深水钻井船应用现状与关键技术

深水钻井船深水钻井船（Drillship）现状与关键技术现状与关键技术孙丽萍，邓忠超孙丽萍，邓忠超主要内容1 深水钻井船研究的意义2 深水钻井船的需求3 现有深水钻井船及运营商4 深水钻井船关键技术5 深水钻井船的发展趋势6 哈尔滨工程大学的研究工作1 深水钻井船研究的意义深水钻井船研究的意义u2008年我国全年累计生产原油18973万吨，全年进口原油达17888万吨。目前我国石油消费对外依存度已高达到49.8%，已成为世界第二大能源消费国，且能源消费的增长势头仍在继续。u国际能源机构(IEA)预测，随着越来越多中国消费者购买汽车，到2030年，中国石油消耗量的80%需要依靠进口。我国的石油紧缺问题已日益突出，亟待解决。u我国南海的石油地质储量约为230亿300亿吨，占我国石油总资源量的三分之一，其中70%蕴藏于深海区域。2 2 深水钻井船的需求深水钻井船的需求 全球钻井船市场始终处于供不应求的状态。巴西石油公司负责开发墨西哥湾的高级经理阿尔贝托吉马良斯表示：“因为缺乏设备，几乎所有石油公司的投资计划都受到了限制。”世界最大的石油和天然气钻探平台营运商Transocean的首席执行官罗伯特朗说，目前该公司共有9个全新的深水钻井船正在建设当中，其中8个还未出厂就已经预约签下了4-7年不等的合同。罗伯特朗认为，深水钻井设备市场直到2012年都会处于供不应求的阶段。3 3 现有深水钻井船及运营商现有深水钻井船及运营商 从承包商来看，美国的Transocean是拥有钻井船最多的承包商，其拥有量占钻井船总量的28%，第二名和第三名各有三艘钻井船，要远远少于第一位。Belford DolphinGSF CR LuigsPride AfricaPride Angola作业水深达到3000米的深水钻井船：目前共有14艘。Saipem 10000Deepwater DiscoveryDeepwater ExpeditionDeepwater FrontierDeepwater MillenniumDeepwater PathfinderDiscoverer EnterpriseDiscoverer SpiritDiscoverer Deep SeasJoides Resolution目前钻井船的作业位置：目前钻井船的作业位置：主要分布在美国墨西哥湾、南亚、巴西、西非、澳大利亚和墨西哥海域。4 深水钻井船设计建造关键技术陆地钻井作业的主要设备与过程：钻井船作业与陆地钻井作业的区别：钻井船与常规船舶相比较的特有系统：u钻井系统u立管系统u定位系统钻井船设计与分析的关键技术钻井船设计与分析的关键技术(1)、月池、钻井甲板、井架等特殊结构的设计与分析。月池、钻井甲板结构是钻井船与其它用途船舶的重要区别，其承受的井架载荷、立管载荷都很大，须在设计分析中特殊考虑。(2)、钻井船总体运动响应分析。钻井操作对船体的总体运动要求非常严格，规范规定钻井立管在竖直方向上的偏角不可超过4度。钻井船的总体运动性能好坏直接决定钻井操作能否顺利进行。(3)、锚泊系统设计与分析。目前，新型高强度聚酯材料在海洋工程锚泊系统设计当中已开始采用。该类型锚泊系统具有重量轻、成本低、工作可靠等优点。(4)、动力定位系统研究。在动力定位系统设计中需要考虑载荷计算、动力定位控制系统数学模型及控制器核心算法、多个推进器之间推力的最优分配算法等问题，并进行整体定位能力分析以及失效模式评估。由于深海风浪流等条件异常恶劣，动力定位系统得设计与分析具有较高难度。(5)、立管系统设计与分析。立管系统是钻井船特有的作业系统，由于其结构细长、柔性大，并且承受较大的内外压力和复杂的流载荷，其设计与分析难度较大。(6)、钻井船总体性能模型试验技术。钻井船模型试验涉及到风、浪、流等复杂边界条件的设定、模型总体运动等响应信号的精确捕捉与分析、DP系统的模拟与控制等问题。(7)、高精度船体施工技术研究。由于有月池、井架等结构，钻井船的断面结构较复杂，这对船体分段的施工的精度提出了更高的要求。具体施工方法需要进行针对性研究。(8)、大厚度高强度钢材焊接工艺研究。由于高强度钢材本身的焊接性较差；同时，由于化学成分复杂，且强度和低温韧性等性能要求很高，焊接工艺技术难度非常大。另外，由于钻井船结构复杂，大厚度构件较多。因此，采取有效措施，提高大厚度高强度钢焊接接头的力学性能，尤其是低温韧性，保证焊接接头的强度和韧性满足设计要求对确保钻井船的建造质量有重要意义。5 5 深水钻井船的发展趋势深水钻井船的发展趋势深水化：深水化：目前，在建的钻井船适应水深都超过了3000m,钻井深度在10000m以上。大型化：大型化：深水钻井装备呈现大型化趋势，包括甲板可变载荷、平台主尺度、载重量、物资存储能力等各项指标都向大型化发展，以增大作业的安全可靠性、全天候的工作能力和长的自持能力。设计更优化：设计更优化：体现在装备的钻井设备更先进；可变载荷与总排水量、总排水量与自重的比值；安全性、抗风暴能力和自持能力增强；甲板可变载荷和空间加大等。配套更先进：配套更先进：在石油钻机方面，交流变频电驱钻机正在取代现有的可控硅直流电驱动电机；新一代顶部驱动装置（TDS）在交流变频驱动、静液驱动等方面又有新的发展；在钻井泵方面，不断有大功率的钻井泵问世；在井控方面，高压旋转防喷器将得到推广使用。6 6 哈尔滨工程大学深海中心在该方面所做的工作哈尔滨工程大学深海中心在该方面所做的工作深海中心申请并通过了国家“111创新引智计划”的支持，作为“深海工程科学与技术创新引智基地”，深海中心充分吸纳国外深海工程技术领域的优秀人才，形成了以美国工程院院士William C.Webster教授为中心，由10人组成的具有强大实力的海外合作团队，其成员来自美国休斯敦的Technip、SBM、Intec Sea等公司、美国加州Berkeley大学、英国UCL大学、法国BV船级社等在海洋工程领域享有盛誉的公司、大学和研究机构。有以下研究方向：深海浮式结构物总体性能及定位系统 深海浮式平台结构设计与建造技术 深海海洋立管及海管的设计技术与分析方法 深海工程模型试验技术 海洋可再生能源技术 (1)(1)15001500米水深海钻井船概念设计研发米水深海钻井船概念设计研发(2)FPSO(2)FPSO的系泊系统管理、操作和维护研究的系泊系统管理、操作和维护研究(3)(3)无动力船的锚泊快速释放系统研究无动力船的锚泊快速释放系统研究(4)(4)半潜式起吊平台水动力和系泊分析半潜式起吊平台水动力和系泊分析(5)(5)海上风力发电示范项目海上风力发电示范项目模块整体运输安全性分析、海洋模块整体运输安全性分析、海洋 环境与结构强度实时监测环境与结构强度实时监测(6)(6)海上风力发电机组、基础结构及运输安装技术研究海上风力发电机组、基础结构及运输安装技术研究 (7)(7)国家自然科学基金：弱耦合算法及其在海底管道涡激振动中的应用研究国家自然科学基金：弱耦合算法及其在海底管道涡激振动中的应用研究(8)(8)自升式平台建造工艺研究自升式平台建造工艺研究(9)(9)深水半潜式平台结构碰撞分析深水半潜式平台结构碰撞分析(10)(10)深水半潜式平台动力定位系统研究深水半潜式平台动力定位系统研究(11)FPSO(11)FPSO资产管理系统关键技术研究资产管理系统关键技术研究(12)(12)海底集束管道结构设计研究海底集束管道结构设计研究近三年完成及正在进行的合作项目近三年完成及正在进行的合作项目开发团队组成开发团队组成姓名姓名职务职务/职称职称研究方向研究方向备注备注孙丽萍教授深海浮式结构设计与分析张大刚特聘教授深海浮式结构设计与分析IntecSea总裁、主任结构工程师宋儒鑫特聘教授立管系统设计与分析Technip立管部主任工程师罗勇特聘教授浮式结构系泊系统设计与分析SBM高级工程师石山特聘教授浮式结构总体性能分析HOE高级工程师马山副教授浮式结构总体性能分析康庄副教授立管系统设计与分析邓忠超讲师深海浮式结构设计与分析闫发锁讲师深海浮式结构设计与分析王宏伟讲师浮式结构系泊系统设计与分析戴伟讲师立管系统设计与分析实验研究条件实验研究条件 船舶拖曳水池（110m7m3.5m,长峰规则波和不规则波，最高拖车速度6.5m/s）水平型循环水槽(工作段4m2m1.5m，流速0 2.0m/s无级调速)大型结构疲劳试验机（6点协调加载）LMS数据采集分析系统 风浪流联合作用的深水试验水池（50m30m10m，x-y航车，航车最高速度 3m/s，三维规则及不规则波，最大波高0.3m，流速0.1m/s 0.5m/s）软件条件软件条件水动力及系泊系统计算软件：Harp,Hydrostar,Ariane立管分析计算软件：Orcaflex,ABAQUS平台结构计算软件：ANSYS,MARC,NASTRAN设计目标设计目标主要参数主要参数 最大钻井深度：10000米 最大工作水深：1500米 甲板最大可变载荷：1400016000吨 定员：80100人钻井船体的大概尺寸：钻井船体的大概尺寸：船长：220 m 船宽：45 m 型深：20 m 吃水：11 m 航速：10 节设计极限海况设计极限海况 风速：60 m/s,波高：30 m,流速：1.5 kn钻井作业海况及平台运动性能钻井作业海况及平台运动性能 在风速18 m/s，波高5 m，流速1.5 kn的海况下，平台升沉+/-1 m，摇摆 1.3 2、030o复原力臂曲线下面积0.055 3、040o或4（取40o与4两者较小者）范围内复原力臂曲 线下面积 0.09 4、横稳心高GM1米 5、425度 6、破损后横倾角17度1=初始静倾角 2=第二交点角3=第一进水角 4=最大回复力臂位置钻井船系泊系统分析钻井船系泊系统分析钻井船与锚泊线布置示意图谢谢 谢！谢！