石化机械：我国海洋石油钻井平台分析与技术发展

黄悦华 任克忍
(宝鸡石油机械有限责任公司)

摘要：海洋油气开发装备产业是直接关系到海洋油气资源开发、影响国家能源稳定和经济安全的战略产业。海洋石油钻井平台是海洋油气开发的关键装备,我国海洋石油装备产业在海洋油气产业持续快速发展的带动下,正处于高速发展的新时期。对我国海洋石油钻井装备产业发展现状及市场需求进行了深入研究,并对海洋石油钻井平台技术特点做了介绍,重点分析了该项技术的发展状况,从钻井平台类型和技术含量等方面指出我国与世界先进海洋石油钻井平台的主要差距,并提出了若干发展建议。

关键词：海上平台 技术现状 发趋势展

随着我国经济持续高速增长,油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾。为提高对油气资源的占有量,海洋油气的开发已经成为我国实现能源可持续发展的战略重点,加快国内油气勘探开发,大力拓展海外,充分利用国内外2种资源、2个市场,保证石油的安全稳定供应已成为我国的国策。海洋石油钻井装备产业是以资本密集和技术密集为主要特征、为海洋油气资源开发提供生产工具的企业集合,是海洋油气产业与装备制造业的有机结合体。

1.我国海洋石油钻井装备产业取得骄人业绩

我国油气开发装备技术在引进、消化、吸收、再创新以及国产化方面取得了长足进步。

(1)建造技术比较成熟海洋石油钻井平台是钻井设备立足海上的基础。从1970年至今,国内共建造移动式钻采平台53座,已经退役7座,在用46座。目前我国在海洋石油装备建造方面技术已经日趋成熟,有国内外多个平台、船体的建造经验,已成为浮式生产储油装置(FPSO)的设计、制造和实际应用大国,在此领域,我国总体技术水平已达到世界先进水平。

(2)部分配套设备性能稳定海洋钻井平台配套设备设计制造技术与陆上钻井装备类似,但在配置、可靠性及自动化程度等方面都比陆上钻井装备要求更苛刻。国内在电驱动钻机、钻井泵及井控设备等研制方面技术比较成熟,可以满足7000m以内海洋石油钻井开发生产需求。宝石机械、南阳二机厂等设备配套厂有着丰富的海洋石油钻井设备制造经验,其产品完全可以满足海洋石油钻井工况的需要。

(3)深海油气开发装备研制进入新阶段目前,我国海洋油气资源的开发仍主要集中在200m水深以内的近海海域,尚不具备超过500m深水作业的能力。随着海洋石油开发技术的进步,深海油气开发已成为海洋石油工业的重要部分。向深水区域推进的主要原因是由于浅水区域能源有限,满足不了能源需求的快速增长需求,另外,随着钻井技术的创新和发展,已经能够在许多恶劣条件下开展深水钻井。虽然我国在深海油气开发方面距世界先进水平还存在较大差距,但我国的深水油气开发技术已经迈出了可喜的一步,为今后走向深海奠定了基础。

2004年,由中海油研究中心牵头承担了国家“863”课题“深水油气田开发工程共用技术平台研究”项目,开始了国内首个深水工程技术的系统研究,标志着我国的深海油气开发进入一个新的历史阶段。另外,在南海珠江口盆地,中海油通过与国外石油公司合作,所开发的油气田已部分或全部采用了深海油气田的开发技术。目前中海油已具备了寻找复杂地质条件下大中型油气田、自营开发海上油气田、在海上专业技术领域参与国际竞争、开发海外油田的海洋石油勘探开发能力。

2006年,中石油集团海洋石油工程公司牵头承担了国家“863”项目“南海深水油气勘探开发”的“深水半潜式钻井平台关键技术”课题,迈开了进军深海油气开发的步伐。

2.我国海洋石油钻井装备产业基础薄弱

尽管我国海洋石油钻井装备产业取得了骄人业绩,但同发达国家近百年发展历史相比,我国海洋石油开发装备产业起步相对较晚,总体来看主要表现出以下明显的不足。

(1)关键设备国产化程度低尽管我国在一些比较先进的油气工程装备方面已实现国产化,但国内厂商还基本停留在结构物的制造上,相关配套技术滞后,关键设备、技术仍然掌握在国外厂商手里,严重制约着海洋油气的规模开发。我国海洋石油钻井平台的国产化率仅在20%左右,自配套产品范围较窄,性能和质量同国外有一定差距,关键设备几乎全部依赖进口,目前完全依赖进口的设备有:①平台(船)配套的柴油发电机组、电控系统、大型吊机、船舶主机、主推进系统、轴系、前后侧推等;②钻井系统配套的水下防喷器、固控设备等;③自升式平台升降系统齿轮和齿条等。

关键设备依赖进口带来的问题有:①供货周期长,有时交货期比合同规定延长达5个月,甚至不定期延长;②成本高,因为国内没有替代品,国外厂家大幅加价,而且采购环节多,成本高;③国内相关产业的设计制造水平提升速度缓慢。

(2)现有钻井平台数量不足我国3大石油公司在海洋石油钻井装备方面数量明显不足,而且种类和作业能力也远不能满足海洋油气勘探开发的需要。截至2005年,我国共有移动式钻采平台46座,其中中国海洋石油总公司(CNOOC)拥有其中的大部分设备,中石油集团(CNPC)现有1座自升式钻井平台,但只能在滩海和极浅水域作业;中国石油化工股份有限公司(SINOPEC)拥有8座钻井平台,其中3座坐底式,5座自升式。

3.我国海洋石油钻井平台市场需求强劲

从国内油气资源的开发前景看,目前国内陆上石油生产总量的70%集中在普遍进入开发后期、产量逐年递减的东部油区,而西部油区还没有形成大规模的生产接替能力,因此,海洋石油增量成为我国石油产量增加的主力。我国管辖的海域面积约300万km2,其中近海大陆架约130万km2,石油地质资源量约237亿t,天然气地质资源量约15.8万亿m3,蕴藏了丰富的油气资源。《全国海洋经济发展规划纲要》中指出:①石油开发建设近期以渤海为重点,在现有开发区域周围扩大储量规模,将成为我国第2个大庆,今后5年,渤海海域钻采平台将有大的需求;②海南岛近海及珠江口的现有油田以挖潜为主,同时加强新层系及深水区域的勘探,整个南海的石油地质储量大致在230～300亿t,约占我国石油总资源量的1⒋;③继续加强东海的石油勘探工作,加快滩海地区重点区域的勘探开发。

3大石油公司在未来5年内海洋石油装备投资额约220亿元,按照海洋油气开发“先近后远”的计划,未来10年我国海洋油气开发战场将逐步向东海、南海等深海转移,随着深海开发步伐的加快,海洋石油装备投资额将继续增长,我国海洋石油装备的需求和海洋石油工程建设的工作量将有较好的扩张前景。

1.海洋石油钻井平台技术特点

(1)作业范围广且质量要求高移动式钻井平台(船)不是在固定海域作业,应适应移位、不同海域、不同水深、不同方位的作业。移位、就位、生产作业、风暴自存等复杂作业工况对钻井平台(船)提出很高的质量要求。如半潜式钻井平台工作水深达1500～3500m,而且要适应高海况持续作业、13级风浪时不解脱等高标准要求。

(2)使用寿命长,可靠性指标高高可靠性主要体现在:①强度要求高。永久系泊在海上,除了要经受风、浪、流的作用外,还要考虑台风、冰、地震等灾害性环境力的作用;②疲劳寿命要求高。一般要求 25～40 a不进坞维修,因此对结构防腐、高应力区结构型式以及焊接工艺等提出了更高要求;③建造工艺要求高。为了保证海洋工程的质量,采用了高强度或特殊钢材(包括Z向钢材、大厚度板材和管材);④生产管理要求高。海洋工程的建造、下水、海上运输、海上安装甚为复杂,生产管理明显地高于常规船舶。

(3)安全性要求高由于海洋石油工程装置所产生的海损事故十分严重,随着海洋油气开发向深海区域发展、海上安全与技术规范条款的变化、海上生产和生活水准的提高等因素变化,对海洋油气开发装备的安全性能要求大大提高,特别是对包括安全设计与要求、火灾与消防及环保设计等HSE的贯彻执行更加严格。

(4)学科交叉,技术复杂海洋石油钻井平台的结构设计与分析涉及了海洋环境、流体动力学、结构力学、土力学、钢结构、船舶技术等多门学科。因此,只有运用当代造船技术、卫星定位与电子计算机技术、现代机电与液压技术、现代环保与防腐蚀技术等先进的综合性科学技术,方能有效解决海洋石油开发在海洋中定位、建立海上固定平台或深海浮动式平台的泊位、浮动状态的海上钻井、完井、油气水分离处理、废水排放和海上油气的储存、输送等一系列难题。

2.海洋石油钻井平台技术发展(www.xing528.com)

世界范围内的海洋石油钻井平台发展已有上百年的历史,深海石油钻井平台研发热潮兴起于20世纪80年代末,虽然至今仅有20多年历史,但技术创新层出不穷,海洋油气开发的水深得到突飞猛进的发展。

(1)自升式平台载荷不断增大自升式平台发展特点和趋势是:采用高强度钢以提高平台可变载荷与平台自重比,提高平台排水量与平台自重比和提高平台工作水深与平台自重比率;增大甲板的可变载荷,甲板空间和作业的安全可靠性,全天候工作能力和较长的自持能力;采用悬臂式钻井和先进的桩腿升降设备、钻井设备和发电设备。

(2)多功能半潜式平台集成能力增强具有钻井、修井能力和适应多海底井和卫星井的采油需要,具有宽阔的甲板空间,平台上具有油、气、水生产处理装置以及相应的立管系统、动力系统、辅助生产系统及生产控制中心等。

(3)新型技术FPSO成为开发商的首选海上油田的开发愈来愈多地采用FPSO装置,该装置主要面向大型化、深水及极区发展。FPSO在甲板上密布了各种生产设备和管路,并与井口平台的管线连接,设有特殊的系泊系统、火炬塔等复杂设备,整船技术复杂,价格远远高出同吨位油船。它除了具有很强的抗风浪能力、投资低、见效快、可以转移重复使用等优点外,还具有储油能力大,并可以将采集的油气进行油水气分离,处理含油污水、发电、供热、原油产品的储存和外输等功能,被誉为“海上加工厂”,已成为当今海上石油开发的主流方式。

(4)更大提升能力和钻深能力的钻机将得到研发和使用由于钻井工作向深水推移,有的需在海底以下5000～6000m或更深的地层打钻,有的为了节约钻采平台的建造安装费用,需以平台为中心进行钻采,将其半径从通常的3000m扩大至4000～5000m,乃至更远,还有的需提升大直径钻杆(168.3mm)、深水大型隔水管和大型深孔套管等,因此发展更大提升能力的海洋石油钻机将不可避免。

3.我国与世界先进海洋石油钻井平台的主要差距

我国海洋勘探开发从无到有,至今已具备一定规模,海洋石油装备在消化吸收国外先进技术和自我发展过程中也取得了显著成效,但与国外相比还有不小的差距,主要表现在以下方面。

(1)钻井平台类型单一,技术含量低我国目前主要采用导管架式、坐底式、自升式钻采装置,结构简单,功能单一,新型张力腿平台(TLP),单柱平台(SPAR)、顺应式平台及其它多功能综合性平台的设计和建造技术还是空白。针对海洋石油钻井平台的特点和国内外市场的需求,结合我国研发与建造的实际水平,进一步发展海洋石油钻井平台,需要解决以下关键技术:①探索海洋石油钻井平台的新型式;②总体设计与结构设计准则;③主要设备配置与模块化技术;④主要设备国产化技术;⑤特种设备与系统技术开发;⑥特种结构分析技术开发;⑦海洋防腐技术;⑧海洋项目管理与信息化技术。

对于自升式钻井平台应尽快掌握关键设计技术,研究主体布置格局、桩腿及桩靴型式与尺度、升降装置的型式;在各种工况下结构设计载荷与强度分析;结构关键节点的疲劳分析;悬臂梁结构的设计等。

对于半潜式、张力腿钻井平台,应合理设计平台结构,提高其抗疲劳寿命。主要研究风浪载荷等复杂的动力学问题,考虑实际海浪的随机性与不规则性,预报波浪载荷;改进钢架结构局部结构,消除在交变载荷、海水腐蚀等作用下,结构连接节点处出现应力集中危害及疲劳破坏;系泊索疲劳问题也是张力腿平台的主要研究课题之一。

(2)现有钻井平台不适应深水需求目前我国的石油开采装备大多只能在300m深以内的海域工作,急需深海移动式钻采平台(船);海底基盤、水下井口及水下采油维修设备;水深大于500m的浮式生产系统,海底管线安全检测及维修装备(水下机器人);天然气水合物勘探及采收技术装备;配套深水作业的定位、通讯、运输保障、安全求生、环保设备。

我国在海洋石油钻井平台研究设计方面缺乏研制实践、甚至尚属空白的主要项目有:

·工作水深≥3000m的半潜式钻井平台;

·工作水深≥3000m的钻井船及工作水深≥2000m的船式FPSO和FPS;

·TLP平台,SPAR平台,其它诸如深水顺应式平台或ABS平台系统等;

我国在海洋石油钻采平台研究设计方面未涉及或很少涉及的主要通用技术关键项目有:

·动力定位系统设计计算及其软硬件的配套设计技术;

·工作水深≥2000m的锚链缆组合及其锚定装置(含垂直锚定装置)的设计实践;

·功率≥5000kW的高寿命双燃料燃气轮发电机组的设计实践;

·其它钻采平台主要配套设备的设计实践,如大型、高压油气水分离处理设施,大型、高压天然气压缩机,平台用大排量、高耐用度潜海水泵、海洋用大型、高压通用机、泵、阀等。

通过以上对我国海洋石油钻井平台的现状和发展趋势的分析,不难看出,在国家能源战略的宏观调控和市场的巨大作用下,我国海洋石油钻采装备正处在飞速发展的新时期,钻井平台正逐步实现关键技术的国产化,正在逐步缩小与发达国家的差距。由于深海资源的极大魅力,未来几年,我国在深海的开发投资将会不断增加,深海油气所占的比重也会越来越大,我国海洋石油钻井装备产业前景一片光明。

(本文编辑　南丽华)

第一作者简介：黄悦华,高级工程师,生于1960年,1983年毕业于甘肃工业大学石油矿场机械专业,现主要从事石油钻机设计及技术管理工作,任宝鸡石油机械有限责任公司技术中心主任。地址:(721002)陕西省宝鸡市。电话:(0917)3462166。E-mail:jszxhyh@bomco.cn。

收稿日期：2007-07-07