海洋工程中的創(chuàng)新思維

海洋工程中的創(chuàng)新思維一、海洋工程發(fā)展簡(jiǎn)介1920年，委內(nèi)瑞拉首先在馬拉開(kāi)波湖上使用木結(jié)構(gòu)平臺(tái)鉆井，揭開(kāi)了人類開(kāi)發(fā)海洋油氣資源的的序幕。90多年來(lái)，海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)從無(wú)到有，觸及的海域由淺入深，勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)和裝備不斷革新，使人類向海洋索取資源成為可能，同樣為世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。1947年在美國(guó)墨西哥灣建成了世界第一座鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)海洋平臺(tái)成為海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的重要工具。20世紀(jì)60年代，以美國(guó)為首的許多西方國(guó)家為擺脫能源危機(jī)，紛紛投資開(kāi)發(fā)近海石油，70年代形成近海石油的開(kāi)發(fā)高潮。80年代，全世界從事海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的國(guó)家和地區(qū)超過(guò)100個(gè)。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐漸向深海推進(jìn)，人類開(kāi)始不斷探索新型的開(kāi)發(fā)技術(shù)以適應(yīng)需要。20世紀(jì)50年代提出了順應(yīng)式平臺(tái)的概念，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和探索，1984年英國(guó)北海建造了世界上第一座張力腿平臺(tái)——Hutton平臺(tái)，水深157m，標(biāo)志著深水采油張力腿平臺(tái)技術(shù)完全成熟。現(xiàn)已形成三大系列，SeaStar系列＞MOSES系列和ETLP系列。1987年一種新型的深水采油平臺(tái)Spar平臺(tái)被設(shè)計(jì)出來(lái)，1997年首次建成投產(chǎn)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三代Spar平臺(tái)，成為繼張力腿平臺(tái)之后的第二主力深水采油平臺(tái)。20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置與井口平臺(tái)的配套生產(chǎn)開(kāi)始受到人們的關(guān)注，后逐漸發(fā)展成熟為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)（FPSO）,是集海上油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、外輸、生活、動(dòng)力于一體的技術(shù)密集的海洋工程結(jié)構(gòu)物。CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少GhaflS'—yIsraelIndi*Thatiand^Malaysia^Ir<ione5ia'Angola圖1世界主要海洋油田分布圖B國(guó)近銜油呂田分布褊州20＜凝析油氣田銀中騎-1油田歧口18T油田錦州9-3油田秦MS32-6油田!1萊19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油氣田|泅?州11-4油出B國(guó)近銜油呂田分布褊州20＜凝析油氣田銀中騎-1油田歧口18T油田錦州9-3油田秦MS32-6油田!1萊19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油氣田|泅?州11-4油出陸豐13-1袖田番禺4-2釉田陸豐四-1油田惠加1-1油田流花11T油田惠州空-2油田惠州寵-5油田惠州寵T油田方1T氣田惠州西-1油田文昌油田樣崖城13-1-,田天啓氣訶錢(qián)歧口11-2.1T-3油田西江24T油田西江30-E油田漓洲11-40油田番焉E-i淚田涯1MI12-1油田圖2我國(guó)主要海洋油田分布圖目前，陸上石油資源的逐步衰竭目前國(guó)際石油界的普遍共識(shí)，過(guò)去30年?yáng)|、西半球兩個(gè)最重大的油田發(fā)現(xiàn)均來(lái)自海洋。海洋石油開(kāi)采是大勢(shì)所趨，根據(jù)各種權(quán)威機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)源顯示，海洋石油資源將是未來(lái)原油產(chǎn)量增長(zhǎng)的重要來(lái)源，全球50%以上的油氣產(chǎn)量和儲(chǔ)量將來(lái)自海洋。海洋工程技術(shù)發(fā)展方興未艾，將在今后的海洋開(kāi)發(fā)中起到根本性的關(guān)鍵作用。

二、海洋工程的技術(shù)特點(diǎn)海洋石油工業(yè)比起陸上石油工業(yè)來(lái)說(shuō),有著不同的特點(diǎn)。技術(shù)密集。由于海洋石油勘探開(kāi)發(fā)建設(shè)需要多學(xué)科的綜合技術(shù),涉及的技術(shù)面很寬,要求高效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì),所以廣泛采用了當(dāng)今世界最先進(jìn)的技術(shù)與裝備,而且更新?lián)Q代很快,新技術(shù)、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)。如海上地震勘探目前國(guó)外已發(fā)展到480道多纜多震源勘探技術(shù)、數(shù)字電纜、高分辨處理技術(shù)已普遍采用；在鉆井方面小井眼、小曲率半徑水平井鉆井技術(shù)在油田開(kāi)發(fā)中應(yīng)用,目前水平位移已達(dá)5000一8000多米；在測(cè)井方面,數(shù)控成像技術(shù)、大容量的傳輸系統(tǒng)及最先進(jìn)地面設(shè)備,為油田開(kāi)發(fā)方案的制定,提供了可靠依據(jù)；在油氣田開(kāi)發(fā)方面,采用注化學(xué)聚合物、熱采、核能利用等方法提高稠油油田采收率見(jiàn)到明顯效益；在海洋工程建設(shè)方面,深水油田開(kāi)發(fā)范圍已發(fā)展到2000m以上,水下多相混輸多相計(jì)量技術(shù)試驗(yàn)成功,已形成一套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)；在邊際油田開(kāi)發(fā)方面,平臺(tái)結(jié)構(gòu)和工藝流程的簡(jiǎn)化,更趨向輕小型、移動(dòng)式，并實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和無(wú)人操作。資金密集。海上油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)投資非常大,往往是陸上油田投資的數(shù)倍。海上打一口探井要花費(fèi)上千萬(wàn)美元,建一座中心采油平臺(tái)要上億美元。要找到一億噸儲(chǔ)量需要的投資約2.5億美元,陸上只需要投資1.7億美元，海上油田開(kāi)發(fā)投資平均為陸上油田開(kāi)發(fā)投資的1.5一3倍。高風(fēng)險(xiǎn)。海洋工程的高投入加上工程的不確定性以及意外事故的頻發(fā)，導(dǎo)致了海洋工程的高風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行海上油氣資源勘探時(shí)，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)資源,勘探投資就沉沒(méi)了。由于海洋工程技術(shù)密集，環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生事故，維修處理難度相當(dāng)大，將造成重大的生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境損失。這就加更需要開(kāi)發(fā)高新技術(shù)，來(lái)降低海洋工程的風(fēng)險(xiǎn)概率，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，降低開(kāi)發(fā)投資,保證取得好的經(jīng)濟(jì)效益。2010年9月72010年9月7日平臺(tái)傾覆圖42010年4月20日深水地平線平臺(tái)事故三、創(chuàng)新——海洋工程發(fā)展的不竭動(dòng)力海洋工程發(fā)展的近百年歷史也是人類不斷創(chuàng)新的歷史。創(chuàng)新是指人們?yōu)榱税l(fā)展的需要，運(yùn)用已知的信息，不斷突破常規(guī)，發(fā)現(xiàn)或產(chǎn)生某種新穎、獨(dú)特的有社會(huì)價(jià)值或個(gè)人價(jià)值的新事物、新思想的活動(dòng)。創(chuàng)新的本質(zhì)是突破，即突破舊的思維定勢(shì)，舊的常規(guī)戒律。創(chuàng)新活動(dòng)的核心是“新”，它或者是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和外部特征的變革，或者是造型設(shè)計(jì)、內(nèi)容的表現(xiàn)形式和手段的創(chuàng)造，或者是內(nèi)容的豐富和完善。下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例說(shuō)明創(chuàng)新思維在海洋工程發(fā)展中的重要作用理論、技術(shù)和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開(kāi)發(fā)提供了豐富的技術(shù)手段，使海洋開(kāi)發(fā)成為可能。Spar平臺(tái)是目前世界上適用水深最深的海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)。它的誕生見(jiàn)證了創(chuàng)新思維的重要作用。1971年，Lowd等人提出了浮式生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)方案，并且給出了其模型水池實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。這一半潛式生產(chǎn)裝置是一座Spar浮標(biāo)，它綜合了垂直圓柱的穩(wěn)定性、靈活性以及較小的體積等優(yōu)點(diǎn)，并且具有重力式平臺(tái)的生產(chǎn)和處理功能。這一生產(chǎn)設(shè)施可裝船運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)，無(wú)須起重船的幫助能完成下水安裝的程序，是現(xiàn)代Spar平臺(tái)的雛形。1987年，EdwardE.Horton設(shè)計(jì)了一種專用于深海鉆探和采油工作的Spar平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)形式特別適合深水作業(yè)環(huán)境，該平臺(tái)被公認(rèn)為現(xiàn)代Spar生產(chǎn)平臺(tái)的鼻祖。!UDtyTre#圖!UDtyTre#圖5Spar平臺(tái)現(xiàn)代Spar平臺(tái)的主體是單圓柱體結(jié)構(gòu)，垂直懸浮于水中。主體吃水很深，平臺(tái)的垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)幅度很小，使得Spar平臺(tái)能夠直接安裝剛性的垂直立管系統(tǒng)，承擔(dān)鉆探、生產(chǎn)和油氣輸出工作。現(xiàn)代Spar平臺(tái)的中心處開(kāi)有中央井，中央井內(nèi)裝有獨(dú)立的立管浮筒，具有良好的靈活性。生產(chǎn)立管上與平臺(tái)上體的控井和生產(chǎn)處理設(shè)施相連，向下則一直延伸到海底油井。Spar平臺(tái)的油氣產(chǎn)品有兩種輸出方式，它既可以通過(guò)柔性輸油管、SCR立管或頂緊張式立管將油氣產(chǎn)品直接輸送到海底管道系統(tǒng)，也可以將石油儲(chǔ)藏在Spar平臺(tái)的主體中，然后用油輪將石油向岸上運(yùn)輸。由于采用了纜索系泊系統(tǒng)固定，使得Spar平臺(tái)十分便于拖航和安裝，在原油田開(kāi)發(fā)完后，可以拆除系泊系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工作地點(diǎn)繼續(xù)使用，特別適宜于在分布面廣、出油點(diǎn)較為分散的海洋區(qū)域進(jìn)行石油探采工作。雖然Spar平臺(tái)應(yīng)用歷史僅30多年，但是正是由于其凝聚了大量的創(chuàng)新之處使的其得到了飛躍性的發(fā)展，也使得人類走向更深的海洋。理論、技術(shù)和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)，提高了安全性與可靠性。動(dòng)力定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用使得海上操船不再高難，使得海上定位更加可靠更加精確。動(dòng)力定位是一種可以不用錨系而自動(dòng)保持海上浮動(dòng)裝置的定位方法。采用動(dòng)力定位的海上浮動(dòng)裝置，在海上鉆探作業(yè)時(shí)不需要拋錨，這不僅減少了復(fù)雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨系長(zhǎng)度的限制，甚至可以在水深大于1000米以上的深度進(jìn)行工作。動(dòng)力定位是海洋工程船舶的一種定位方法，先用聲吶測(cè)定船位，再利用船上的自動(dòng)控制系統(tǒng)，發(fā)出指令，控制安裝在船首、船尾的側(cè)向推進(jìn)器，來(lái)固定船位。動(dòng)力定位法的優(yōu)點(diǎn)是不受水深限制，適合于深水海域使用。動(dòng)力定位系統(tǒng)由船位顯示儀、電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)構(gòu)和推進(jìn)器等部件組成。工作時(shí)，電子計(jì)算機(jī)隨時(shí)可根據(jù)船位儀所測(cè)定的船位數(shù)值，自動(dòng)地發(fā)出控制信號(hào)，改變推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速或葉片的螺矩，以調(diào)節(jié)船位。有的動(dòng)力定位系統(tǒng)，還可根據(jù)風(fēng)力的變化，提前發(fā)出信號(hào)來(lái)抵消風(fēng)力的影響。動(dòng)力定位時(shí),通過(guò)電腦傳輸，只需幾分鐘的時(shí)間，就把航行中的船穩(wěn)穩(wěn)地停在預(yù)定的位置。該系統(tǒng)開(kāi)啟后，位置傳感器、航向傳感器、姿態(tài)傳感器、風(fēng)傳感器、海流傳感器等儀器開(kāi)始實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)得數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再將其與儲(chǔ)存的預(yù)定停泊位置資料對(duì)照，找出差別，繼而向各推進(jìn)器發(fā)出指令，調(diào)整其推力，實(shí)行差別修正，直至到達(dá)預(yù)定位置，停穩(wěn)。該系統(tǒng)應(yīng)用了差分全球定位系統(tǒng)，數(shù)字濾波技術(shù)，以及最優(yōu)控制軟件等先進(jìn)技術(shù)，使其定位精度在幾米之內(nèi)。該系統(tǒng)不僅應(yīng)用于停船定位，而且還能應(yīng)用于船與船間的航距固定。還使得海底電纜鋪設(shè)、檢修，海上打撈救生，以及深海石油開(kāi)采等海洋作業(yè)的平臺(tái)定位更加便捷。理論、技術(shù)和裝備創(chuàng)新降低了海洋油氣開(kāi)發(fā)的成本，降低了投入。鉆井技術(shù)的創(chuàng)新，大大縮短了海洋石油勘探鉆鉆井的周期，降低了成本。下列為深海鉆井的新技術(shù)。（1）定向鉆井幾十年來(lái)，叢式井一直是海上采油的唯一手段。近10年來(lái)，為了提高采油率和降低成本，大位移井、水平井和多支井又應(yīng)運(yùn)而生。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)和旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)是定向鉆井技術(shù)的兩項(xiàng)尖端技術(shù)。（2）小井眼鉆井小井眼就是井眼直徑比常規(guī)井眼直徑明顯小。井眼小了，則破碎巖石體積小了，耗能小了，鉆桿也小了，套管也小了，鉆機(jī)也小了，占地也小了。一小百小，平均節(jié)省費(fèi)用50%。（3）欠平衡鉆井欠平衡指的是鉆井液柱壓力低于地層壓力。欠平衡鉆進(jìn)時(shí)，地層原油會(huì)流入井內(nèi)。所以井口要安裝旋轉(zhuǎn)防噴器，循環(huán)系統(tǒng)要有油水分離器。形成“欠平衡”的方法包括邊噴邊鉆、泥漿帽壓井、立管注入氣體、環(huán)空注入氣體和泡沫鉆井液等。欠平衡鉆井的突出優(yōu)點(diǎn)是提高鉆速和不損害油層。（4）用盤(pán)管機(jī)組鉆井盤(pán)管指的是沒(méi)有接頭、內(nèi)外平滑、連續(xù)成一根并可盤(pán)卷在滾筒上的鋼管，直徑多在25.4~50.8mm之間，長(zhǎng)度最大達(dá)6000m。其最大優(yōu)點(diǎn)是井內(nèi)起下方便快捷，不用上卸螺紋。（5）無(wú)隔管鉆井系統(tǒng)隔（水）管的作用是保障鉆井液循環(huán)。但隔管的龐大與笨重增加了作業(yè)成本、難度和風(fēng)險(xiǎn)。不用隔管，關(guān)住海底防噴器（抱住鉆桿），讓鉆井液從另外一根小管返回平臺(tái)。理論、技術(shù)和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開(kāi)發(fā)提供了應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力。地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯或巨大海冰沖擊等惡劣環(huán)境載荷海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)是導(dǎo)致平臺(tái)事故和疲勞破壞的重要原因。為了降低動(dòng)力載荷對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的影響，學(xué)者和工程人員開(kāi)發(fā)了不同的減振技術(shù)和設(shè)備，來(lái)改善海洋結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性。另外在冰區(qū)作業(yè)的結(jié)構(gòu)物為了抵御巨大的冰荷載，還在結(jié)構(gòu)物上設(shè)計(jì)了抗冰錐體等特殊結(jié)構(gòu)。工程技術(shù)人員采用了大量的現(xiàn)代科技來(lái)改善海洋結(jié)構(gòu)物的特性，來(lái)提高其安全性能和對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力。四、海洋工程創(chuàng)新中的問(wèn)題創(chuàng)新源于積累在海洋工程發(fā)展歷史中我們可以清楚的看到創(chuàng)新并不是異想天開(kāi)，是在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量深思熟慮的研究。成功的創(chuàng)新來(lái)源于足夠理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)的積累。創(chuàng)新應(yīng)當(dāng)博眾家之長(zhǎng)，借鑒所有可以借鑒的技術(shù)、成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)，而不是閉門(mén)造車(chē)。創(chuàng)新需要積極的探索嘗試實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所有的創(chuàng)新思維在理論上經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎的研究和計(jì)算之后應(yīng)該大膽實(shí)踐，積極嘗試。在工程實(shí)踐中驗(yàn)證創(chuàng)新之處的意義、價(jià)值和不足。創(chuàng)新思維應(yīng)當(dāng)是解決實(shí)踐工程問(wèn)題，而不是紙上談兵。創(chuàng)新是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程創(chuàng)新是一個(gè)不斷探索，積累和修正的過(guò)程。在海洋工程領(lǐng)域中，一項(xiàng)大的創(chuàng)新技術(shù)需要經(jīng)過(guò)多年的積累和反復(fù)的驗(yàn)證，之后投入生產(chǎn)。在生產(chǎn)中還應(yīng)當(dāng)重視跟蹤觀測(cè)，不斷的完善直至成熟。海洋工程的高風(fēng)險(xiǎn)也導(dǎo)致了創(chuàng)新的高風(fēng)險(xiǎn)，所以在創(chuàng)新時(shí)不能急于求成，盲目蠻干。五、國(guó)內(nèi)創(chuàng)新現(xiàn)狀中國(guó)在海洋國(guó)土開(kāi)發(fā)上還比較薄弱，現(xiàn)在中國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)能力主要集中在淺海，海洋資源的全面利用、深海的開(kāi)發(fā)能力還不足，也缺少相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)。從裝備制造現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)國(guó)產(chǎn)化率一直較低，進(jìn)口比例在70%以上。在海洋工程裝