深水鉆井船應(yīng)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(yùn)營(yíng)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(shì)6 哈爾濱工程大學(xué)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(guó)全年累計(jì)生產(chǎn)原油18973萬噸，全年進(jìn)口原油達(dá)17888萬噸。目前我國(guó)石油消費(fèi)對(duì)外依存度已高達(dá)到49.8%，已成為世界第二大能源消費(fèi)國(guó)，且能源消費(fèi)的增長(zhǎng)勢(shì)頭仍在繼續(xù)。u國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù)測(cè)，隨著越來越多中國(guó)消費(fèi)者購(gòu)買汽車，到2030年，中國(guó)石油消耗量的80%需要依靠進(jìn)口。我國(guó)的石油緊

2、缺問題已日益突出，亟待解決。u我國(guó)南海的石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為230億300億噸，占我國(guó)石油總資源量的三分之一，其中70%蘊(yùn)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(chǎng)始終處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。巴西石油公司負(fù)責(zé)開發(fā)墨西哥灣的高級(jí)經(jīng)理阿爾貝托吉馬良斯表示： “因?yàn)槿狈υO(shè)備，幾乎所有石油公司的投資計(jì)劃都受到了限制?！?世界最大的石油和天然氣鉆探平臺(tái)營(yíng)運(yùn)商Transocean的首席執(zhí)行官羅伯特朗說，目前該公司共有9個(gè)全新的深水鉆井船正在建設(shè)當(dāng)中，其中8個(gè)還未出廠就已經(jīng)預(yù)約簽下了4-7年不等的合同。羅伯特朗認(rèn)為，深水鉆井設(shè)備市場(chǎng)直到2012年都會(huì)處于供不應(yīng)求的階段。3 3 現(xiàn)有深水鉆

3、井船及運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有深水鉆井船及運(yùn)營(yíng)商 從承包商來看，美國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)少于第一位。Belford DolphinGSF CR LuigsPride AfricaPride Angola作業(yè)水深達(dá)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(guó)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(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)陸地鉆井作業(yè)的主要設(shè)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(shè)計(jì)與分析的關(guān)鍵技術(shù)鉆井船設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)分析中特殊考慮。(2)、鉆井船總體

5、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。鉆井操作對(duì)船體的總體運(yùn)動(dòng)要求非常嚴(yán)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(yùn)動(dòng)性能好壞直接決定鉆井操作能否順利進(jìn)行。(3)、錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。目前，新型高強(qiáng)度聚酯材料在海洋工程錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)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(diǎn)。(4)、動(dòng)力定位系統(tǒng)研究。在動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮載荷計(jì)算、動(dòng)力定位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及控制器核心算法、多個(gè)推進(jìn)器之間推力的最優(yōu)分配算法等問題，并進(jìn)行整體定位能力分析以及失效模式評(píng)估。由于深海風(fēng)浪流等條件異常惡劣，動(dòng)力定位系統(tǒng)得設(shè)計(jì)與分析具有較高難度。(5)、立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xì)長(zhǎng)、柔性大，并且承受較大的內(nèi)外壓力和復(fù)雜的流載荷，其設(shè)計(jì)與分析難度較大。(6)、鉆井船總體性能模型試驗(yàn)技術(shù)。鉆井船模型試驗(yàn)涉及到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜邊界條件的設(shè)定、模型總體運(yùn)動(dòng)等響應(yīng)信號(hào)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(fù)雜，這對(duì)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(jìn)行針對(duì)性研究。(8)、大厚度高強(qiáng)度鋼材焊接工藝研究。由于高強(qiáng)度鋼材本身的焊接性較差；同時(shí)，由于化學(xué)成分復(fù)雜，且強(qiáng)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(fù)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(qiáng)度鋼焊接接頭的力學(xué)性能，尤其是低溫韌性，保證焊接接頭的強(qiáng)度和韌性滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)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(shì)深水鉆井船的發(fā)展趨勢(shì)深水化：深水化：目前，在建的鉆井船適應(yīng)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(shì)，包括甲板可變載荷、平臺(tái)主尺度、載重量、物資存儲(chǔ)能力等各項(xiàng)指標(biāo)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(zhǎng)的自持能力。設(shè)計(jì)更優(yōu)化：設(shè)計(jì)更優(yōu)化：體現(xiàn)在裝備的鉆井設(shè)備更先進(jìn)；可變載荷與總排水量、總排水量與自重的比值；安全性、抗風(fēng)暴能力和自持能力增強(qiáng)；甲板可變載荷和空間加

8、大等。配套更先進(jìn)：配套更先進(jìn)： 在石油鉆機(jī)方面，交流變頻電驅(qū)鉆機(jī)正在取代現(xiàn)有的可控硅直流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)；新一代頂部驅(qū)動(dòng)裝置（TDS）在交流變頻驅(qū)動(dòng)、靜液驅(qū)動(dòng)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(xué)深海中心在該方面所做的工作哈爾濱工程大學(xué)深海中心在該方面所做的工作深海中心申請(qǐng)并通過了國(guó)家“111創(chuàng)新引智計(jì)劃”的支持，作為“深海工程科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新引智基地”，深海中心充分吸納國(guó)外深海工程技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，形成了以美國(guó)工程院院士William C. Webster教授為中心，由10人組成的具有強(qiáng)大實(shí)力的海外合作團(tuán)隊(duì)，其成

9、員來自美國(guó)休斯敦的Technip、SBM、Intec Sea等公司、美國(guó)加州Berkeley大學(xué)、英國(guó)UCL大學(xué)、法國(guó)BV船級(jí)社等在海洋工程領(lǐng)域享有盛譽(yù)的公司、大學(xué)和研究機(jī)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(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù) 深海海洋立管及海管的設(shè)計(jì)技術(shù)與分析方法 深海工程模型試驗(yàn)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(shè)計(jì)研發(fā)米水深海鉆井船概念設(shè)計(jì)研發(fā)(2) FPSO(2) FPSO的系泊系統(tǒng)管理、操作和維護(hù)研究的系泊系統(tǒng)管理、操作和維護(hù)研究(3) (3) 無動(dòng)力船的錨泊快速釋放系統(tǒng)研究無動(dòng)力船的錨泊快速釋放系統(tǒng)研究(4)

10、(4) 半潛式起吊平臺(tái)水動(dòng)力和系泊分析半潛式起吊平臺(tái)水動(dòng)力和系泊分析(5) (5) 海上風(fēng)力發(fā)電示范項(xiàng)目海上風(fēng)力發(fā)電示范項(xiàng)目模塊整體運(yùn)輸安全性分析、海洋模塊整體運(yùn)輸安全性分析、海洋 環(huán)境與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(6) (6) 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸安裝技術(shù)研究海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸安裝技術(shù)研究 (7) (7) 國(guó)家自然科學(xué)基金：弱耦合算法及其在海底管道渦激振動(dòng)中的應(yīng)用研究國(guó)家自然科學(xué)基金：弱耦合算法及其在海底管道渦激振動(dòng)中的應(yīng)用研究(8) (8) 自升式平臺(tái)建造工藝研究自升式平臺(tái)建造工藝研究(9) (9) 深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞分析深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞分析

11、(10)(10)深水半潛式平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)研究深水半潛式平臺(tái)動(dòng)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(shè)計(jì)研究海底集束管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究近三年完成及正在進(jìn)行的合作項(xiàng)目近三年完成及正在進(jìn)行的合作項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)組成開發(fā)團(tuán)隊(duì)組成姓名姓名職務(wù)職務(wù)/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(shè)計(jì)與分析張大剛特聘教授深海浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與分析SBM高級(jí)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(jí)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(shè)計(jì)與分析鄧忠超講師深海浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析閆發(fā)鎖講師深海浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析王宏偉講師浮式結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析戴偉講師立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)研究條件實(shí)驗(yàn)研究條件 船舶拖曳水池（110m7m3.5m,長(zhǎng)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(jí)調(diào)速) 大型結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)（6點(diǎn)協(xié)調(diào)加載） LMS數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng) 風(fēng)浪流聯(lián)合作用的深水試驗(yàn)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(dòng)力及系泊系統(tǒng)計(jì)算軟件：Harp, Hydrostar, Ariane立管分析計(jì)算軟件：Orcaflex, ABAQUS平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件：ANSYS, MARC, NASTRAN設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)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(zhǎng)：220 m 船寬：45 m 型深：20 m 吃水：11 m 航速： 10 節(jié)設(shè)計(jì)極限海況設(shè)計(jì)極限海況 風(fēng)速：60 m/s, 波高：30 m, 流速：1.5 kn鉆井作業(yè)海況及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能鉆井作業(yè)海況及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能 在風(fēng)速18 m/s，波