年建成的準第7 代半潛式鉆井平臺，其采用挪威Frigstad 公司設計的D90 船型。該平臺相對于第6 代鉆井平臺，在作業水深、鉆井深度、可變載荷和鉆井作業能力上均有了明顯提升。特別是該平臺配置了高效的液壓雙鉆機和閉環動力系統，作業效率可提升30%，燃料消耗可節省10%。2017年5 月，我國使用藍鯨1 號在南海神狐海域成功進行了天然氣水合物試開采，實現了我國海洋天然氣水合物試采的歷史性突破。2020 年3 月，我國又使用藍鯨2 號在南海神狐海域成功完成了第2 輪天然氣水合物試采，創造了產氣總量和日均產氣量2 項世界紀錄。

圖15 藍鯨號超深水半潛式鉆井平臺

BULLY 號鉆井船（見下頁圖16）是采用PRD12000 的設計方案，由上海船廠作為新加坡的分包商于2007 年承擔船體部分的建造。該鉆井船開啟了我國深水鉆井船建造的序幕。

圖16 BULLY 號鉆井船

TIGER 號鉆井船（見圖17）是上海船廠于2011 年承接的1 500 m 水深鉆井船EPC 總包建造項目（2+2 艘），是國內擁有自主知識產權并負責完整建造的首個鉆井船項目。該船屬緊湊型鉆井船，采用錨泊定位方式，經濟性十分突出。另外，主要鉆井設備由四川宏華集團供貨，在鉆井設備國產化應用上取得了里程碑式突破。

圖17 tIGER 號鉆井船

3 深水鉆探裝備主要設計要點

3.1 半潛式鉆井平臺主要設計要點

半潛式鉆井平臺設計需關注總體性能指標綜合平衡、總體布置、重量控制、結構設計和主要系統集成設計等幾個方面。

（1）總體性能指標綜合平衡

對于半潛式鉆井平臺而言，運動性能（包括垂蕩、橫搖、縱搖和氣隙性能）、穩性和甲板可變載荷同等重要。運動性能影響平臺的鉆井作業窗口期，穩性關乎平臺的安全，甲板可變載荷關系到平臺鉆井作業能力，而這些因素在平臺方案論證中卻互為矛盾、相互牽連，因此需要采用數值分析與模型試驗相結合的方式實現總體性能指標的綜合平衡。

（2）總體布置

半潛式鉆井平臺的總體布置需要考慮上平臺布置、下浮體布置和立柱布置，各區域的布置要素各不相同。上平臺布置主要關注鉆井設備、隔水管、鉆桿、套管堆場、機艙、配電間、生活艙室布置、雙層底管系和電纜走向等；下浮體布置主要關注推力器艙、泵艙、消耗品艙和壓載艙等；立柱布置主要關注錨鏈艙、灰罐、壓載艙、管系和電纜走向等。在總布置設計中，需關注作業流程的高效實現、重量重心和浮態的控制、設備安裝和維護空間、逃生路線規劃和危險區影響等。此外，考慮到DP-3 冗余設計，設備容量增大，管系和電纜走向復雜，需采用三維設計手段綜合解決布置方面的難題。

（3）重量控制

對于半潛式鉆井平臺來說，重量控制是平臺設計的重中之重，它將影響到平臺穩性、可變載荷和運動性能等綜合性能以及平臺的作業能力。為此，需要在設計之初明確重量、重心控制的關鍵要素，編制重量統計表格和控制程序，并且定期進行重量分析和預警。若超過預警值，需及時采取有效的減重措施。重量控制需貫徹于半潛式平臺設計、設備采辦、建造的整個過程。

（4）結構設計

結構強度是半潛式鉆井平臺安全作業的前提。半潛式鉆井平臺的結構設計需采用直接計算法（包括波浪載荷預報、結構總強度分析、局部結構強度分析和關鍵結構節點的全概率疲勞壽命分析等），以確保半潛式平臺結構安全性。在波浪載荷和結構強度設計波分析時，需要考慮縱向剪切、扭轉和橫向分離等典型波浪工況，在確定設計波參數過程中，還需考慮波浪參數的敏感性分析，以避免確定的設計波參數不具有代表性，遺漏更危險的波浪條件。（5）系統集成設計

半潛式鉆井平臺在設計中需要引入集成設計理念，以任務系統“鉆井系統”為核心，綜合考慮各系統功能的實現和相互的接口設計，包括：實現平臺沉浮的壓載系統，抵抗環境條件實現鉆井作業的錨泊和動力定位系統，提供電力需求的電站系統，維護內部環境的空調通風系統以及平臺的“大腦”中央控制系統。通過各系統的集成設計，更好地為平臺鉆井作業服務。

3.2 鉆探船主要設計要點

鉆探船設計中需要關注的內容與半潛式平臺類似，但在運動性能、阻力性能和動力定位能力分析方面需要特別注意鉆探船的船型特點。

（1）運動性能分析

鉆探船的運動性能分析可采用三維線性勢流理論，但需要重點考慮月池效應。月池效應體現在靜水力、勢流、耦合和黏性等方面，需要月池模型結合阻尼修正來考慮。一般來說，月池對垂蕩和縱搖響應影響有限，但會顯著增加橫搖響應，主要是由于月池會顯著降低橫搖運動的固有周期，故需特別注意。

（2）阻力性能分析

鉆探船的航速一般為10~12 kn，阻力成分中摩擦阻力和黏壓阻力占主要地位，興波阻力所占比例較小，因此為了防止黏壓阻力增加，需注意去流段的設計，還需關注月池開口的影響。

月池會顯著增加鉆探船航行時的阻力，需要在阻力估算中仔細考慮。船體航行時，月池內水體會發生垂蕩或晃蕩運動（短月池開口主要是垂蕩運動，長月池開口主要是晃蕩運動），航速越高、吃水越小、垂蕩或晃蕩運動的幅度越大，所引起的附加阻力就越大。圖18 為某鉆探船在不同吃水和航速下的月池附加阻力增加百分比。由圖可見：在淺吃水和高航速情況下，月池附加阻力增加甚至可以達到100%。在阻力估算時必須加以重視，一般可采用CFD 或水池模型試驗的方式進行確定。

圖18 某鉆探船月池附加阻力增加情況

經驗表明，月池附加阻力與月池內流體運動的幅度呈正相關，因此月池附加阻力的改善可以從降低月池內流體運動的幅度入手，包括：改變月池流體運動方式，如改變月池形狀、設置月池平臺等；減少運動能量來源，如設置月池切口和突起、采取月池關閉措施等；增加運動阻力，如設置月池阻尼板、多孔艙壁等。

（3）動力定位能力分析

對于鉆探船動力定位能力分析來說，需要關注環境載荷，特別是風載荷的計算。鉆探船甲板設備布置密集，在采用傳統模塊法進行風載荷計算時，無法考慮遮蔽效應，而且對于斜向風載荷的計算誤差較大。為更準確地計算風載荷，需要對傳統模塊法進行改進，需關注斜向風載荷的準確計算和設備間遮蔽效應的影響。

另外，鉆探船定位能力對載荷方向特別敏感，從經濟性考慮一般采取有利于首向的定位方式，需要對定位能力進行更精細化的分析。在獲得定位環境載荷之后，考慮到鉆探船多推力器、推力器類型、相互間的干擾等因素，需采用優化方法進行推力分配（推力器推力最小為優化目標），獲得抗風能力和功率利用率曲線，為鉆探船推力器配置和布置論證提供設計依據。

4 深水鉆探裝備技術發展趨勢

4.1 新一代超深水鉆井裝備

海洋油氣鉆井裝備已發展到了第7 代，對于下一代鉆井裝備的定義目前還不清晰。國外有從鉆井作業指標提出鉆機大鉤載荷需達到1 500 st，防噴器壓力等級需達到20 000 psi（137.9 mPa）。除此之外，筆者認為智能化技術的應用將是新一代鉆井裝備的顯著特征。

對于鉆井裝備來說，智能化有現實的需求：一是降低人員成本的需要。鉆井裝備設備系統復雜，涉及的技術、知識繁多，需要大量的專業作業人員，定員多達150~200 人。提高智能化應用水平，加強輔助決策和自主決策能力，可有效減少上船人員及成本。二是提高作業效率的需要。基于歷史經驗的智能決策可以優化作業流程，提高作業效率。三是減少人員傷亡的需要。油氣鉆井作業危險性高，火災、井噴事故造成的人員傷亡事故頻發。應用智能化技術既可以提高安全水平，也可以將高風險作業活動采用智能化手段替代，減少人員傷亡。

中央控制系統是鉆井裝備作業控制中樞系統，其智能化應用具有廣闊前景。圖19 為某鉆探船構建的智能中央控制系統集成平臺，包括綜合信息系統和綜合監控系統，可實現對船舶系統、鉆井系統和船載實驗室系統的一體化智能管控。智能化技術的應用是一個循序漸進的過程，對于未來新一代鉆井裝備而言，智能化水平將成為重要的技術指標。

圖19 某鉆探船智能中央控制系統架構

4.2 海洋礦產資源鉆探裝備

在海洋礦產資源鉆探裝備領域，業界正在對泥漿閉式循環技術、新一代液壓鉆機和取芯技術方面進行積極探索和研究。

泥漿是深水鉆探作業的重要材料，起到冷卻鉆頭、攜帶巖屑和穩定井筒等作用。根據是否回收泥漿，鉆井作業可分為無隔水管鉆探和隔水管鉆探兩種方式。無隔水管鉆探不回收泥漿，但存在污染海洋環境、巖屑堆積和鉆探效率低的問題；隔水管鉆探通過鉆桿與隔水管之間的間隙回收泥漿，但隔水管較重，對鉆機大鉤載荷和船體可變載荷要求非常高，進而造成鉆探裝備的主尺度和排水量比較大，投資成本增加。

近年來，無隔水管泥漿閉式循環技術逐步得到發展和應用，其采用泥漿返流管線來代替隔水管完成泥漿回收，以接近無隔水管鉆探作業方式的可變載荷實現隔水管鉆探作業方式的效果，特別適合不需要防噴器的深海礦產資源勘探。目前，該技術在國外457 m 水深已有工程應用，在1 419 m 水深完成了試驗測試。我國也非常重視該項技術的研究，正在開展2 000 m 水深的無隔水管泥漿閉式循環技術攻關和相關設備研制工作，并有望在不遠的將來實現超深水工程應用，這對于進一步降低深水鉆探裝備的規模和成本具有重要意義。

鉆機是鉆井裝備的核心任務系統，國內外鉆井設備供應商正在開展新一代綠色環保液壓鉆機的研發工作。與傳統的絞車提升鉆機相比，液壓鉆機不僅更輕，而且由于通過液壓缸驅動提升并同步實現升沉補償，故還具有作業效率高、補償能力強、響應速度快等特點。新一代綠色環保液壓鉆機性能將得到進一步提升，理論起下鉆柱提升速度比絞車提升鉆機提高40%以上，鉆機裝機功率僅為同等大鉤載荷常規鉆機的50%，在多海域作業適應性和節能環保方面具有顯著優勢。

取芯作業對于海洋礦產資源勘探至關重要。傳統的取芯方式包括繩索取芯和提鉆取芯，取芯效率較低。國內研究機構正在開展氣舉反循環取芯技術研究，其使用海水、高壓空氣作為循環介質，通過抽吸作用可實現不停鉆取芯，將大大提升取芯作業效率。氣舉反循環取芯成本低，且取芯效率可比繩索取芯提高40%以上，更適合于深水和硬巖鉆探取芯作業。

4.3 極地鉆井裝備

極地除了在航運上具有戰略地位外，油氣資源開發的需求也潛力巨大。北極地區蘊含著豐富的油氣和礦產資源。據預測，北極海域石油儲量約900億桶，天然氣儲量約47萬億m，分別占全球石油和天然氣儲量的13%和30%。2016年8月，中海油服的海洋石油720物探船受俄羅斯業主委托，在北極巴倫支海北部首次成功完成了極地三維物探作業任務。隨著物探作業的深入開展，未來極地鉆井勘探作業需求將會提上日程，極地鉆井裝備需求前景廣闊。

為保護極地脆弱的生態環境，國際海事組織頒布了《極地規則》，從船舶構造、設備、操作、搜救和環保等方面提出了諸多要求，提高了裝備極地作業的準入門檻。除了《極地規則》影響，極地惡劣環境會對鉆井作業帶來諸多挑戰，包括冰載荷、暴風雪和低溫等對裝備穩性、結構性能、定位能力、作業環境、可變載荷和泥漿性能等的不利影響，都需要在鉆井裝備設計中作出有針對性的考慮。挪威、瑞典和俄羅斯等國家在該領域開展了大量研究工作，我國相關領域研究才剛剛起步。國內正在開展極地鉆井船設計和鉆完井工藝技術研究工作，培育極地鉆井裝備的自主開發設計能力，以支撐我國未來極地鉆井裝備的建造和應用。

5 結 語

本文針對深海資源開發的鉆探裝備，介紹了半潛式鉆井平臺、深水鉆井船和大洋鉆探船等裝備國內外的技術發展現狀，分析了半潛式鉆井平臺和鉆探船的主要設計要點，并展望了深水鉆探裝備的技術發展趨勢。在深水鉆探裝備開發設計中，除了需要關注總體性能指標綜合平衡、總體布置、重量控制、結構性能和主要系統的集成設計之外，還需考慮不同船型特征帶來的特殊問題，比如：半潛式鉆井平臺總體方案論證需考慮氣隙性能的滿足，半潛式鉆井平臺結構設計需考慮立柱與下浮體、橫撐、上甲板的連接節點設計，鉆探船的運動性能和阻力性能分析需考慮月池的影響，鉆探船的動力定位能力分析需考慮環境載荷的特點等。深水鉆探裝備未來的技術發展方向呈現出新技術應用和新領域拓展的特點，將在智能化技術應用、無隔水管泥漿閉式循環技術、高效取芯技術、綠色節能技術和極地環境適應性等方面取得突破和進展，有力推動深海資源的開發進程。

雖然當前海洋油氣市場還處于恢復期，海洋礦產資源開發離商業化還有很長的一段路要走，但深海海洋資源開發的趨勢沒有改變，面臨的挑戰和機遇并存。此時，我們應做好深海開發裝備的技術儲備，加強科研攻關，強化自主可控，推動我國海洋資源開發技術和產業的可持續、高質量發展。