第二节
海洋油气开发起源和发展

长期以来，人类对油气资源的开发只局限于陆地，所研发的开采技术也是针对陆地的特点来开展的。虽然在近海的油田开发中常常遇到有些油、气田横跨在海陆交界处，但是，采用什么手段才能将埋藏在靠近岸边的近海油、气资源开采出来，就成为当时人们所关注和希望解决的问题。在当时还没有海上钻井装置的情况下，最简单的办法就是从紧靠海边的海岸倾斜钻井，把钻井机械安置在岸边，利用井身的倾斜，使采油管延伸到海底的油层里，这是最早开发海底油、气资源的模式。在内陆湖泊的周边，也曾使用过相同的手段。但是斜井从岸边陆地延伸到海中的水平距离不可能太长，一般只有几百米。要想将远离岸边的海底油气资源开采出来，最好的办法是在应用陆地上成熟的钻井技术的基础上，设法在海上建造一个从海底延伸到水面的稳固平台，可以将陆地上常用的钻井设备设置在其上。

用什么办法才能在海上建造稳固的平台?有人采取在海滩上围海造地的办法，先在海滩上筑堤，围出一片水域，再向堤内填土，造成一块人工陆地，在此设置钻井设备。但围海造地的办法也只能用于岸边、浅滩。当所发现的油气藏在离岸更远的浅海海区时，又有人采用建土堤的办法。即在油气藏位置填成一块人工陆地，在该人工陆地与岸之间堆填出用于交通运输的土堤道路。该方法对于油气藏在坡度较缓、离岸较近的浅海海滩上比较合适。随着离岸距离和水深的增加，筑堤的土方量和投资随之急剧增长，利用土堤道路将人工陆地与岸边连接起来的办法不再可行。人们又想到去掉土堤，只剩下孤立在海中的人工陆地——人工岛。它比土堤法更适用离岸更远的距离，但钻井设备等的运输要靠船舶。

以上种种办法，都是依靠堆填手段来实现，这种堆填的方法随着水深的增加、投资费用急剧增长而变得越来越不可行。应对这些技术障碍，修栈桥为当时的近海油气开发另一种可供选择的手段。19世纪末期，出现了以栈桥作为连接井位与海岸之间的运输通道，井位上方以木质结构搭建平台来承载钻井设备的近海油气田开采方法。在海上油气田的早期开发活动中，这种办法曾被大量采用。受当时的技术条件所限，栈桥也只能采用木质方式建造。由于木质强度有限，钻井设备的重量又很大，当时的木质栈桥只能采用密集的木桩构架。很显然，这种木质栈桥在其耐久性以及抵抗风暴、强浪等恶劣气候条件方面难以满足外海钻井作业要求。要在离岸更远、水更深的海域进行勘探开采作业，建造栈桥成为其中难以逾越的一个难题。为摆脱这一障碍，以便能成功地进行海上油气开采，又出现了一种与岸边没有栈桥相连，独立在海中的群桩式的水上钻井平台——海上固定平台。这一结构形式的出现，为人类摆脱岸边和浅滩的限制，向远海和深海开发油气资源迈出了具有深远意义的重要一步。不过，早期的海上固定平台也是木质结构。由于木材长度、强度和防腐方面的缺陷，木制的群桩式结构难以适应在较大水深、作业寿命较长或海洋环境条件比较恶劣的海域进行油气开发作业要求，木质结构的海洋平台逐步被在海上现场打桩的钢质群桩式平台代替。之后又出现了大部分建造工作可以在陆地建造场地完成，然后在海上现场安装的导管架平台。在此基础上，陆续出现了满足不同海洋环境条件和钻井作业要求的移动式平台。

1896年美国以栈桥连接方式在加利福尼亚距海岸200多米处打出了第一口海上油井，它标志着海洋石油工业的诞生。在1909—1910年间，在路易斯安那州的湖泊地区，有人利用柏树干打桩并在其上构筑木质的钻井平台。从1920年开始，石油公司在委内瑞拉的马拉开波湖上以木桩搭建木质钻井平台，开采埋藏在湖底的油气资源。20世纪30年代，在路易斯安那州海边的沼泽地区，人们采用木质结构建造钻井平台，并将其技术自然延伸到墨西哥湾的沿岸浅海地区。1937年，第一座木质离岸的钻井平台在墨西哥湾竖立。这一时期的水上钻井平台都是木制的，其水下基础及平台多以柏木制成。

世界上第一座用于海上油气田勘探和开采的钢质平台于1946年由Kerr-McGee石油公司在墨西哥湾距岸边20英尺左右水深的海区建立。这座平台的所有打桩、安装等建造作业都是在海上进行的。这一时间点也往往被业界认为是海上油气工业开展的起始时间。一年之后，第一座导管架平台出现。

导管架平台的建造，全部在陆上预制完成，运至海上采油处再定位、安装、合拢。将平台与海底固定的钢桩沿导管架结构中的导管打入海底，在桩与导管之间的环形空隙里注入水泥浆，最后将导管架与海底固定。由于导管架平台具有将大部分建造工作在陆地上预制完成，只需在海上现场安装的特点，大大地减少了海上的工作量，提高了工作效率，并降低了作业成本。在此后的时间里，导管架平台成为海上尤其是浅海地区油气资源开采最主要的平台结构形式。在海洋油、气开发的历史上，导管架平台在很长一段时期内作为唯一的一种海上油气勘探、开采装置，无论是钻生产井还是钻探井都使用这种固定式平台。所谓钻探井就是指在勘探阶段为确定油气藏是否存在和圈定油气藏边界，并对油气藏进行工程可行性评价而钻的井。显然，钻探井不可能每次都成功。事实上，许多钻探井钻探完成后既没发现有油，也没发现有气。但是，作为固定式的平台，它已经与海底固定连接在一起，所以一旦遇到这种钻探井失败的情形，整个导管架的钢材将无法回收。为了解决这个问题，曾经采取过以下两种办法：

（1）切桩法。切桩法是遇到钻探井失败或导管架平台需要撤离时，在海底齐泥面处把所有导管以及导管中的钢桩一起切断，把泥面以上的导管架结构移到新井位继续使用，把泥面以下的钢桩则废弃在海底。因为切割后的导管内还留存着原来的钢桩，所以在再次固定平台时，所用的新钢桩只能从原钢桩的空心中打入，新的桩径自然要比上一次细，因此导管架用不了几次就不能再用了。

（2）拔桩法。拔桩法是在平台安装时，当钢桩沿导管打入海底后，在导管内径与钢桩外径之间的环形空间里灌注可再熔化固结物将桩和导管固结起来，使导管架固结在海底；当需要导管架撤离时，设法使这种固结物熔化后，把钢桩从导管内拔出，然后把导管架移到新井位再次安装和使用。

拔桩法技术似乎可以解决钻探井失败后导管架钢材的回收问题，但由于这种技术并不是一种成熟技术，目前并没有研发出一种使其固结强度和耐久性能够满足导管架平台长期抵御恶劣海况，而导管架需要撤离时又能很方便再熔化的固结物。拔桩法技术并没有在海洋勘探作业中得到实际的应用。因此，固定平台不适宜作为钻探井的作业平台。显而易见，作为钻探井的平台应该具有可迁移性，能够适应在不同海域、不同水深和不同方位的多次钻探作业，从而实现使用一种钻井装置来钻不同类型、不同海区和不同特点钻探井的目的。为满足这些要求，从20世纪30年代开始，业界陆续研发了不同类型的移动式钻井装置，以降低钻探井失败的勘探投资风险。

早期的移动式钻井装置——“驳船式钻井平台”（也称为“坐底式钻井驳船”）于1932年出现在美国的路易斯安那州，这种移动式钻井装置是把钻井设备安装在驳船上，打井时通过注水等增加压载的方式将驳船下沉坐落在海底，打完井后减轻驳船的压载使其浮起再移到另一个井位。由于驳船型深小，可以适用的水深范围不大，而且由于船侧面积较大，作业时承受的波浪和海流载荷很大。驳船式钻井平台只能在浅海海洋环境条件温和的海域中作业。由于在相同的环境与作业要求条件下，驳船式钻井平台的经济、技术指标都无法与其后出现的其他类型的移动式钻井装置相抗衡，所以现在驳船式钻井平台这一移动式钻井装置已很少采用。

随着勘探水深的增加，驳船式钻井平台已经难以满足使用要求。因此在驳船式钻井平台的基础上，发展出了一种称为“坐底式钻井平台”的钻井装置。坐底式钻井平台实际上是将放置钻井装置的上甲板结构体（上平台）与驳船主船体（沉垫）分离，分离的两部分之间以立柱支撑连接而构成。坐底式钻井平台将钻井装置安装在水面以上的平台甲板上，下部是沉垫，钻井作业时通过对沉垫注水增加压载，将平台沉到海底；移位时减轻压载，平台浮到海面上进行拖航、移位作业。坐底式钻井平台也称为沉浮式钻井平台。由于波浪、海流可以穿过坐底式钻井平台的立柱支撑结构，所以坐底式钻井平台所受的海洋环境载荷比驳船式钻井平台要小得多，作业水深也增加了很多，这为海洋油气勘探向外海迈进一步提供了有利的条件。第一座坐底式钻井平台为1949年开始在墨西哥湾进行钻井作业的“环球40号”。工作水深为3～30米。显然，从拖航稳性和平台结构等方面考虑，坐底式钻井平台的立柱支撑结构不可能设计得太高，因而这类平台多用于水深小于20米的近海海域或封闭海域。虽然坐底式钻井平台是出现时间较早的一类移动式钻井平台，而且存在着对海底地基要求高、适应水深能力差等缺陷，但是，由于它具备了在浅海、滩涂的作业能力，这种类型的平台仍然有其特定的应用空间。在我国渤海的浅海和在海陆过渡地带的海域油气资源勘探中，坐底式钻井平台发挥着其他类型的移动式钻井装置所不具备的作用。

由于坐底式钻井平台高度是固定的，故其对工作水深适应范围变化不大。为了适应在更大的水深范围内钻井，在坐底式钻井平台设计概念的基础上又发展了“自升式钻井平台”。自升式钻井平台实际上是将原来坐底式钻井平台的固定立柱支撑改为上平台可以根据作业水深的不同沿着其上下移动的“桩腿”，将坐底式钻井平台中的沉垫变为独立腿式自升式钻井平台中的“桩靴”或沉垫式自升式钻井平台中的“沉垫”。1954年，世界上第一座自升式钻井平台出现了。它是一座具有10条桩腿的平台。该平台对利用桩腿来升降平台甲板高度的技术进行了有益的尝试。但是该平台的结构形式与现代自升式钻井平台有较大的差异。1956年由Le Tourneau技术公司设计的自升式钻井平台“天蝎号”则通常被认为是具有现代意义上的第一座自升式钻井平台，该平台采用的是现在常见的三桩腿的独立腿型自升式钻井平台。现代的自升式钻井平台的作业水深一般为5～90米，最大工作水深可达168米。

自升式钻井平台的优点主要是定位能力强、作业稳定性好、能适应大陆架各种不同的海况和不同的海底地质条件。其缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，大部分自升式钻井平台的工作水深在120米以内。超过一定水深，桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿放置过高，对平台拖航和漂浮稳性以及桩腿的强度都产生不利的影响；支承于海底作业时，水深越大，桩腿就越长，在恶劣海况下则有可能由于其着底稳性的不足，而构成平台倾覆的危险。这类平台主要用于在大陆架进行海洋油气资源勘探。目前世界上共有现役自升式钻井平台600余座，占移动式钻井平台总量60％～70％；其中作业水深大于 120米的有20多座。随着海洋油气田开发的重点向深水推移，最大作业水深超过100米的深水自升式钻井平台也已经逐渐成为新建造的自升式钻井平台的主要类型。

为突破自升式钻井平台作业水深的限制，石油公司将坐底式钻井平台的概念做了延伸：将坐底式钻井平台中数量众多的小直径立柱支撑改为数量较少的大直径立柱；将坐底式钻井平台的沉垫改为有利于在拖航或系泊作业时减少阻力的鱼雷型（或船身型）下体；同时为这类平台配置了锚泊定位系统，由此而延伸出来的平台称为“半潜式钻井平台”，又称立柱稳定式钻井平台。半潜式钻井平台的平台本体上设有钻井机械设备、器材和生活舱等。平台本体高出水面一定高度，以避免波浪的冲击。下体为整个平台提供支撑其重量的浮力，沉没于水下以减少波浪、海流的扰动力。平台本体与下体都远离波浪力效应最大的海面，平台本体与下体之间的立柱具有小水线剖面，这样就使得半潜式钻井平台在波浪场中的动力响应减小，有利于其在恶劣海况下作业。立柱与立柱之间、立柱与中心线的距离都设计得比较大，这样可以保证平台的漂浮稳性。半潜式平台最大的优点是在波浪、海流中的运动响应小、钻井作业稳定性好、移动灵活、适应性强、能够在不同水深的海域工作；其缺点是造价高、不能自航或自航速度低。

1962年出现了第一座半潜式钻井平台——壳牌石油公司的“蓝水1号”。这座平台一经在美国加州使用就显示出良好的抵御恶劣环境载荷的能力，它可在较深的水域钻井，也可坐底作业。在现代科学技术进步的推动下，在海洋油气资源开发的重点逐步向深海推进的背景下，半潜式钻井平台的钻探能力与作业功能有了巨大的提升。半潜式钻井平台已经从第一代发展到了第六代，第七代也在研发设计中，最大作业水深也由原来的100多米发展到第六代超过3 000米，钻井深度已经超过12 000米。

20世纪50年代，为了在更深的海域钻井，有人把钻井设备安装在船上，在船舶漂浮状态下钻井。这就产生了另外一种类型的移动式钻井平台——钻井船。早期的钻井船靠锚泊系统来定位。1957年第一艘钻井船“Guss 1”号在美国投入使用，它用于墨西哥湾122米水深钻探作业。该船总吨位3 000吨，用 6台锚机和6根钢缆把船系于系泊浮筒上进行钻井作业。由于是漂浮在海面上作业，这艘船抗风浪能力不佳，稳定性差，停工率高。但是，该船的使用，为人们将钻井机械装载在机动船或驳船上、以系泊漂浮状态开展钻井作业进行了有益的尝试。

为了提高钻井船的定位能力，工程技术人员此后又相继设计了双体、中央转盘锚泊式、舷外浮体式等形式的钻井船，通过这些设计力图改善钻井船在风浪中的稳定能力。但是这些措施都只能在某种程度上提升钻井船的稳定能力，它们无法从根本上解决钻井船在环境条件比较恶劣的深海海域钻井作业时钻井船持久稳定定位的问题。20世纪60年代后期开始有人在钻井船上使用锚泊定位系统+动力定位系统的定位方式，动力定位系统在钻井船上的应用，比较好地解决了钻井船在恶劣海洋环境条件下长时间的稳定定位问题。经过几十年的发展，目前动力定位系统的技术已经日趋成熟，动力定位系统的应用保证了钻井船无论是在浅水还是深水都可以保持良好的稳定状态，从而也保证了钻井船在不同海况下都能从事正常的钻井作业。目前，世界上新建造的钻井船主要采用锚泊定位系统和动力定位系统作为其海上作业的定位手段。一般来说，工作水深在1 200米以内的钻井船基本上采用锚泊定位系统；而工作水深在1 500米以上的钻井船则主要采用动力定位系统。

钻井船的主要优点是：它航行时所受阻力较其他型式的浮式钻井装置（移位状态的坐底式钻井平台、自升式钻井平台和半潜式钻井平台等）小，航行速度快，有利于快速移位；对可变载荷的变化没有半潜式平台敏感、载重量的变化不会引起浮态大幅变化等。同时，它的排水量和船内空间大，能装载较多的钻井机械设备和作业器材，可以比半潜式钻井平台装载更多的作业工具和物资。此外，在深海作业时，钻井船还具备了一个半潜式钻井平台所没有的优势：钻井船船体本身还可以提供很大容量的储油能力。这些特点让钻井船在深海作业时可以大大地减少对海洋工程辅助船舶的依赖。与第六代半潜式钻井平台一样，部分深海作业的钻井船也开始采用双联井架主辅井口钻井作业方式。钻井船的主要缺点是：甲板使用面积相对较小，对风浪等海洋环境因素的动态响应比较敏感，整体稳性差，在恶劣环境条件下停工率高，结构设计与操作不当容易引起事故等。

移动式钻井平台出现至今已有80年的历史。世界经济发展对能源需求的增加推动了海洋油气资源开发活动向更深的水域和更恶劣海洋环境的海域扩展，借助于其他领域科学技术的发展，演变出了风格各异、结构形式不同的各种类型的移动式钻井平台。与80年前相比，海上钻井技术和钻井方式发生了巨大的变化：移动式钻井平台的作业水深从原来的几米发展到目前的 3 000多米；平台的结构形式也由最初的驳船式钻井平台发展到今天可以根据不同的作业环境分别采用不同形式的着底型移动式钻井平台（坐底式钻井平台、自升式钻井平台）或浮动型移动式钻井平台（半潜式钻井平台、钻井船）；浮动型移动式平台的定位方式也可以根据作业水深的差异采用悬链线锚泊定位系统、锚泊定位系统+动力定位系统相结合的定位模式或者单纯的动力定位系统等模式。

综上可知，不同类型的海洋油气开发装备按其出现的时间顺序存在着一种传承、演化与改进关系。每一种类型的移动式钻井平台都是在新的工作环境条件和新的作业需求背景驱动下，在已有的海洋油气开发装备技术的基础上，借助于当时的科学技术进步的大环境，吸收之前装备的技术优势并加以改进使之适应于新的工作环境条件、满足新的作业需求而诞生的。每一种类型的钻井平台都具有它们各自鲜明的技术经济特点、特定的工作对象和作业功能。同时，不同类型的钻井平台也存在其固有的技术或经济因素的缺陷。设计人员需要根据具体油田的水深、环境条件、技术、经济条件等因素综合考虑哪种类型的钻井平台适合目标油田的开发。