深水钻井船应用现状与关键技术

1、深水钻井船（,Drillship,）,现状与关键技术,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,?,2008,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。,?,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

2、国的石油紧缺问题已日益突出，亟待解决。,?,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,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,201

3、2,年都会处于供不应求的阶段。,3,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。,作业水深达到,3000,米的深水钻井船：,目前共有,14,艘。,Pride Africa,Belford Dolphin,GSF CR Luigs,Pride Angola,Saipem 10000,Deepwater Discovery,Deepwater Expedition,Deepwater Frontier,Deepwater Millennium,Deepwater

4、Pathfinder,Discoverer Enterprise,Discoverer Spirit,Joides Resolution,Discoverer Deep Seas,条,10,12,目前钻井船的作业位置：,0,10,6,5,全球钻井船作业位置分布图,1,1,2,6,7,3,2,4,6,8,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。,A,f,r,i,c,a,-,W,e,s,A,s,t,i,a,-,S,A,s,o,u,i,a,t,h,-,S,o,u,t,h,E,a,s,t,A,u,E,u,s,t,r,o,r,a,p,e,l,i,-,a,N,o,r,t,h,S,

5、M,e,e,a,d,i,N,t,e,.,r,r,A,m,a,n,e,r,e,a,i,c,n,a,S,.,-,A,U,S,m,e,G,r,i,O,M,c,a,-,B,r,a,z,i,O,t,l,h,e,r,R,e,g,i,o,n,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：,?,钻井系统,?,立管系统,?,定位系统,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

6、。,(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

7、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

8、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,深水钻井船的发展趋势,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：,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：,体现在装备的钻井设备更先进；可变载荷,与总

9、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：,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,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.,Webst

10、er,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,近三年完成及正在进行的合作项目,(1),1500,米水深海钻井船概念设计研发,(2) FPSO,的系泊系统管理、操作和维护研究,(3),无动力船的锚泊快速释放系

11、统研究,(4),半潜式起吊平台水动力和系泊分析,(5),海上风力发电示范项目模块整体运输安全性分析、海洋,环境与结构强度实时监测,(6),海上风力发电机组、基础结构及运输安装技术研究,(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,(8),自升式平台建造工艺研究,(9),深水半潜式平台结构碰撞分析,(10),深水半潜式平台动力定位系统研究,(11) FPSO,资产管理系统关键技术研究,(12),海底集束管道结构设计研究,开发团队组成,姓名,孙丽萍,职务,/,职称,教授,研究方向,深海浮式结构设计与分析,备注,张大刚,宋儒鑫,罗勇,石山,马山,康庄,邓忠超,闫发锁,特聘教

12、授,特聘教授,特聘教授,特聘教授,副教授,副教授,讲师,讲师,深海浮式结构设计与分析,立管系统设计与分析,浮式结构系泊系统设计与分析,浮式结构总体性能分析,浮式结构总体性能分析,立管系统设计与分析,深海浮式结构设计与分析,深海浮式结构设计与分析,IntecSea,总裁、,主任结构工程师,Technip,立管部主任工程师,SBM,高级工程师,HOE,高级工程师,王宏伟,戴伟,讲师,讲师,浮式结构系泊系统设计与分析,立管系统设计与分析,实验研究条件,?,船舶拖曳水池（,110m,7m,3.5m,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,4m,2m,1.

13、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（,50m,30m,10m,，,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,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,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：,

14、14000,16000,吨,定员：,80,100,人,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,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,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,5,o,，漂移为水深,的,1/20,。,入级：,美国船级社（,ABS,），,+1A1,，移动式钻井结构,。,航行区域：,适于全球范围内作业，尤其适合中国南海和类似海域。,钻井船总布置,型线设计,根据总体设计总布置要求，以甲

15、板使用面积为基础，初步绘制,水线图。光顺、修改、编辑水线，创建边界线，如平边线、平,底线、平行中体线中纵剖线，调整各种型线使型线间符合投影,关系，满足光顺性、协调性,稳性,?,按照规范要求作业与航行工况风速为,36m/s,（,70knots,），相应风压值,795Pa,，风暴自存工况风,速,51.5m/s,（,100knots,），相应风压值,1626Pa,。,?,对于破舱稳性，规范要求风速为,25.8 m/s,（,50knots,），一舱破损，设定位于船体左舷相邻两舱,同时破损，且这两舱破损后对稳性影响最为严重，在这,种情况下对破损稳性进行计算校核,?,舱室破损形式选择最典型的破损情况即：舱室顶盖在水,线以上，舱内水与舷外海水连通，舱内水面与海水保持,同一水平面。,?,稳性横截曲线计算采用横倾范围,0,80,度，横倾角间隔,5,度，海水密度,1.025 ton/cu.m,（,15oC,）。,?,渗透率：储物舱室,0.6,；机舱,0.85,；空舱,0.