文/张鹏飞 于兴军 栾苏 杨双业 宋涛，宝鸡石油机械有限责任公司 国家油气钻井装备工程技术研究中心
随着我国对石油能源需求量的不断增加，海洋油气尤其是深海油气田的开采强度也随之增大。自升式海洋钻井平台是深海油气开发的重要装备之一，其作业水深为 91. 4 ～125. 0 m，最大钻井深度在 9 144 m 以上。悬臂梁形式的自升式钻井平台是当前世界的主流，也是近些年来建造最多的平台。
目前，美国的 LeTourneau 公司、Friede ＆ Goldman公司以及荷兰的 GUSTO MSC 公司等垄断着自升式钻井平台升降装置市场，且产品均已系列化。
下面主要对自升式钻井平台的结构做简要分析，对其国内外技术现状做介绍和讨论。
1 自升式钻井平台结构分析
自升式钻井平台主要由平台结构、桩腿和升降传动装置等组成。平台在作业时依靠升降装置把平台举升到海平面以上，使之免受海浪冲击，并用锁紧机构将平台锁紧固定，依靠桩腿的支撑站立在海底完成钻井作业。作业完成后，再依靠升降装置将平台降至海面，依靠海水浮力支撑整个钻井平台，待桩腿拔起升至拖航位置，即可在拖船的牵引下拖航到下一个井位作业。自升式钻井平台的关键部件是桩腿。当作业水深加大时，带来的结果是桩腿尺寸、长度和质量迅速增大，使得钻井作业和平台拖航时的稳定性变差。因此，作业水深是自升式钻井平台的瓶颈，目前其作业范围只限于大陆架 200 m水深以内。自升式钻井平台按照不同的分类形式可分成多种结构样式，下面分别进行介绍。
1. 1 按桩腿形式分类
自升式钻井平台按桩腿接口形式可分为柱体式平台和桁架式平台 2 大类，如图 1 所示。
柱体式桩腿一般用于作业水深 60 m 以下的自升式平台，它由钢板焊接成封闭式结构，其截面有方箱形和圆柱形 2 种。随着水深的增加，桩腿长度和质量迅速增大，波浪载荷也跟着增大，此时柱体式桩腿已不能满足要求，需采用桁架式桩腿。桁架式桩腿由弦杆、斜撑杆和水平撑杆构成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件设置桩靴，桩靴的截面有圆形、方形和多边形等几种。
就桩腿数量而言，目前主要有 3 根和 4 根 2种，如图 2 所示。3 根桩腿是自升式平台获得稳定支撑最少的数量。当作业水深较大时，考虑到桩腿的质量和尺寸，宜采用 3 根桩腿，同时可减少升降装置数量，其缺点是任意一条腿失效，平台将无法作业，甚至引发险情。3 根桩腿在预压工况时不能像 4 根桩腿那样采用对角线交叉的方式，而需用压载水，相对比较麻烦。
根据形状的不同桩腿又可分为三角形桩腿和四边形桩腿，分别如图 3、图 4 所示。
三角形桩腿俯看为标准的等边三角形结构，四边形桩腿俯看为标准的矩形结构。目前普遍采用三角形桩腿形式。对于中小型自升式钻井平台，作业水深较浅，宜采用 4 根柱体式桩腿，平台主体平面呈矩形; 大中型钻井平台作业水深较深，宜采用 3根桁架式桩腿，平台主体平面呈三角形。
1. 2 按升降装置形式分类
自升式钻井平台按升降装置形式可分为机械式升降平台、液压举升 ( 液压缸) 式升降平台和液压爬升 ( 齿轮齿条) 式升降平台等 3 种，分别如图 5、图 6 和图 7 所示。
机械式升降平台是最传统的升降平台，目前已经淘汰。
液压举升 ( 液压缸) 式升降平台采用液压缸实现钻井平台的升降控制，传动效率高、体积小，控制比较灵活，但缺点是速度较慢，不能连续升降，操作麻烦，对液压阀件和液压油要求较高。
液压爬升 ( 齿轮齿条) 式升降平台利用齿轮齿条的配合实现钻井平台的升降控制。齿轮齿条式升降机构可以实现连续升降，操作灵活且速度快，但缺点是体积大，需要庞大而复杂的减速机构，平台起升后靠刹车制动，使得在升降过程中升降机构一直受力，对齿轮齿条的要求很高。
1. 3 按井口形式分类
按照井口形式的不同，自升式钻井平台可分为凹槽式和悬臂式 2 种，如图 8 和图 9 所示。
凹槽式平台在 20 世纪 80 年代以前普遍应用，现已基本淘汰。
悬臂式平台可分为普通悬臂梁和 X-Y 箱体悬臂梁，而普通悬臂梁又可分为箱体式和甲板式。悬臂梁的功能是通过其纵向位移和钻台的横向位移使转盘中心对准井口。不同形式悬臂梁的特点如下。
( 1) 普通甲板式悬臂梁: 通过上甲板可携带套管、钻杆或其他物品一起移动，相当于一个活动的井场场地，作业方便。悬臂梁甲板下与平台主甲板间形成一个较大空间便于存放其他物资。
( 2) 普通箱体悬臂梁: 箱体式悬臂梁除具有上甲板以外，与底部的甲板还形成了一个封闭箱
体。箱体内可安装钻井液固控设备、固井泵、防喷器及储能器等设备并随悬臂梁一起移动。
( 3) X-Y 悬臂梁: 该项技术为荷兰 MSC 设计公司专利技术。因悬臂梁整体强度要求较高，所以X-Y 悬臂梁必须是箱体结构。X-Y 悬臂梁与钻台为一体，在平台主甲板上做整体纵向、横向移动。X-Y 悬臂梁是目前悬臂梁的主流形式。
2 国外技术现状
国外自升式钻井平台设计公司主要有美国的LeTourneau 公司、Baker Marine 公司 ( 现被 PPL 收购) 、Friede ＆ Goldman 公司、BASS 与 BMC 公司，荷兰的 MSC 公司，法国的 NOV-BLM 公司、CFEM公司、KEPPEL 公司以及日本的三井海洋开发与HitachiZosen 公司等。
2. 1 LeTourneau 公司
美国 LeTourneau 公司是自升式钻井平台设计的先驱，全球1/3的自升式平台都是 LeTourneau 型号，其主要采用 3 根桁架式桩腿，齿轮齿条式升降机构形式。该公司建造的平台主要有 ENSCO81、ENSCO85 和 ENSCO92 等，主要作业服务区域为UK North Sea; 平 台 ENSCO74、 ENSCO75、 EN-SCO82、ENSCO87 和 GSF ADＲIATICⅡ等主要作业服务区域为 Gulf of Mexico; 平台 GSF ADＲIATIC I、TＲIDENT 4 等主要作业服务区域为 West Africa。
图 10 所示为 LeTourneau 公司典型产品 116 － C型自升式钻井平台。该平台主要技术参数为: 最大作业水深 91. 4 m，最大钻深 7 620 m，平台人数116 人，船体尺寸 ( 长 × 宽 × 深) 74 m × 61 m × 8m，最大可变载荷 2. 9 万kN，最大风速 52 m / s。目前该型号平台已建造 30 余艘。
2. 2 Friede ＆ Goldman 公司
图 11 为 Friede ＆ Goldman 公司的 JU2000E 自升式钻井平台。其主要技术参数为: 最大作业水深122 m，最大钻深 9 144 m，船体尺寸 ( 长 × 宽 ×深) 70 m × 76 m × 9 m，最大可变载荷 4. 9 万kN，桩腿总长 167 m，定位桩直径 18 m，桩腿数量 3 个，可变载荷 3. 7 万kN，空船质量约 1. 7万 t，桩腿纵向中心距 47 m，桩腿横向中心距 48m，悬臂梁范围 ( 纵向 × 横向) 23 m × ( ± 4. 6)m，悬臂梁载荷组合 1. 1 万kN，最大浪高 15 m，最大风速 51. 4 m/s。
美国 Friede ＆ Goldman 公司在 20 世纪 80 年代初推出了 L －780 系列自升式钻井平台，并取得了很大成功。目前主要的平台升降系列有 Mod II、SUPEＲ M2、JU － 2000A 和 JU － 2000E 等。Mod Ⅱ和 SUPEＲ M2 系列作业水深为 91. 4 m，JU －2000A和 JU － 2000E 系列作业水深分别为 107 和 122 m，目前主推的是 JU2000 型，主要采用 3 根桁架式桩腿，齿轮齿条式升降机构形式。主要的钻井平台有 L780 系 列 的 OCEAN HEＲITAGE、 OCEANSOVEＲＲIGN 等，主要作业服务区域为 Indonesia;平台 OCEAN SPAＲTAN、OCEAN SPUＲ 和 ENSCO60 等主要作业服务区域为 Gulf of Mexico; 平台ENSCO 50、ENSCO 54 、ENSCO 57 和 GSF ＲIG 136等主要作业服务区域为 S. E. Asia。
2. 3 MSC 公司
图 12 是荷兰 MSC 公司的典型产品 Maersk Gal-lant 型自升式平台。其主要技术参数为: 最大作业水深 125 m，最大钻深 9 144 m，平台人数 90 人，船体尺寸 ( 长 × 宽 × 深) 48 m × 90 m × 11 m，最大可变载荷 4. 9 万kN，桩腿总长 175 m，定位桩直径7. 5 m，最大风速39. 9 m/s，最大浪高28. 5m，表面气流 1. 0 m / s，最大可变载荷 7 840 kN( 钻井状态) 和 6 664 kN ( 风暴自存状态) 。
MSC 公司设计了一系列自升式钻井平台，工作于超恶劣海况的海域，如挪威北海与加拿大东海岸，具有很强的生存能力。平台主要采用3 根桁架式桩腿、齿轮齿条式升降机构以及悬臂式井口形式。其主要平台有 MAEＲSK GALLANT ( MSC －CJ62 － S120 ) 、 WEST EPSILON ( MSC － CJ62 －S120 ) 、 MAEＲSK INNOVATOＲ ( MSC － CJ70 －150MC) 和 MAEＲSK XL2 ( MSC － CJ70 － 150MC)等，主要作业服务区域为 North Sea。
3 国内技术现状
目前，我国三大石油集团拥有的中深水桁架式自升式钻井平台共计 31 座 ( 包括在建) ，其中有 6座平台役龄超过 20 a， “勘探 2 号”和 “COSL935” 的役龄已过 30 a，虽然进行了改造，但性能
没有质的变化。现有的中深水桁架式自升式钻井平台远远不能满足我国海洋石油勘探开发的需求。
中国海洋石油总公司的 “海洋石油 941”和“海洋石油 942”是目前国内作业水深最深、自动化程度最高，具有国际先进水平的自升式钻井平台。这 2 座平台属于 Friede ＆ Goldman 公司设计的JU2000 型，1 次定位能钻 30 多口井。
目前国内自主设计的钻井平台既有圆柱腿自升式，也有深水桁架式。国内造船厂如大连造船重工、沪东中华船厂等在 20 世纪 80 年代已开始了钻井平台建造。在近年来海工市场需求增加的情况下，国内大量的船厂也开始了钻井平台的建造，其中包括上海外高桥造船有限公司、烟台莱佛士船业有限公司、上海振华重工 ( 集团) 股份有限公司、南通中远船务、广州中船黄埔造船有限公司和招商局重工 ( 深圳) 有限公司等。
目前，上海振华重工 ( 集团) 股份有限公司已参与了多套平台的产品配套，TSC 公司参与了烟台莱佛士船业有限公司的 4 套产品配套，中远船务以及招商国际等公司也采用购买国外产品或自主研发等方式进行配套。宝鸡石油机械有限责任公司也较早开展了此方面的技术研究，并形成了大量技术积累。2011 年 11 月，由宝鸡石油机械有限责任公司 EPC 总包的我国首套具有完全自主知识产权的91. 4 m 自升式海洋钻井平台交付使用，后续的多套同规格平台建造也已接近尾声。截至目前，宝鸡石油机械有限责任公司已经为客户提供了 6 套自升式钻井平台。
我国海洋油气装备起步较晚，技术基础还比较薄弱，目前三大石油公司中拥有的自升式平台的升降系统多数为进口产品，只有极少数的国内厂商在此方面取得了一定进展，如上海振华重工、烟台莱佛士船厂和广东精铟机械等。因此，应该大力开展该项技术的国产化研究，尽早摆脱国外技术垄断，早日开发出具有自主知识产权的平台升降系统。
4 发展趋势
为满足海洋石油勘探开发不断发展的需要，自升式钻井平台技术将向以下方向发展。
4. 1 平台作业走向深水化
随着技术的不断发展和新材料的出现，自升式钻井平台必将在工作水深、钻井能力、可变载荷、抗风暴能力和操控性能等方面取得新的突破。平台将一步步走向深水领域，并在一些水域取代造价昂贵的半潜式钻井平台，完成海洋石油深水区的勘探开发。
4. 2 平台性能趋向自动化和智能化
面对复杂的海洋作业环境，以及为满足海上作业安全的需要，自升式钻井平台可靠性要求更高。未来的自升式钻井平台必将朝着自动化和智能化的发展方向迈进，控制实现自动化，故障监测和诊断实现智能化。智能系统能够自主分析和诊断设备故障，自动监测和控制设备正常运行，平台的作业效率将大大提高，工人的劳动强度得以降低，平台的人员配置得以减少，人为误操作趋于 0。未来甚至可以实现陆地远程平台作业遥控，在陆地即可完成海上所有的钻完井作业操控。
4. 3 平台功能实现多样化
目前的自升式钻井平台的功能相对还比较单一，主要用来完成海洋石油的勘探和开发。未来自升式钻井平台的功能将实现多样化，不仅可发展为钻探和采油两用移动平台，还能实现海底电缆的铺设，充当风力发电支撑底座，完成填海造陆的工程建设，以及充当海洋中的雷达监测站等。
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