自升式鉆井平臺石油開采生力軍
海洋油氣資源的
勘探開發(fā)，經(jīng)歷了從近海到遠海、從淺海到深海的過程。受技術(shù)條件的限制，最初只能開采從海岸直接向淺海延伸的油氣礦藏。在能源危機和技術(shù)進步的刺激下，近海
石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展，
海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進，逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺是實施海底油氣勘探和開采的工作基地，它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。
海上鉆井平臺一般可分為固定式鉆井平臺和移動式鉆井平臺。固定式鉆井平臺穩(wěn)定性好，海面氣象條件對鉆井工作影響小，但缺點是不能移動和重復(fù)使用，其造價成本隨水深增加而急劇增加。為解決鉆井平臺的移動性和深海鉆井問題，又出現(xiàn)了多種移動式鉆井平臺，主要包括：沉墊式鉆井平臺、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺和鉆井船等，其中自升式鉆井平臺對水深適應(yīng)性強，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占海上移動式鉆井平臺的60％。自升式鉆井平臺由平臺、樁腿和升降機構(gòu)等組成，平臺能沿樁腿升降，一般無自航能力。工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進行預(yù)壓，以保證平臺遇到風(fēng)暴時樁腿不致下陷。
完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起．整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。因其定位能力強、作業(yè)靈活、可移動性能好等特點，將會在未來海洋油氣勘探開發(fā)中扮演著越來越重要的角色。
自升式鉆井平臺的基本組成
在海洋油氣資源開發(fā)過程中，自升式鉆井平臺主要用于打探油氣井，也可用于打生產(chǎn)井、修井作業(yè)，也可作為早期生產(chǎn)中的鉆采平臺，這些主要功能的實現(xiàn)，主要依賴于其特殊部件如樁腿、升降系統(tǒng)、鎖緊裝置以及懸臂梁等的應(yīng)用。
樁腿及樁靴
樁腿是自升式鉆井平臺的關(guān)鍵部位，當(dāng)自升式鉆井平臺實施作業(yè)的時候，需通過升降機構(gòu)將平臺舉升到海面以上安全高度，接著進行樁腿的插樁，并由樁靴來支撐整個平臺。典型的自升式鉆井平臺有3個獨立樁腿，每個樁腿根部設(shè)計有樁靴。世界第一艘三樁腿自升式鉆井平臺“天蝎號”于1956年在美國建成并投入使用，該設(shè)計大膽采用了創(chuàng)新的桁架式樁腿及齒條和齒輪升降系統(tǒng)，該平臺型長56.7米，型寬45.7米，樁腿長42.7米，總重4000噸，是現(xiàn)代自升式鉆井平臺的雛形。
樁腿結(jié)構(gòu)有圓柱式、封閉式、桁架式等，新一代自升式鉆井平臺樁腿大多采用桁架式。桁架式樁腿能夠極大地減少水阻力和波浪載荷的影響，從而使作業(yè)水深得以大幅提升，能深達120米或者更深。桁架式樁腿多采用高強度鋼、大臂厚、小管徑臂厚比的主弦管和支撐管，管節(jié)點一般采用高強度、高剛度的“X”和逆“K”形，以減小節(jié)點數(shù)量。
樁靴是獨立插樁式海洋自升式鉆井平臺在海上安全鉆井的關(guān)鍵，用來承擔(dān)海底對平臺的支撐力。自升式平臺依據(jù)其樁腿和樁靴的形式可分為2種：一是由樁靴支撐的，獨立桁架式樁腿的自升式平臺；二是席地支撐的自升式平臺，該席地將所有的樁腿連接在一起。
獨立桁架式樁腿的自升式平臺的優(yōu)點是樁腿之間的機械獨立性。因為這個性能，平臺可以安裝在略微傾斜或不平的海底。整個平臺的穩(wěn)定性就取決于其樁腿和樁靴的幾何形狀和直徑。樁靴的形狀和尺寸可根據(jù)作業(yè)的需求進行不斷的更新改進，其受力面設(shè)計更加趨于受力均勻，而且能夠承受更多的載荷要求。早期的樁靴形狀為罐體形狀，直徑在 5-10米左右，從上世紀(jì)70年代開始，逐漸演變?yōu)?ldquo;橄欖球形狀”（俗稱錐形），直徑增加到了10-20米。
升降系統(tǒng)
升降系統(tǒng)作為自升式平臺中的關(guān)鍵部分，在平臺的設(shè)計制造中歷來受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺的安全和使用效果。自升式平臺的升降系統(tǒng)大致分為兩大類：齒輪齒條電動升降和孔穴插銷液壓升降。由于齒輪齒條式升降速度快、操作簡單、易對井位，多為桁架式自升式鉆井平臺所采用。
齒輪齒條式升降系統(tǒng)由動力驅(qū)動系統(tǒng)、動力傳遞系統(tǒng)（主要包括齒輪齒條及相應(yīng)的減速機構(gòu)）和平臺升降控制系統(tǒng)等3大部分組成。動力通過樁邊馬達驅(qū)動齒輪減速箱，然后傳遞給與齒條嚙合的小齒輪．從而帶動平臺的升降。
鎖緊裝置
所有的升降裝置都必須將環(huán)境、重力和運行時的載荷在平臺與支腿之間進行轉(zhuǎn)換。有些平臺是依賴起升的齒輪來實現(xiàn)這一功能，但是大部分平臺卻是只在起升時依賴齒輪，而其他多數(shù)時間是依靠鎖緊裝置來實現(xiàn)這一功能的。
鎖緊裝置主要由夾鎖緊液壓缸、驅(qū)動液壓缸及鎖緊塊等組成。通過驅(qū)動液壓缸推動鎖緊塊與齒條接觸，并與齒條緊緊嚙合，通過上下兩鎖緊液壓缸將鎖緊塊緊緊夾住，這樣可將整個平臺的重量施加在鎖緊塊上，以固定平臺。液壓驅(qū)動系統(tǒng)是將平臺與鎖緊塊聯(lián)系起來的一個紐帶。在進行升降操作時，松開上下部夾緊液壓缸，驅(qū)動液壓缸回縮，即可將鎖緊塊與齒條脫開。
懸臂梁
自升式平臺的鉆臺已經(jīng)從早期的槽口式發(fā)展到當(dāng)今的懸臂梁式。懸臂梁平臺的設(shè)計建造，大大提升了自升式鉆井平臺的作業(yè)功能，從傳統(tǒng)的純勘探鉆井發(fā)展到鉆完井作業(yè)、修井作業(yè)和鉆調(diào)整井等作業(yè)，大大減輕井口導(dǎo)管架平臺的設(shè)計承載量，減少導(dǎo)管架平臺的成本。目前，200米水深以內(nèi)大陸架海域的油氣開發(fā)有90％采用導(dǎo)管架生產(chǎn)平臺，所以懸臂梁鉆井平臺備受歡迎。目前，新建和待建的自升式鉆井平臺幾乎均設(shè)計成懸臂梁式鉆井平臺。
活躍在海洋石油開采的主力裝備
近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對石油資源的需要也在迅速增加。目前，我國已成為世界第二大石油進口國，陸地油氣資源的勘探開發(fā)已接近飽和，油氣供求矛盾日益突出，能源安全已成為政治、經(jīng)濟、外交等重要的議題之一，向海洋進軍，開發(fā)新的海洋油氣資源已是必然趨勢。我國擁有漫長的海岸線和廣闊的海域，在渤海、黃海、東海、南海等區(qū)域均蘊藏著極為豐富的油氣資源，據(jù)有關(guān)部門估計，我國的海底石油資源領(lǐng)儲量約占全國石油資源儲量的10％-14%，天然氣資源量約占全國天然氣資源的25％-34%，由此可見，海上油氣資源的開發(fā)有著相當(dāng)可觀前景。
我國第一艘自升式鉆井平臺“渤海1號”由原船舶工業(yè)總公司708研究所完成設(shè)計，由大連造船廠于1971年建造完畢，由于受當(dāng)時技術(shù)條件限制，其總長60.4米，總寬32.5米，型深5米，井槽尺寸10.5 x l0.8米，作業(yè)水深30米，最大鉆井深度4000米，滿載排水量5700噸，吃水3.3米，采用4根圓柱形樁腿。此后，在“渤海1號”的基礎(chǔ)上，又成功設(shè)計并建造了“渤海5號”和“渤海7號”兩艘自升式鉆井平臺，平臺長76米，寬46.6米，型深5.5米，井槽尺寸11 x 8.4米，滿載排水量6400噸，吃水3.5米，作業(yè)水深也增加到40米。兩船也采用的是4根圓柱形樁腿，并均獲得DNV和ZC雙重船級社的認(rèn)可，主要的性能都達到了當(dāng)時國際上同類鉆井船的水平。
進入21世紀(jì)以來，隨著國際
油價飛漲，海洋油氣資源的勘探開發(fā)更加迫切。中國石油集團公司于2004年成立
海洋工程有限公司（簡稱中油海洋公司），目的就是加快海洋油氣資源勘探開發(fā)步伐、持續(xù)推進專業(yè)化重組的戰(zhàn)略部署。公司一成立就立即著手海洋石油鉆井平臺的研發(fā)工作，但當(dāng)時僅有一艘“港海l號”平臺（現(xiàn)改稱“中油海1平臺”）。公司于2006年8月開工建造作業(yè)水深40米的“中油海5號”，和“中油海6號”兩艘姐妹船。隨后又開建“中油海7號”、“中油海8號”兩艘自升式鉆井平臺，并分別于2009年l月底和2009年3月底交付使用。為滿足海上油氣勘探開發(fā)需要，進一步提高海上勘探開發(fā)工程技術(shù)服務(wù)保障能力，2008年12月“中油海9號”自升式鉆井平臺由大連船舶重工建造完成并投入使用，該平臺最大作業(yè)水深91.4米，最大鉆井深度7000米。緊隨其后“中油海10號”鉆井平臺也已于2009年7月投入使用，兩艘平臺的設(shè)計、建造均采用美國船級社和中國船級社現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則，大大提升了中國石油國內(nèi)外海洋資源的勘探開發(fā)能力。2010年4月28日，中國石化集團公司“勘探六號”在新加坡勝科海事PPL船廠成功下水，“勘探六號”屬于BMPC-375型自升式鉆井平臺，是當(dāng)今世界上在建和投產(chǎn)平臺中技術(shù)較為成熟的型號之一，平臺可載員120人，最大作業(yè)水深115米，最大鉆井深度9144米，作業(yè)最大可變載荷3401噸，風(fēng)暴工況下最大可變載荷2948噸，于2011年投入使用。平臺建成后，能夠承擔(dān)中國石化近中期海洋勘探任務(wù)，同時也能對海外海域勘探作業(yè)提供支撐，并能為潛在區(qū)塊作業(yè)支撐能力提供堅實的保障。“勘探六號”自升式鉆井平臺建造項目是中國石化集團公司根據(jù)其實施海洋油氣發(fā)展戰(zhàn)略的要求而投資興建的，平臺投入使用后，將進一步優(yōu)化中國石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高其海洋工程板塊的市場競爭力。中國海洋石油總公司是中國第三大國家石油公司，負(fù)責(zé)在中國海域?qū)ν夂献鏖_采海洋石油及天然氣資源，是中國最大的海上油氣生產(chǎn)商。近年來，公司對海洋石油資源的勘探開發(fā)投入不斷加大。2006年7月，“海洋石油941”在大連船舶重工集團有限公司建成交付，無論是船型設(shè)計，還是主要設(shè)備配置都達到了當(dāng)前國際先進水平。該平臺作業(yè)水深為122米，是目前國內(nèi)作業(yè)水深最深的一座自升式海洋鉆井平臺，并可在惡劣的海況下作業(yè)，懸臂梁最大外伸22.86米，鉆臺左右橫向移動各4.57米，鉆井深度超過9000米，一次定位就能鉆30多口井，它是世界上首次采用鉆機全變頻驅(qū)動技術(shù)、國內(nèi)首座具備高溫高壓井鉆探能力的鉆井平臺，其自動化技術(shù)達到世界級水平。2008年9月，同類型的鉆井平臺“海洋平臺942”也投入使用。
2008年年底，海洋石油工程青島有限公司場地相繼開建“海洋石油921”、“海洋石油922”、“海洋石油923”、“海洋石油924”4艘自升式鉆井平臺，是國內(nèi)首次批量生產(chǎn)的鉆井平臺，平臺為穩(wěn)固形的三角形結(jié)構(gòu)，并且有3個下角形桁架組成，型長57.2米，型寬53.34米，樁腿長94米，定員100人，作業(yè)水深60.9米，最大鉆井深度6000米，并可抗12級臺風(fēng)，全部按美國船級社（ABS）和中國船級社雙船級規(guī)范進行設(shè)計、建造和檢驗，2010年年底全部交付使用后，可在渤海及其他同類海域進行作業(yè)，大大加快了
中海油的海上油氣開發(fā)的步伐。目前，我國三大石油集團正在使用的自升式鉆井平臺已接近30艘，雖然對早期從國外引進的平臺做了改造，但改造也僅限于更換部分設(shè)備和改善生活設(shè)施，性能上沒有大的改變，何況部分己超齡“服役”。隨著海洋資源開發(fā)力度不斷地加大，國內(nèi)現(xiàn)有的自升式鉆井平臺還是滿足不了需要。
未來發(fā)展前景
國內(nèi)海洋油氣勘探開發(fā)已從渤海灣逐步走向南黃海、東海、南海，并逐步走向世界。由于自升式鉆井平臺作業(yè)水深的限制，作業(yè)也僅適用干大陸架（水深200米）的海域。但是，南黃海、東海以及南海大陸架水深大，作業(yè)水深在40米-60米以內(nèi)的鉆井平臺，并且部分服役已超過30年，遠遠不能滿足勘探開發(fā)的要求。
深水和超深水海域的油氣資源，正成為美國、英國、娜威等國競相開發(fā)的熱點，深海油氣勘探開發(fā)被認(rèn)為是石油工業(yè)發(fā)展的一個重要前沿陣地，在墨西哥灣、巴西以及西非等地，深海石油開發(fā)已經(jīng)有了極大的發(fā)展。未來新一代自升式鉆井平臺的主要特點：(l）加大鉆井平臺的作業(yè)水深，作業(yè)水深將從目前122米，增至152-183米；(2）采用高強度鋼和甚高強度鋼，以降低平臺自重；(3）增大可變載荷和自持能力；(4）采用先進的樁腿（包括樁靴）結(jié)構(gòu)和升降機構(gòu)；(5）配備鉆井能力更強、自動化程度更高的先進鉆井設(shè)備；(6）更加注重健康、安全、環(huán)保。
由于自升式鉆井平臺受樁腿的高度的限制，樁腿高度越高，抵抗風(fēng)浪的能力就越差，其穩(wěn)定性也隨之變差，因此不適合深海水域作業(yè)。未來半潛式鉆井平臺（SEMI）和鉆井船的出現(xiàn)，解決了深海區(qū)的鉆井問題，前者優(yōu)點是在作業(yè)過程中，抵抗風(fēng)浪的能力強，穩(wěn)定性好，作業(yè)水深可達900-1200米，特別是在海況特別惡劣的深海海域，但不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，自持能力差。后者適用于較深海域作業(yè)，且移動性能好、造價低、易維護。但缺點對風(fēng)浪極敏感、穩(wěn)定性差，對作業(yè)海域的海況要求較高。
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