深水鉆井裝備設計技術挑戰(zhàn)

深水鉆井裝備設計技術挑戰(zhàn)中國船舶及海洋工程設計研究院2014年11月5日2014國際(濱海)海工產(chǎn)業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新論壇主要內(nèi)容三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)六、結(jié)束語一、深水鉆井裝備概況一、深水鉆井裝備概況全球原油需求持續(xù)增長,海洋油氣產(chǎn)量占比將進一步提高目前,海洋石油產(chǎn)量占世界石油總產(chǎn)量的34%，預計2015年將進一步提高至36%。近5年來，全球原油需求年均增長1.3%；國際能源署預測2015年將達到9340萬桶/天。一、深水鉆井裝備概況海洋油氣開發(fā)投資持續(xù)增長在高油價的現(xiàn)實和預期下，全球油氣勘探生產(chǎn)支出持續(xù)增長，2012年超過6000億美元，2013年達到6780億美元。全球油氣勘探生產(chǎn)投資

海上油氣開發(fā)將向更深水邁進，墨西哥灣、巴西、西非、南海、北海及澳大利亞等將是深水油氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，未來深水油氣勘探開發(fā)兩大主流裝備需求前景看好。一、深水鉆井裝備概況半潛式鉆井平臺的優(yōu)缺點優(yōu)點運動性能優(yōu)異定位性能優(yōu)良甲板面積大可抵御臺風缺點機動性不足可變載荷有限一、深水鉆井裝備概況“海洋石油981號”半潛式鉆井平臺

“海洋石油981”半潛式鉆井平臺在2011年8月海試時成功抵御了“梅花”超強臺風，當時臺風中心最大風力為14級（45m/s），進一步印證了半潛式平臺具備優(yōu)良的抗風浪能力。一、深水鉆井裝備概況鉆井船的優(yōu)缺點優(yōu)點機動性好可變載荷大補給成本低作業(yè)水深大具備儲油功能缺點運動性能稍不足定位能力較差運營成本高一、深水鉆井裝備概況鉆井船和半潛式鉆井平臺保有量及造價

類別1995年前1995-20062007-2013合計鉆井船231572110半潛平臺1501962231合臺類型價格350-400英尺自升式平臺2.1-2.2億美元1萬英尺以上第六代半潛6.0億美元1萬英尺以上第六代鉆井船6.1億美元一、深水鉆井裝備概況一、深水鉆井裝備概況一、深水鉆井裝備概況2013年鉆井平臺訂單92座/艘，其中半潛和鉆井船30多座。截止到2014年9月鉆井平臺新訂單42座/艘,其中半潛和鉆井船11座。一、深水鉆井裝備概況一、深水鉆井裝備概況技術發(fā)展趨勢鉆井深度超過12000米；工作水深超過3000米；環(huán)境越來越惡劣；裝備趨于大型化；甲板可變載荷大于10000噸；強調(diào)風險和安全的設計理念；平臺管理和設備控制趨于信息化、自動化、智能化。當今世界上先進的深水海洋工程裝備的技術發(fā)展趨勢一、深水鉆井裝備概況深海面臨的技術難題和挑戰(zhàn)臺風、颶風等帶來平臺損壞，設計、建造新挑戰(zhàn)、難題一、深水鉆井裝備概況極地海洋工程裝備面臨的技術挑戰(zhàn)主要內(nèi)容三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)六、結(jié)束語一、深水鉆井裝備概況

國外深水鉆井裝備主要設計公司世界上能夠從事海洋工程深水鉆井裝備設計的公司主要集中于歐美國家，包括美國的F&G、瑞典的GVA、BT，挪威的AKERSolution、荷蘭的GUSTOMSC等。新加坡和韓國船廠也從海洋工程裝備建造入手，通過與歐美設計公司的合作，逐步掌握了海洋工程深水鉆井裝備的設計技術。二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀國外海洋工程裝備主要建造商二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀新加坡的吉寶船廠勝科海事(裕廊船廠等)

韓國的現(xiàn)代重工大宇海事與海洋工程（DSME）三星重工日本、歐洲的一些知名船廠DSS50GVA7500MF&GExDAKERH-6二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀第六代深水半潛式鉆井平臺的典型船型挪威AkerH-6半潛式平臺

主尺度90mX70m作業(yè)水深3000m鉆井深度10000m排水量56900mt可變載荷7200mt井架型式雙井架定位方式DP3+錨泊600m靜氣隙18.5m船級社DNV二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀GustoMSCDSS50

半潛式平臺

主尺度77.5mX78m作業(yè)水深3048m鉆井深度9144m排水量54000mt可變載荷8000mt井架型式雙井架定位方式DP2+預拋錨靜氣隙12.8m船級社ABS二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀GVA7500M半潛式平臺

主尺度89.6mX78.08m作業(yè)水深3650m鉆井深度15240m排水量51450mt可變載荷8900mt井架型式雙井架定位方式DP3+預拋錨靜氣隙15m船級社ABS二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀F&GExD半潛式平臺

主尺度74.42mX74.42m作業(yè)水深3000m鉆井深度11430m排水量46389mt可變載荷7000mt井架型式雙井架定位方式DP2+錨泊1500m靜氣隙12.4m船級社ABS二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀P10000S10000EVOYAGERPRD12000二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀第六代深水鉆井船的典型船型S10000E型鉆井船

主尺度228mX42mX19m作業(yè)水深10000ft/12000ft鉆井深度37500ft/35000ft排水量96000mt可變載荷20000mt井架型式雙井架動力定位DP3航速11.5kn船級社ABS二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀P10000鉆井船

主尺度229mX36mX18.3m作業(yè)水深12000ft鉆井深度40000ft排水量75000mt可變載荷20046mt井架型式雙井架動力定位DP3航速12kn船級社DNV二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀PRD12000鉆井船

主尺度166.5mX32mX15.06m作業(yè)水深12000ft鉆井深度40000ft排水量45000mt可變載荷23000mt井架型式MPT動力定位DP2航速10kn船級社DNV二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀UlsteinVoyager鉆井船

主尺度199.5mX32.2mX22.4m作業(yè)水深10000ft鉆井深度40000ft排水量50400mt可變載荷26800mt井架型式單井架可折疊動力定位DP2航速15kn船級社DNV二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀超深水半潛鉆井平臺及鉆井船的發(fā)展趨勢二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀DS3810鉆井船GVA-8000水深向更深水發(fā)展—DS3810—工作水深12500英尺；平臺向深吃水發(fā)展—進一步改善運動性能；BOP采用20000psi---更安全，適應超深水。圓桶型鉆井平臺主要內(nèi)容三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)六、結(jié)束語一、深水鉆井裝備概況

三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀我國在海洋鉆井裝備方面，已自主設計建造了“勝利三號”、“中油海三號”座底式鉆井平臺，“渤海一號”、“港海一號”、中油海5~8號自升式鉆井平臺和“勘探三號”半潛式鉆井平臺等，具備了近海（淺水深）海域鉆井裝備的設計建造能力。近年來，國內(nèi)已逐步進入深水半潛式鉆井平臺和深水鉆井船的設計建造領域，深水半潛平臺已實現(xiàn)批量建造，但鉆井船還處于起步階段。國內(nèi)現(xiàn)狀半潛式鉆井平臺在役半潛式平臺6條(含海洋石油981)勘探4號作業(yè)水深600米左右，海外作業(yè)其余四條均小于500米勘探4號南海2號勘探3號南海5號南海6號三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀海洋石油981“勘探３號”半潛式鉆井平臺

主尺度71mX64m作業(yè)水深200m鉆井深度6000m排水量21991mt可變載荷2000mt井架型式單井架定位方式８點錨泊靜氣隙－船級社CCS三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀“海洋石油981號”半潛式鉆井平臺

主尺度77.47mX74.42m作業(yè)水深3000m鉆井深度10000m排水量51624mt可變載荷9000mt井架型式一個半井架定位方式DP3+12點錨泊靜氣隙14m船級社CCS&ABS三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀海洋石油981建造過程

三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀2009.4.20平臺進塢2010-1-28塢內(nèi)建造2010-2-26平臺出塢2011-8-5平臺海試碼頭調(diào)試2012-5-9南海正式開鉆海洋石油981南海作業(yè)

三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀2014-7南海深水鉆井海洋石油981南海作業(yè)

三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀MS9000半潛式鉆井平臺（自主設計新方案）

主尺度80.64mX78m作業(yè)水深3000m鉆井深度12000m排水量52509mt可變載荷9000mt井架型式雙井架定位方式DP3+8點錨泊靜氣隙14m船級社ABS三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀BULLY鉆井船

主尺度166.5mX32mX15.06m作業(yè)水深12000ft鉆井深度40000ft排水量45000mt可變載荷23000mt井架型式MPT動力定位DP2航速10kn船級社DNV三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀TIGER鉆井船

主尺度151.2mX32mX15.6m作業(yè)水深5000ft鉆井深度30000ft排水量45100mt可變載荷10000mt井架型式一個半井架定位方式8點錨泊定位航速9.1kn船級社ABS三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀MARIC-10000鉆井船（新方案）

主尺度180.8mX32.2mX17m作業(yè)水深10000ft鉆井深度40000ft排水量51000mt可變載荷20000mt井架型式一個半井架動力定位DP3航速14kn船級社DNV三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀主要內(nèi)容三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)

五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)六、結(jié)束語一、深水鉆井裝備概況

海洋石油981平臺設計創(chuàng)新與挑戰(zhàn)四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)

總體設計理念以鉆井、油氣處理為核心的總體布局理念風險設計理念---大量的風險分析及應對措施安全設計--特殊海況，水動力性能、結(jié)構(gòu)強度要求高舒適性設計、環(huán)保設計空船重量控制是平臺設計重中之重一體化設計---

機電一體化設計、模塊化設計系統(tǒng)集成設計---系統(tǒng)復雜、界面接口多，實現(xiàn)中央控制IACS海工特有的規(guī)范規(guī)則---ABS及CCS船級社MODU規(guī)范、API、CDS等基于風險設計

通過消化吸收再創(chuàng)新，優(yōu)化和改進EXD船型，同時基于HAZOP、FMEA分析的風險設計理念，提出了很多改進措施，確保了海洋石油981各項性能指標的成功實現(xiàn)。四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)以鉆井系統(tǒng)為核心，進行船型主尺度及總體布局優(yōu)化，確保平臺順利建成及技術指標的實現(xiàn)

鉆井設備布置及工藝流程優(yōu)化；

DP3冗余設計--設備容量加大、管系及電纜走向復雜；上甲板、立柱、下浮體等區(qū)域各系統(tǒng)集成優(yōu)化和3D設計手段綜合解決布置方面的難題。1、總體布局與主尺度優(yōu)化四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)通過大量的數(shù)值分析和模型試驗，實現(xiàn)了平臺運動性能、定位性能、穩(wěn)性、可變載荷等各項性能指標的綜合優(yōu)化

平臺運動性能良好（運動和氣隙）穩(wěn)性儲備足（抗200年一遇）甲板可變載荷大，作業(yè)效率高2、平臺綜合性能優(yōu)化進行重量控制關鍵要素和措施的策劃編制重量控制程序定期進行重量分析和預警3、重量控制是平臺設計重中之重

影響到平臺穩(wěn)性、可變載荷、運動性能等綜合性能及平臺作業(yè)能力四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)各方協(xié)作，全程控制，確保了9000t可變載荷，達到世界先進水平。四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)基于全壽命周期進行結(jié)構(gòu)強度分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)關鍵節(jié)點設計，確保了結(jié)構(gòu)設計強度，有效控制了結(jié)構(gòu)重量。結(jié)構(gòu)形式設計及構(gòu)件尺寸設計載荷及波浪載荷預報總體強度評估疲勞強度評估局部強度評估4、平臺結(jié)構(gòu)安全設計與評估四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)成功實現(xiàn)動力定位從DP2+升級到DP3

動力、配電、推力器等主要艙室及管線、電纜的高冗余要求；故障模式及風險分析(FMEA)；動力定位能力分析及系統(tǒng)集成設計。推進器完整狀態(tài)推進器損失狀態(tài)5、平臺動力定位系統(tǒng)優(yōu)化與升級四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)結(jié)合南海環(huán)境條件，優(yōu)化錨泊定位系統(tǒng)，提升平臺定位能力首次采用動力耦合分析方法進行錨泊定位多方案計算，提出了由8點錨升級到12點錨的定位方案；“海洋石油981”海試期間經(jīng)受了“米雷”和“梅花”等強臺風考驗，及時制定抗臺錨泊定位方案，保證了平臺海試期間的安全。6、平臺錨泊定位系統(tǒng)優(yōu)化與升級四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)實施AkerMH一個半井架鉆井系統(tǒng)是一大挑戰(zhàn)基本設計前期為雙井架設計方案，后調(diào)整為一個半井架方案；高低壓泥漿、鉆井水、鹽水、基油等鉆井關鍵系統(tǒng)設計和布置優(yōu)化；鉆井系統(tǒng)和平臺各公用系統(tǒng)的接口和界面非常關鍵、復雜。7、平臺鉆井系統(tǒng)優(yōu)化與集成四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)基于綜合中央控制的系統(tǒng)集成設計理念，提升平臺自動化水平鉆井、動力定位、電站、空調(diào)通風、壓載、隔水管監(jiān)視等系統(tǒng)設備多達1000多套管線30000多根，電纜長達900多公里報警控制點多達16000多個8、平臺主要系統(tǒng)集成與優(yōu)化主要內(nèi)容三、國內(nèi)深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀二、國外深水鉆井裝備技術發(fā)展現(xiàn)狀

四、深水半潛式鉆井平臺的設計挑戰(zhàn)五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)六、結(jié)束語一、深水鉆井裝備概況

總體布置運動性能

結(jié)構(gòu)性能

動力定位能力穩(wěn)性阻力性能

五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)鉆井船運動性能月池效應研究

靜水力部分勢流部分粘性部分耦合部分月池效應臨界阻尼修正五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)鉆井船穩(wěn)性

鉆井船穩(wěn)性挑戰(zhàn)鉆井船作業(yè)海況惡劣，生存工況需滿足極限風速100節(jié)的穩(wěn)性要求；鉆井船主甲板布置有大量的鉆井設備，特別是井架高度高達100多米，受風載荷遠大于普通船舶；緊湊型鉆井船通常有巴拿馬運河通行要求，船寬限定在32.2米以內(nèi)，滿足橫穩(wěn)性要求難度較大；深水鉆井船可變載荷通常要求在20000噸以上，且大部分布置高度較高，不利于穩(wěn)性的滿足。

五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)鉆井船許用重心高度鉆井船阻力性能

粘壓阻力摩擦阻力月池開口影響

興波阻力五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)月池阻力增加

水體垂蕩運動月池效應

水體縱蕩運動短月池

長月池

五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)月池改善措施月池切口阻力性能五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)月池改善措施月池阻尼板阻力性能上浪五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)形式設計及構(gòu)件尺寸估算設計載荷及波浪載荷預報總體強度評估疲勞強度評估局部強度分析評估結(jié)構(gòu)設計五、深水鉆井船的設計挑戰(zhàn)鉆井船總體布置可變載荷布置常用鉆具（隔水管、套管、鉆桿）應盡可能布置于船體以內(nèi)，以降低重心高度和減少受風面積，進而改善鉆井船的穩(wěn)性性能。從綜合布置考慮，將數(shù)量大、重量重的隔水管布置于船體以內(nèi)，而將鉆桿、套管布置在主甲板上，可以實現(xiàn)滿足主船體布置、主甲板布置和穩(wěn)性的綜合平衡；鉆材（水泥、土粉、重晶石、袋裝品、泥漿）與泥漿泵艙、配漿艙應相鄰布置。一般而言，裝載水泥、土粉、重晶石的灰罐布置于船舯兩舷，泥漿池、配漿艙、泥漿泵艙和袋裝品庫應整體布置于月池前部或后部，袋裝品庫一般布置于泥漿池與泥漿泵艙的上部；鉆井水、鹽水、基油、燃油、淡