海洋钻井平台专利综述

本文主要介绍各类海洋钻井平台

海洋钻井平台专利综述

1、海洋钻井平台发展概况

当今世界油气储量迅速递减，陆上石油资源紧缺问题日渐突出，而占地球而积70%以上海洋，预计油气储量相当可观。据估计，全世界未发现的海上油气储量有90%是在水深超过1 000 m以下的地层中。我国深水海域也十分广阔，蕴藏着丰富的油气资源，但是目前我国的深水钻探开发仍处于起步阶段，深水钻完井技术与国际先进水平相比存在很大差距，在很多方而缺乏自主的关键技术，已成为我国深水油气勘探开发的瓶颈。因此，有必要深入调研和跟踪国外深水油气勘探的动态和成功经验，了解国外深水海洋石油钻井装备的结构特点、现状和技术水平。本文主要从专利的角度分析国内外在该领域的技术现状。

2、现有海上石油钻井平台的类型及其分类位置

现有的海上钻井平台主要分为移动式和固定式两类，其中移动式平台分为五种主要的类型：自升式、座底式、半潜式、浮动式钻井船和浮动式采油储油卸油船;固定式可分为五种主要的类型：导管架平台、重力式平台、牵索塔平台、张力腿平台和独柱式平台。近年来还出现了一种新型的可应用于海上石油钻井和其他海上作业的多用途平台：超大型浮体结构。

2.1、座底式海上石油钻井平台

坐底式平台通常由沉浮箱、工作平台及中间支撑等部件组成。这类平台最大的优点是完井后可以用拖船运输到其它需要钻井的场所，可移动性能良好，钻井时平台底而坐放在海床而上，基本不受海洋环境的影响，钻井稳定性较好。但其不足有2点:一方而该类平台对海底地基要求较高，另一方而受平台本身工作高度的限制，适应水深能力较差。目前在用的平台最多也只能在30 m以内的水深范围内工作，若要提高水深适应能力其制造成本会增加很多，经济性不好。另外，对坐底式平台而言，一旦平台高度确定，就意味着该平台永远只能在低于平台高度以下的水域中工作，灵活性较差，因此使其发展受到了一定限制。典型的例子是我国的申请专利号为92106733的专利，

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申请发明名称为“浅海移动座底式采油平台”。

2.2、自升式海上钻井平台

自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台，这种平台一般由平台本体(或称浮体)、升降装置和桩腿(一般3或4个)等主要部件组成。整个平台设计为一个整体，钻井时，桩腿插入海床用于支撑整个平台及台而设备进行海洋钻井作业。自升式平台通常能满足拖航移位时的浮性、稳定性要求，又能够满足作业时着底稳定性、强度的要求。这类平台以其升降灵活、移动方便、适应海底上壤条件和水深范围广、便于建造等各种优点而得到了广泛应用;其不足是拖航困难，平台定位操作比较复杂，同时难以适应更深海域的工作要求。资料显示，当前世界上共有自升式平台大约400座，海洋平台总量的40%以上，其中作业水深大于120 m的有20多座，最大适应水深能力已达到168m 我国现有自升式平台17座，其中作业水深大于90m的有4座。典型的例子是WO9900552号专利（一种用于自升式海上平台的支腿的锁定机构）。

2.3、半潜式海上石油钻井平台

自1961年第1座半潜式钻井平台诞生以来，日前这类平台已发展到第6代。在全球现有钻井平台中，半潜式平台的数量大约占到了粼其中水深超过3000m,钻井能力达到10000m的钻井平台(船)有巧座(艘)，发展速度很快。从适应水深能力来说，自第1代开始到当前的第6代平台，其适用水深工作范围分别为100, 300, 500, 1500,2300, 3000 m,钻井深度也经历了一个由浅到深的过程，日前钻井深度已超过12000 m;从船体结构、承载能力和自动化程度来说，半潜式平台经历了一个由低向高的发展历程，如平台定位已由过去传统的锚泊定位发展到推进器辅助定位，直到目前性能先进的DP3动力定位，钻井工艺由单井口发展到双井口，钻井工具由过去比较简单的以手工操作为主发展到全自动化操作等。半潜式平台最大的优点是稳定性好、移动灵活、能够在非常广阔的海域工作，其不足是造价高，自航速度相对较低。另外，海洋钻井船与半潜式平台相比，除具有半潜式的许多优点外，同时还在造价、航行速度等方而具有优势，但钻井船存在的最大缺点是夹板使用而积小，工作受海洋环境因素的影响和限制。对风浪等敏感性极强、整体稳性差、被迫停工率高等因素导致钻井船发展速度相对较慢。

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当前，我国在用的半潜式平台共有5座，主要集中在近海海域从事钻井作业，所有平台的作业水深均没有超过500 m。典型的例子有我国的申请专利号为85102609，发明名称为“水面式钻井船抛锚定位系统设置”的专利文献，还有申请专利号为86108094的专利文献，其发明名称为“半潜式抗台风多用途海洋平台”。

2.4、浮动式钻井平台（FPSO）

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，该装置主要而向大型化、深水及极区发展。FPSO在甲板上密布了各种生产设备和管路，并与井曰平台的管线连接，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”，己成为当今海上石油开发的主流方式。

2.5、导管架型平台

在软土地基上应用较多的一种桩基平台。由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。上部结构一般由上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板上布置成套钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施和直升飞机升降台等。平台甲板的尺寸由使用工艺确定。基础结构（即下部结构）包括导管架和桩。桩支承全部荷载并固定平台位置。桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。导管架立柱的直径取决于桩径，其水平支撑的层数根据立柱长细比的要求而定。在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑，以免冰块堆积。对深海平台，还需进行结构动力分析。结构应有足够的刚度以防止严重振动，保证安全操作。并应考虑防腐蚀及防海生物附着等问题。导管架焊接管结点的设计是一个重要问题，有些平台的失事，常由于管结点的破坏而引起。管结点是一个空间结点，应力分布复杂；近年应用谱分析技术分析管结点的应力，取得较好的结果。导管架由导管（即立柱）和导管间的水平杆和斜杆焊接组成，钢桩沿导管打入海底。打桩完毕后，在两者的环形空隙内用水泥浆等胶结材料固结，使桩与导管架形成一个整体，以承受巨大

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的竖向和水平荷载。若桩的承载能力不能满足要求时，可在立柱之间和角立柱的周围增设钢桩。例如我国的申请号为9247435的专利，其发明名称为“一种用于筒形基础平台安装的压载水箱装置的实用新型”。

2.6、塔架型平台

塔架型平台。另一种适于软土地基的桩基平台。由腿柱（通常直径达6米）、水平杆和斜杆及大梁(圆形或箱形)组成。为减小挡水面积，桩均设置在腿柱内,排成圆形，桩顶与腿柱焊接，空隙内灌入水泥浆，以防止薄壁腿柱发生局部压屈，并使桩固定在腿柱下端。施工时将塔架侧放并拖运就位,注入压舱水，使塔架直立,然后打桩，最后安装平台甲板。在自然条件恶劣的深水区，目前多采用导管架和塔架的组合方式。

2.7、重力式平台

重力式平台依靠自身的重量，坐于海底进行作业的平台。重力式平台的施工分两个阶段，前阶段在干坞中进行，后阶段在近岸可避风浪的深水区进行。施工程序是；在干坞中建造基础下部，至预定高度后向干坞中灌水，把已建成的基础下部连同起重设备一起浮运至能避风浪的深水区，并牢牢系泊，继续建造基础的上部及立柱，直至混凝土工程全部完成，再向基础内部灌水，使平台下沉，然后将预制的平台甲板构件用驳船运到立柱上，使基础排水，稍稍起浮，直至立柱恰好顶在平台甲板的预定位置。最后把立柱与平台甲板牢固地连在一起，形成平台。典型的例子是挪威用于北海的CONDEEP平台。

2.8、张力腿式平台

张力腿式平台。上部结构是浮体，通过收紧锚固在海底的缆索，使浮体的吃水深度比静平衡状态大一些，浮力大于浮体重力，剩余浮力由缆索的张力来平衡。当平台受到扰动力时，缆索张力改变而产生弹性变形，因此，平台只产生微量位移。缆索可竖向或斜向布置。对于深水海域,如果采用固定平台,则造价随水深增大而剧增，海上安装工程也趋于困难，相应配备的工程船舶均需大型化，而张力

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腿式平台仅需加长缆索，对造价影响不大，这种平台在工作完成后可浮运到其他地点。施工时整座平台在工厂建造，工作地点定位，适用于开采周期较短的深水井小型油田。检索到的专利有公开与1980年10月7日的美国专利文献US4226555A，申请人是美国Conoco公司。

2.9、独柱式平台

独柱式平台从储油和卸油浮筒发展而来。独柱式平台的独柱是由一个较大直径、吃水深的圆柱形结构构成，柱内部可以储油，中部有系缆点通过锚系锚固于海底。典型的专利有1971年3月16日美国的一家公司提出的US3778854A，还有专利号为US6564741B的专利。

2.10、超大型浮体结构

超大型浮体结构是指尺度以公里计的海洋结构物，可具有多种功能，超大型浮体结构作为人类开发海洋的前沿基地，正成为世界各国海洋工程界研究的一个热点问题，许多国家正在研究并发展有关技术，如日本、美国和挪威。由于超大型浮体结构尺度巨大，它的结构形式、建造材料、模块连接器、系泊系统等几个方面均需解决的关键技术问题。典型的例子有美国Mcdermott Technology公司于1998年7月20日申请的WO9912806号国际申请，还有中国的专利号为ZL200910028988.1，名称为“浮浮式钻井储油平台总段下水及旋转合拢对接方法”的专利文献。

3、海上钻井平台的发展趋势

随着当前世界各国对石油重要性的认识和现代高科技的高速发展，预计海洋钻井平台将会朝着以下几个方而发展。

3. 1海洋钻井平台被少数国家长期垄断的局面将逐渐被打破

在海洋钻井平台技术发展过程中，美国、挪威等西方发达国家由于起步旱已积累了一定经验，尤其在海洋深水技术开发方而一直处于领先和垄断地位，但随着近儿年世界多个国家涉足海洋勘探开发领域，尤其是我国、巴西、韩国、日本

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等国家的崛起，今后海洋装备技术将呈现出多渠道、多国化，百花齐放的发展局而。

3. 2海洋钻井平台将向高可靠性、自动化方向发展

而对风、浪、流等各种复杂的海洋作业环境及海上安全与技术规范条款的要求等，石油装备的高可靠性是保证海洋油气能否顺利开发的先决条件。同时，为了提高平台作业效率，降低劳动强度及减小手工操作的误差率，海洋装备的自动化、智能化控制技术已得到较好的应用。但对发展中国家而言，尚需对DP3定位系统、自动化管子处理系统以及海洋水下设备下入工具等做进一步研究。

3.3海洋钻井平台向多功能化方向发展趋势明显

20世纪90年代后期，部分钻井平台开始向多功能化方向发展。新型的多功能海洋平台不仅具有钻井的功能，同时还具备修井、采油、生活和动力等多种功能。如具有动力定位装置的FPSO不仅完全具备上述功能，而目_还可以作为穿梭油轮，实现一条船开发一个海上大型油田的目标。多功能半潜式钻井平台不仅可用作钻井平台，也可用作生产平台、起重平台、铺管平台、生活平台以及海上科研基地，甚至可用作导弹发射平台等，适用范围越来越广。

3. 4海洋钻井平台向深水领域发展必将成为新的发展方向

世界主要海洋装备制造强国均已开始研究并制造大型化的海洋油气开发装备，作业水深已由早先的10-25 m发展到当今的3 000 m以上，海洋油气开发装备的最大钻井深度可达12 000 m o目前，第5代、第6代超深水半潜式平台已成为发展潮流。根据美国权威机构统计分析，2001-2007年全世界投入的海洋油气开发项目为434个，其中水深大于500 m的深水项目占410，水深大于1 200m的超深水项目达到22710，各大石油公司在深海领域的投资有不断增加的趋势，海洋钻井平台正不断向深水领域发展。

4、结束语

当前，海洋石油勘探开发已进入到一个新的时代，世界各国对海洋油气资源勘探

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开发的力度不断加大。近年来我国虽然在海洋平台建造及技术研究方而做了大量工作，并取得了可喜的成绩，但就海洋装备技术实力和技术水平而言，我国仍处于一个比较落后的位置。现在，国内建造的多个平台和船体上用的主机、动力系统、专用设备、自动化工具等仍需花巨资向发达国家购买。在海洋钻井、平台定位、系统控制、自动检测和事故处理等技术方而，我国与发达国家之间还存在着很大的差距。因此，我国必须加快科研步伐，奋力追赶西方发达国家，甲一日步入世界海洋石油装备强国行列。

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