摘要
介绍了我国浅海及深海油⽓钻井装备的整体技术现状，重点对海洋动态井架、钻井泵组、管柱⾃动化处理系统、升沉补偿系统、隔⽔管系统、⽔下防喷器等深⽔钻井核⼼装备进⾏了分析研究，结果表明国产海洋油⽓钻井装备与国外发达国家在装备的⾃动化智能化⽔平、关键核⼼技术、基础研究、体制机制等⽅⾯还存在较⼤差距。笔者最后展望了未来我国海洋油⽓钻井装备的发展⽅向，并提出了相关发展建议。 关键词
海洋油⽓；海洋钻井装备；深⽔钻井；国产化；技术现状
0 引⾔
2020年，我国已成为世界第⼆⼤⽯油消费国和第三⼤天然⽓消费国，原油对外依存度达到了创历史的74%，天然⽓对外依存度超过了40%，能源安全形势异常严峻。随着陆地⽯油资源的持续⼤规模开采和储量的不断减少，海洋油⽓资源的开发将成为我国“⼗四五”期间油⽓资源开发的主要增长点，⽽海洋钻井装备的技术⽔平则直接决定着海洋油⽓开发的进程。⽬前，国内在役的深⽔钻井平台中，90%以上的钻井装备进⼝国外，已经严重制约我国海洋油⽓勘探开发特别是深⽔油⽓开发的进程。为了促进技术进步，加快海洋油⽓勘探开发装备的国产化步伐，笔者对我国海洋钻井装备的整体技术发展现状和主要钻井装备进⾏了深⼊分析研究，指出了存在的差距和不⾜，并提出了后续海洋钻井装备的发展⽅向及发展建议，以供参考。
1 我国海洋油⽓钻井装备技术发展现状
我国海洋⽯油⼯业起步于20世纪50年代的莺歌海，1982年中国海洋⽯油总公司正式成⽴，标志着我国海洋⽯油⼯业跨上新台阶。1984年，我国⾃主设计、建造的国内第⼀座半潜式钻井平台“勘探三号”交付使⽤，其最⼤作业⽔深200m，最⼤钻井深度6000m。平台钻井系统的核⼼装备海洋动态井架和泥浆泵由宝鸡⽯油机械有限责任公司（宝⽯机械）⽣产配套，这是我国最早的国产海洋钻井装备。
进⼊21世纪以后，随着我国海洋油⽓勘探开发业务的⼤幅增长，海洋钻井装备技术得到了快速发展。从
技术研发模式来讲，先后经历了仿制、部分研制、⾃主研制和创新研制4个阶段。从技术路线⽽⾔，由早期的机械传动、直流电驱动技术逐步发展为交流变频电驱动、液压驱动等先进技术，并不断向⾃动化智能化⽅向延伸。国内部分油⽓钻井装备制造企业⽬前已经具备了浅⽔海洋钻井装备的设计制造和总包集成能⼒，正在向深⽔钻井装备领域不懈探索。
1.1浅⽔钻井装备技术现状
浅⽔钻井平台⼀般适应的⼯作⽔深为150m以内，主要包括坐底式平台、导管架平台和⾃升式平台等，也包括浅滩、⼈⼯岛等作业模式的固定平台，其配套的钻井设备主要为模块钻机或钻修机。其中，导管架平台和坐底式平台的钻井系统装备已经全部实现了国产化。国内宝⽯机械公司2002年为中海油“惠州19-3”平台⾃主研制了我国⾸台7000m成套海洋模块钻机，⽬前的四川宏华、兰⽯装备等公司已具备了钻深9000m及以下模块钻机的供货能⼒，特别是国产变频器⾃2015年开始陆续在海上获得应⽤，打破了西门⼦、ABB等国外公司的长期技术垄断。宝⽯机械公司已累计交付海洋模块钻修机系统90余套，占国产海洋钻修机交付数量的70%以上，是我国海洋钻修机领域的技术引领者，可提供钻深12000m及以下的海洋模块钻机。⾃升式平台钻井系统的塔式井架、绞车、泥浆泵等常规设备国内均可⾃主⽣产，宝⽯机械曾在2010-2015年完成了6套300ft⾃升式钻井平台EPC总包，所⽤钻井系统装备均⾃主⽣产；⼤连辽河重⼯（现已破产重组）2011-2015年⾃主建造了2座300ft和1座400ft⾃升式钻井平台，钻井系统装备也全部国产。但未配置全套管柱⾃动化处理系统，仅配套了铁钻⼯、液压吊卡和动⼒卡⽡等单元设备。总体来看，浅⽔钻井装备国内企业基本可以实现⾃主⽣产配套。
1.2深⽔钻井装备技术现状
深⽔钻井平台主要包括张⼒腿平台（TLP）、⽴柱式平台（SPAR）、半潜式平台和钻井船等。随着⼯
作⽔深的不断增加，TLP平台和SPAR平台在适应性、经济性等⽅⾯已经没有优势，当前全球主流的深⽔和超深⽔钻井平台主要以半潜式平台和钻井船为主。国内在役的半潜式钻井平台共有18座，其中中海油12座，中⽯化2座，⼯银租赁2座，中集来福⼠2座（见表1所⽰）。除南海2号平台的泥浆泵、勘探三号平台的井架和泥浆泵为国产外，其余钻井装备均由国外提供。具体如表1所⽰。钻井船⽅⾯，上海船⼚2012年为荷兰OOS Energy公司建造了“TIGER-1”号深⽔钻井船，其最⼤作业⽔深1524m，最⼤钻井深度10000m，搭载的钻井系统设备中，升沉补偿系统、顶驱、管柱处理系统等设备进⼝国外，其余的井架、绞车、泥浆泵等常规设备由四川宏华公司提供。
国际上半潜式钻井平台已发展到第七代，其显著特点是采⽤DP3动⼒定位，作业⽔深超过12000ft（3658m），最⼤钻井深度超过40000ft（12192m），采⽤双井⼝作业模式，配备双钻井提升系统。⽬前全球最先进的半潜式钻井平台为中集集团烟台来福⼠船⼚建造的“蓝鲸I号”和“蓝鲸II号”超深⽔半潜式钻井平台。该平台以FrigstandD90为基础设计，由中集来福⼠完成详细设计和建造，主要钻井设备全部进⼝美国NOV公司，其最⼤特点是采⽤双井⼝油缸举升式全液压钻井系统，可提升30%作业效率。
1.2.1海洋动态井架
海洋动态井架主要有单井架、⼀个半井架、主辅井架和双主井架等4种，⽬前国际上主流的深⽔钻井平台或钻井船均采⽤双联井架模式。双联井架通常分为两种，⼀种为全液压双联井架（RAMRig），是挪
威AkerMH公司的专利产品；另⼀种为变频绞车提升的双联塔式井架，是美国越洋钻探公司（Transocean）的专利产品。全液压双联井架采⽤多组液压油缸提升系统，代替了传动的绞车提升系统，具有体积⼩、重量轻、噪⾳低、⾃动化程度⾼、安全性好等优势。⽬前国内还未⾃主建造过此种井架。四川宏华公司在2012年曾为“TIGER”钻井船提供了1套额定载荷675t的深⽔塔式井架（单井架），未进⾏⼯程应⽤；宝⽯机械公司2018年承担了国家⼯信部“第七代半潜式钻井平台创新专项”，已完成了额定载荷1150t的双联塔式井架设计，但未投⼊建造。
1.2.2钻井泵组
⽬前的浮式钻井平台或钻井船通常配套4-5台2200hp⾼压钻井泵或3-4台3000hp⾼压钻井泵。国内⼤功率⾼压钻井泵技术已经⽐较成熟，宝⽯机械在2005年研制出了国内第⼀台2200hp三缸⾼压钻井泵，2010年研制出了国内第⼀台3000hp
术已经⽐较成熟，宝⽯机械在2005年研制出了国内第⼀台2200hp三缸⾼压钻井泵，2010年研制出了国内第⼀台3000hp 三缸⾼压钻井泵，近⼏年⼜先后开发了2200hp、3000hp五缸⾼压钻井泵，年产量达600台以上，是国内最⼤的钻井泵供应商；四川宏华也开发了2200hp三缸⾼压钻井泵和2400hp五缸⾼压钻井泵；兰⽯装备也具备2200hp三缸⾼压钻井泵的供货能⼒。
1.2.3钻柱升沉补偿系统
钻柱升沉补偿系统主要⽤于克服波浪上下升沉运动⽽对钻柱产⽣的影响，维持钻柱底部的恒定钻压。按照补偿系统的安装位置和结构形式通常可分为游车补偿、天车补偿、绞车补偿和死绳补偿四种；按照动⼒供应模式可分为主动补偿（AHC）、被动补偿（PHC）和半主动补偿（SAHC）三种类型。⽬前浮式钻井升沉补偿技术主要被欧美发达国家所垄断，如Aker MH、NOV和Control Flow等，国内仅有宝⽯机械公司先后研制过120t游车补偿、450t天车补偿和1500hp绞车补偿样机，并在2017年为“海洋地质⼗号”
船⽣产过1套补偿能⼒为40t的被动式游车补偿装置，其它装备制造⼚家也有相关研究，但均没有⽣产制造和应⽤业绩。
1.2.4管柱⾃动化处理系统
管柱⾃动化处理系统主要⽤于代替⼈⼯实现管柱的运输、上卸扣、排放等作业，是现代⾃动化、智能化钻井的关键技术和配套装备。⽬前固定式平台配套的海洋模块钻修机已开始配套部分管柱⾃动化处理单元设备，如铁钻⼯、⼆层台排管机械⼿等。⽤于深⽔作业的浮式钻井平台或钻井船配套的管柱⾃动化处理系统，通常可分为桥式排管系统和柱式排管系统两种，且带有离线建⽴根功能，其技术⽬前主要被NOV、Aker MH和Hydralift三家国外公司所垄断，国内各⼤企业还不具备系统化供货能⼒，仅能提供部分单元设备。其中宝⽯机械公司⽣产的折臂抓管吊机、轨道式铁钻⼯、动⼒猫道、⼆层台排管机械⼿等管柱处理系统设备已在海上实现了⼯程应⽤。
1.2.5钻井隔⽔管系统
海洋钻井隔⽔管是深⽔钻井作业的关键配套装备。隔⽔管技术起源于20世纪40年代末，到20世纪50年代末在美国加利福尼亚近海真正实现了应⽤。海洋钻井隔⽔管的核⼼技术主要集中在美国、挪威等发达国家的专业公司，美国的
GE（Vetco Gray）和Cameron公司是当今世界上最⼤的海洋钻井隔⽔管⽣产制造商，其产品占据全球60%以上市场，另外还包括美国的NOV、Dril-Quip、FMC以及挪威的AkerMH公司。⽬前全球在役的隔⽔管最⼤⼯作⽔深记录为
3628m（西⾮安哥拉海域），最⼤载荷级别为3500kips。隔⽔管系统全部配套设备包括提升⼯具、卡盘、向节、分流器、紧环、伸缩装置、隔⽔管单根、灌注阀、挠性接头、下部隔⽔管总成（LMRP）、隔⽔管浮⼒块等。国际上主流的隔⽔管接头形式主要包括锁块式、法兰式和快速连接式三种。国内对海洋隔⽔管研究起步较晚，中国⽯油⼤学、上海交通⼤学和西南⽯油⼤学等从事过海洋隔⽔管的分析计算；惠州、湛江等地民营企业从事过隔⽔管修理业务，但技术能⼒薄弱，⼯艺⽅法混乱。国内，宝⽯机械公司先后完成了科技部、⼯信部3个国家科研项⽬、4个隔⽔管⼤修和4个隔⽔管制造项⽬，并取得了⽬前国内唯⼀的隔⽔管APISpec16F证书，隔⽔管单根、伸缩节、卡盘等产品已实现⼯业化配套应⽤。同时还建⽴了海洋⽴管全尺⼨疲劳试验台、海洋⽴管焊接试验台、深⽔⾼压模拟仓等隔⽔管系统试验设施，已具备整套隔⽔管系统的供货能⼒。
1.2.6⽔下防喷器系统
⽔下防喷器（BOP）安装在海底，上部连接隔⽔管系统，下部连接⽔下井⼝装置或⽔下采油树，是深⽔钻井作业最重要的井控设备。国外主流的⽔下防喷器⼯作压⼒为15000psi（103.5MPa），最⾼⼯作压⼒可达
20000psi（153.5MPa），⼯作⽔深可达3000m以上。⽔下防喷器系统通常由下部隔⽔管总成（LMRP）、下部防喷器组（LBOP）以及控制系统组成。⽬前⽔下防喷器主要被CAMERON、NOV（SHAFFER）、GE（HYDRIL）等公司所
组（LBOP）以及控制系统组成。⽬前⽔下防喷器主要被CAMERON、NOV（SHAFFER）、GE（HYDRIL）等公司所垄断。美国CAMERON公司在2015年OTC上，推出了全球第⼀个三箱（3-POD）⽔下防喷器控制系统，其技术处于全球领先⽔平。国内仅有华北荣盛公司开展了⽔下防喷器技术研发，曾研制了1套10000psi⽔下环形防喷器和1套
15000psi⽔下闸板防喷器组样机，没有研制防喷器控制系统，也未进⾏海试。总体来看，国内⽬前还未掌握⽔下防喷器及控制系统关键技术，距离⼯程化应⽤差距较⼤。
2 我国海洋油⽓钻井装备与国外的差距
2.1钻井装备⾃动化、智能化⽔平较低
钻井装备的⾃动化、智能化⽔平与钻井效率和作业成本息息相关，也事关操作者的⼈⾝安全。其中钻井集成控制系统和⾃动化管柱处理系统是钻井装备⾃动化⽔平的最直接体现。美国的NOV公司早在上世纪80年代就已经开发出了⽴柱式全套海洋排管系统，主要设备包括柱式排管机、动⼒指梁、铁钻⼯、钻台
机械⼿、动⼒猫道、抓管吊机等，与其配套的是“cyber base”司钻集成控制系统。挪威的Aker MH公司也在上世纪90年代开发了桥吊式全套海洋排管系统，主要设备包括⼆层台排管机械⼿、动⼒指梁、鹰⽖机、铁钻⼯、低位导向臂、动⼒猫道、折臂抓管机等，搭配的是“drillview”司钻集成控制系统。这些设备优先在英国北海、墨西哥湾、西⾮等海域得到了批量应⽤，极⼤地减轻了⼯⼈劳动强度，提⾼了作业效率和作业安全性。
德国海瑞克公司2010年推出了TI-350T陆地全液压⾃动化钻机，可以实现地⾯⽔平建双⽴根作业，通过液压机械⼿臂直接将钻柱举升⾄钻台⾯，并通过液压顶驱完成钻柱连接，⽆需⼆层台，整个管柱处理系统路线短，安全性好，省时省⼒。同时该井架还采⽤了先进的液压油缸伸缩模式，可确保提升速度和效率。意⼤利的Drillmec公司在2006年就推出了HH350全液压⾃动化钻机，该钻机的钻具提升和下放运动通过举升液缸来实现。钻机井架采⽤柱式结构，具有⾃升能⼒，由单液缸驱动井架的伸缩，液压顶驱具有伸缩功能，可在井眼与⿏洞之间⽔平移动，以实现在⿏洞与井眼间移送管柱。同时该钻机还采⽤了垂直管架输送系统以及扇形的⽴根盒布置，⽴根区安装有两个可上下移动的排管机，实现管柱⾃动化操作。该钻机⽬前已在全球销售100多台。
美国的斯伦贝谢公司近年来最新研制了⼀款名为FUTURERIG的未来智能钻机，其控制系统设置有两个前后错位排放、⾼低位分别布局的主、辅司钻操作台，⼆层台配置了多个机械⼿，司钻系统内置各种传感器超过1000个，可以对钻机进⾏全⽅位的⾃动监测。斯伦贝谢还开发了“DrillPlan”操作平台，可以实现整套钻机的虚拟数字化控制，⾃动化、智能化⽔平较⾼。美国NOV公司开发的“eHawk”专家故障诊断系统，具有在线技术⽀持、故障诊断、远程监视及维护提醒分析等功能，可贯穿钻机的全命周期。
由于我国基础⼯业的起步较晚，加之国外的技术垄断和封锁，海洋钻井装备的⾃动化、智能化技术起步较晚且发展缓慢。以宝⽯机械、四川宏华等企业先后开发出了⼀系列海洋管柱⾃动化处理设备，但是仅在陆地实现了配套应⽤，还没有真正实现全套海洋管柱⾃动化处理系统的⼯业应⽤。在液压钻机⽅⾯，宝⽯机械虽然2017年交付了我国⾸套海洋全液压钻探系统，但该钻探系统具备⼀定的⾃动化⽔平，但提升能⼒仅为60t，最⼤⽔深+钻深为600m，技术难度远低于国外的全液压⾃动化钻机。
国内在役的海洋钻井平台⾃动化、智能术⽔平普遍较低，远远落后于国外发达国家。⽬前中海油在⽤的钻井平台中，仅有HYSY941/942、HYSY981/982等近⼏年新建的⾼端钻井平台配置了全进⼝的⾃动化管柱处理系统和司钻集成控制系
有HYSY941/942、HYSY981/982等近⼏年新建的⾼端钻井平台配置了全进⼝的⾃动化管柱处理系统和司钻集成控制系统，但这些⾃动化装备⼤多都是国外上世纪九⼗年代或本世纪初的技术，⾃动化⽔平相对较低，控制系统落后，⼤部分配件国内外已停产，维护难度较⼤。⽽被誉为全球最先进的超深⽔半潜式钻井平台“蓝鲸1号”，其主要钻井设备均进⼝美国NOV公司，其配套的柱式⾃动化排管系统等先进设备国内还不具备设计制造能⼒。
2.2⾼端海洋钻井装备核⼼技术未掌握
在海洋装备领域，美国、欧洲等西⽅发达国家以研发、建造深⽔、超深⽔等⾼附加值海洋⼯程装备为核⼼，掌握了⾼端海洋油⽓勘探开发装备设计、制造及关键件集成配套技术，特别是在装备的集成化、智能化⽅⾯形成了⼀定的技术垄断态势。与国外相⽐，我国海洋钻井装备在⼀些关键核⼼技术上还仍然不够成熟，特别是适⽤于深⽔和超深⽔钻井作业的关键设备，如全液压钻探系统集成设计技术、海洋柱式排管机、天车补偿/死绳补偿装置、⽔下防喷器及控制系统、⼤型液压控制系统及液压泵站、海洋钻井隔⽔管系统集成配套技术、智能化集成控制技术，以及液压油缸、⽔下传感器、⽔下接头等关键零部件。要掌握这些技术还需要花费数年甚⾄数⼗年进⾏探索、研究和实践。
2.3海洋装备基础研究不够深⼊
国外对海洋钻井的技术研究已有120多年，其基础研究扎实，技术⽔平先进，装备⼯艺成熟，且⼯程应⽤经验丰富。我国⾃上世纪60年代才开始海洋油⽓的开发，为了快速追求效益，多以模仿和集成为主，虽然起点相对⾼⼀些，但基础技术的研究仍然不够，⽐如应⽤于海洋领域的⾼端⾦属材料、⼯程材料、防腐材料以及⽤于⾃动化控制的变频器、芯⽚、⽔下电液插头、脐带缆等技术仍然⽐较薄弱，另外对于产品现场应⽤经验也不⾜。
2.4海洋装备产业化发展体制机制不健全
国外的海洋装备研发制造企业⾃研发⽴项开始，就与最终油⽥公司和作业⽅建⽴战略联盟，实现深度合作，较好地解决了海试和产业化推⼴问题。⽽国内由于体制机制各⽅⾯问题制约，⽤户往往从当前收益和固定资产投⼊⾓度来考虑，不愿意承担相应海试风险，导致了国内众多的海洋新产品虽被研发出来但没有⽤户依托，⽆法完成海试和推⼴应⽤。这样不仅没有促进技术发展，反⽽导致装备制造企业失去技术研发的积极性，形成恶性循环。好在近年来，国家层⾯也看到了问题的症结所在，⼀些激励、免责等政策相继出台，产学研⽤⼀体化结合已经逐步开始。
3 我国海洋油⽓钻井装备的发展⽅向和建议
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