海洋石油鉆井的技術創新探討

張冠杰，張會宇

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2.飛兒科技(天津)有限公司，天津 300457)

1 國內海洋石油鉆井平臺的發展現狀

國際航海領域方面，高水平的石油鉆井平臺具有重大意義，是衡量一個國家造船水平的主要標志。石油鉆井平臺是“海上島嶼”，需要長期在海洋氣象條件下存在，經歷著驚濤駭浪，有時甚至高達18級海上臺風。新時期，隨著國際油價的飆升，海洋工程項目在市場中的活躍度逐漸提高，海上鉆井設備成為了熱門設備。我國海洋資源十分豐富，但是由于開采設備、開采水平的限制，國內海洋石油產業仍停留于發展初期階段，大部分海洋石油開發工程仍停留在淺水區、海灘區等。國內油氣開發領域中，相關的設備和技術仍處于發展階段，從引領到創新，必須保證是自主創新、自主研發。結合當下發展成果分析，中國鉆井技術飛速發展，已經逐漸成為亞洲石油鉆井平臺方面的領先國家，規模巨大、成績斐然。

1.1 部分配套設備性能穩定

綜合分析海上石油鉆井平臺和陸地鉆井平臺，其制造技術、裝備存在較為明顯的相似性，但是從可靠度、智能性等方面要求相對較高。當下，國內鉆井泵、井控設備、電驅動鉆機等方面的研究仍然較少，相比于國外顯得滯后，但僅考慮技術方面而言，卻已經達到了世界領先水平。如深海7 000 m范疇內，海洋石油鉆井開采中，國內一般具有相應能力。如寶石機械廠，在海洋石油鉆井平臺的配套設備制造方面，便具有較高經驗，制造設備滿足海洋鉆井的需求。

1.2 建造技術日趨成熟

海洋石油鉆井平臺是海上石油開采的基礎部分，鉆井設備具有重大意義。從1970年發展至今，從國內該行業發展情況分析，移動式鉆井平臺已建成的數量為58座，其中在用設備51座、在建設備7座、已退役設備7座。結合實際工程情況分析，工程建筑技術已經日趨成熟，當下，國內已經具有多種形式的底座式平臺、自升式平臺的自主研發和加工制造能力。再者，國內部分地區已經具有豐富的船體建造經驗，且可初步完成了浮式生產儲油裝置(FPSO)的設計。但是相關人員必須清晰認知到，當下國內FPSO的研制和制造能力雖然處于世界領先水平，但是國內該行業運作中，其相應的海洋石油工程裝置仍然無法滿足預期要求，并未處于領先水平。

1.3 深海油氣開發裝備研制進入新階段

淺水區的能源開發期間，存在產量極為有限的問題。結合工程項目經驗，部分老油田產能較低，且有逐年遞減的趨勢；帶動了邊際油田的比例有所提升、重質稠油油田比例增加等諸多問題，導致現階段能源需求無法得到滿足。此外，隨著鉆機技術的發展和創新，已經逐漸克服了惡劣天氣條件的影響。2004年，國內初次進行了深水工程的分析，并得到了一定研究成果。2007年，在海上石油作業期間，投入了深水半潛式鉆井平臺，相關工程進入了正式啟動階段，從中可看出，業內專家已經將向深水區拓展當作首要目標，這也是未來海洋石油發展作業的必然趨勢。

2 國內海洋石油鉆井裝備不足

2.1 核心設備未達到國產化水平

當下，國內諸多地區的油氣工程落實中，其大部分設備初步達到了國產化要求，但是不容樂觀的問題是國內廠商在進行制造中，核心技術仍掌握在國外專利商手中，導致國內存在技術缺陷，限制了海洋油氣工程項目的后續發展。結合相關研究成果可發現，國內海洋石油開采期間，鉆井作業平臺設備的國產化程度較低，據不完全統計國產比例為五分之一。同時存在配套產品設備數量少、質量低、性能一般的問題，無法達到世界領先水平。核心設備都是國外生產，對國外的依賴程度較高。

對國外設備過于依賴，導致的后果也會相對嚴重。第一，投資成本偏高，原因在于國內并無替代產品，國外專利商可能會趁機抬價。增加了采購工作的流程，人力、物力都會消耗較高成本。第二，國內相關產品由于多方面因素的影響，其設計水平、制造水平相對較低，未來發展速度相對緩慢。第三，供貨周期長。交貨期有時甚至還會延后，部分設備經常會延期半年，無法滿足實際工程需求[1]。

2.2 現有鉆井平臺數量不足

結合業內發展情況可以看出，當下國內主要石油企業在進行海上石油開采期間，石油鉆井處理中都存在類似的問題，如：裝備數量不滿足實際需求，裝置作業能力、作業種類與海洋油氣勘測的實際情況不匹配等。

3 海洋石油鉆井平臺的技術特點

3.1 作業范圍廣且質量要求高

對于移動式鉆井平臺而言，工程作業必須考慮海域范圍等實際需求。相關設備不但要在對應海域內進行工作，同時還應能夠適應更為復雜的作業環境，如：海域不同、水深加大、移位環境不同等諸多情況。就位、移位、生產作業等工況下，相關人員都會對鉆井平臺提出相應要求。如半潛式平臺的作業過程中，一般水深為1 500～3 500 m，同時還要適應13級海風環境，需要滿足持續作業不解脫等標準。

3.2 使用壽命長、可靠指數高

可靠度主要表現在下述幾方面：一是強度要求高。永久性包含多方面要求，除了要長期連續經受風吹浪打，還要加強當地氣候條件的分析，包括冰雹、地震等因素。二是疲勞壽命的要求相對嚴格。一般鉆井平臺作業期間，正常工作時限不得低于25～40 a，期間應免維修。為了達到上述目標，必須積極進行設備結構、防腐操作等工藝要求的分析。三是建造工藝。由于該行業較為特殊，建造工藝的要求也較高。為了保證滿足海洋工程質量的要求，應盡量采用高強度、高等級的鋼材，如超厚板材。四是生產管理方面的要求。在開采海洋石油期間，需加強海上安裝、水下安裝、海上運輸等多方面要求的分析。一般海洋工程比陸地工程項目更嚴格，生產管理細則規范滿足工程特殊性。

3.3 安全性要求高

海洋石油行業發展中，如果工程裝置設置不當，極易導致后續出現海損現象，為此，從向深海區擴展的角度出發，必須加強海上作業、海上安全方面的管理，有效考慮上述要求進行全面分析。力求逐步提升海洋油氣開發水平，確保設備防爆等安全等級滿足規范要求，提升整體安全效果。火災、環保和設計工作中，必須保證滿足HSE的基本要求。

3.4 學科多、技術復雜

海洋石油開采期間，為了有效進行鉆井平臺的設置，要及時進行全面分析，包括結構設計、流體力學、船舶技術等多項學科。為此，必須充分結合當代造船技術、機電技術、防腐工藝和環保等專業的知識進行管理，方可滿足新時期海洋石油開發的需求，如：海洋定位、深海浮動平臺的定位、油氣水分離等諸多難點問題[2]。

4 國內海洋石油鉆井平臺的技術創新

海洋石油開采期間，從國際領域方面看，海上石油鉆井平臺發展至今，已有百年的工作經驗。如深海石油鉆井平臺的發展，最初于20世紀80年代末出現，經歷了幾十年的時間，各類技術不斷創新，整體發展水平有所提高。海洋油氣開發的最大深度得到了明顯進步，發展迅速。國內發展情況方面，發展至今，海洋油氣已經有40余年的發展歷史，且整個發展過程中都取得了階段性的研究成果。起初從零經驗、無技術基礎情況出發，整體裝備欠缺，便依靠自身力量進行發展。從淺海鉆采裝備起步，逐步向深水區進行鉆采處理，達到大量深水石油的鉆采施工，雖然整個過程十分艱難，但是效果良好。

4.1 全機械化控制技術的發展

工業發展以來，各行業迅猛發展，海洋石油鉆井平臺的建設中，石油企業的技術人員逐步進行了先進技術的分析，并對此做出了技術指導，逐步朝著自動化、機械化的方向發展。美國是當下海洋石油工程項

目中，核心技術最為先進的國家。他們借助計算機技術進行了管理，達到了自動化、科學化、規模化的研發，即機械自動化技術，該技術在滿足海洋石油開采中效果良好。國內海洋石油鉆井技術發展中，機械化設備的種類、形式等不斷增多，顯著提升了海洋石油開采水平，同時其排污技術也有所提升，有效降低了海洋污染程度。

4.2 深水位隨鉆測井技術的發展

測井技術中，隨鉆測井技術是較為先進的技術之一。該技術在鉆井施工期間，借助儀表的鉆鋌便可進行開采地層的分析、測量，結合巖層物理數據分析，還可進行油氣評價，根據鉆井過程進行第一時間的報道。該項技術出現后，具有發展迅速的優勢，整體技術水平相對較高。海洋石油鉆井工程開發期間，其優勢十分突出，具體表現分析如下：第一，隨鉆測井技術可及時進行鉆井情況的分析，采集并收集一手信息。第二，可將原狀地層信息進行展示，且相關數據真實可靠。第三，可第一時間進行地質導向的科學處理，有效增加海洋石油開采效果，明顯提升數據采收率。隨后，還可及時進行地層監測處理，一旦發現井內的異常狀況，可在第一時間進行隨鉆測井技術的完善，掌握并控制相關過程，降低井控事故的發生幾率。最后，隨鉆測井技術中，一般對安全性的要求較高，相關技術必須滿足多種作業環境和要求，避免對其他各項數據產生負面影響。

4.3 3G、4G視頻監控技術的創新

新時期，隨著3G、4G視頻監控技術的發展，已經基本可以滿足當下實際需求，信息傳播形式包括語音視頻傳輸、多媒體信息傳播等，借助相關設備可及時獲得最新動態信息，包括語言信息、視頻信息等，借助現代通訊設備實現高速傳輸的基本目標，這是一個技術轉化的過程。3G、4G視頻監控技術得到了廣泛使用，推廣程度逐漸加深，高速數據傳輸水平不斷提高，這一類視頻監控技術在電信領域上占據了較高優勢，且仍然處于快速發展的階段。海上石油鉆井作業中，借助這一類監控井技術可維持當地工作的順利發展，有效避免了當地網絡信號差、運轉速度慢的問題。借助3G、4G視頻監控技術，可及時將施工現場的畫面傳送到控制中心，達到實時監控現場情況的目標，從而有效避免了隱患問題。

4.4 自升式平臺載荷不斷增大

在自升式平臺的建設中，工程項目的發展現狀和發展前景分析如下。自升式平臺中，一般需要采用高強度的鋼結構材料，經過詳細計算、設計、分析，方可達到最佳方案，一般需有效避免可變載荷和自重比值偏低的問題。此外，還要及時考慮甲板的可變載荷，一般不可過低，力求保證作業、空間操作、安全等級等滿足實際需求。其整體工作水平、自持能力等也會有所改善。此外，還可借助新時期的樁腿升降設備、懸臂鉆井設備等應對。

4.5 多功能半潛式平臺的集成能力變大

設備功能越加完善的情況下，對應的甲板空間便會更加廣闊。主要工作平臺區域中，必須全面考慮水、氣、油的處理體系，以及輔助體系、動力系統等。此外，該類平臺更符合鉆井、修井、多海底井等方面的要求，更加符合新時期鉆井要求。

4.6 新型技術FPSO技術的應用

FPSO 裝置屬于新型裝置，新時期，這一類裝置在海上油田的應用越來越廣。該類設備主要應用于大型化設備、深水區范圍中。上述裝置可與井口平臺進行連接，一般是管線連接。裝置內部包括系泊系統、特殊的火炬塔等復雜裝置，同時整艘船的結構十分復雜，價格也偏高，是其他同類油船遠無法達到的水平。該類裝置除了投資成本低、見效快等特點，同時還具有較高的抗風、抗浪能力，可結合項目需求進行轉移、重復利用。再者，這一類裝置的油儲量較高，可將采集到的油氣進行有效處理，完成油、氣、水的分離，可有效進行含油污水的處理、供熱、發電處理等，可將其理解成為“海上加工廠”，是當下海上石油開發的主要運作模式。

此外，如果鉆機的提升能力增加、鉆深能力增加，對應鉆井工作將會逐漸朝著深水區域發展。部分鉆機甚至還要在海底6 000 m區域進行打鉆地層施工。部分項目執行期間，從縮減鉆采平臺投資費用的角度出發，可能會將平臺中心當作鉆采中心，從此處位置開始進行擴展，半徑最大為5 000 m，特殊工況下該數值可能會更高。從中可以看出，海上石油鉆機的未來發展前景十分廣闊。

5 結語

國內海洋石油鉆井技術仍處于發展階段，業內相關人員必須保證及時研發、與時俱進。合理應用新技術、新工藝，從而穩定提高海洋石油的開采能力，在海洋石油鉆井作業中融入智能化技術。