海洋工程中的创新思维

海洋工程中的创新思维一、海洋工程发展简介1920年，委内瑞拉首先在马拉开波湖上使用木结构平台钻井，揭开了人类开发海洋油气资源的的序幕。90多年来，海洋油气资源的勘探开发从无到有，触及的海域由浅入深，勘探开发技术和装备不断革新，使人类向海洋索取资源成为可能，同样为世界科技和经济的发展注入了强大的动力。1947年在美国墨西哥湾建成了世界第一座钢结构平台，标志着钢结构海洋平台成为海洋油气资源开发的重要工具。20世纪60年代，以美国为首的许多西方国家为摆脱能源危机，纷纷投资开发近海石油，70年代形成近海石油的开发高潮。80年代，全世界从事海上油气勘探开发的国家和地区超过100个。随着海洋油气开发逐渐向深海推进，人类开始不断探索新型的开发技术以适应需要。20世纪50年代提出了顺应式平台的概念，经过多次实验和探索，1984年英国北海建造了世界上第一座张力腿平台——Hutton平台，水深157m，标志着深水采油张力腿平台技术完全成熟。现已形成三大系列，SeaStar系列＞MOSES系列和ETLP系列。1987年一种新型的深水采油平台Spar平台被设计出来，1997年首次建成投产，目前已经开发了三代Spar平台，成为继张力腿平台之后的第二主力深水采油平台。20世纪70年代中期开始，浮式生产储油装置与井口平台的配套生产开始受到人们的关注，后逐渐发展成熟为浮式生产储油系统（FPSO）,是集海上油气生产、储存、外输、生活、动力于一体的技术密集的海洋工程结构物。CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少GhaflS'—yIsraelIndi*Thatiand^Malaysia^Ir<ione5ia'Angola图1世界主要海洋油田分布图B国近衔油吕田分布褊州20＜凝析油气田銀中騎-1油田歧口18T油田锦州9-3油田秦MS32-6油田!1莱19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油气田|泅•州11-4油出B国近衔油吕田分布褊州20＜凝析油气田銀中騎-1油田歧口18T油田锦州9-3油田秦MS32-6油田!1莱19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油气田|泅•州11-4油出陆丰13-1袖田番禺4-2釉田陆丰四-1油田惠加1-1油田流花11T油田惠州空-2油田惠州宠-5油田惠州宠T油田方1T气田惠州西-1油田文昌油田样崖城13-1-,田天啓气诃钱歧口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泪田涯1MI12-1油田图2我国主要海洋油田分布图目前，陆上石油资源的逐步衰竭目前国际石油界的普遍共识，过去30年东、西半球两个最重大的油田发现均来自海洋。海洋石油开采是大势所趋，根据各种权威机构的数据源显示，海洋石油资源将是未来原油产量增长的重要来源，全球50%以上的油气产量和储量将来自海洋。海洋工程技术发展方兴未艾，将在今后的海洋开发中起到根本性的关键作用。

二、海洋工程的技术特点海洋石油工业比起陆上石油工业来说,有着不同的特点。技术密集。由于海洋石油勘探开发建设需要多学科的综合技术,涉及的技术面很宽,要求高效、安全、可靠、经济,所以广泛采用了当今世界最先进的技术与装备,而且更新换代很快,新技术、新工艺、新材料不断涌现。如海上地震勘探目前国外已发展到480道多缆多震源勘探技术、数字电缆、高分辨处理技术已普遍采用；在钻井方面小井眼、小曲率半径水平井钻井技术在油田开发中应用,目前水平位移已达5000一8000多米；在测井方面,数控成像技术、大容量的传输系统及最先进地面设备,为油田开发方案的制定,提供了可靠依据；在油气田开发方面,采用注化学聚合物、热采、核能利用等方法提高稠油油田采收率见到明显效益；在海洋工程建设方面,深水油田开发范围已发展到2000m以上,水下多相混输多相计量技术试验成功,已形成一套完整的水下生产系统；在边际油田开发方面,平台结构和工艺流程的简化,更趋向轻小型、移动式，并实现遥控、遥测和无人操作。资金密集。海上油气资源的勘探开发投资非常大,往往是陆上油田投资的数倍。海上打一口探井要花费上千万美元,建一座中心采油平台要上亿美元。要找到一亿吨储量需要的投资约2.5亿美元,陆上只需要投资1.7亿美元，海上油田开发投资平均为陆上油田开发投资的1.5一3倍。高风险。海洋工程的高投入加上工程的不确定性以及意外事故的频发，导致了海洋工程的高风险。进行海上油气资源勘探时，如果没有发现资源,勘探投资就沉没了。由于海洋工程技术密集，环境恶劣，一旦发生事故，维修处理难度相当大，将造成重大的生命财产和环境损失。这就加更需要开发高新技术，来降低海洋工程的风险概率，强化风险应对措施，降低开发投资,保证取得好的经济效益。2010年9月72010年9月7日平台倾覆图42010年4月20日深水地平线平台事故三、创新——海洋工程发展的不竭动力海洋工程发展的近百年历史也是人类不断创新的历史。创新是指人们为了发展的需要，运用已知的信息，不断突破常规，发现或产生某种新颖、独特的有社会价值或个人价值的新事物、新思想的活动。创新的本质是突破，即突破旧的思维定势，旧的常规戒律。创新活动的核心是“新”，它或者是产品的结构、性能和外部特征的变革，或者是造型设计、内容的表现形式和手段的创造，或者是内容的丰富和完善。下面通过几个实例说明创新思维在海洋工程发展中的重要作用理论、技术和装备创新为海洋油气开发提供了丰富的技术手段，使海洋开发成为可能。Spar平台是目前世界上适用水深最深的海洋石油生产平台。它的诞生见证了创新思维的重要作用。1971年，Lowd等人提出了浮式生产设施的设计方案，并且给出了其模型水池实验的数据。这一半潜式生产装置是一座Spar浮标，它综合了垂直圆柱的稳定性、灵活性以及较小的体积等优点，并且具有重力式平台的生产和处理功能。这一生产设施可装船运输到安装地点，无须起重船的帮助能完成下水安装的程序，是现代Spar平台的雏形。1987年，EdwardE.Horton设计了一种专用于深海钻探和采油工作的Spar平台，其结构形式特别适合深水作业环境，该平台被公认为现代Spar生产平台的鼻祖。!UDtyTre#图!UDtyTre#图5Spar平台现代Spar平台的主体是单圆柱体结构，垂直悬浮于水中。主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动幅度很小，使得Spar平台能够直接安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和油气输出工作。现代Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或顶紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。虽然Spar平台应用历史仅30多年，但是正是由于其凝聚了大量的创新之处使的其得到了飞跃性的发展，也使得人类走向更深的海洋。理论、技术和装备创新为海洋油气开发提供了新的技术，提高了安全性与可靠性。动力定位技术的开发和应用使得海上操船不再高难，使得海上定位更加可靠更加精确。动力定位是一种可以不用锚系而自动保持海上浮动装置的定位方法。采用动力定位的海上浮动装置，在海上钻探作业时不需要抛锚，这不仅减少了复杂的抛锚工序，而且工作的水深亦不受锚系长度的限制，甚至可以在水深大于1000米以上的深度进行工作。动力定位是海洋工程船舶的一种定位方法，先用声呐测定船位，再利用船上的自动控制系统，发出指令，控制安装在船首、船尾的侧向推进器，来固定船位。动力定位法的优点是不受水深限制，适合于深水海域使用。动力定位系统由船位显示仪、电子计算机控制机构和推进器等部件组成。工作时，电子计算机随时可根据船位仪所测定的船位数值，自动地发出控制信号，改变推进器的运转方向、转速或叶片的螺矩，以调节船位。有的动力定位系统，还可根据风力的变化，提前发出信号来抵消风力的影响。动力定位时,通过电脑传输，只需几分钟的时间，就把航行中的船稳稳地停在预定的位置。该系统开启后，位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风传感器、海流传感器等仪器开始实时实地测得数据，并把这些数据信息及时传输给计算机，计算机再将其与储存的预定停泊位置资料对照，找出差别，继而向各推进器发出指令，调整其推力，实行差别修正，直至到达预定位置，停稳。该系统应用了差分全球定位系统，数字滤波技术，以及最优控制软件等先进技术，使其定位精度在几米之内。该系统不仅应用于停船定位，而且还能应用于船与船间的航距固定。还使得海底电缆铺设、检修，海上打捞救生，以及深海石油开采等海洋作业的平台定位更加便捷。理论、技术和装备创新降低了海洋油气开发的成本，降低了投入。钻井技术的创新，大大缩短了海洋石油勘探钻钻井的周期，降低了成本。下列为深海钻井的新技术。（1）定向钻井几十年来，丛式井一直是海上采油的唯一手段。近10年来，为了提高采油率和降低成本，大位移井、水平井和多支井又应运而生。地质导向钻井技术和旋转闭环钻井系统是定向钻井技术的两项尖端技术。（2）小井眼钻井小井眼就是井眼直径比常规井眼直径明显小。井眼小了，则破碎岩石体积小了，耗能小了，钻杆也小了，套管也小了，钻机也小了，占地也小了。一小百小，平均节省费用50%。（3）欠平衡钻井欠平衡指的是钻井液柱压力低于地层压力。欠平衡钻进时，地层原油会流入井内。所以井口要安装旋转防喷器，循环系统要有油水分离器。形成“欠平衡”的方法包括边喷边钻、泥浆帽压井、立管注入气体、环空注入气体和泡沫钻井液等。欠平衡钻井的突出优点是提高钻速和不损害油层。（4）用盘管机组钻井盘管指的是没有接头、内外平滑、连续成一根并可盘卷在滚筒上的钢管，直径多在25.4~50.8mm之间，长度最大达6000m。其最大优点是井内起下方便快捷，不用上卸螺纹。（5）无隔管钻井系统隔（水）管的作用是保障钻井液循环。但隔管的庞大与笨重增加了作业成本、难度和风险。不用隔管，关住海底防喷器（抱住钻杆），让钻井液从另外一根小管返回平台。理论、技术和装备创新为海洋油气开发提供了应对风险的能力。地震、台风、海啸或巨大海冰冲击等恶劣环境载荷海洋平台的动力响应是导致平台事故和疲劳破坏的重要原因。为了降低动力载荷对海洋结构物的影响，学者和工程人员开发了不同的减振技术和设备，来改善海洋结构物的动力特性。另外在冰区作业的结构物为了抵御巨大的冰荷载，还在结构物上设计了抗冰锥体等特殊结构。工程技术人员采用了大量的现代科技来改善海洋结构物的特性，来提高其安全性能和对风险的抵御能力。四、海洋工程创新中的问题创新源于积累在海洋工程发展历史中我们可以清楚的看到创新并不是异想天开，是在现有条件的基础上进行了大量深思熟虑的研究。成功的创新来源于足够理论基础和工程经验的积累。创新应当博众家之长，借鉴所有可以借鉴的技术、成功的经验和失败的教训，而不是闭门造车。创新需要积极的探索尝试实践是检验真理的唯一标准。所有的创新思维在理论上经过谨慎的研究和计算之后应该大胆实践，积极尝试。在工程实践中验证创新之处的意义、价值和不足。创新思维应当是解决实践工程问题，而不是纸上谈兵。创新是一个长期过程创新是一个不断探索，积累和修正的过程。在海洋工程领域中，一项大的创新技术需要经过多年的积累和反复的验证，之后投入生产。在生产中还应当重视跟踪观测，不断的完善直至成熟。海洋工程的高风险也导致了创新的高风险，所以在创新时不能急于求成，盲目蛮干。五、国内创新现状中国在海洋国土开发上还比较薄弱，现在中国的海洋开发能力主要集中在浅海，海洋资源的全面利用、深海的开发能力还不足，也缺少相应经验。从装备制造现状来看，我国海洋工程装备产业国产化率一直较低，进口比例在70%以上。在海洋工程装