[科普中國]-鉆井船

設(shè)備簡介

鉆井船，英文名：/ Drill Ship，用來在水上鉆井并移位的船。鉆井時漂浮水上，適于深、淺水作業(yè)。多將井架設(shè)在船的中央，以減小船體搖蕩對鉆井工作的影響。具自航能力，無自航能力的稱為“鉆井駁”。

采用錨泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)，使船錨碇于海底井口上方進(jìn)行鉆井的裝置。早期形式為鉆井駁船，多用舊船改裝，只適用于淺海風(fēng)浪較小的海域?，F(xiàn)代鉆井船多為專門設(shè)計，全部鉆井和生活設(shè)施都在船上，能自航并有向大型化發(fā)展的趨勢。移動靈活、適應(yīng)水深大、可變甲板載荷大，自持能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是受風(fēng)浪影響大、穩(wěn)定性差。采取的技術(shù)措施有：1，設(shè)減搖鰭以減輕船的搖擺；2，采用DP動力定位，位置精度可達(dá)5米之內(nèi)；,3，鉆桿和升沉補(bǔ)償裝置等，以適應(yīng)鉆井船的搖擺、位移和升沉；4，配備水下防噴器，隔水管，采油樹、ROV等水下設(shè)備；動力定位系統(tǒng)由聲納發(fā)生器、接收器、DGPS，信號傳感器，電子計算機(jī)及全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器組成。水下井口的聲納發(fā)生器發(fā)出信號，船底的接收器能測出船的偏移方位和數(shù)值； DGPS天線接收的衛(wèi)星定位信號； 風(fēng)速儀，測速儀測得的信號一起輸入計算機(jī)，計算機(jī)運(yùn)算并自動控制相應(yīng)的推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出推力使鉆井船復(fù)位，不需拋錨。

鉆井船可簡單分成3大基本部分，鉆井模塊，動力模塊，生活模塊。鉆井模塊集中在鉆井船中部，主要因?yàn)閯恿Χㄎ幌到y(tǒng)和船舶穩(wěn)性的影響，水下設(shè)備和鉆桿通過船中的開口的月池下放入水。

動力模塊集中在尾部，推進(jìn)器分布在船的首尾，為鉆井船航行及鉆井模塊設(shè)備提供足夠的能量；生活模塊集中在首部，大型的鉆井船生活區(qū)域的可居住容納人數(shù)可達(dá)200人以上，配備直升機(jī)平臺；為減少營運(yùn)費(fèi)用及加強(qiáng)安全，現(xiàn)階段新式鉆井船主要采取緊湊型設(shè)計，雙井架；采用長度90尺隔水管，浮體直徑58英寸；雙7 mm 水下防噴器；可變甲板載荷可達(dá)15000噸；工作水深12000英尺。

發(fā)展沿革鉆井船的建造集中期分三個階段：一是1975~1977年，二是1981~1983年，三為1998~2000年（建造數(shù)量最多）?，F(xiàn)有鉆井船中，船齡為10～15年的占一半，20～30年的占一半。2008年全球共有44艘鉆井船，主要分布在巴西、西非和南亞等地。主要建造國家是韓國和日本。韓國主要有三星重工、現(xiàn)代重工、大宇造船，日本主要是三菱重工、三井造船、日立造船等。設(shè)計公司主要有荷蘭MSC公司、Offshore Discoverer公司等。此外，近年來，韓國船企不斷開發(fā)設(shè)計出新概念船，在海上鉆井設(shè)備船開發(fā)和建造上已取得國際領(lǐng)先優(yōu)勢，成為國際海洋油氣設(shè)備市場上高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品。如三星重工開發(fā)出LNG～FPSO，并從英國的石油公司承接到訂單；其他如大宇造船、現(xiàn)代重工正在著手研發(fā)設(shè)計新概念船包括：FDPSO船、破冰FPSO船、破冰油船、破冰箱船、雙鉆塔式鉆井船等。 總體而言，在鉆井設(shè)備中，目前自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺和鉆井船在海洋石油勘探中使用最為廣泛，它們均有各自的特點(diǎn)，比如適用于深海鉆井的主要是半潛式鉆井平臺和鉆井船，其中深海半潛式鉆井平臺技術(shù)從第一代已發(fā)展到第六代，目前以第六代為主，適用于工作水深為3,048～3,810米的極惡劣海洋環(huán)境，采用動力定位系統(tǒng)；而現(xiàn)有的鉆井船也大多數(shù)采用動力定位，適用于1,000多米的水深。所以，深海半潛式鉆井平臺主要活躍在英國北海、美國墨西哥灣、巴西、西非、澳大利亞等海域，現(xiàn)有鉆井船主要活躍在巴西海域、美國墨西哥灣和西非海域，而自升式鉆井平臺只能活躍于近海海域。1

鉆井船是浮式鉆井裝備，在規(guī)范上歸于移動式近海鉆井裝置(Mobile OffshoreDrilling Unit)一類。按船級社的統(tǒng)計，鉆井船是應(yīng)用較多的移動式裝置：目前約有鉆井船85艘，半潛式平臺225座，自升式平臺約500座，鉆井駁船50艘，內(nèi)河(鉆井)駁船80艘，坐底式平臺7座，改裝的供應(yīng)船等約35艘。后4種適用水域有限，不是主流的鉆井裝置。

(一)鉆井船建造階段

鉆井船建造較多的年代有3段，都是適應(yīng)當(dāng)時海洋開發(fā)的需求、鉆井裝備設(shè)計建造的能力以及投資額交集的產(chǎn)物：(1)20世紀(jì)70年代中至80年代初；(2)1997—2001年；(3)2009年至今。

對鉆井船來說，以上時代沿革不單單是年代的歷程，也是技術(shù)、等級的進(jìn)步。與半潛式平臺相仿，最新設(shè)計建造的鉆井船也被稱為第六代產(chǎn)品。

(二)鉆井船設(shè)計要求

采用船型鉆井裝置設(shè)計(是在滿足了鉆井系統(tǒng)所需的安裝和作業(yè)空間、裝載的合理設(shè)計前提下)著重于以下幾個方面。

(1)具有較大的甲板裝載能力，可攜帶的鉆桿、套管、油管、泥漿等鉆井消耗品儲備很大，可減少供應(yīng)船的補(bǔ)給需求，從而降低費(fèi)用和提高鉆井進(jìn)程；

(2)具有較強(qiáng)的自航能力，船速也較快，機(jī)動性好，便于遷移至新井位；

(3)如有需要，鉆井船可以設(shè)計成能儲存石油產(chǎn)品，并如同生產(chǎn)儲油船那樣，能進(jìn)行初步油氣處理。其他移動式鉆井裝置如自升式平臺、半潛式平臺都不具備儲油能力。

而鉆井船的缺點(diǎn)也非常明顯，正如前面已經(jīng)提到的那樣，它在風(fēng)中的搖擺和漂移都比較大。有人將它與半潛式平臺作了比較，認(rèn)為作為浮體，鉆井船穩(wěn)定性較差而且定位和減搖要求高，能源消耗大，特別是深水鉆井船作業(yè)海況高，風(fēng)浪流大，安裝著大功率動力定位系統(tǒng)，油耗很大。一位資深石油專家曾感嘆：深水動力定位，那簡直是在燒油。2

特點(diǎn)現(xiàn)代鉆井船，即所謂第五代、第六代鉆井船最顯著的特點(diǎn)是深水作業(yè)能力，超過2500m(8000ft)，達(dá)到3000m(10000ft)，3600m(12000ft)。這在技術(shù)上要有一系列的創(chuàng)新，如動力定位系統(tǒng)，為適應(yīng)深水作業(yè)的鉆井設(shè)備優(yōu)化，其中最具特色的是雙鉆井系統(tǒng)技術(shù)(Dual Activity Drilling Technology)的應(yīng)用。雙鉆井系統(tǒng)，顧名思義，即安裝了兩套鉆井系統(tǒng)，包括大車、轉(zhuǎn)盤、泥漿系統(tǒng)等，鉆塔(井架)也要能支撐兩套鉆井系統(tǒng)的作業(yè)，一種還是傳統(tǒng)的桁架式結(jié)構(gòu)，尺度寬一些，安裝兩套起吊機(jī)構(gòu)，另一種是新開發(fā)的井架結(jié)構(gòu)。2

鉆井船是設(shè)有鉆井設(shè)備、能在水面上鉆井和移位的船，也屬于移動式鉆井裝置。較早的鉆井船是用駁船、礦砂船、油船等改裝的，現(xiàn)在已有專為鉆井設(shè)計的專用船。但缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，作業(yè)效率降低。為了提高穩(wěn)定性，科學(xué)家設(shè)計出雙體船、中心拋錨式和舷外浮體等型式。鉆井船由于船身阻力小，移動井位很方便，在鉆井裝置中機(jī)動性最好，作業(yè)水深大，一般可在水深大于600米的海域鉆探，但也需有相應(yīng)的動力定位設(shè)施。20世紀(jì)60年代開始在鉆井船上安裝了動力定位裝置。這種裝置利用安裝在鉆井船底部的檢波器來接受海底聲吶信標(biāo)發(fā)射的信號，通過船上安裝的電子計算機(jī)，自動指令船的推進(jìn)器工作，調(diào)整船只的偏移，使鉆船始終保持在井口上方允許鉆井作業(yè)范圍內(nèi)。世界上最大型深海鉆井船于1995年開始建造，于2000年已經(jīng)投人使用。該船長165米，總噸位
1.5萬噸，定員130人，船內(nèi)備有供各種實(shí)驗(yàn)用的研究設(shè)備、分析儀器，計算機(jī)等，該船的海底鉆井深度可達(dá)3500米，建造費(fèi)用達(dá)50億日元。建成后，該船將成為一艘浮動的海上綜合研究中心，并可到各個海域采集地殼樣品?；顒邮姐@井平臺不僅數(shù)量增加很快，而且平臺的技術(shù)性能也有了很大的提高。例如，日本三菱重工業(yè)公司為瑞典斯坦納海運(yùn)公司建造的半潛式平臺，能經(jīng)受速度為每秒51.5米的大風(fēng)，高達(dá)33.5米的波浪和每小時3海里的海流襲擊，能在沒有補(bǔ)給的情況下連續(xù)工作100天。

另外，芬蘭為蘇聯(lián)建造的世界上第一艘防水石油鉆井船，安裝了一種特殊設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)冰山襲來，可迅速撤離井場，并能以13節(jié)的速度航行。格洛瑪·挑戰(zhàn)者號鉆的探船能在7千米深的海上，依靠電子計算機(jī)控制的動力定位設(shè)備，使鉆探船始終保持在所確定的井位上方一定范圍內(nèi)；利用聲吶自導(dǎo)的再進(jìn)鉆孔裝置，使鉆探船可以在一個鉆探地點(diǎn)，10多次更換磨損的鉆頭，繼續(xù)進(jìn)行鉆探，大大提高了鉆井的深度。目前海上石油鉆探最深的探井，已能鉆到海底下6.963千米。世界各國的鉆井船已超過100艘，新問世的鉆井船排水量不斷增加，鉆井設(shè)備貯存更多，同時提高了深水作業(yè)能力。3

優(yōu)缺點(diǎn)鉆井船的主要優(yōu)點(diǎn)：①自航式鉆井船調(diào)遣迅速，移動性能好，而且航速較高；②水線面積較大，船上可變重量的變化對鉆井船吃水的影響較??；③儲存能力較大，海上自存能力強(qiáng)；④工作水深大，如采用計算機(jī)控制的推進(jìn)器的自動定位鉆井船，工作水深不受限制；⑤可以采用舊船改造，節(jié)省投資。

鉆井船的主要缺點(diǎn)：①受風(fēng)浪影響大．對波浪運(yùn)動敏感．穩(wěn)定性差，對鉆井作業(yè)不利；②工作效率較低，只適宜在海況比較平穩(wěn)的海區(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)；③甲板使用面積??；④動力定位鉆井造價較高。4

發(fā)展趨勢鉆井船發(fā)展趨勢：①設(shè)計工作水深將明顯增加。預(yù)計未來20年內(nèi)，鉆井船的目標(biāo)水深將達(dá)4000～5000m；②裝備先進(jìn)、高精度、大功率的動力定位系統(tǒng)(DPS-3)；③裝備大功率超深井鉆機(jī)，目標(biāo)鉆井深度在10668m(35000ft)以內(nèi)。預(yù)計在未來20年內(nèi)，鉆井船的鉆井深度能力將突破15000 m；④采用高強(qiáng)度鋼和優(yōu)良的船型及結(jié)構(gòu)設(shè)計，總排水量與總用鋼量的比值進(jìn)一步提高；⑤具有良好的安全性能、抗風(fēng)暴能力和全球全天候的工作能力，自持能力長。4

改進(jìn)措施為減小風(fēng)浪對鉆井作業(yè)的影響，采取的主要技術(shù)措施有：①設(shè)減搖水倉以減輕船的搖擺；②采用中間錨泊系統(tǒng)，船中間有一個可轉(zhuǎn)動的大圓筒，筒上安鉆機(jī)、井架等，筒下用錨鏈與海底連接，船可圍繞圓筒旋轉(zhuǎn)，使之常處于迎風(fēng)迎浪的位置以減少船的搖擺和位移；③安裝一套水下器具，包括柔性接頭、伸縮鉆桿和升沉補(bǔ)償裝置等，以適應(yīng)鉆井船的搖擺、位移和升沉；④安裝動力定位系統(tǒng)，使鉆井船在惡劣海況條件下可以保持同定位置。4