海洋石油鉆井的技術(shù)創(chuàng)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(nèi)海洋石油鉆井平臺的發(fā)展現(xiàn)狀

國際航海領(lǐng)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(biāo)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(jīng)歷著驚濤駭浪，有時甚至高達(dá)18級海上臺風(fēng)。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(shè)備成為了熱門設(shè)備。我國海洋資源十分豐富，但是由于開采設(shè)備、開采水平的限制，國內(nèi)海洋石油產(chǎn)業(yè)仍停留于發(fā)展初期階段，大部分海洋石油開發(fā)工程仍停留在淺水區(qū)、海灘區(qū)等。國內(nèi)油氣開發(fā)領(lǐng)域中，相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)仍處于發(fā)展階段，從引領(lǐng)到創(chuàng)新，必須保證是自主創(chuàng)新、自主研發(fā)。結(jié)合當(dāng)下發(fā)展成果分析，中國鉆井技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為亞洲石油鉆井平臺方面的領(lǐng)先國家，規(guī)模巨大、成績斐然。

1.1 部分配套設(shè)備性能穩(wěn)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(shù)、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(dāng)下，國內(nèi)鉆井泵、井控設(shè)備、電驅(qū)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(shù)方面而言，卻已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。如深海7 000 m范疇內(nèi)，海洋石油鉆井開采中，國內(nèi)一般具有相應(yīng)能力。如寶石機械廠，在海洋石油鉆井平臺的配套設(shè)備制造方面，便具有較高經(jīng)驗，制造設(shè)備滿足海洋鉆井的需求。

1.2 建造技術(shù)日趨成熟

海洋石油鉆井平臺是海上石油開采的基礎(chǔ)部分，鉆井設(shè)備具有重大意義。從1970年發(fā)展至今，從國內(nèi)該行業(yè)發(fā)展情況分析，移動式鉆井平臺已建成的數(shù)量為58座，其中在用設(shè)備51座、在建設(shè)備7座、已退役設(shè)備7座。結(jié)合實際工程情況分析，工程建筑技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，當(dāng)下，國內(nèi)已經(jīng)具有多種形式的底座式平臺、自升式平臺的自主研發(fā)和加工制造能力。再者，國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)具有豐富的船體建造經(jīng)驗，且可初步完成了浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)的設(shè)計。但是相關(guān)人員必須清晰認(rèn)知到，當(dāng)下國內(nèi)FPSO的研制和制造能力雖然處于世界領(lǐng)先水平，但是國內(nèi)該行業(yè)運作中，其相應(yīng)的海洋石油工程裝置仍然無法滿足預(yù)期要求，并未處于領(lǐng)先水平。

1.3 深海油氣開發(fā)裝備研制進入新階段

淺水區(qū)的能源開發(fā)期間，存在產(chǎn)量極為有限的問題。結(jié)合工程項目經(jīng)驗，部分老油田產(chǎn)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(zhì)稠油油田比例增加等諸多問題，導(dǎo)致現(xiàn)階段能源需求無法得到滿足。此外，隨著鉆機技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，已經(jīng)逐漸克服了惡劣天氣條件的影響。2004年，國內(nèi)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(yè)期間，投入了深水半潛式鉆井平臺，相關(guān)工程進入了正式啟動階段，從中可看出，業(yè)內(nèi)專家已經(jīng)將向深水區(qū)拓展當(dāng)作首要目標(biāo)，這也是未來海洋石油發(fā)展作業(yè)的必然趨勢。

2 國內(nèi)海洋石油鉆井裝備不足

2.1 核心設(shè)備未達(dá)到國產(chǎn)化水平

當(dāng)下，國內(nèi)諸多地區(qū)的油氣工程落實中，其大部分設(shè)備初步達(dá)到了國產(chǎn)化要求，但是不容樂觀的問題是國內(nèi)廠商在進行制造中，核心技術(shù)仍掌握在國外專利商手中，導(dǎo)致國內(nèi)存在技術(shù)缺陷，限制了海洋油氣工程項目的后續(xù)發(fā)展。結(jié)合相關(guān)研究成果可發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)海洋石油開采期間，鉆井作業(yè)平臺設(shè)備的國產(chǎn)化程度較低，據(jù)不完全統(tǒng)計國產(chǎn)比例為五分之一。同時存在配套產(chǎn)品設(shè)備數(shù)量少、質(zhì)量低、性能一般的問題，無法達(dá)到世界領(lǐng)先水平。核心設(shè)備都是國外生產(chǎn)，對國外的依賴程度較高。

對國外設(shè)備過于依賴，導(dǎo)致的后果也會相對嚴(yán)重。第一，投資成本偏高，原因在于國內(nèi)并無替代產(chǎn)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(nèi)相關(guān)產(chǎn)品由于多方面因素的影響，其設(shè)計水平、制造水平相對較低，未來發(fā)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(shè)備經(jīng)常會延期半年，無法滿足實際工程需求[1]。

2.2 現(xiàn)有鉆井平臺數(shù)量不足

結(jié)合業(yè)內(nèi)發(fā)展情況可以看出，當(dāng)下國內(nèi)主要石油企業(yè)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(shù)量不滿足實際需求，裝置作業(yè)能力、作業(yè)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(shù)特點

3.1 作業(yè)范圍廣且質(zhì)量要求高

對于移動式鉆井平臺而言，工程作業(yè)必須考慮海域范圍等實際需求。相關(guān)設(shè)備不但要在對應(yīng)海域內(nèi)進行工作，同時還應(yīng)能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，如：海域不同、水深加大、移位環(huán)境不同等諸多情況。就位、移位、生產(chǎn)作業(yè)等工況下，相關(guān)人員都會對鉆井平臺提出相應(yīng)要求。如半潛式平臺的作業(yè)過程中，一般水深為1 500～3 500 m，同時還要適應(yīng)13級海風(fēng)環(huán)境，需要滿足持續(xù)作業(yè)不解脫等標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 使用壽命長、可靠指數(shù)高

可靠度主要表現(xiàn)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(xù)經(jīng)受風(fēng)吹浪打，還要加強當(dāng)?shù)貧夂驐l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(yán)格。一般鉆井平臺作業(yè)期間，正常工作時限不得低于25～40 a，期間應(yīng)免維修。為了達(dá)到上述目標(biāo)，必須積極進行設(shè)備結(jié)構(gòu)、防腐操作等工藝要求的分析。三是建造工藝。由于該行業(yè)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(zhì)量的要求，應(yīng)盡量采用高強度、高等級的鋼材，如超厚板材。四是生產(chǎn)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?shù)榷喾矫嬉蟮姆治?。一般海洋工程比陸地工程項目更?yán)格，生產(chǎn)管理細(xì)則規(guī)范滿足工程特殊性。

3.3 安全性要求高

海洋石油行業(yè)發(fā)展中，如果工程裝置設(shè)置不當(dāng)，極易導(dǎo)致后續(xù)出現(xiàn)海損現(xiàn)象，為此，從向深海區(qū)擴展的角度出發(fā)，必須加強海上作業(yè)、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(fā)水平，確保設(shè)備防爆等安全等級滿足規(guī)范要求，提升整體安全效果?；馂?zāi)、環(huán)保和設(shè)計工作中，必須保證滿足HSE的基本要求。

3.4 學(xué)科多、技術(shù)復(fù)雜

海洋石油開采期間，為了有效進行鉆井平臺的設(shè)置，要及時進行全面分析，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體力學(xué)、船舶技術(shù)等多項學(xué)科。為此，必須充分結(jié)合當(dāng)代造船技術(shù)、機電技術(shù)、防腐工藝和環(huán)保等專業(yè)的知識進行管理，方可滿足新時期海洋石油開發(fā)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(nèi)海洋石油鉆井平臺的技術(shù)創(chuàng)新

海洋石油開采期間，從國際領(lǐng)域方面看，海上石油鉆井平臺發(fā)展至今，已有百年的工作經(jīng)驗。如深海石油鉆井平臺的發(fā)展，最初于20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)，經(jīng)歷了幾十年的時間，各類技術(shù)不斷創(chuàng)新，整體發(fā)展水平有所提高。海洋油氣開發(fā)的最大深度得到了明顯進步，發(fā)展迅速。國內(nèi)發(fā)展情況方面，發(fā)展至今，海洋油氣已經(jīng)有40余年的發(fā)展歷史，且整個發(fā)展過程中都取得了階段性的研究成果。起初從零經(jīng)驗、無技術(shù)基礎(chǔ)情況出發(fā)，整體裝備欠缺，便依靠自身力量進行發(fā)展。從淺海鉆采裝備起步，逐步向深水區(qū)進行鉆采處理，達(dá)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(shù)的發(fā)展

工業(yè)發(fā)展以來，各行業(yè)迅猛發(fā)展，海洋石油鉆井平臺的建設(shè)中，石油企業(yè)的技術(shù)人員逐步進行了先進技術(shù)的分析，并對此做出了技術(shù)指導(dǎo)，逐步朝著自動化、機械化的方向發(fā)展。美國是當(dāng)下海洋石油工程項

目中，核心技術(shù)最為先進的國家。他們借助計算機技術(shù)進行了管理，達(dá)到了自動化、科學(xué)化、規(guī)?；难邪l(fā)，即機械自動化技術(shù)，該技術(shù)在滿足海洋石油開采中效果良好。國內(nèi)海洋石油鉆井技術(shù)發(fā)展中，機械化設(shè)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(shù)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(shù)的發(fā)展

測井技術(shù)中，隨鉆測井技術(shù)是較為先進的技術(shù)之一。該技術(shù)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(jié)合巖層物理數(shù)據(jù)分析，還可進行油氣評價，根據(jù)鉆井過程進行第一時間的報道。該項技術(shù)出現(xiàn)后，具有發(fā)展迅速的優(yōu)勢，整體技術(shù)水平相對較高。海洋石油鉆井工程開發(fā)期間，其優(yōu)勢十分突出，具體表現(xiàn)分析如下：第一，隨鉆測井技術(shù)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(guān)數(shù)據(jù)真實可靠。第三，可第一時間進行地質(zhì)導(dǎo)向的科學(xué)處理，有效增加海洋石油開采效果，明顯提升數(shù)據(jù)采收率。隨后，還可及時進行地層監(jiān)測處理，一旦發(fā)現(xiàn)井內(nèi)的異常狀況，可在第一時間進行隨鉆測井技術(shù)的完善，掌握并控制相關(guān)過程，降低井控事故的發(fā)生幾率。最后，隨鉆測井技術(shù)中，一般對安全性的要求較高，相關(guān)技術(shù)必須滿足多種作業(yè)環(huán)境和要求，避免對其他各項數(shù)據(jù)產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.3 3G、4G視頻監(jiān)控技術(shù)的創(chuàng)新

新時期，隨著3G、4G視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)基本可以滿足當(dāng)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(guān)設(shè)備可及時獲得最新動態(tài)信息，包括語言信息、視頻信息等，借助現(xiàn)代通訊設(shè)備實現(xiàn)高速傳輸?shù)幕灸繕?biāo)，這是一個技術(shù)轉(zhuǎn)化的過程。3G、4G視頻監(jiān)控技術(shù)得到了廣泛使用，推廣程度逐漸加深，高速數(shù)據(jù)傳輸水平不斷提高，這一類視頻監(jiān)控技術(shù)在電信領(lǐng)域上占據(jù)了較高優(yōu)勢，且仍然處于快速發(fā)展的階段。海上石油鉆井作業(yè)中，借助這一類監(jiān)控井技術(shù)可維持當(dāng)?shù)毓ぷ鞯捻樌l(fā)展，有效避免了當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)信號差、運轉(zhuǎn)速度慢的問題。借助3G、4G視頻監(jiān)控技術(shù)，可及時將施工現(xiàn)場的畫面?zhèn)魉偷娇刂浦行模_(dá)到實時監(jiān)控現(xiàn)場情況的目標(biāo)，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(shè)中，工程項目的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)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(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過詳細(xì)計算、設(shè)計、分析，方可達(dá)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(yè)、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(shè)備、懸臂鉆井設(shè)備等應(yīng)對。

4.5 多功能半潛式平臺的集成能力變大

設(shè)備功能越加完善的情況下，對應(yīng)的甲板空間便會更加廣闊。主要工作平臺區(qū)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(tǒng)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(shù)FPSO技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用越來越廣。該類設(shè)備主要應(yīng)用于大型化設(shè)備、深水區(qū)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(nèi)部包括系泊系統(tǒng)、特殊的火炬塔等復(fù)雜裝置，同時整艘船的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，價格也偏高，是其他同類油船遠(yuǎn)無法達(dá)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(fēng)、抗浪能力，可結(jié)合項目需求進行轉(zhuǎn)移、重復(fù)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(fā)電處理等，可將其理解成為“海上加工廠”，是當(dāng)下海上石油開發(fā)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(yīng)鉆井工作將會逐漸朝著深水區(qū)域發(fā)展。部分鉆機甚至還要在海底6 000 m區(qū)域進行打鉆地層施工。部分項目執(zhí)行期間，從縮減鉆采平臺投資費用的角度出發(fā)，可能會將平臺中心當(dāng)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(shù)值可能會更高。從中可以看出，海上石油鉆機的未來發(fā)展前景十分廣闊。

5 結(jié)語

國內(nèi)海洋石油鉆井技術(shù)仍處于發(fā)展階段，業(yè)內(nèi)相關(guān)人員必須保證及時研發(fā)、與時俱進。合理應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，從而穩(wěn)定提高海洋石油的開采能力，在海洋石油鉆井作業(yè)中融入智能化技術(shù)。