鑽井平台是主要用於鑽探井的海上結構物。平台上裝有鑽井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施，是海上油氣勘探開發不可缺少的手段。
基本介紹
- 中文名：鑽井平台
- 外文名：drilling platform
- 出現原因：人類對油氣資源開發利用的深化
- 分類：海上鑽井平台和陸地鑽井平台
- 缺陷：樁腿的高度總是有限的
分類,發展簡史,發展概況,
分類
（1）移動式平台： 坐底式平台、自升式平台、鑽井船、半潛式平台、張力腿式平台、牽索塔式平台
（2）固定式平台：導管架式平台、混凝土重力式平台、深水順應塔式平台固定式鑽井平台大都建在淺水中，它是藉助導管架固定在海底而高出海面不再移動的裝置，平台上面鋪設甲板用於放置鑽井設備。支撐固定平台的樁腿是直接打入海底的，所以，鑽井平台的穩定性好，但因平台不能移動，故鑽井的成本較高。
坐底式鑽井平台又叫鑽駁或插樁鑽駁，適用於河流和海灣等30m以下的淺水域。坐底式平台有兩個船體，上船體又叫工作甲板，安置生活艙室和設備，通過尾郡開口藉助懸臂結構鑽井；下部是沉墊，其主要功能是壓載以及海底支撐作用，用作鑽井的基礎。兩個船體間由支撐結構相連。這種鑽井裝置在到達作業地點後往沉墊內注水，使其著底。因此從穩性和結構方面看，作業水深不但有限，而且也受到海底基礎（平坦及堅實程度）的制約。所以這種平台發展緩慢。然而中國渤海沿岸的勝利油田、大港油田和遼河油田等向海中延伸的淺海海域，潮差大而海底坡度小，對於開發這類淺海區域的石油資源，坐底式平台仍有較大的發展前途。80年代初，人們開始注意北極海域的石油開發，設計、建造極區坐底式平台也引起海洋工程界的興趣。目前已有幾座坐底式平台用於極區，它可加壓載坐于海底，然後在平台中央填砂石以防止平台滑移，完成鑽井後可排出壓載起浮，並移至另一井位。
自升式鑽井平台由平台、樁腿和升降機構組成，平台能沿樁腿升降，一般無自航能力。工作時樁腿下放插入海底，平台被抬起到離開海面的安全工作高度，並對樁腿進行預壓，以保證平台遇到風暴時樁腿不致下陷。完井後平台降到海面，拔出樁腿並全部提起，整個平台浮於海面，由拖輪拖到新的井位。1953年美國建成第一座自升式平台，這種平台對水深適應性強，工作穩定性良好，發展較快，約占移動式鑽井裝置總數的1/2。中國自行製造的自升式鑽井平台“渤海一號”平台的四根樁腿是由圓形的鋼管做成的，樁腿的高度有七十多米，升降裝置是插銷式液壓控制機構。該型鑽井平台造價較低、運移性好、對海底地形的適應性強，因而，中國海上鑽井多使用自升式鑽井平台。
鑽井平台樁腿的高度總是有限的，為解決在深海區的鑽井問題，又出現了漂浮在海面上的鑽井船。
鑽井船是浮船式鑽井平台，它通常是在機動船或駁船上布置鑽井設備。平台是靠錨泊或動力定位系統定位。按其推進能力，分為自航式、非自航式；按船型分，有端部鑽井、舷側鑽井、船中鑽井和雙體船鑽井；按定位分，有一般錨泊式、中央轉盤錨泊式和動力定位式。浮船式鑽井裝置船身浮於海面，易受波浪影口向，但是它可以用現有的船隻進行改裝，因而能以最快的速度投入使用。鑽井船的排水量從幾千噸到幾萬噸不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上進行石油鑽井。由於鑽井船經常處於漂浮狀態，當遇到海上的風、浪、潮時，必然會發生傾斜、搖擺、平移和升降現象，因此鑽井船的穩定性是一個非常關鍵的問題。目前，海上鑽井船的定位常用的是拋錨法，但該方法一般只適用於200m以內的水深，水再深時需用一種新的自動化定位方法。
半潛式鑽井平台（SEMI）由坐底式平台發展而來，上部為工作甲板，下部為兩個下船體，用支撐立柱連線。工作時下船體潛入水中，甲板處於水上安全高度，水線面積小，波浪影響小，穩定性好、自持力強、工作水深大，新發展的動力定位技術用於半潛式平台後，工作水深可達900-1200米。半潛式與自升式鑽井平台相比，優點是工作水深大，移動靈活；缺點是投資大，維持費用高，需有一套複雜的水下器具，有效使用率低於自升式鑽井平台。到目前為止，半潛式鑽井平台已經經歷了第一代到第六代的歷程。據統計，目前世界範圍內有深水自升式鑽井平台65艘，大部分工作在墨西哥灣和北海。其運營商主要為美國石油公司。
牽索塔式鑽井平台得名於它支撐平台的結構如一桁架式的塔，該塔用對稱布置的纜索將塔保持正浮狀態。在平台上可進行通常的鑽井與生產作業。原油一般是通過管線運輸，在深水中可用近海裝油設施進行輸送。牽索塔式平台比導管架式平台、重力式平台更適合於深水海域作業，它的套用範圍在200米～650米。
固定平台包括導管架式平台、混凝土重力式平台、深水順應塔式平台等。鋼質導管架式平台使用水深一般小於300米，通過打樁的方法固定於海底，它是目前海上油田使用廣泛的一種平台。自1947年第一次被用在墨西哥灣6米水域以來，發展十分迅速，到1978年，其工作水深達到312米，目前世界上大於300米水深的導管架平台有7座。
混凝土重力式平台的底部通常是一個巨大的混凝土基礎（沉箱），用三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結構，在平台底部的巨大基礎中被分隔為許多圓筒型的貯油艙和壓載艙，這種平台的重量可達數十萬噸，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置於海底。現在已有大約20座混凝土重力式平台用於北海。不過由於混凝土平台自重很大，對地基要求很高，使用受到限制。圖中八角形處為直升機起降平台。
固定平台的鑽井模組既可以放到固定平台上，也可以採用移動式平台，但是上部模組價格比較貴，一套要好幾億美元以上，所以一般都可以移植到移動式上面，一般是打一槍換一個地方。
張力腿式鑽井平台（TLP）是利用繃緊狀態下的錨索產生的拉力與平台的剩餘浮力相平衡的鑽井平台或生產平台。
張力腿式鑽井平台也是採用錨泊定位的，但與一般半潛式平台不同。其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。用的是樁錨（即打入水底的樁為錨）或重力式錨（重塊）等，不是一般容易起放的抓錨。張力腿式平台的重力小於浮力，所相差的力量可依靠錨索向下的拉力來補償，而且此拉力應大於由波浪產生的力，使錨索上經常有向下的拉力，起著繃緊平台的作用。張力腿式平台自1954年提出構想以來，迄今已有40年的歷史。
作用於張力腿式鑽井平台上的各種力並不是穩定不變的。在重力方面會因載荷與壓載水的改變而變化；浮力方面會因波浪峰谷的變化而增減；擾動力方面因風浪的擾動會在垂向與水平方向產生周期變化，所以張力腿的設計，必須周密考慮不同的載荷與海況。對於平台的水下構件，不論垂向或水平的，都會因波浪的波峰與波谷的作用而產生影響，因此如何選取水下構件的形狀與尺度，使波浪擾動力的作用為最小，減小平台在波浪中的運動以及錨索上的周期性載荷，是張力腿式平台的研究課題之一。一般張力腿式平台的重心高、浮心低，非錨泊情況時要求初穩性高為正值，為此要求穩心半徑大或水線面的慣性矩大，這樣在平台發生嚴重事故時，仍能正浮於水面。要求達到此目的，就要把立柱設計得較粗，這樣必然會使平台在波浪中的運動回響較大。也有一種把立柱設計得很細，雖然初穩性高可能出現負值，但在錨索拉力的作用下也是穩定的。這種平台在波浪中的運動回響較小，造價也可能低些，不過安全性差些。
發展簡史
世界現代石油工業最早誕生於美國賓夕法尼亞州的泰特斯維爾村。一個叫喬治·比爾斯的人於1855年請美國耶魯大學西利曼教授對石油進行了化學分析，得出了石油能夠通過加熱蒸餾分離成幾個部分，每個部分都含有碳和氫的成分，其中一種就是高質量的用以發光照明的油。1858年比爾斯請德雷克上校帶人打井，1859年8月27日在鑽至69英尺時，終於獲得到了石油。從此，利用鑽井獲取石油、利用蒸餾法煉製煤油的技術真正實現了工業化，現代石油工業誕生了。 隨著人類對石油研究的不斷深入，到了20世紀，石油不僅成為現代社會最重要的能源材料，而且其五花八門的產品已經深入到人們生活的各個角落，被人們稱為“黑色的金子”，“現代工業的血液”，極大地推動了人類現代文明的進程。高額的石油利潤極大推動了石油勘探開採活動，除了陸地石油勘探外，對於海洋石油資源的開發也日益深入。近海石油的勘探開發已有100多年的歷史。1897年，在美國加州Summer land灘的潮汐地帶上首先架起一座76.2米長的木架，把鑽機放在上面打井，這是世界上第一口海上鑽井。1920年委內瑞拉搭制了木製平台進行鑽井。1936年美國為了開發墨西哥灣陸上油田的延續部分，鑽成功第一口海上油井並建造了木製結構生產平台，兩年後，於1938年成功地開發了世界上第一個海洋油田。第二次世界大戰後，木製結構平台改為鋼管架平台。1964-1966年英國、挪威在水深超過100米、浪高達到30米、最高風速160千米/小時、氣溫至零下且有浮凍的惡劣條件下，成功地開發了北海油田。標誌著人們開發海上油田的技術已臻成熟。目前已有80多個國家在近海開展石油商業活動，原油產量占世界石油總產量的30%左右。1897年，在世界上第一口海上鑽井的旁邊，美國人威廉士在同一個地方造了一座與海岸垂直的棧橋，鑽機、井架等放在上面鑽井。由於棧橋與陸地相連，物資供應就方便多了。另外，鑽機在棧橋上可以隨意浮動，從而在一個棧橋上可打許多口井。在海邊搭架子，造棧橋基本上是陸地的延伸，與陸地鑽井沒有差別。能否遠離岸邊在更深的海里鑽井呢？ 1932年，美國德克薩斯公司造了一條鑽井駁船“Mcbride”，上面放了幾隻錨，到路易斯安那州Plaquemines地區“Garden”島灣中打井。這是人類第一次“浮船鑽井”，即這個駁船在平靜的海面上漂浮著，用錨固定進行鑽井。但是由於船上裝了許多設備物資器材，在鑽井的時候，該駁船就坐到海底了。從此以後，就一直用這樣的方式進行鑽探。這就是第一艘坐底式鑽井平台。同年，該公司按設計意圖建造了一條坐底式鑽井駁船“Gilliasso”。1933年這艘駁船在路易斯安那州Pelto湖打了“10號井”，鑽井進尺5700英尺。以後的許多年，設計和製造了不同型號的許多坐底式鑽井駁船，如1947年，john hayward設計的一條“布勒道20號”，平台支撐件高出駁船20多米，平台上備有動力設備、泵等。它的使用標誌著現代海上鑽井業的誕生。
由於經濟原因，自升式鑽井平台開始興起，濱海鑽井承包商們認識到在40英尺或更深的水中工作，升降系統的造價比坐底式船要低得多。自升式鑽井平台的腿是可以升降的，不鑽井時，把腿升高，平台坐到水面，拖船把平台拖到工區，然後使腿下降伸到海底，再加壓，平台升到一定高度，脫離潮、浪、涌的影響，得以鑽井。1954年，第一條自升式鑽井船“迪龍一號”問世，12個圓柱形樁腿。隨後幾條自升式鑽井平台，皆為多腿式。1956年造的“斯考皮號”平台是第一條三腿式的自升式平台，用電動機驅動小齒輪沿樁腿上的齒條升降船體，樁腿為×架式。1957年製造的“卡斯二號”是帶有沉墊和4條圓柱形樁腿的平台。 隨著鑽井技術的提高，在一個鑽井平台上可以打許多口井而鑽井平台不必移動，特別是近海的開發井。這樣，固定式平台也有發展。固定式平台就是建立永久性鑽井平台，大都是鋼結構，打樁，然後升出海面；也有些是水泥結構件。至今工作水深最深的固定平台是“Cognac”，它能站立在路易斯安那州近海318米水深處工作。
1953年，Cuss財團造成的“Submarex”鑽井船是世界第一條鑽井浮船，它由海軍的一艘巡邏艦改裝建成，在加州近海3000尺水深處打了一口取心井。1957年，“卡斯一號”鑽井船改裝完畢，長78米，寬12.5米，型深4.5米，吃水3米，總噸位3000噸，用6台錨機和6根鋼纜把船繫於浮筒上。用浮船鑽井會帶來一系列問題，由於波浪、潮汐至少給船帶來三種運動，即漂移、搖晃、上下升沉，鑽頭隨時可能離開井底，泥漿返回漏失，鑽遇高壓油氣大直徑的導管伸縮運動而不能耐高壓等等。這樣就把防噴器放到海底。該船首先使用簡易的水下設備，從而把浮船鑽井技術向前推進了一步。 浮船鑽井的特點是比較靈活，移位快，能在深水中鑽探，比較經濟。但它的缺點是受風浪海況影響大，穩定性相對較差，給鑽井帶來困難。
1962年，殼牌石油公司用世界上第一艘“碧水一號”半潛式鑽井船鑽井成功。“碧水一號”原來是一條坐底式平台，工作水深23米。當時為了減少移位時間，該公司在吃水12米的半潛狀態下拖航。在拖航過程中，發現此時平台穩定，可以鑽井，這樣就受到了啟示，後把該平台改裝成半潛式鑽井平台。1964年7月，一條專門設計的半潛式平台“碧水二號”在加州開鑽了。第一條三角形的半潛式平台是1963年完工的“海洋鑽工號”，第二條是1965年完工的“賽德柯135”。
隨著海上鑽井的不斷發展，人類把目光移向更深的海域。半潛式鑽井平台就充分顯示出它的優越性，在海況惡劣的北海，更是稱雄，與之配套的水下鑽井設備也有發展，從原來簡單型逐漸趨於完善。半潛式鑽井平台的定位一般都是用錨系定位的，而深海必須使用動力定位。第一條動力定位船是“Cussl”，能在12000英尺水深處工作，獲取600英尺的岩心。以後出現了動力定位船“格洛瑪·挑戰者號”，它於1968年投入工作，一直用於大洋取心鑽井。世界上真正用於海上石油勘探的第一條動力定位船是1971年建成的“賽柯船445”鑽井船，工作水深在動力定位時可達600米以上。 半潛式平台有自航和非自航的。動力定位船所配套的水下設備是無導向繩的水下鑽井設備。後來，鑽井平台又有新的型式出現。如張力腿平台和“Spar”。科學在進步，時代在發展，海上鑽井技術也在飛速發展，人們現在已向更深的海域進軍，無論是鑽井井深、鑽井水深、鑽井效率都有新的世界紀錄出現。
發展概況
中國石油工業起步比較晚，上世紀50年代末，當時的石油部領導提出了“上山下海，以陸推海”的海洋石油發展大略。1963年，在對海南島和廣西地質資料進行詳盡分析的基礎上，決定在南中國海建造海上石油平台。此後的2年間，廣東茂名石油公司的專家們用土辦法製成了中國第一座浮筒式鑽井平台，在鶯歌海漁村水道口外距海岸4公里處鑽了3口探井，並在400米深的海底鑽獲了15升原油。1966年12月31日，中國的第一座正式海上平台在渤海下鑽，並於1967年6月14日喜獲工業油流，從此揭開了中國海洋石油勘探開發的序幕。
1981年地礦部為了開展海洋石油勘探，決定建設一台半潛式的海洋鑽井船，取名叫“勘探三號”。1984年6月由上海708研究所、上海船廠、海洋地質調查局聯合設計，上海船廠建造的中國第一座半潛式鑽井平台—勘探3號建成。其後轉戰南北，共打出15口海底油、氣井。它為發現中國東海平湖油氣田殘雪構造，作出了重要貢獻。
“勘探3”號由一座箱式甲板（亦稱平台甲板）6根大型立柱、一座高大井架和兩隻潛艇式的沉墊組成的半潛式鑽井平台。從沉墊底部到平台的上甲板有35.2米高，相當於一座12層的高樓，如果算到井架頂部總高有100米，總長91米，總寬71米，工作排水量219910噸，工作吃水20米，平台上裝有900項，8600多台件機電設備。平台甲板被6根直徑9米的主柱高高地托在高空，遠遠看去像是一座島嶼。它除了包括鑽井、泥漿、固井、防噴系統在內的全套鑽探設備外，還配置了4組（8台）150噸的電動錨機，5組660千瓦的柴油發電機組。同時，船上還配有潛水鐘和甲板減壓艙組成的200米飽和潛水系統，防火、防爆和可燃性氣體自動報警系統等現代化設備。“勘探3”號平台上設有地質樓、報務室、應急發電機室、水文氣象室、中心控制室和居住室等現代化的生活設施，水電通訊一應齊全，甲板頂還有可供直升飛機起降的停機坪。
半潛式鑽井平台具有優良的抗風浪性能和較大的可變載荷，並可在較深海域進行鑽探作業。當時世界上只有少數幾個國家能建造，而且造價昂貴。為了能設計出適應中國大陸架實際情況的半潛式鑽井平台，3個單位的設計人員收集了大量的水文氣象資料，並通過深入實際的調查研究，對5種方案進行了嚴格篩選，最後正式確定採用矩形半潛式鑽井平台的方案。其主要性能參數為；工作水深35～200米，最大鑽井深度6000米。
1984年6月25日上午，“勘探3”號在中國最大的拖輪“德大”號的拖引下，離開上海港到東海溫州灣外的海域進行各種性能試驗。試驗表明，“勘探3”號輻射狀錨泊系統布置合理，十分適應該平台的精確定位和作業。其間“勘探3”號在試驗的狂風巨浪中接受了中國船舶檢驗局和美國ABS船級社的入級簽證，美國船級社的日籍驗船師木下博敏把“勘探3”號稱作為中國現代海上工程的標誌。國外一般海洋鑽探公司獲悉中國有這樣高質量的鑽井平台後，紛紛前來探詢租用或合資經營“勘探3”號鑽探承包作業的可能性。
目前世界海洋石油的勘探開發主要集中在靠近陸地的稱之為大陸邊緣的部分。大陸邊緣又分為大陸架、大陸坡和大陸隆三部分。中國大陸架是世界最寬的大陸架之一，總面積473萬平方千米。據有關專家估計僅大陸架石油地質儲量約250億噸，天然氣80000億立方米。如果再考慮整個大陸邊緣，其發展前景更不可限量。根據1994年的數據，中國海上採集地震測線57萬公里，打探井363口，發現油氣構造88個，獲得石油地質儲量11.88億噸、天然氣地質儲量1800億立方米，年產量達到了647萬噸。目前年產油量2500萬噸，年產氣量約50億立方米。
2008年6月6日，中國石油天然氣集團公司宣布：目前全球最大的座底式鑽井平台——中油海三號座底式鑽井平台安全抵達冀東南堡油田。該平台投用後，將大大提高中國石油灘海地區勘探開發的能力。中油海三號是由中國石油海洋公司與上海708所聯合研製，由山海關造船廠製造。該平台長78.4米，寬41米，上甲板高20.9米，空船總重量5888噸，適合10米以內水深的海上作業，是目前全球最大的座底式鑽井平台。中國石油海洋公司組建於2004年11月，2006年，公司在渤海灣三個油田海上鑽完井17口，試油試采11.2萬噸，動用自有船舶8艘、外僱船舶19艘，安全完成了19次海上平台的拖航、移位。目前，中國石油海洋公司已擁有各類移動式平台七座，包括五座自升式鑽井平台和兩座生活平台，還有正在新加坡建造三座自升式鑽井平台，預計將於2008—2009年間陸續完成。
目前中國正在設計、建造的超深水鑽井平台（船）主要有：
一、由708所與上海外高橋造船廠設計、建造3000米工作水深的半潛式鑽井平台。
二、中國船舶重工集團公司大連造船新廠建造了BG9000型4艘超深水半潛式鑽井平台。
三、由中國與韓國合資的江蘇韓通船舶重工有限公司承擔建造、舍凡鑽井公司（Sevan Drilling)擁有的“舍凡鑽工（Sevan Driller)”號半潛式平台，工作水深達當前創世界紀錄的12500英尺（3810米）；中部具有雙井架的、鑽深能力亦達當前創世界紀錄的40000英尺（12200米）超深井鑽機；是世界第一艘SSP（即舍凡穩定性（減搖）鑽井平台）。
四、由上海船廠與美國Frontter公司簽訂於2007年3季末以後開始建造4-5萬噸動力定位深水鑽井船。
以上均是中國垮入超深水鑽井平台建造的重要標誌，目前中國在建造平台、船體噸位總量方面僅次於韓國而居世界第2位，但在自行設計建造用於平台、船上的主機、特別是浮式鑽井專用設備方面幾乎還是空白，這需要國內海洋裝備企業瞄準世界頂尖水平繼續努力。 五、 “海洋石油981”是中國首次自主設計、建造的第六代3000米深水半潛式鑽井平台，代表了當今世界海洋石油鑽井平台技術的最高水平，堪稱海工裝備里的“航空母艦
