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。

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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。

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