深水鉆井船應用現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

1、深水鉆井船深水鉆井船（Drillship）現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)孫麗萍，鄧忠超孫麗萍，鄧忠超主要內(nèi)容1 深水鉆井船研究的意義2 深水鉆井船的需求3 現(xiàn)有深水鉆井船及運營商4 深水鉆井船關(guān)鍵技術(shù)5 深水鉆井船的發(fā)展趨勢6 哈爾濱工程大學的研究工作1 深水鉆井船研究的意義深水鉆井船研究的意義u2008年我國全年累計生產(chǎn)原油18973萬噸，全年進口原油達17888萬噸。目前我國石油消費對外依存度已高達到49.8%，已成為世界第二大能源消費國，且能源消費的增長勢頭仍在繼續(xù)。u國際能源機構(gòu)(IEA)預測，隨著越來越多中國消費者購買汽車，到2030年，中國石油消耗量的80%需要依靠進口。我國的石油緊

2、缺問題已日益突出，亟待解決。u我國南海的石油地質(zhì)儲量約為230億300億噸，占我國石油總資源量的三分之一，其中70%蘊藏于深海區(qū)域。2 2 深水鉆井船的需求深水鉆井船的需求 全球鉆井船市場始終處于供不應求的狀態(tài)。巴西石油公司負責開發(fā)墨西哥灣的高級經(jīng)理阿爾貝托吉馬良斯表示： “因為缺乏設備，幾乎所有石油公司的投資計劃都受到了限制?！?世界最大的石油和天然氣鉆探平臺營運商Transocean的首席執(zhí)行官羅伯特朗說，目前該公司共有9個全新的深水鉆井船正在建設當中，其中8個還未出廠就已經(jīng)預約簽下了4-7年不等的合同。羅伯特朗認為，深水鉆井設備市場直到2012年都會處于供不應求的階段。3 3 現(xiàn)有深水鉆

3、井船及運營商現(xiàn)有深水鉆井船及運營商 從承包商來看，美國的Transocean是擁有鉆井船最多的承包商，其擁有量占鉆井船總量的28%，第二名和第三名各有三艘鉆井船，要遠遠少于第一位。Belford DolphinGSF CR LuigsPride AfricaPride Angola作業(yè)水深達到3000米的深水鉆井船：目前共有14艘。Saipem 10000Deepwater DiscoveryDeepwater ExpeditionDeepwater FrontierDeepwater MillenniumDeepwater PathfinderDiscoverer EnterpriseDis

4、coverer SpiritDiscoverer Deep SeasJoides Resolution目前鉆井船的作業(yè)位置：目前鉆井船的作業(yè)位置： 主要分布在美國墨西哥灣、南亞、巴西、西非、澳大利亞和墨西哥海域。4 深水鉆井船設計建造關(guān)鍵技術(shù)陸地鉆井作業(yè)的主要設備與過程：鉆井船作業(yè)與陸地鉆井作業(yè)的區(qū)別：鉆井船與常規(guī)船舶相比較的特有系統(tǒng)：u鉆井系統(tǒng)u立管系統(tǒng)u定位系統(tǒng)鉆井船設計與分析的關(guān)鍵技術(shù)鉆井船設計與分析的關(guān)鍵技術(shù)(1)、月池、鉆井甲板、井架等特殊結(jié)構(gòu)的設計與分析。月池、鉆井甲板結(jié)構(gòu)是鉆井船與其它用途船舶的重要區(qū)別，其承受的井架載荷、立管載荷都很大，須在設計分析中特殊考慮。(2)、鉆井船總體

5、運動響應分析。鉆井操作對船體的總體運動要求非常嚴格，規(guī)范規(guī)定鉆井立管在豎直方向上的偏角不可超過4度。鉆井船的總體運動性能好壞直接決定鉆井操作能否順利進行。(3)、錨泊系統(tǒng)設計與分析。目前，新型高強度聚酯材料在海洋工程錨泊系統(tǒng)設計當中已開始采用。該類型錨泊系統(tǒng)具有重量輕、成本低、工作可靠等優(yōu)點。(4)、動力定位系統(tǒng)研究。在動力定位系統(tǒng)設計中需要考慮載荷計算、動力定位控制系統(tǒng)數(shù)學模型及控制器核心算法、多個推進器之間推力的最優(yōu)分配算法等問題，并進行整體定位能力分析以及失效模式評估。由于深海風浪流等條件異常惡劣，動力定位系統(tǒng)得設計與分析具有較高難度。(5)、立管系統(tǒng)設計與分析。立管系統(tǒng)是鉆井船特有的作

6、業(yè)系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)細長、柔性大，并且承受較大的內(nèi)外壓力和復雜的流載荷，其設計與分析難度較大。(6)、鉆井船總體性能模型試驗技術(shù)。鉆井船模型試驗涉及到風、浪、流等復雜邊界條件的設定、模型總體運動等響應信號的精確捕捉與分析、DP系統(tǒng)的模擬與控制等問題。(7)、高精度船體施工技術(shù)研究。由于有月池、井架等結(jié)構(gòu)，鉆井船的斷面結(jié)構(gòu)較復雜，這對船體分段的施工的精度提出了更高的要求。具體施工方法需要進行針對性研究。(8)、大厚度高強度鋼材焊接工藝研究。由于高強度鋼材本身的焊接性較差；同時，由于化學成分復雜，且強度和低溫韌性等性能要求很高，焊接工藝技術(shù)難度非常大。另外，由于鉆井船結(jié)構(gòu)復雜，大厚度構(gòu)件較多。因此，

7、采取有效措施，提高大厚度高強度鋼焊接接頭的力學性能，尤其是低溫韌性，保證焊接接頭的強度和韌性滿足設計要求對確保鉆井船的建造質(zhì)量有重要意義。5 5 深水鉆井船的發(fā)展趨勢深水鉆井船的發(fā)展趨勢深水化：深水化：目前，在建的鉆井船適應水深都超過了3000m,鉆井深度在10000m以上。大型化：大型化：深水鉆井裝備呈現(xiàn)大型化趨勢，包括甲板可變載荷、平臺主尺度、載重量、物資存儲能力等各項指標都向大型化發(fā)展，以增大作業(yè)的安全可靠性、全天候的工作能力和長的自持能力。設計更優(yōu)化：設計更優(yōu)化：體現(xiàn)在裝備的鉆井設備更先進；可變載荷與總排水量、總排水量與自重的比值；安全性、抗風暴能力和自持能力增強；甲板可變載荷和空間加

8、大等。配套更先進：配套更先進： 在石油鉆機方面，交流變頻電驅(qū)鉆機正在取代現(xiàn)有的可控硅直流電驅(qū)動電機；新一代頂部驅(qū)動裝置（TDS）在交流變頻驅(qū)動、靜液驅(qū)動等方面又有新的發(fā)展；在鉆井泵方面，不斷有大功率的鉆井泵問世；在井控方面，高壓旋轉(zhuǎn)防噴器將得到推廣使用。6 6 哈爾濱工程大學深海中心在該方面所做的工作哈爾濱工程大學深海中心在該方面所做的工作深海中心申請并通過了國家“111創(chuàng)新引智計劃”的支持，作為“深海工程科學與技術(shù)創(chuàng)新引智基地”，深海中心充分吸納國外深海工程技術(shù)領域的優(yōu)秀人才，形成了以美國工程院院士William C. Webster教授為中心，由10人組成的具有強大實力的海外合作團隊，其成

9、員來自美國休斯敦的Technip、SBM、Intec Sea等公司、美國加州Berkeley大學、英國UCL大學、法國BV船級社等在海洋工程領域享有盛譽的公司、大學和研究機構(gòu)。有以下研究方向： 深海浮式結(jié)構(gòu)物總體性能及定位系統(tǒng) 深海浮式平臺結(jié)構(gòu)設計與建造技術(shù) 深海海洋立管及海管的設計技術(shù)與分析方法 深海工程模型試驗技術(shù) 海洋可再生能源技術(shù) (1)(1) 15001500米水深海鉆井船概念設計研發(fā)米水深海鉆井船概念設計研發(fā)(2) FPSO(2) FPSO的系泊系統(tǒng)管理、操作和維護研究的系泊系統(tǒng)管理、操作和維護研究(3) (3) 無動力船的錨泊快速釋放系統(tǒng)研究無動力船的錨泊快速釋放系統(tǒng)研究(4)

10、(4) 半潛式起吊平臺水動力和系泊分析半潛式起吊平臺水動力和系泊分析(5) (5) 海上風力發(fā)電示范項目海上風力發(fā)電示范項目模塊整體運輸安全性分析、海洋模塊整體運輸安全性分析、海洋 環(huán)境與結(jié)構(gòu)強度實時監(jiān)測環(huán)境與結(jié)構(gòu)強度實時監(jiān)測(6) (6) 海上風力發(fā)電機組、基礎結(jié)構(gòu)及運輸安裝技術(shù)研究海上風力發(fā)電機組、基礎結(jié)構(gòu)及運輸安裝技術(shù)研究 (7) (7) 國家自然科學基金：弱耦合算法及其在海底管道渦激振動中的應用研究國家自然科學基金：弱耦合算法及其在海底管道渦激振動中的應用研究(8) (8) 自升式平臺建造工藝研究自升式平臺建造工藝研究(9) (9) 深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)碰撞分析深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)碰撞分析

11、(10)(10)深水半潛式平臺動力定位系統(tǒng)研究深水半潛式平臺動力定位系統(tǒng)研究 (11) FPSO(11) FPSO資產(chǎn)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究資產(chǎn)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究(12) (12) 海底集束管道結(jié)構(gòu)設計研究海底集束管道結(jié)構(gòu)設計研究近三年完成及正在進行的合作項目近三年完成及正在進行的合作項目開發(fā)團隊組成開發(fā)團隊組成姓名姓名職務職務/職稱職稱研究方向研究方向備注備注孫麗萍教授深海浮式結(jié)構(gòu)設計與分析張大剛特聘教授深海浮式結(jié)構(gòu)設計與分析IntecSea總裁、主任結(jié)構(gòu)工程師宋儒鑫特聘教授立管系統(tǒng)設計與分析Technip立管部主任工程師羅勇特聘教授浮式結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)設計與分析SBM高級工程師石山特聘教授浮式

12、結(jié)構(gòu)總體性能分析HOE高級工程師馬山副教授浮式結(jié)構(gòu)總體性能分析康莊副教授立管系統(tǒng)設計與分析鄧忠超講師深海浮式結(jié)構(gòu)設計與分析閆發(fā)鎖講師深海浮式結(jié)構(gòu)設計與分析王宏偉講師浮式結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)設計與分析戴偉講師立管系統(tǒng)設計與分析實驗研究條件實驗研究條件 船舶拖曳水池（110m7m3.5m,長峰規(guī)則波和不規(guī)則波，最高拖車速度6.5m/s） 水平型循環(huán)水槽(工作段4m2m1.5m，流速0 2.0m/s無級調(diào)速) 大型結(jié)構(gòu)疲勞試驗機（6點協(xié)調(diào)加載） LMS數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng) 風浪流聯(lián)合作用的深水試驗水池（50m30m10m，x-y航車，航車最高速度 3m/s，三維規(guī)則及不規(guī)則波，最大波高0.3m，流速0.1m/s

13、 0.5m/s ）軟件條件軟件條件水動力及系泊系統(tǒng)計算軟件：Harp, Hydrostar, Ariane立管分析計算軟件：Orcaflex, ABAQUS平臺結(jié)構(gòu)計算軟件：ANSYS, MARC, NASTRAN設計目標設計目標主要參數(shù)主要參數(shù) 最大鉆井深度：10000米 最大工作水深：1500米 甲板最大可變載荷：1400016000噸 定員：80100人鉆井船體的大概尺寸：鉆井船體的大概尺寸： 船長：220 m 船寬：45 m 型深：20 m 吃水：11 m 航速： 10 節(jié)設計極限海況設計極限海況 風速：60 m/s, 波高：30 m, 流速：1.5 kn鉆井作業(yè)海況及平臺運動性能鉆井作業(yè)海況及平臺運動性能 在風速18 m/s，波