深水鉆探裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

張海彬

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

1 海洋資源開發(fā)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(zhì)資源和空間資源等。其中，能源包括水面以上的風(fēng)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(zhì)資源包括海洋水體中的水資源、化學(xué)資源、生物資源，以及海底表面和地表以下的礦產(chǎn)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(fā)了各種各樣的海洋裝備，形成了豐富的海洋裝備產(chǎn)業(yè)體系。

1.2 世界能源結(jié)構(gòu)演變歷程

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類自從學(xué)會使用火以來，薪柴在相當(dāng)長時間內(nèi)是人類利用的主要能源。截至目前，世界能源結(jié)構(gòu)完成了兩次轉(zhuǎn)型：第一次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(dǎo)能源；第二次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(dǎo)能源。隨著人類環(huán)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(fēng)能、太陽能、核能和氫能等可再生清潔能源使用越來越多。預(yù)計2040年能源結(jié)構(gòu)將由油氣時代進入低碳時代，但是未來不會出現(xiàn)某一種能源占絕對主導(dǎo)地位的情況，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，油氣仍然會在能源結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。

世界能源結(jié)構(gòu)演變歷程如圖1 所示。

圖1 世界能源結(jié)構(gòu)演變歷程

1.3 海洋油氣資源分布及開發(fā)前景

油氣屬于不可再生能源，當(dāng)陸上油氣資源得到充分開發(fā)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(jù)估計占全球油氣資源總儲量的1/3 以上，人類從20 世紀(jì)40 年代就開始了海洋油氣開發(fā)。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(zhì)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(tǒng)的海洋油氣開發(fā)區(qū)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(fā)的熱點區(qū)域，預(yù)估油氣資源儲量超過130 億桶油當(dāng)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(fā)在相當(dāng)長的時間持續(xù)低迷，但國際普遍對未來海洋油氣開發(fā)前景持樂觀態(tài)度。一是隨著新冠疫苗的接種，疫情逐步得到控制，經(jīng)濟復(fù)蘇動力強勁。2021 年，中國、美國、歐盟都實現(xiàn)了GDP 正增長，隨著經(jīng)濟復(fù)蘇，對油氣需求將強勁反彈；二是 2021年以來，原油價格持續(xù)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(fā)走出低谷；三是近年來在低油價倒逼下，海洋石油開發(fā)成本持續(xù)下降，目前僅次于中東陸上石油開發(fā)成本（約為每桶43 美元），如此會增強石油公司海上石油開發(fā)的意愿。據(jù)IHSMarkit 機構(gòu)預(yù)測，海洋油氣開發(fā)在2022 年會緩慢上升，到2023 年有望恢復(fù)到疫情前水平，2023 年后將有較大增幅。

1.4 海洋油氣開發(fā)階段及裝備

海洋油氣開發(fā)大致分為地球物理勘探、鉆井勘探、油氣田開發(fā)建設(shè)和油氣生產(chǎn)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(fā)建設(shè)階段會用到起重船、鋪管船和半潛船等；油氣生產(chǎn)階段會用到生產(chǎn)平臺、FPSO 和穿梭油輪等。其中，鉆井勘探是海洋油氣開發(fā)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(fā)建設(shè)中的鉆生產(chǎn)井以及油氣生產(chǎn)中的修井作業(yè)，均離不開鉆井裝備?？梢?，鉆井裝備在海洋油氣開發(fā)中扮演著十分重要的角色。

鉆井裝備的發(fā)展經(jīng)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(yè)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(yōu)勢。半潛式平臺的主要優(yōu)點是運動性能優(yōu)異，定位性能受環(huán)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(yōu)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(huán)境載荷方向影響較大，運營成本稍高。

1.5 海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)前景及裝備

近年來，海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)越來越受到重視。淺海礦產(chǎn)資源主要包括濱海砂礦、磷鈣土和多金屬軟泥土，其開發(fā)利用較為成熟。深海礦產(chǎn)資源量巨大，含有許多陸地稀有的重要戰(zhàn)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(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物。據(jù)估計，僅東太平洋“克拉里恩·克里帕頓斷裂帶”的多金屬結(jié)核儲量就達210 億t，西太平洋“原生結(jié)殼帶”的富鈷結(jié)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(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)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(shù)百米，其勘探需采用大洋鉆探裝備。

深海礦產(chǎn)資源主要分布于國際海底和各國專屬經(jīng)濟區(qū)，其中國際海底的礦產(chǎn)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(qū)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(quán)。目前，我國已完成了其中2 個多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼區(qū)塊的初步勘探，而多金屬硫化物區(qū)塊勘探工作尚未開展。

表1 我國獲得的國 際深海礦產(chǎn)資源礦區(qū)km2

海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)與海洋油氣開發(fā)類似，分為地質(zhì)資源調(diào)查、鉆探取樣、采礦、運輸及加工4 個階段。地質(zhì)資源調(diào)查階段主要采用調(diào)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(fā)，還是海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)，鉆探裝備都必不可少。

2 深水鉆探裝備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外深水鉆探裝備發(fā)展現(xiàn)狀

下文將從油氣資源鉆井和礦產(chǎn)資源鉆探兩方面介紹國外深水鉆探裝備發(fā)展現(xiàn)狀。

目前，國際上用于海洋油氣資源開發(fā)的鉆井裝備已發(fā)展至第7 代。鉆井裝備的代級主要是根據(jù)作業(yè)水深、鉆機大鉤載荷等指標(biāo)來區(qū)分。第1 代和第2 代鉆井裝備最大作業(yè)水深一般在200 m 以內(nèi)，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(yè)水深為500 m，大鉤載荷為300 st；第4 代鉆井裝備最大作業(yè)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(yè)水深為2 250 m，大鉤載荷為750 st；第6 代鉆井裝備最大作業(yè)水深超過3 000 m，大鉤載荷為1 000 st；第7 代鉆井裝備作業(yè)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(fā)展脈絡(luò)比較清晰，每一代在平臺形式、性能指標(biāo)和設(shè)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(fā)展為4 立柱、少撐桿和箱形甲板平臺形式。鉆井船的更新?lián)Q代在早期不如半潛式平臺明顯，但在20 世紀(jì)90 年代以后，鉆井船技術(shù)發(fā)展的步伐越來越快。當(dāng)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(shè)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(yè)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(yè)，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(qū)前部，鉆桿、套管布置于井口區(qū)后部，備用泥漿布置于下浮體內(nèi)。

圖3 Aker H-6 半潛式鉆井平臺

DSS50 平臺（見圖4）最大作業(yè)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(yè)，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(jié)合的方式，鉆桿、套管布置于井口區(qū)后部，備用泥漿布置于下浮體內(nèi)。GVA7500M 平臺（見圖5）最大作業(yè)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(qū)前部，鉆桿、套管布置于井口區(qū)后部，備用泥漿布置于立柱內(nèi)。

ExD 平臺（見圖6）最大作業(yè)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(jié)合的方式，鉆桿、套管布置于井口區(qū)后部，備用泥漿布置于立柱內(nèi)。

圖6 ExD 半潛式鉆井平臺

D90平臺（見圖7）最大作業(yè)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(yè)。在總體布置上，該平臺設(shè)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(qū)前部，鉆桿、套管布置于井口區(qū)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(fā)，排水量為96 000 t、最大作業(yè)水深3 650 m、最大可變載荷為22 000 t，采用雙井架鉆井系統(tǒng)，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(shè)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(yè)水深3 650 m、最大可變載荷為22 000 t，采用雙井架鉆井系統(tǒng)，具備DP-3級動力定位能力。該型鉆井船已在韓國現(xiàn)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(yè)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(shè)計使其擁有較高的成本優(yōu)勢，鉆井系統(tǒng)采用Huisman 公司開發(fā)的柱塔式鉆機（MPT），可節(jié)省布置空間，提高作業(yè)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(chǎn)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(chǎn)資源鉆探裝備需具備取芯和船載實驗?zāi)芰?，但對井控的需求不大?/p>

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(yīng)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(yè)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)計劃（IODP）實施的主力船型，在海洋資源調(diào)查和科考中發(fā)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(xué)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(yè)水深為 2 500 m，技術(shù)形態(tài)上相當(dāng)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(huán)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(tǒng)的改造，是IODP歐洲船舶平臺的主要用船，同時，多家礦產(chǎn)公司租用該船對海洋礦產(chǎn)資源進行了勘探和資源評價。

圖13 DP Hunter 鉆探船

2.2 國內(nèi)深水鉆探裝備發(fā)展現(xiàn)狀

我國已具備淺水和深水鉆井裝備設(shè)計建造能力。在淺水鉆井裝備方面，已自主設(shè)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(shè)計建造。

海洋石油981 半潛式鉆井平臺（見圖14）是我國設(shè)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(chǔ)上，考慮南海作業(yè)的適應(yīng)性改進而來，在可變載荷、南海惡劣環(huán)境適應(yīng)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(fā)現(xiàn)了荔灣3-2、荔灣21-1 和流花29-2 等多個油氣區(qū)塊，取得了良好的經(jīng)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(zhǔn)第7 代半潛式鉆井平臺，其采用挪威Frigstad 公司設(shè)計的D90 船型。該平臺相對于第6 代鉆井平臺，在作業(yè)水深、鉆井深度、可變載荷和鉆井作業(yè)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(huán)動力系統(tǒng)，作業(yè)效率可提升30%，燃料消耗可節(jié)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(xiàn)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(chuàng)造了產(chǎn)氣總量和日均產(chǎn)氣量2 項世界紀(jì)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(shè)計方案，由上海船廠作為新加坡的分包商于2007 年承擔(dān)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(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并負(fù)責(zé)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(jīng)濟性十分突出。另外，主要鉆井設(shè)備由四川宏華集團供貨，在鉆井設(shè)備國產(chǎn)化應(yīng)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(shè)計要點

3.1 半潛式鉆井平臺主要設(shè)計要點

半潛式鉆井平臺設(shè)計需關(guān)注總體性能指標(biāo)綜合平衡、總體布置、重量控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要系統(tǒng)集成設(shè)計等幾個方面。

（1）總體性能指標(biāo)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(wěn)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(yè)窗口期，穩(wěn)性關(guān)乎平臺的安全，甲板可變載荷關(guān)系到平臺鉆井作業(yè)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(shù)值分析與模型試驗相結(jié)合的方式實現(xiàn)總體性能指標(biāo)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(qū)域的布置要素各不相同。上平臺布置主要關(guān)注鉆井設(shè)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(guān)注推力器艙、泵艙、消耗品艙和壓載艙等；立柱布置主要關(guān)注錨鏈艙、灰罐、壓載艙、管系和電纜走向等。在總布置設(shè)計中，需關(guān)注作業(yè)流程的高效實現(xiàn)、重量重心和浮態(tài)的控制、設(shè)備安裝和維護空間、逃生路線規(guī)劃和危險區(qū)影響等。此外，考慮到DP-3 冗余設(shè)計，設(shè)備容量增大，管系和電纜走向復(fù)雜，需采用三維設(shè)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(shè)計的重中之重，它將影響到平臺穩(wěn)性、可變載荷和運動性能等綜合性能以及平臺的作業(yè)能力。為此，需要在設(shè)計之初明確重量、重心控制的關(guān)鍵要素，編制重量統(tǒng)計表格和控制程序，并且定期進行重量分析和預(yù)警。若超過預(yù)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(shè)計、設(shè)備采辦、建造的整個過程。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)強度是半潛式鉆井平臺安全作業(yè)的前提。半潛式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計需采用直接計算法（包括波浪載荷預(yù)報、結(jié)構(gòu)總強度分析、局部結(jié)構(gòu)強度分析和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)節(jié)點的全概率疲勞壽命分析等），以確保半潛式平臺結(jié)構(gòu)安全性。在波浪載荷和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計波分析時，需要考慮縱向剪切、扭轉(zhuǎn)和橫向分離等典型波浪工況，在確定設(shè)計波參數(shù)過程中，還需考慮波浪參數(shù)的敏感性分析，以避免確定的設(shè)計波參數(shù)不具有代表性，遺漏更危險的波浪條件。（5）系統(tǒng)集成設(shè)計

半潛式鉆井平臺在設(shè)計中需要引入集成設(shè)計理念，以任務(wù)系統(tǒng)“鉆井系統(tǒng)”為核心，綜合考慮各系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和相互的接口設(shè)計，包括：實現(xiàn)平臺沉浮的壓載系統(tǒng)，抵抗環(huán)境條件實現(xiàn)鉆井作業(yè)的錨泊和動力定位系統(tǒng)，提供電力需求的電站系統(tǒng)，維護內(nèi)部環(huán)境的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)以及平臺的“大腦”中央控制系統(tǒng)。通過各系統(tǒng)的集成設(shè)計，更好地為平臺鉆井作業(yè)服務(wù)。

3.2 鉆探船主要設(shè)計要點

鉆探船設(shè)計中需要關(guān)注的內(nèi)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(yīng)。月池效應(yīng)體現(xiàn)在靜水力、勢流、耦合和黏性等方面，需要月池模型結(jié)合阻尼修正來考慮。一般來說，月池對垂蕩和縱搖響應(yīng)影響有限，但會顯著增加橫搖響應(yīng)，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(shè)計，還需關(guān)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(xì)考慮。船體航行時，月池內(nèi)水體會發(fā)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(jīng)驗表明，月池附加阻力與月池內(nèi)流體運動的幅度呈正相關(guān)，因此月池附加阻力的改善可以從降低月池內(nèi)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(shè)置月池平臺等；減少運動能量來源，如設(shè)置月池切口和突起、采取月池關(guān)閉措施等；增加運動阻力，如設(shè)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(guān)注環(huán)境載荷，特別是風(fēng)載荷的計算。鉆探船甲板設(shè)備布置密集，在采用傳統(tǒng)模塊法進行風(fēng)載荷計算時，無法考慮遮蔽效應(yīng)，而且對于斜向風(fēng)載荷的計算誤差較大。為更準(zhǔn)確地計算風(fēng)載荷，需要對傳統(tǒng)模塊法進行改進，需關(guān)注斜向風(fēng)載荷的準(zhǔn)確計算和設(shè)備間遮蔽效應(yīng)的影響。

另外，鉆探船定位能力對載荷方向特別敏感，從經(jīng)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(xì)化的分析。在獲得定位環(huán)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(yōu)化方法進行推力分配（推力器推力最小為優(yōu)化目標(biāo)），獲得抗風(fēng)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(shè)計依據(jù)。

4 深水鉆探裝備技術(shù)發(fā)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(fā)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(yè)指標(biāo)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(rèn)為智能化技術(shù)的應(yīng)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(xiàn)實的需求：一是降低人員成本的需要。鉆井裝備設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，涉及的技術(shù)、知識繁多，需要大量的專業(yè)作業(yè)人員，定員多達150~200 人。提高智能化應(yīng)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(yè)效率的需要?；跉v史經(jīng)驗的智能決策可以優(yōu)化作業(yè)流程，提高作業(yè)效率。三是減少人員傷亡的需要。油氣鉆井作業(yè)危險性高，火災(zāi)、井噴事故造成的人員傷亡事故頻發(fā)。應(yīng)用智能化技術(shù)既可以提高安全水平，也可以將高風(fēng)險作業(yè)活動采用智能化手段替代，減少人員傷亡。

中央控制系統(tǒng)是鉆井裝備作業(yè)控制中樞系統(tǒng)，其智能化應(yīng)用具有廣闊前景。圖19 為某鉆探船構(gòu)建的智能中央控制系統(tǒng)集成平臺，包括綜合信息系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對船舶系統(tǒng)、鉆井系統(tǒng)和船載實驗室系統(tǒng)的一體化智能管控。智能化技術(shù)的應(yīng)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(shù)指標(biāo)。

圖19 某鉆探船智能中央控制系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 海洋礦產(chǎn)資源鉆探裝備

在海洋礦產(chǎn)資源鉆探裝備領(lǐng)域，業(yè)界正在對泥漿閉式循環(huán)技術(shù)、新一代液壓鉆機和取芯技術(shù)方面進行積極探索和研究。

泥漿是深水鉆探作業(yè)的重要材料，起到冷卻鉆頭、攜帶巖屑和穩(wěn)定井筒等作用。根據(jù)是否回收泥漿，鉆井作業(yè)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(huán)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(huán)技術(shù)逐步得到發(fā)展和應(yīng)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(yè)方式的可變載荷實現(xiàn)隔水管鉆探作業(yè)方式的效果，特別適合不需要防噴器的深海礦產(chǎn)資源勘探。目前，該技術(shù)在國外457 m 水深已有工程應(yīng)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(shù)的研究，正在開展2 000 m 水深的無隔水管泥漿閉式循環(huán)技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)設(shè)備研制工作，并有望在不遠(yuǎn)的將來實現(xiàn)超深水工程應(yīng)用，這對于進一步降低深水鉆探裝備的規(guī)模和成本具有重要意義。

鉆機是鉆井裝備的核心任務(wù)系統(tǒng)，國內(nèi)外鉆井設(shè)備供應(yīng)商正在開展新一代綠色環(huán)保液壓鉆機的研發(fā)工作。與傳統(tǒng)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(qū)動提升并同步實現(xiàn)升沉補償，故還具有作業(yè)效率高、補償能力強、響應(yīng)速度快等特點。新一代綠色環(huán)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(guī)鉆機的50%，在多海域作業(yè)適應(yīng)性和節(jié)能環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢。

取芯作業(yè)對于海洋礦產(chǎn)資源勘探至關(guān)重要。傳統(tǒng)的取芯方式包括繩索取芯和提鉆取芯，取芯效率較低。國內(nèi)研究機構(gòu)正在開展氣舉反循環(huán)取芯技術(shù)研究，其使用海水、高壓空氣作為循環(huán)介質(zhì)，通過抽吸作用可實現(xiàn)不停鉆取芯，將大大提升取芯作業(yè)效率。氣舉反循環(huán)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(yè)。

4.3 極地鉆井裝備

極地除了在航運上具有戰(zhàn)略地位外，油氣資源開發(fā)的需求也潛力巨大。北極地區(qū)蘊含著豐富的油氣和礦產(chǎn)資源。據(jù)預(yù)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(yè)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(yè)任務(wù)。隨著物探作業(yè)的深入開展，未來極地鉆井勘探作業(yè)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(tài)環(huán)境，國際海事組織頒布了《極地規(guī)則》，從船舶構(gòu)造、設(shè)備、操作、搜救和環(huán)保等方面提出了諸多要求，提高了裝備極地作業(yè)的準(zhǔn)入門檻。除了《極地規(guī)則》影響，極地惡劣環(huán)境會對鉆井作業(yè)帶來諸多挑戰(zhàn)，包括冰載荷、暴風(fēng)雪和低溫等對裝備穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)性能、定位能力、作業(yè)環(huán)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(shè)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(lǐng)域開展了大量研究工作，我國相關(guān)領(lǐng)域研究才剛剛起步。國內(nèi)正在開展極地鉆井船設(shè)計和鉆完井工藝技術(shù)研究工作，培育極地鉆井裝備的自主開發(fā)設(shè)計能力，以支撐我國未來極地鉆井裝備的建造和應(yīng)用。

5 結(jié) 語

本文針對深海資源開發(fā)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(nèi)外的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了半潛式鉆井平臺和鉆探船的主要設(shè)計要點，并展望了深水鉆探裝備的技術(shù)發(fā)展趨勢。在深水鉆探裝備開發(fā)設(shè)計中，除了需要關(guān)注總體性能指標(biāo)綜合平衡、總體布置、重量控制、結(jié)構(gòu)性能和主要系統(tǒng)的集成設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮立柱與下浮體、橫撐、上甲板的連接節(jié)點設(shè)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(huán)境載荷的特點等。深水鉆探裝備未來的技術(shù)發(fā)展方向呈現(xiàn)出新技術(shù)應(yīng)用和新領(lǐng)域拓展的特點，將在智能化技術(shù)應(yīng)用、無隔水管泥漿閉式循環(huán)技術(shù)、高效取芯技術(shù)、綠色節(jié)能技術(shù)和極地環(huán)境適應(yīng)性等方面取得突破和進展，有力推動深海資源的開發(fā)進程。

雖然當(dāng)前海洋油氣市場還處于恢復(fù)期，海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)離商業(yè)化還有很長的一段路要走，但深海海洋資源開發(fā)的趨勢沒有改變，面臨的挑戰(zhàn)和機遇并存。此時，我們應(yīng)做好深海開發(fā)裝備的技術(shù)儲備，加強科研攻關(guān)，強化自主可控，推動我國海洋資源開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。