极地冰区海上钻井平台发展趋势研究

第2卷第1期2019年1月

水利科学与寒区工程

Hydro Science and Cold Zone Engineering

V ol.2! No.1

Jan. ,2019

刘大辉！O v e T.G udm esad!白勇，等.极地冰区海上钻井平台发展趋势研究水利科学与寒区工程！2019! 2(1): 66-73.

极地冰区海上钻井平台发展趋势研究刘大辉12，O v e T.G u d m e s a d3，白勇1，滕瑶2!陈昱2!吴延明4

%.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058; 2.中集海洋工程研究院有限公司，山东烟台264670;

3.斯塔万格大学！挪威斯塔万格8600;

4.烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台264004)

摘要：本文阐述了北极油气资源开发面临着低温、冰情、低纬、极夜、暴风雪等恶劣环境的一系列挑战，并分 析研究了当前全球正在运用或正在研发的极地冰区海上钻井平台！并对这些平台形式进行了对比分析，提出我国 参与极地开发及未来关于极地钻采装备等发展方向的一些建议和思路。

关键词：极地冰区；海洋油气资源；海上钻井平台；浮冰海域

中图分类号：T E951; P731.15 文献标志码：A

北极地区主要是指北极圈(北纬66°34')以北的 区域，包括北冰洋和8个环北极国家(加拿大、丹 麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典、俄罗斯和美国）的北方领土。近年来！世界不同组织、机构对该地 区的油气资源进行了如火如荼的调查评估，尽管 评估都显示北极油气资源的储量相当可观！但是!要对北极油气资源进行规模开发！则会遇到众多 技术上的困难。

目前加拿大、美国、俄罗斯、挪威等国都已 经开展了北极的海上油气勘探开发工作。近年来 受到低油价的影响！及对环保因素的考虑，多数 国家基本暂停了北极的海上油气勘探开发活动！但是俄罗斯仍在积极布局北极海上油气资源的勘 探开发工作。另外！很多油气公司及海工装备的 研发设计单位也在积极开展北极勘探开发装备的 研发设计工作，这些企业都看好未来的北极海上 油气资源开发前景！希望通过早期的研发设计积 累，为未来积极参与北极勘探开发工作做好准备。

本文就北极海上油气资源开发面临的挑战、适用的开发装备及开发模式等进行了分析研究!为我国参与极地油气资源的勘探开发提出一些建

文章编号$2096-5419(2019)01-0066-08

议，对北极海上油气资源开发装备及模式的发展方向进行了 考。

1北极海上油气资源开发的挑战

北极的海上勘探开发面临着路途遥远、生态 环境脆弱、环境温度超低、浮冰、冰山、极夜、暴风雨(雪)、永久冻土、地震等挑战[1]。

1.1超低温、浮冰、冰山等带来的挑战

北极地区1月份平均气温一20"—40 m!而 气温最高的8月，平均气温也只有一8 m。北冰洋 海域的表层广泛覆盖着海冰，冬季海冰最大覆盖 面积占北冰洋总面积的3/4!即使在暖季！海冰最 小覆盖面积也接近1/2!另外还分布着冰山、冰 岛。北极地区常年存在的超低温和多浮冰环境给 极地钻井作业带来了严峻挑战！如海洋浮式装置 的特殊防寒抗冰设计、运营和维护困难、钻井设 备和工具机械性能降低、钻井管柱易发生脆性破 坏、钻井液性能发生变化、隔水管容易被浮冰破 坏、作业人员无法在露天环境下正常作业等#]。1.2风、浪、流等带来的挑战

随着近年来海冰面积和厚度的减小！极区表

收稿日期$2018-09-04

基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0303400)

作者简介：刘大辉（1980-&男，山东烟台人，高级工程师，主要从事海洋工程装备、极地技术和海洋可再生能源的研发设计工作。

E-mail :305120975@qq. com。

?66?

第1期刘大辉，等.极地冰区海上钻井平台发展趋势研究

面波强度已经显著增强，尤其在极区的冰缘区和 副极区的冰水交界处，波浪引起的力是海冰运动 的主要作用力之一。同时，由于极地海水的密度 和盐度随深度变化较大，极地海域的内波和海流 以及引起的流体混合对极地海洋的循环和热动力 学起到重要的作用。表面波、内波和海流的传播 和变化不仅影响海冰的运动和分布，对工作在其 影响区域内的船舶和海洋平台也将引起严重的环 境载荷<。

北极海域的风、浪会引起浮式结构物大移位, 导致隔水管发生变形和涡激振动，因此对隔水管 抗疲劳强度设计提出了更高要求。当环境载荷超 出隔水管作业极限载荷时，需要断开隔水管系统 和水下防喷器的连接。悬挂隔水管的动态压缩也 可能造成局部失稳，增大隔水管的弯曲应力和碰 撞月池的可能性。

!3暴风雨(雪）带来的挑战

极地低压（polar low)等会引起强烈的海洋暴 风雨(雪&这对海洋平台或船舶等具有极大的破 坏作用。除了影响平台或船只的安全作业、定位 能力外，还会快速地在平台上形成大量的积冰、积雪等，影响平台上人员的安全，并对平台的稳 定性有较大影响，迅速降低平台的有效可变载荷, 历史上出现过由此引起的平台或船只失稳或倾覆 事故，有的钻井平台（船只）需要快速地排除钻井 泥浆、钻杆等可变载荷来保证平台或船只的安全。这对极地钻井装备、对海洋暴风雨（雪）的预测及 快速撤离危险海域提出了更高要求。

!4路途遥远、极夜带来的挑战

北极地区是世界上最偏远的地区之一，人迹 罕至，物资供应极其困难，难以为石油钻探提供 稳定可靠的后勤保障。另外，北极和南极都有极 昼和极夜之分，一年内大致连续六个月是极昼, 六个月是极夜。极夜对海上油气勘探生产作业带 来极大的不便，对海上作业人员的挑战也极大。

!=脆弱的生态环境带来的挑战

北极地区生态环境脆弱，钻井过程中一旦发 生井喷，钻救援井和海上溢油回收都十分困难。如出现漏油则极易对当地生态环境带来极大破坏。特别在冬季，该地区缺少光照，气候寒冷，对漏 油的吸收降解能力将更加困难。!6冻土带来的挑战

在极地冻土层钻井过程中，低温环境会改变 钻井液的流变性，需要研究在低温下具有较好抑 制性的钻井液体系，尽量降低钻井液的凝固点。另外，钻头破岩过程中产生的热量会使井底升温，导致冻土层软化，造成井壁坍塌，给钻井安全带 来 重挑 。

2北极海上油气资源勘探开发的装备

北极地区的恶劣环境条件及脆弱的生态环境 等都增加了勘探、钻井、生产、运输等作业的风 险。目前适合极地恶劣环境的油气资源勘探开发 装备数量非常有限。对国际上已经开展的、正在 建造或研发的极地油气资源开发装备进行分析研 究，希望通过比较分析发现未来极地开发装备的 主流方向。

2.1固定式平台(人工岛）

水海 ，式钻 平台钻 。固定式钻井平台多采用钢筋混凝土建造方式，平 台坚固，重量大，抗冰能力强。如俄罗斯Prirazlomnaya固定平台能抗3.5 m厚浮冰，加拿 大Hibernia平台可抵抗110万t冰山撞击(见图1)。另外，在库克湾（Cook Inlet)等海况较好的海域, 利用导管架平台钻井和生产。此外，在由砾石或 冰建造的人工岛上进行钻井作业，也是最为经济 有效的解决方案。浅水区除了用各种材料建造人 工岛外，各种沉箱或挡水结构也被用作钻井设施。例如：埃克森美孚公司在北极作业中使用了砾石 岛、冰岛、沉箱固定岛(CRI)、混凝土岛钻井系统 (CIDS)、Molikpaq和单个钢制钻井沉箱（S S D C) 系统#$。

2.2自升式钻井平台

目前，北极海况条件较好的海域和夏季无冰 期的海域或冰情较轻的情况下，可采用自升式钻 井平台钻井，主流的极地自升式钻井平台如下。

(1)“奋进号”自升式钻井平台。“奋进号”是一 座由MarathonLeTourneau公司建造的116-C自升式钻井平台，1982年制造，2004年经过升级改 装(见图2)。可在91. 4 m水深中作业，用一 10 °C 级别的钢建造而成，可在包括楚科奇海（Chukchi Sea)和波佛特海(Beaufort Sea)在内的北极圈内的 广阔环境领域内安全工作。

67

水利科学与寒区工程

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(2)GustoMSC S E A I C E 系列自升式钻井平 台。G u s t o M S C 设计的S E A I C E 系列自升式钻井 平台(见图3)，采用全封闭式设计，作业水深30?

50 m ，可抗2 m 厚的浮冰，冰级相当于P C ;。 S E A I C E 采 圆形腿作为支撑腿，

液压

举升系统。

%) “Arkticheskaya”号、“Amazon”号自升式

钻井平台。由Gazflot拥有和运营的* Arkti- cheskaya”号、“Amazon”号自升式钻井平台（见图 ;)，“Arkticheskaya”号最大工作水深 100. 6 m ，最 大钻井深度6553. 2 m ，粧腿长度121. 9 m ，主尺 度为61?7m X 66?1m X 9?;m ，由CDBCorall设

Arkticheskaya

计，Zvezdochka 船厂在 2012 年建造。“Amaz on ” 号最大工作水深52. 3 m

，最大钻井深度3048. 0 m ，

由 GustoEngineering 设计，1!>2 年建造于 Stord

Verft A /S at the Aker Stordverft Norway shipy- ard ，入籍挪威船级社(D N V ) #$。

图4 “Arkticheskaya ”号、“Amazon ”号自升式钻井平台

(;)Nordic、Shelf Exp?、勘探六号（见图 5)。 三座自升式钻井平台的 温度为一20 °C ，

；

作业水深90 m ，

钻

度7500 m (勘探六号

为9000 m )，最大工作风速分别为70节、88节、 90节，作业可变载荷为2700 t、2955 t、3400 t， 顶驱钩载为 450 t、；50 t、680 t[6]。

(5)吉宝岸外与海事研发项目。新加坡吉宝岸 外与海事公司在设计及工程领域子公司Keppff O &M Technology Centre 国

国

有公司联合

了

自升式钻井平台的

：

项目，该 自升式钻井平台 务在北冰洋近海油田上。平台将通过Dual Cantilever ，在一定

.68

.

第1期刘大辉，等.极地冰区海上钻井平台发展趋势研究

图5勘探六号

时间内，进行最佳的钻井工作；在没有外部援助 的下，自进行 1;d的钻井工作。还有该钻井平台的船 抵消来自流冰的 #$。

2.$钻井船

(1) “S t e n a D R I L L M A X I C E”号。韩国三星重工集团推出了一种既适应全球超深水作业又适应 北极恶劣气候的钻井船'三星D P D u a l M a s t Ice+ 1A1型钻井船。其甲板起重机额定作业温度一30°C，符合耐寒基本要求。

瑞典Stena公司与韩国三星重工集团签订了建 造一艘S t e n a D R I L L M A X I C E F型钻井船（见图 6)的合同，“S t e n a D R I L L M A X I C E号钻井船是世界上第一 的双钻塔冰区钻井船，

系统，额定作业水深3048 m，-和双作业钻机，额定钻深10 668 m，船长 228 m，宽；2m，高19 m，排水量97 000 t，可以 在一；0°C温度、16 m浪高和；1m/s风速的环境下 作业，冰 号为+1A1，船体冰 P C5，

6个5500 k W的ICE-10冰级的全回转推进器，造 价11. 5亿美元。

图6 “StenaDRILLMAXICE !”号极地钻井船

%)大宇造船与海洋工程公司的北极钻井船。

宇造船与海洋工程公司目前正在 在北作业的钻井船。该船采 设计，适合在无冰水域和薄冰区 行-船尾采用加强结构，冰区 作。该船 有2个Azipod装置和；收缩方位推进器，船舶操作和动

。该船的作业环境为0. 5?1. 5 m厚冰 区，在薄冰区域的穿透度为90%以上，在厚冰区 域的穿透度为50%#$。

%) “P R D12000”冰区型钻井船、“Pelican”冰 区钻井船。G u s t o M S C公司在20世纪70年代开发 了可在冰区作业的“Pelican”级冰区钻井船。近期的“P R D12000”冰区型钻井船适合在北 行和作业，满足ICE-05船 号要求。新加坡吉宝船 Frontier钻井公司和壳牌公司总装的2艘“Bully”级钻井船就采用了 “P R D12000”型设计方 案，首艘船“Bully 1”号于2010年交付#$。

%)俄罗 洛夫国家科学 北极钻井船。俄罗 洛夫国家科学 的北极钻井

船可在北极风 行，破冰能力可达1.5 m，并可

在北极地区独自作业长达3个月时间。

(5) G u s t o M S C全封闭钻井平台和钻井船。GustoMSC N a n u Q系列钻井船(见图7):可抗；m

厚浮冰，冰级P C;，最大作业水深1524.0 m，可

D P3 和 两种选择，作业区

覆盖全部北 区，全年候作业。

图7 NanuQ极地钻井船

.

69 .

水利科学与寒区工程

第2卷

(6) Cat-1极地钻井船。挪威Inocean公司为 Statoil所做的Cat-I 钻井船

设计（见图8) !配

备耐寒装置。船长232 m ，宽；0 m ，型深19 m ， 工作排水量为89 8〇〇 t!有效载重量为22 ;00 t!

区域和噪音远离 区，

合 ，在 水域的钻井效率都得到优化

。船

进行了冰区加强，采 时可抵抗16 m 的冰脊，

时可抵抗水下8 m 的浮冰。同

时，具有一定的破冰航行 ，可在3";节航速下穿越1. 2 m 厚的冰层。工作水深为100?

1500 m ，可进行钻井、 、水下

、电缆测

井，以及试

工作。北

区的钻

度为

5000 m ，自持力120 d 。开敞水域的钻井深度可达

8500 m [9]。

2.4柱稳半潜式钻井平台(ColumnStabilized)

(1)M 〇SS MaritimeCS50/60 设计。典型代表 是俄罗斯天然气工业股份公司（Gazprnme)的“北极 星Polar Star”“北极光Northern Light”两座柱稳半 潜式钻井平台(见图）），采用的是M O S S Maritime 设计的C S 50型，可以在巴伦支海（Barents Sea)和

海(Kara Sea)作业，两座平台由韩国大宇造船 与海洋工程公司于2010年建造交付，于2015年 12月到达烟台 来福士海洋工程有限公司，完成了技术

和5年特检取证工作。

LQ wi

.Wint 丨interized

holideck wfhangar Ship utilities :

HVAC aft ship 2x 2x 70 ireeiasdavit lauchsbie hieboats

Mooring Storage capability acc to operation

Sw.boerd rooms Aftship wi

Thruster el rooms

Pipe hangar

3 off thruster rooms

Lowered for Cellar deck Driting utilities R 〇V hangar Foreship wi :

reduced wilowered . HPU moonpoots ? HYAC plai .plant for fereship

BOP handling Sacks ,mudpts,mud mik,mud struager size Compressor mochinery

Mcorting/erng archoring mud pumps ,m.pump workshop Natrogen plant ? Bulk tanks(Ceme ? Cutting handins (mt Bulk tanks HYAC plant Cpla

HVA 图8

Cat -I 钻井船布置示意图

图9 “北极星Polar Star ”“北极光NorthernLight ”柱稳半潜式钻井平台

(2)G M 4-D 系列半潜式钻井平台。烟台中集来 福士海洋工程有限公司联合挪威设计公司Global Maritime A S 自

设计并总装建造交付的

“North Dragon”“Beacon Pacific”和“Beacon Atlan-

? 70 ?

t i c ”三座G M 4-D 系列柱稳半潜式钻井平台（见图 10)，烟台中集来福士拥有80%自主知识产权，该

平台 抵抗0. 3 m 厚的冰，拥有ICE-T 、W i n-terization 和 Clean Design 等符号，可 以在

巴伦支

第1期刘大辉，等.极地冰区海上钻井平台发展趋势研究

海作业，具备极地冰区作业的能力。

(3) “极地先锋号”钻井平台。瑞 洋钻探公司Transocean建造了“极地先锋号”半潜式钻井平 台(见图11)，目前正在挪威巴伦支海Skrugard油

务。该平台的钻机组块和管汇采用低温碳钢 建造，所有操作都是全封闭的，有加热系统，便于在寒冷的北 区 气钻探 #(。

图10 “NorthDragon”“BeaconPacific”柱稳半潜式钻井平台

2.5圆筒半潜式钻井平

(l)SevanMarine圆筒形半潜式钻井平台。挪

威SevanMarine公司以制造半潜式圆筒形钻井储

平台的优 基础，设计制造 北极海上

的抗冰圆筒形半潜式钻井平台（见图12)。Sevan

Marine圆筒形半潜式钻井平台 圆筒形破冰船

体，可抗2 m厚浮冰，作业水深60?1500 m。上

部模块、管道 缆完全闭，并拥有 的图11 “极地先锋号，，半潜式钻井平台 系泊及立管系统。

图12 Sevan Marine公司圆筒形钻井平台

(2)“Kulluk”钻井平台。2012年7月初，壳牌

公司的“Kulluk”钻井平台（见图13)驶向阿 加

北 区，计划在波佛特海的一个海域(距离阿拉

加州海 约32 k m)钻2 口探井，在楚科奇海

的一个海域(距离阿拉斯加州海 约112 k m)钻

3 口探井。其主要目的是对这2个区 进一步的

勘探和 ，而不是开采 。2013年1月1日，该钻井船在拖 遭遇风暴，船体和设 到损图13受11〇高的巨浪袭击，

壳牌公司“Kulluk，搁浅

.

71 .

水利科学与寒区工程第2卷

坏，不得不返回船坞整修。同年2月12日，壳牌 公司 暂停北 勘探钻 。

(3)Huisman 圆筒形半潜式钻井平台。近北极区的主要特点是冬季结冰 ，夏季风大浪高。这 殊气候，荷兰Huisman设备公司设计了两 合近北 区的半潜式钻井平台，即“JBFArctic”和“ArcticS”钻井平台（见图 1;)。其中“JBFArctic”作业水深50?1500 m，采用20 点 ，其独特的结 冬季厚冰(冰厚度可达2.0?3.0 m)和夏季风浪冲击，便于在近 北 区全年全天候作业。该钻井平台可在两种吃水深度下作业'在无冰水域，可像普通半潜式 钻井平台一样进行作业或拖航；在覆冰水域，通 过压载舱（部分进水）增加吃水深度，平台、实快速 ，隔水管 冰的破坏，有效

隔水管等设施的安全和稳定。无冰期可作为 传统的半潜式平台，移动性 。“ArcticS”可抵冰厚为1.0?1.5 m，配备16点锚泊，作业水深 为35?1000 m，除了具备*B F Arctic”的两种作业 模式外，在12. 0?29. 2 m水深情况下作为重力式 平台进行作业。

图1% Huisman“JBFArctic”和“Arctic S”圆筒形封闭式钻井平台

3极地深海油气开发模式新技术

随着新材料、制造技术、网络通讯和气象科 学技术的 ，及钻井作业的机械化、自动

化和信息化程度 ，钻井作业 全自动化，钻井效率与 ，恶劣

气候对钻井作业的不利影响 低，从而逐步北 海钻探 的安全性。北 海的油

气开采一定会在不远的将来 [11]。

31套管

目前，可利 管钻井技术（C W D)来 北环境中的钻井作业。该技术 作业者一趟完

钻井和下套管作业，对钻井液的排量要求相对 较低，从而 。量较低，

小、更轻便的钻机设备，降低了 搬运钻机时对冰层最小厚度的要求，从而延长了 北极的冬季作业时间#]。

3.2水 系统

水下钻井系统包括海底钻机模块和上部辅助 保障模块两部分。海底钻机通过模块化结：输 和组装，利 马达或水下 ，通过远

程控制水下 钻 、作业。上部?72 ?

障模 要是 助 船或 冰上设 ，通过

性管柱、管 缆，钻井过程中循环钻 液、、远程控制，应急处 。

水下钻 下优点' 远程控制完成钻 、作业，节约投资30A?40%以上、低恶劣天气干扰；马达或水下顶驱钻-遇浮冰威胁，辅助船可短时间与隔水管 ，迅速撤离；环境全年候作业'冰期依 助船配合，冰封期在冰层上远程控制。

挪威的 Robotic Drilling System A S 公司和英 国的Maris International等公司的海底钻机已完成 设计。部分单元已经进行了地面试验。目前 海 海底钻机已经 ，较大作业水深和钻 的海底钻机仍处在 设计阶段。4发展趋势

经过总结目前全球正在建造或 的项目情况，并结合已经运营项目的经验，作者认为极地 海上油气资源勘探 的未来 下。我国的海工 建造企业 根据自身的产业基础优 局，较好的技术

?

第1期刘大辉，等.极地冰区海上钻井平台发展趋势研究

和积累。

(1)钻井装备及操作区趋向于采用全封闭设

计，保障装备运行效率和人员安全。

%)船体、隔水管、定位系统等具备较强的抗

暴风雪和冰荷载能力，最大限度地降低北极海域

恶劣环境对钻井装备带来的风险。

(3) 采用轻质耐低温的新材料，自动化安全控 制系统。

(4) 提尚钻井平台自身的抗冰耐寒能力和自持 力，并配备破冰船和破冰供给船等冰管理系统，

增加冰期的活动能力，延长作业期。

(5 )智能冰负荷监测系统，安全高效管理装备。

(6) 海底钻机的研制与应用，降低恶劣环境的 影响。

(7) 浮式钻井或生产装备具备快速解脱和再连 接的能力，应对冰山等不可抗因素。

(8) 水下钻井(生产）系统的运用，提高钻井和 生产的效率及安全性。

目前美国、加拿大等国家均停滞了北极的开发

进程，俄罗斯还在积极开展北极的海上油气开发工

作，但是受到欧美的制裁，目前在寻求亚洲国家的

合作，我国的装备研发和总装建造企业应该与中国

的油气公司一起参与到俄罗斯的北极开发工作中。

极地装备的开发不仅仅与船型有关，而且与设备有

关，更与基础数据特别是环境数据有关，考虑到北

极主权因素影响，欧洲和俄罗斯等国家进行合作开

发，是一种可行性较高的推进方式。另外，由于北极脆弱的环境，一直有许多针

对北极区环保问题的研究，如溢油处理、钻井活

动对北极生态系统的影响等相关的研究也是北极

开发装备研发需要重点考虑的。

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Study of development trends of drilling platforms in polor ice-fields

L I U D a h u i1’2，O v e T.G u d m e s t a d3，B A I Y o n g1，T E N G Y a o2，C H E N Y u2，W U Y a n m i n g4

(1.College o f Civil Engineering and Architecture，Zhejiang U niversity，Hangzhou310058? China-

2.C IM C O ffsh rre Engineering Institute Co.，L t d.，Yantai 264670, China-

3.University o f Stavanger，Stavange，8600，N orw a y-

4.Yantai C IM C-R a fflss O ffsh ore Engineering Co.，L t d.，Yantai 264004 ,China)

Abstract:This article explained a series of challenges from hostile environments we were facing during exploiting the Arctic o i l and gas resources，such as low temperature，ice situation，low night，snowstorm，etc. The drilling platforms currently in use or under development in polor ice-fields

were studied.，and the different perform forms were analyzed and compared. Some suggestions and ideas

for our participation in arctic development and future development trends of polor drilling equipment were proposed finally.

Key words:polor i ce-fields-offshore o i l and gas resources-offshore drilling platforms- floe seas

?73 ?