中国南海环境条件恶劣,夏季强台风频发,冬季突发性风暴不断,内波时隐时现,对深远海作业的半潜式钻井平台的安全性、总体性能、作业效率等方面均提出了非常高的要求,南海超深水半潜式钻井平台的设计面临多项世界级的技术挑战。结合南海超深水半潜式钻井平台的研发过程,重点叙述在南海内波流载荷、甲板可变载荷、慢漂运动预测、简化疲劳分析等方面取得的创新性成果,并对南海超深水半潜式钻井平台的总体方案加以介绍。通过多项重大技术创新攻关,最终研发出世界首次针对南海特殊环境条件、具有自主知识产权的超深水半潜式钻井平台新船型。平台作业水深3 000m、钻井深度10 000m、可变载荷9 000t,稳性和结构强度满足南海200年一遇环境条件要求。与世界先进的同类平台相比,其运动性能和作业性能优良,平均钻井作业时效较国际同类平台提高10%,综合技术指标世界领先。

回顾了中国海洋石油钻井从浅海走向深海的历程及中国南海近几年已钻深水井概况,较系统地总结和讨论了深水钻井工程核心技术问题,阐述了海洋深水钻井从设备到工艺与浅水及陆地钻井的主要差别,并讨论了深水钻井设计考虑的主要因素和钻井设计方法概要等,为深水钻井工程设计提供参考。

隔水管是连接海底防喷器与海面钻井平台的关键设备。在深水钻井过程中,隔水管受到海洋环境与钻井工况耦合作用易发生失效事故,而目前针对这种耦合工况的研究未见报道。运用相似理论设计了实验参数,基于实验参数设计深水钻井隔水管力学行为实验方案,并研制了深水钻井模拟系统,实现了实验室内真实模拟深水钻井的各种工况。研究结果对于实验室内开展基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验研究具有重要意义。

基于光纤光栅测试技术开展了隔水管力学行为的实验研究,运用相似理论确定了隔水管实验模型的基本参数。确定了光纤光栅传感器的布置方法。给出了基于光纤光栅测试技术的数据处理方法,开展了均匀流作用下的隔水管涡激振动实验研究。通过研究得到以下结论:光纤光栅测试技术可应用于隔水管力学行为实验研究中;实验条件下,流向的振动频率是横向的2倍,且横向的振幅明显比流向的振幅大。所应用的方法对于实验室研究隔水管力学行为实验具有重要意义。

钻井系统选型配置是深水半潜式钻井平台设计的关键环节之一。提出了井架、升沉补偿装置、绞车、泥浆循环系统等主要钻机设备的选型配置和参数确定的方法。分析了钻井系统配置对平台设计的影响。提出的方法可为深水半潜式钻井平台的钻井系统配置提供支持。

研究了深水半潜式钻井平台钻井的作业能力,对比分析了国内第六代深水半潜式钻井平台与其他国内半潜式钻井平台以及国外典型第六代深水半潜式钻井平台的主要参数,并总结了该钻井平台实际钻完井的作业情况;比较了国内主要半潜式钻井平台及国外半潜式钻井平台在南海深水钻井作业的情况。比较结果表明国内第六代深水半潜式钻井平台建井周期、作业时效等参数均优于其他钻井平台,说明该钻井平台的钻井作业能力不仅优于国内其他钻井平台,而且也优于国外典型的第六代半潜式钻井平台。

中国南海台风频发,给海洋油气资源安全高效的开发带来了一定的挑战。随着近海石油资源的日益减少,未来海洋石油开发将逐渐聚焦深水区。深水半潜式钻井平台是南海深远海重要的钻井装备。因中国南海台风强度大且其产生经常出人预料,在某些平台无法紧急撤台的情况下,如何有效避台或减小台风对平台造成的损失是工程设计人员必须面对的问题。以某座深水半潜式钻井平台为研究对象,详细分析了深水半潜式钻井平台避台原则及防台措施,并讨论了调整平台艏向对减小平台整体受力的影响。采用三维势流理论和时域耦合分析方法计算平台在不同吃水下的总体性能,分析对平台系泊张力及运动性能的影响,探讨通过改变平台吃水而降低系泊系统的受载,从而避免系泊系统破坏的可行性,最终得到可指导平台操作的结论。

2010年4月20日,美国墨西哥湾"深水地平线"号半潜式钻井平台发生爆炸事故,引发平台破损并最终导致平台倾覆。针对这一事故,以某型深水半潜式钻井平台为例,分析了平台破舱稳性以及如何合理地对平台进行分舱以有效减小平台破舱倾覆的风险,提出了一些海洋平台设计的新思路和今后海洋石油开发需注意的问题。