自升式钻井平台石油开采生力军

    海洋油气资源的勘探开发，经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程。受技术条件的限制，最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的油气矿藏。在能源危机和技术进步的刺激下，近海石油勘探与开发飞速发展，海洋石油开发迅速向大陆架挺进，逐渐形成了崭新的近海石油工业部门。海上钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地，它标志着海底油气开发技术的水平。

    海上钻井平台一般可分为固定式钻井平台和移动式钻井平台。固定式钻井平台稳定性好，海面气象条件对钻井工作影响小，但缺点是不能移动和重复使用，其造价成本随水深增加而急剧增加。为解决钻井平台的移动性和深海钻井问题，又出现了多种移动式钻井平台，主要包括：沉垫式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船等，其中自升式钻井平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占海上移动式钻井平台的60％。自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构等组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起．整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。因其定位能力强、作业灵活、可移动性能好等特点，将会在未来海洋油气勘探开发中扮演着越来越重要的角色。

    自升式钻井平台的基本组成
 
    在海洋油气资源开发过程中，自升式钻井平台主要用于打探油气井，也可用于打生产井、修井作业，也可作为早期生产中的钻采平台，这些主要功能的实现，主要依赖于其特殊部件如桩腿、升降系统、锁紧装置以及悬臂梁等的应用。

    桩腿及桩靴

    桩腿是自升式钻井平台的关键部位，当自升式钻井平台实施作业的时候，需通过升降机构将平台举升到海面以上安全高度，接着进行桩腿的插桩，并由桩靴来支撑整个平台。典型的自升式钻井平台有3个独立桩腿，每个桩腿根部设计有桩靴。世界第一艘三桩腿自升式钻井平台“天蝎号”于1956年在美国建成并投入使用，该设计大胆采用了创新的桁架式桩腿及齿条和齿轮升降系统，该平台型长56.7米，型宽45.7米，桩腿长42.7米，总重4000吨，是现代自升式钻井平台的雏形。
桩腿结构有圆柱式、封闭式、桁架式等，新一代自升式钻井平台桩腿大多采用桁架式。桁架式桩腿能够极大地减少水阻力和波浪载荷的影响，从而使作业水深得以大幅提升，能深达120米或者更深。桁架式桩腿多采用高强度钢、大臂厚、小管径臂厚比的主弦管和支撑管，管节点一般采用高强度、高刚度的“X”和逆“K”形，以减小节点数量。
桩靴是独立插桩式海洋自升式钻井平台在海上安全钻井的关键，用来承担海底对平台的支撑力。自升式平台依据其桩腿和桩靴的形式可分为2种：一是由桩靴支撑的，独立桁架式桩腿的自升式平台；二是席地支撑的自升式平台，该席地将所有的桩腿连接在一起。

    独立桁架式桩腿的自升式平台的优点是桩腿之间的机械独立性。因为这个性能，平台可以安装在略微倾斜或不平的海底。整个平台的稳定性就取决于其桩腿和桩靴的几何形状和直径。桩靴的形状和尺寸可根据作业的需求进行不断的更新改进，其受力面设计更加趋于受力均匀，而且能够承受更多的载荷要求。早期的桩靴形状为罐体形状，直径在 5-10米左右，从上世纪70年代开始，逐渐演变为“橄榄球形状”（俗称锥形），直径增加到了10-20米。

    升降系统

    升降系统作为自升式平台中的关键部分，在平台的设计制造中历来受到高度重视，其性能的优劣直接影响平台的安全和使用效果。自升式平台的升降系统大致分为两大类：齿轮齿条电动升降和孔穴插销液压升降。由于齿轮齿条式升降速度快、操作简单、易对井位，多为桁架式自升式钻井平台所采用。

    齿轮齿条式升降系统由动力驱动系统、动力传递系统（主要包括齿轮齿条及相应的减速机构）和平台升降控制系统等3大部分组成。动力通过桩边马达驱动齿轮减速箱，然后传递给与齿条啮合的小齿轮．从而带动平台的升降。

    锁紧装置

    所有的升降装置都必须将环境、重力和运行时的载荷在平台与支腿之间进行转换。有些平台是依赖起升的齿轮来实现这一功能，但是大部分平台却是只在起升时依赖齿轮，而其他多数时间是依靠锁紧装置来实现这一功能的。

    锁紧装置主要由夹锁紧液压缸、驱动液压缸及锁紧块等组成。通过驱动液压缸推动锁紧块与齿条接触，并与齿条紧紧啮合，通过上下两锁紧液压缸将锁紧块紧紧夹住，这样可将整个平台的重量施加在锁紧块上，以固定平台。液压驱动系统是将平台与锁紧块联系起来的一个纽带。在进行升降操作时，松开上下部夹紧液压缸，驱动液压缸回缩，即可将锁紧块与齿条脱开。

    悬臂梁

    自升式平台的钻台已经从早期的槽口式发展到当今的悬臂梁式。悬臂梁平台的设计建造，大大提升了自升式钻井平台的作业功能，从传统的纯勘探钻井发展到钻完井作业、修井作业和钻调整井等作业，大大减轻井口导管架平台的设计承载量，减少导管架平台的成本。目前，200米水深以内大陆架海域的油气开发有90％采用导管架生产平台，所以悬臂梁钻井平台备受欢迎。目前，新建和待建的自升式钻井平台几乎均设计成悬臂梁式钻井平台。

    活跃在海洋石油开采的主力装备

    近年来，随着国内经济的迅速发展，对石油资源的需要也在迅速增加。目前，我国已成为世界第二大石油进口国，陆地油气资源的勘探开发已接近饱和，油气供求矛盾日益突出，能源安全已成为政治、经济、外交等重要的议题之一，向海洋进军，开发新的海洋油气资源已是必然趋势。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海域，在渤海、黄海、东海、南海等区域均蕴藏着极为丰富的油气资源，据有关部门估计，我国的海底石油资源领储量约占全国石油资源储量的10％-14%，天然气资源量约占全国天然气资源的25％-34%，由此可见，海上油气资源的开发有着相当可观前景。

    我国第一艘自升式钻井平台“渤海1号”由原船舶工业总公司708研究所完成设计，由大连造船厂于1971年建造完毕，由于受当时技术条件限制，其总长60.4米，总宽32.5米，型深5米，井槽尺寸10.5 x l0.8米，作业水深30米，最大钻井深度4000米，满载排水量5700吨，吃水3.3米，采用4根圆柱形桩腿。此后，在“渤海1号”的基础上，又成功设计并建造了“渤海5号”和“渤海7号”两艘自升式钻井平台，平台长76米，宽46.6米，型深5.5米，井槽尺寸11 x 8.4米，满载排水量6400吨，吃水3.5米，作业水深也增加到40米。两船也采用的是4根圆柱形桩腿，并均获得DNV和ZC双重船级社的认可，主要的性能都达到了当时国际上同类钻井船的水平。

    进入21世纪以来，随着国际油价飞涨，海洋油气资源的勘探开发更加迫切。中国石油集团公司于2004年成立海洋工程有限公司（简称中油海洋公司），目的就是加快海洋油气资源勘探开发步伐、持续推进专业化重组的战略部署。公司一成立就立即着手海洋石油钻井平台的研发工作，但当时仅有一艘“港海l号”平台（现改称“中油海1平台”）。公司于2006年8月开工建造作业水深40米的“中油海5号”，和“中油海6号”两艘姐妹船。随后又开建“中油海7号”、“中油海8号”两艘自升式钻井平台，并分别于2009年l月底和2009年3月底交付使用。为满足海上油气勘探开发需要，进一步提高海上勘探开发工程技术服务保障能力，2008年12月“中油海9号”自升式钻井平台由大连船舶重工建造完成并投入使用，该平台最大作业水深91.4米，最大钻井深度7000米。紧随其后“中油海10号”钻井平台也已于2009年7月投入使用，两艘平台的设计、建造均采用美国船级社和中国船级社现行规范和规则，大大提升了中国石油国内外海洋资源的勘探开发能力。2010年4月28日，中国石化集团公司“勘探六号”在新加坡胜科海事PPL船厂成功下水，“勘探六号”属于BMPC-375型自升式钻井平台，是当今世界上在建和投产平台中技术较为成熟的型号之一，平台可载员120人，最大作业水深115米，最大钻井深度9144米，作业最大可变载荷3401吨，风暴工况下最大可变载荷2948吨，于2011年投入使用。平台建成后，能够承担中国石化近中期海洋勘探任务，同时也能对海外海域勘探作业提供支撑，并能为潜在区块作业支撑能力提供坚实的保障。“勘探六号”自升式钻井平台建造项目是中国石化集团公司根据其实施海洋油气发展战略的要求而投资兴建的，平台投入使用后，将进一步优化中国石化产业结构，提高其海洋工程板块的市场竞争力。中国海洋石油总公司是中国第三大国家石油公司，负责在中国海域对外合作开采海洋石油及天然气资源，是中国最大的海上油气生产商。近年来，公司对海洋石油资源的勘探开发投入不断加大。2006年7月，“海洋石油941”在大连船舶重工集团有限公司建成交付，无论是船型设计，还是主要设备配置都达到了当前国际先进水平。该平台作业水深为122米，是目前国内作业水深最深的一座自升式海洋钻井平台，并可在恶劣的海况下作业，悬臂梁最大外伸22.86米，钻台左右横向移动各4.57米，钻井深度超过9000米，一次定位就能钻30多口井，它是世界上首次采用钻机全变频驱动技术、国内首座具备高温高压井钻探能力的钻井平台，其自动化技术达到世界级水平。2008年9月，同类型的钻井平台“海洋平台942”也投入使用。

    2008年年底，海洋石油工程青岛有限公司场地相继开建“海洋石油921”、“海洋石油922”、“海洋石油923”、“海洋石油924”4艘自升式钻井平台，是国内首次批量生产的钻井平台，平台为稳固形的三角形结构，并且有3个下角形桁架组成，型长57.2米，型宽53.34米，桩腿长94米，定员100人，作业水深60.9米，最大钻井深度6000米，并可抗12级台风，全部按美国船级社（ABS）和中国船级社双船级规范进行设计、建造和检验，2010年年底全部交付使用后，可在渤海及其他同类海域进行作业，大大加快了中海油的海上油气开发的步伐。目前，我国三大石油集团正在使用的自升式钻井平台已接近30艘，虽然对早期从国外引进的平台做了改造，但改造也仅限于更换部分设备和改善生活设施，性能上没有大的改变，何况部分己超龄“服役”。随着海洋资源开发力度不断地加大，国内现有的自升式钻井平台还是满足不了需要。

    未来发展前景
 
    国内海洋油气勘探开发已从渤海湾逐步走向南黄海、东海、南海，并逐步走向世界。由于自升式钻井平台作业水深的限制，作业也仅适用干大陆架（水深200米）的海域。但是，南黄海、东海以及南海大陆架水深大，作业水深在40米-60米以内的钻井平台，并且部分服役已超过30年，远远不能满足勘探开发的要求。
深水和超深水海域的油气资源，正成为美国、英国、娜威等国竞相开发的热点，深海油气勘探开发被认为是石油工业发展的一个重要前沿阵地，在墨西哥湾、巴西以及西非等地，深海石油开发已经有了极大的发展。未来新一代自升式钻井平台的主要特点：(l）加大钻井平台的作业水深，作业水深将从目前122米，增至152-183米；(2）采用高强度钢和甚高强度钢，以降低平台自重；(3）增大可变载荷和自持能力；(4）采用先进的桩腿（包括桩靴）结构和升降机构；(5）配备钻井能力更强、自动化程度更高的先进钻井设备；(6）更加注重健康、安全、环保。

    由于自升式钻井平台受桩腿的高度的限制，桩腿高度越高，抵抗风浪的能力就越差，其稳定性也随之变差，因此不适合深海水域作业。未来半潜式钻井平台（SEMI）和钻井船的出现，解决了深海区的钻井问题，前者优点是在作业过程中，抵抗风浪的能力强，稳定性好，作业水深可达900-1200米，特别是在海况特别恶劣的深海海域，但不足之处是结构复杂，造价高，自持能力差。后者适用于较深海域作业，且移动性能好、造价低、易维护。但缺点对风浪极敏感、稳定性差，对作业海域的海况要求较高。