海洋工程装备关键技术和支撑技术分析

周 国 平

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引 言

海洋作为全球油气资源开发的新领域，已经成为全球油气资源重要的接替区。开发海洋油气资源特别是深水油气资源已作为国家的重要战略举措之一。我国已将海洋工程装备产业列为培育发展的新兴产业[1]，在“十二五规划纲要”中要求优化海洋产业结构，培育壮大海洋工程装备制造业。上海在“十二五规划纲要”中将“积极发展海洋油气开采、特种工程船等海洋工程装备及关键配套系统”列为培育发展的战略性新兴产业[2]，积极创建和培育国家新型海洋工程装备工业化基地，全面提升海洋工程装备制造和科技自主创新能力和竞争力，实现上海海洋工程装备产业新的历史性跨越[3]。为此，上海市船舶与海洋工程学会组织了有关专家、学者针对《上海市海洋工程装备产业发展战略与对策研究》课题展开研究[4]，意在为国家和上海市有关部门制定规划提供决策参考。本文针对主要海洋工程装备，特别是深水海洋工程装备，从技术研究的角度，作简要阐述。

1 海洋工程装备关键技术研究

1.1 自升式钻井平台

1.1.1 技术特征

自升式钻井平台是主体能自行至海面升降的平台，属于移动平台，见图1。其优点是钻井作业平稳、效率高、造价相对低。缺点是桩腿长度有限，使工作水深受到限制。自升式钻井平台由船体、桩腿和升降装置3部分组成。

钻机布置在钻井平台悬臂梁上，可以悬伸到外面打井，作业水深在90m（300ft）以上大多是悬臂梁式钻井平台。船体决定了钻井平台的拖航浮力和舱室及甲板容量，可变载荷的大小。桩腿是自升式钻井平台最明显特征，三条腿的占绝大多数，桩腿长度决定最大工作水深，作业水深超过50m大都采用桁架式，桩腿承受钻井作业负荷。升降装置是实现自升式钻井平台船体和桩腿相对垂直升降的重要机构，常用类型是由电机、齿轮和齿条等组成的机械式升降装置，而由液压马达、油缸、定位销等组成的液压式升降装置主要用在小型平台上。

1.1.2 技术研究

悬臂梁式自升式钻井平台是发展主流，它便于在导管架上修井、钻井、实现快速钻井等。液压驱动移动式悬臂梁，钻台在悬臂梁上沿纵橫向移动，一次定位能钻数十口丛式井。钻井设备的配置，一般采用顶部驱动装置、大功率绞车、大功率泥浆泵、电驱动系统等，可整体提升钻井平台的作业能力，也为安全、快速钻井提供了前提条件。

自升式钻井平台是近海石油勘探开发的主要钻井平台形式，主要关键技术有：1)总体优化设计；2)悬臂梁优化设计；3)桩腿高强度钢应用研究；4)升降系统研究；5)建造技术研究。

图1 自升式钻井平台（海洋石油941）

1.2 半潜式钻井平台

1.2.1 技术特征

半潜式钻井平台主要由浮体、立柱和工作平台3大部分组成，见图2。浮体提供平台的大部分浮力，立柱用于连接工作平台和浮体，支撑工作平台。工作平台即上部结构，用于布置钻井设备、钻井器材、起吊设备、直升式平台、安全救生、人员生活设施以及动力、通讯和导航等设备。

深水半潜式钻井平台的可变载荷是衡量平台性能的重要指标，因此，优化平台设计，应用高强度钢，减轻自重，增加可变载荷，可加大工作水深，钻井更深。半潜式钻井平台仅立柱暴露在波浪环境中，抗风暴能力强，稳性等安全性能良好。采用动力定位系统后充分显示出深水作业的优越性，但动力定位辅助加锚系泊定位或纯动力定位都将消耗大量能源，使装机总功率呈上升趋势。在新钻井设备、动力定位、电力设备、监测报警、救生消防、通讯等都得到发展的同时，钻井作业的自动化、智能化、效率和安全性能等都有显著提高。

1.2.2 技术研究

随着海洋勘探开发向深水发展，对深水半潜平台的设计技术提出了更高要求，如：适应更加恶劣海况、解决稳性与可变载荷的平衡矛盾、使平台结构更趋合理简洁、减少焊接缺陷和疲劳裂纹、采用高强度钢以减轻自重、提高可变载荷量、设备材料的选择、建造成本的控制、水动力性能和运动性能预报、强度和疲劳评估等技术研究，使深水半潜平台的设计更优化，以趋向最佳。

半潜式钻井平台是深海水域进行油气勘探开发的主要钻井平台形式之一，主要关键技术有：1)深水半潜式钻井平台优化设计；2)钻井系统及设备配套技术；3)深水半潜式钻井平台控制系统集成技术；4)深水半潜式钻井平台定位技术；5)深水半潜式钻井平台建造技术。

图2 深水半潜式钻井平台（海洋石油981）

1.3 钻井船

1.3.1 技术特征

钻井船是用于海上钻井的船形浮式装置，船体结构与普通船相类似，常为单船体式，也有双船体式结构。钻井船的“船井”开设在船体中央，处在纵横摇的摇摆中心附近，见图3。钻井船分为自航钻井船和非自航钻井驳船两类。钻井船设有锚泊定位或动力定位系统，作业水深超过 500m，大都采用动力定位。在锚泊定位中有多点锚泊或中心转塔式锚泊，中心转塔锚泊可任意调节船首方向，使之正对风浪流方向以减少对钻井船的影响。钻井船在所有钻井装置中机动性最好，移运灵活，停泊较简单，适应水深范围较广泛，一般从20～5000m乃至更深，特別适用深水、超深水钻井作业。

钻井船与半潜式钻井平台相比更侧重于超深水作业，与半潜式钻井平台一样配置了先进、可靠、安全的钻井设备，如：大功率绞车、大功率泥浆泵、顶部驱动装置、电控制系统、钻台辅助设备等，但钻井船采取双壳船体更趋向使用大功率、双钻井系统、高精度动力定位系统。目前钻井船最大钻井深度已达到11430m。

1.3.2 技术研究

随着钻井水深和钻井深度的不断增加，钻机的钻深能力也不断加大，配套的钻机功率也不断增大。钻井船受风浪影响大，稳定性差，摇摆幅度大，海况条件对正常钻井作业有较大限制，解决在高海况恶劣环境条件下的耐波性能、提高减摇性能是钻井船技术研究中的关键问题之一。主要关键技术有：1)总体优化设计；2)钻井系统及设备配套技术；3)控制系统集成技术；4)高海况耐波性能；5)建造技术。

图3 钻井船

1.4 张力腿平台

1.4.1 技术特征

张力腿平台（TLP）是一种垂直系泊浮式平台，是深水顺应式平台的一种典型形式，见图4。张力腿平台通过张紧缆索或张力腱将浮式半潜平台结构系于海底，适用于 150～2000m水深海域。张力腿平台由平台上体、浮体、张力腿、上部设施组块、顶张力井口立管、悬链式立管（外输/输入）和锚桩基础构成，船体通过由钢管组成的张力腿与固定于海底锚桩相连。船体浮力使得张力腿始终处于张紧状态，从而使平台保持垂直方向稳定。

由于浮力由立柱和位于水面以下的浮箱提供，浮箱位于水面下较深处，受表面波浪力影响较小，因此张力腿平台自由浮动时的稳定性较好，张力腿与立柱一一对应，每条张力腿由2～4根张力筋腱组成，上端固定在平台本体上，下端与海底锚桩相连。采油井位于平台本体的中部，支持采油干树系统，生产立管通过采油井，上与生产设备相接，下与海底油井相接。

张力腿平台根据油气处理方式及外输形式，可以与不同的海工设施进行组合：1)TLP+外输管线，依靠外输管线将油气送往岸上设施，这是TLP常用的开发模式；2)TLP+浮式卸油终端，使用穿梭油轮将原油外运；3)TLP+FPSO，这种方式适合于大型油气田的开发。

1.4.2 技术研究

张力腿平台的动力响应问题在设计中非常重要，运动性能的优劣会直接影响到TLP的设计形式以及结构用钢量等，张力腿平台动力响应分析包括波频响应、低频响应、高频响应等。系索问题也是TLP设计研究的关键技术之一，主要是系索的形式、安装、受力分析及可靠性等方面的分析研究。

张力腿平台在深水和超深水海洋油气勘探开发时可与海工设施灵活组合，是油气处理及外输的主要钻井平台形式之一，主要关键技术有：1)总体优化设计；2)系泊系统技术；3)动力响应分析；4)油气处理外输形式；5)建造技术。

图4 张力腿平台（TLP）

1.5 立柱式平台

1.5.1 技术特征

立柱式平台（Spar Platform）的主要特点是：主体吃水很深，水线面相对较小，在系泊系统和主体浮力控制作用下，6个自由度上的运动固有频率都远离海洋能量集中频率范围，从而有效减少波浪引起的平台垂荡，具有良好的运动性能；柱体底部装有压载使平台重心低于浮心，保证了平台稳性和垂向稳定，减少纵摇；平台中部侧面布置锚泊系统以锚泊在海底，从而减少平台的纵荡和垂荡。与其他深水平台相比，Spar平台的系泊系统投资成本可降低一半左右，因而成为当今国际海洋工程领域的研究热点之一。

Spar平台主体为垂直悬浮于水中的立柱体或组合主体，主要由顶部甲板模块、主体结构、系泊系统和立管系统组成。Spar平台使用刚性悬链线立管通过海底采油装置进行油气开采，同时利用刚性悬链线立管或柔性立管通过海底管网系统将油气送往岸上处理，或利用穿梭油轮、附近FPSO等联合进行油气处理和输出。Spar平台系泊系统一般采用多根半张紧的悬链线系泊缆，导缆器位于重心附近，海底处使用抓力锚或吸力锚基，见图5。

1.5.2 技术研究

Spar平台运动响应技术分析主要研究垂荡运动、纵荡/横荡、纵摇/横摇、首摇和涡激振荡。系泊系统设计分析主要研究涡激振动对系泊系统的影响。疲劳强度分析主要集中在顶部模块同Spar筒体间连接、桁架同硬舱/软舱间连接等关键节点上。Spar平台与海底管道立管及浮筒的相互作用以及在运输、建造、安装中的技术问题也需进行研究。技术研究的主要内容：1)总体优化设计；2)系泊系统技术；3)动力响应分析；4)理论研究与模型试验技术；5)建造和安装技术。

图5 立柱式平台（Spar）

1.6 浮式生产储卸油装置

1.6.1 技术特征

“这帮人们，都干啥去了！”他返回洞里，气哄哄地往地上一坐，“他们难道不知道缺了两个人吗？可是师父该知道的呀！师父该让人来找咱们呀！”

FPSO（浮式生产储卸油装置）由锚系到海底的大型油轮型驳船构成。FPSO通常与井口平台或海底采油系统组成完整的采油、原油处理、储油和卸油系统。FPSO具有投资省、建造周期短、迁移方便、可连续生产、重复使用等优点，适应水深条件范围非常广泛，具有风标效应，被广泛应用于环境条件比较恶劣的海域。

FPSO主要包括系泊系统、船体部分、油生产设备、艉卸载系统等几个部分，见图6。系泊系统有单点系泊、多点系泊、动力定位系泊，单点系泊系统有浮筒式系泊系统、转塔式系泊系统及塔架式系泊系统。船体按特定要求新建或改装，用于储油的油船或驳船；油生产设备是由采油设备和储油设备，及油气水分离设备等组成；艉卸载系统包括卷缆绞车、软管绞车等，用于与固定穿梭油船的连接，将FPSO储存的原油卸入穿梭油船。

1.6.2 技术研究

FPSO关键技术主要包括系泊系统、外输油系统、生产工艺系统及船体结构等。深水超大型 FPSO除考虑结构强度与疲劳强度外，还要考虑船体极限强度要求。随着海洋工程装备不断发展，新型的FPSO不断涌现，如：FPDSO（浮式生产钻井存储装置）把油气钻井设备并入 FPSO装置中，LNG FPSO是浮式液化天然气生产、储存、卸载装置；LNG FSRU 是浮式储存与再气化装置。主要关键技术有：1)总体优化设计；2)系泊系统技术；3)外输系统技术；4)油气处理系统技术；5)FPDSO的钻井系统技术。

图6 FPSO（海洋石油113）

1.7 海洋工程作业船

1.7.1 技术特征

海洋工程作业船是指能独立从事海洋工程作业，为海洋油气勘探开发工程系统提供配套装备工程作业和技术支持服务的工程船舶，主要有：海洋资源调查船、地球物理勘探船、天然气水合物综合调查船、海洋工程起重船、导管架下水驳、大型半潜运载船、深潜水作业支持船、海洋工程铺管/缆船、海底开沟埋管船、海洋工程综合勘察船（见图7）、水下工程作业船、海洋工程综合检测船、海上油田运行维护支持船等。

随着海洋油气勘探开发迅速发展，为海上工程提供配套装备工程作业和技术支持服务的工程船舶，得到了快速发展，并逐渐趋向于多样化、复合化和智能化。特别是近几年来，海洋油气勘探开发从浅海逐步扩展到深海，满足深水作业要求的海洋工程作业船舶已成为当前急需开发研究的项目之一。海洋工程作业船舶船型品种较多，涉及范围较广，其不同船型特性，高新技术含量也各不相同，船型个性化因素突出。

海洋工程作业船的技术研究，旨在开发出适应于我国海洋石油工业的发展，满足海洋石油和天然气勘探、开采工程要求，特别是我国南海深水区域海洋油气勘探开发作业要求，能为之提供各种配套装备工程作业和技术支持服务的海洋工程作业船舶。如：1)深水多功能水下工程作业船；2)大型海洋资源综合调查船；3)深海天然气水合物综合调查船；4)海底开沟埋管船。

图7 深水工程勘察船（海洋石油708）

1.8 海洋工程辅助船

1.8.1 技术特征

海洋工程辅助船是指为海洋油气勘探开采工程装备提供配套服务的辅助工程船舶，主要有：三用工作船、平台供应船、油田守护船（见图8）、海工远洋拖船、破冰工作船、油田消防船、浮油回收船、多功能营救船、油田交通船等。随着海洋油气勘探开发迅速发展，为海上工程装备提供配套服务的辅助工程船舶，同样得到了快速的发展，正朝着多品种化、多功能化、高智能化、全自动化等方向发展，成为海洋油气勘探开采工程中不可缺少的一个组成部分，特别是近几年来，海洋油气勘探开发从浅海逐步扩展到深海，海洋工程辅助船舶同样要适应海洋工程装备深水作业要求，已成为当前急需开发研究的项目之一。

1.8.2 技术研究

新型海洋工程辅助船的技术研究，特别是我国的海洋油气勘探开发已逐渐向深海区域发展，深水海洋工程辅助船必须以更强大的作业支持功能与之相匹配，技术研究主要是针对不同的海洋工程装备作业配套要求、不同的船型特性进行个性化技术研究，针对不同需求开发新船型，并对大功率推进、电力推进、快速性能、系柱拖力、抗风浪性能、耐波性能、动力定位、大型拖曳设备配置和多种特种作业功能等技术进行综合分析和专题开发研究[5]。技术研究主要是开发船型，如：1)深水多功能三用工作船；2)深水多用途供应船；3)新型多功能深水油田守护船；4)大型深水中转站型供应母船。

图8 电力推进油田守护船（海洋石油623）

2 海洋工程装备支撑技术研究

2.1 动力定位系统

2.1.1 技术特征

动力定位系统是海洋工程装备技术研究中的主要支撑技术研究之一，是深水海洋油气勘探开采、海底工程作业、水下打捞、海洋资源调查、海洋工程起重、海洋工程管缆铺设、深潜水作业支持、水下工程作业和海底综合检测等海洋工程作业不可少的手段。

动力定位系统由测量、控制、电源及推进系统等组成。具有保持指定位置、目标定位、自动搜寻最佳船首位置、转向点跟踪、ROV自动跟踪、变换回转中心、自动航行和平行移动等功能。中国船级社对动力定位系统分为DP-1、DP-2和DP-3三级[6]。

2.1.2 技术研究

动力定位系统技术研究主要针对产品研制和技术应用，模块化设计和研制，故障模拟分析，浮动式平台动力定位推进器和推进器之间的相互作用，推进器和船体的相互作用，环境力和低频运动，深水锚泊和动力定位系统组合的技术研究。主要关键技术有：1)控制系统的设计与研制；2)执行机构的国产化；3)安全性及可靠性；4)理论研究与试验手段。

2.2 深水锚系泊系统

2.2.1 技术特征

深水一般是指水深在500～1500m之间的水域，1500m以上为超深水。我国南中国海油气资源勘探开发的海域水深在500～2000m，最大水深在3000m以上，平均水深在1200m以上。常规水深的海上定位，是锚系泊系统。深水及超深水锚系泊系统主要有柔性和刚性两种锚系泊形式，柔性锚系泊形式为悬链线系泊系统，见图9。刚性锚系泊形式为张紧式系泊系统[7]，见图10。深水锚系泊系统是海洋工程装备技术研究中的主要支撑技术研究之一。

图9 悬链线系泊系统

图10 张紧线系泊系统

在作业水深 1000m以内常使用锚链加置入钢缆的悬链线系泊方式，也采用锚链加置入纤维缆索的悬垂线系泊或张紧线系泊方式，选择拖入式埋置锚。超过 1000m水深通过置入合成纤维缆索来减轻系泊线质量，除悬链线系泊方式外，更多选择张紧线系泊方式，系泊线以 45°大角度进入海底，系泊锚主要有垂直负载锚、吸力锚、动态重力穿刺锚。1500m以上超深水水域主要采用锚链加置入纤维缆索作为系泊线，建立张紧线系泊系统，采用垂直负载锚、吸力锚、动态重力穿刺锚等。

2.2.2 技术研究

悬链线系泊系统即为传统展开式锚泊系统，定位的复位力是靠锚泊缆的重量产生。张紧式系泊系统定位的复位力量是靠锚泊缆的轴向弹性产生。合成纤维缆索具有强度/重量比大、弹性好、成本低等优点，已广泛代替钢缆用于悬链线系泊或张紧式系泊，但其相关机理特性、动力因素模拟等需进行更深入研究，为深水及超深水系泊提供更有效和更精确的理论支撑。主要关键技术有：1)深水、超深水锚系泊系统选型与配置；2)悬链线系泊系统设计与分析；3)张紧式系泊系统设计与分析；4)深水、超深水锚系泊作业方法及规程；5)锚系泊系统关键设备的国产化；6)高强度合成纤维缆索的开发应用。

3 结 语

海洋工程是建设世界造船大国和强国的重要一环，目前海洋工程市场前景普遍看好，发展海洋工程装备正当其时。必须以科学发展观为指导，以引进消化吸收再创新为重要手段，进行深层次自主研发，研究设计出具有自主知识产权的、主要技术经济指标达到或接近国际先进水平的120m以上水深自升式钻井平台、深水半潜式钻井平台、超大型和特殊需求 FPSO、深水海洋工程作业船和辅助船等海洋工程装备，在深水浮式钻井船、张力腿平台（TLP）、柱状式平台（Spar）自主研发设计和建造上取得突破，动力定位系统自主研制取得实质性进展，深水锚系泊系统技术取得深海工程作业实际经验，使设计、制造、安装、检验和配套等技术有进一步的提高，缩小与世界先进水平的差距，从而全面提升我国海洋工程装备开发设计能力和制造技术水平。

[1]国家发改委等4部委编制. 海洋工程装备产业创新发展战略（2011-2020）[Z]. 2011.

[2]上海市造船工程学会. 船舶行业技术发展报告[R]. 2009.

[3]上海市船舶与海洋工程学会. 上海船舶与海洋结构物设计制造学科发展报告[R]. 2011.

[4]上海市船舶与海洋工程学会. 上海市海洋工程装备产业发展战略与对策研究（未定稿）[Z]. 2011.

[5]周国平. 海洋工程辅助船研发构想[J]. 上海造船，2009, (4)∶ 4-8.

[6]中国船级社.钢质海船入级与建造规范[S]. 2009.

[7]陆忠杰，周国平. 深水锚系泊作业技术应用初探[J]. 船舶设计通讯，2011（增刊）∶ 67-72.