云顶集团综述与述评 谢玉洪杨进等：深水油气钻探技术装备发展现状与趋势

　　云顶集团综述与述评 谢玉洪杨进等：深水油气钻探技术装备发展现状与趋势世界各国在海洋领域内资源开发的激烈竞争，归根到底是支撑国家权益的科学技术与核心装备的竞争。随着中国海洋强国战略和“一带一路”倡议的深入践行，海洋油气钻探向着深远海阔步前进，而深水油气钻探技术装备已成为保障中国能源安全的重要基石。如何解决“卡脖子”难题、实现关键核心装备的国产化、打造原创钻探技术策源地是深水油气钻探面临的新问题。文章对深水油气钻探技术装备进行了扼要介绍，对国内外深水油气钻探技术装备的现状进行了综合分析，并对未来深水油气钻探的关键技术和关键装备的发展趋势进行了展望。

　　2022年，习总在连线“深海一号”能源站时指出：“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。要推动海洋科技实现高水平自立自强，加强原创性、引领性科技攻关，把装备制造牢牢抓在自己手里，努力用我们自己的装备开发油气资源，提高能源自给率，保障国家能源安全。”党的二十大报告也明确提出，要“发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国”。

　　海洋资源的开发利用与中国经济社会的可持续发展息息相关。随着“一带一路”倡议的深入践行，人类进入了探索海洋、开发利用海洋资源的海洋时代，这也是中国实施海洋强国战略的关键阶段。而在深水油气钻探开发领域，自2000年以来，全球海洋油气的新发现开始超过陆上，且储量和产量持续增长，目前已成为油气资源的战略接替区。近10年来，全球重大油气发现70%来自深水（深水一般是指水深大于500 m），排名前50的超大油气开发项目中，3/4是深水项目。据国际能源署统计，2017年全球海洋油气的技术可采储量分别为10970亿桶和3.11×亿，分别占全球油气技术可采总量的32.81%和57.06%。预计未来10~20年，全球油气总产量中来自海上的比例将达到50%，全球海上油气产量中来自深水的比例达到35%。同时，作为海洋勘探开发的基础，深水钻探技术对中国海洋资源的开发利用、地质调查和重点海岸带环境评价等有着至关重要的作用。可以预见，随着海洋油气勘探向深水、深层、高温高压领域拓展，深水钻探装备技术已成为保障油气勘探开发和后续安全供应的重要支撑。

　　钻探是深水油气勘探开发必不可少的关键环节，可以形象地比喻为“为地球打一针”，通过钻探可以直接接触和获取油、气、水、岩性等地层信息。而深水钻探由于数千米海水的阻隔，更是面临着“下海”和“入地”的双重挑战，使得深水钻探成为一项高风险、高投入、高科技、高强度、高回报的复杂系统工程。

　　“工欲善其事，必先利其器”。钻探装备是深水油气钻探开发的硬件基础，而钻探技术是解决深水油气资源开发过程中面临的实际问题的具体方法。随着中国向深海远海的稳步迈进，深海油气钻探装备技术已逐渐成为大国地位和国家综合实力的重要体现，也是推动科技进步、促进国民经济社会良性发展、支撑的基石。由于中国在海洋油气开发领域起步晚于发达国家30多年，加上各种新型海洋装备不断涌现，且深远海油气勘探系统本身具有作业空间受限、人员和设施集中、工艺技术难度大、装备结构复杂和危险有害物质众多等特点，使得海洋油气钻探作业具有极高的事故风险，因此中国海洋油气资源开发面临着从浅水到深水，从常规钻探到智能环保钻探的挑战，这对海洋油气开发的装备、技术提出了更高的要求，特别是在深水油气智能钻机、浮式生产储卸（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）平台、智能平台、无人平台等装备领域有较大发展空间云顶集团·(中国)官方网站，在深水油气智能钻探、海上油气大数据库技术、旋转导向钻井与随钻测井技术云顶集团·(中国)官方网站、智能钻柱技术等方面与欧美国家尚存在一定差距。

　　当前，全球海洋油气开发技术研发聚焦于海洋超深水、超高温、超高压油气钻探技术、深水钻探开发一体化技术、深水控压钻探技术等。近年来，全球海洋油气在勘探领域呈现出不断向海域深层-超深层、深水-超深水拓展的趋势。

　　美国在海洋油气资源开发方面具有一整套完备的工业体系和研究力量。美国能源部下属有17个国家实验室，比较著名的有劳伦斯伯克利国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室，海洋油气钻探开发也是这些实验室的重点研究方向之一。美国国家实验室的研究人员比大学里的还多，研究领域可以实现从基础科学到前沿科技的全覆盖。同时，由于国家实验室财力雄厚，可保持对某一研究领域的长期投入，因此可以实现某些战略方向的突破。此外，国家实验室通常拥有大学不具备的特种实验设备，如线性加速器等。美国拥有油气钻探开发学科的高校数量不多，其中综合性大学有斯坦福大学、德州大学奥斯汀分校等；另外有一些油气钻探特色的高校（如科罗拉多矿业大学、图尔萨大学等）的相关院系通常奉行“小而精”的策略，主要集中在钻探开发技术方面。

　　同时，西方发达国家在钻探平台（船）等深水油气钻探装备领域一直处于优势发展地位，尤其是在20世纪90年代至21世纪初的10多年时间内，海上移动式钻井平台从1996年的56艘急增至2002年的670艘，其中拥有1524 m及以上超深水钻探平台（船）111艘，包括83艘超深水半潜式钻井平台和28艘超深水钻探船（图1）。而在深水油气钻探装备钻深适应能力方面，西方发达国家也实现了跨越式发展。2002年，雪佛龙公司钻井垂直深度达到9210 m。2003年，雪佛龙公司在美国墨西哥湾的钻井工作水深突破了3000 m。这些充分说明了西方发达国家在深水和钻深适应能力方面的进展十分迅速。

　　总体而言，得益于技术、资金、人才等多个方面的优势和持续的产业创新升级，以美国为首的发达国家在深水钻探领域形成了一整套的装备技术，处于优势明显的领跑地位。

　　从“十一五”开始，深水油气领域国家层面资助的项目与课题涵盖了地质勘探、油藏开发、钻探工程、工程集输和安全保障领域，研发内容包括基础理论研究、工程技术研究、装备研制、材料研发、示范工程等（表1），实现了产学研用深度融合和联合攻关，初步实现了突破核心技术、完成重大战略产品、建成重大油气田工程、构建联合创新团队的目标。在深水油气钻探开发方面取得一定突破，形成了一批重大技术成果，有力支撑了国家海洋强国战略和油气安全战略的实施。

　　“十三五”期间，中国在深水钻探领域取得丰硕成果。在深水油气钻探技术创新方面，中国海洋石油集团有限公司（简称中国海油）基本掌握深水开发钻探设计能力，具备1500 m常规油气田开发钻探作业能力，成功进行超深水高温高压钻探和测试作业，创西太平洋第一水深（2619 m）钻探作业纪录，实现了深水油气从钻探到开发的跨越。经过30多年的探索和实践，通过国家科技重大专项攻关，中国海上油气钻探开发取得了一系列重大成果。自2012年至今，中国已在南中国海自主作业深水井超100口，支撑发现了5个大中型深水油气田，包括中国首个自主发现和勘探开发的“深海一号”超深水大气田（图2），成功建造了全球首座10万t级深水半潜式生产储卸油平台——“深海一号”能源站（图3）。截至目前。中国海油已形成四大油气生产区，在生产油气田共125个，动用石油地质储量超过40亿，天然气储量超过7000亿，形成了年产油气当量超过6000万t规模，建成了“海上大庆”，实现了中国海上油气开发从“浅蓝”到“深蓝”的历史性跨越，为保障中国能源安全，维护中国海洋权益，建设海洋强国，奠定了坚实的基础。

　　目前，中国深水钻探工程装备处于早期发展阶段。截至2018年，中国海域建成固定平台244座、浮式生产储运装置13艘、总长6725 km的海底管道370条，已具备了300 m水深以内常规油气田钻探、开发、工程建设、油气田运营维保能力。随着油气勘探开发向深水推进，建成了具备1500 m以深作业能力的“海洋石油981”半潜式平台，“蓝鲸 Ⅰ”号、“蓝鲸 Ⅱ”号半潜式平台等大型深水作业工程装备（图4），填补了国内空白，具备了自主开发建设深水油气田的“深水舰队”。

　　然而，中国在深水油气钻探领域存在高端产品制造质量和可靠性差，轻型、高性能材料研发滞后，核心设备、元器件依赖进口，重大装备不成体系等问题。在深水钻探的关键装备方面，如深水导管送入工具、深水钻井隔水管（图5）、控压钻探系统等领域，中国仍然依赖进口，缺乏自主知识产权的深水钻探软件系统，落后于国际先进水平。依托于“863”计划、“973”计划、国家科技重大专项、国家重点研发计划等项目，宝鸡石油机械有限责任公司、中石化江钻石油机械有限公司等4家国内知名石油设备供应商试制了水下采油树；华北石油荣盛机械制造有限公司试制了深水水下防喷器；但上述关键装备因欠缺全尺寸的测试平台，缺乏示范应用推广。

　　深水油气钻探关键技术和关键装备是保障深水油气钻探开发的核心环节。为解决中国在深水油气钻探领域的瓶颈问题，保障国家能源安全，中国海油聚焦于科技创新，持续坚持需求导向，推动“产学研用”相结合，在数字化、智能化与传统油气领域的交叉领域加强科研攻关，进一步推动深水智能钻探、旋转导向、智能钻柱等技术的换代升级，以及智能钻机、FPSO平台、智能平台等重大高端装备的研发和应用，为实现中国深水油气钻探工业的高质量发展提供了有力的技术和装备支持。

　　深水智能化钻探技术是一种基于现代化信息技术和人工智能算法的海洋油气钻探和开发技术，主要目的是提高钻井的效率和安全性，同时降低成本。该技术可以通过实时监测井口和井底参数、智能决策和控制钻井过程，以及数据分析和预测，优化钻井过程，减少操作失误和事故的发生。

　　挪威康斯伯格油气公司开发的Hi-Drill和E-Drilling系统是目前智能化深水钻探技术的翘楚。其中，Hi-Drill通过仿真模拟培训系统的建立，实现了人员和技术培训自动化，用于提高钻探专业人员的培养效率和质量。E-Drilling系统是一个创新的实时动态模拟、三维可视化、钻探远程监控系统。该系统通过实时模拟对钻探过程进行监控和优化，并直接将实时数据和模拟数据通过三维虚拟井筒显示。E-Drilling 2D可将钻探数据实时监控，并将实测与计算数据曲线共同展示，以对比和显示井下是否存在异常情况。目前，中国海油已经初步建立了E-Drilling系统，可为钻探风险监测和井下风险识别提供安全保障。随着海洋油气钻探向深水迈进，智能化深水钻探技术将成为未来深水油气钻探的主要发展方向之一。

　　随着海洋油气钻探范围的不断扩大和难度的持续提高，传统的数据管理方法已经无法满足海洋油气钻探开发中大量数据的高效管理和智能分析的需求。因此，深水油气钻探大数据库技术应运而生，已成为现代深水油气钻探和开发中必不可少的技术手段之一。

　　深水油气钻探大数据库技术是一种基于海洋油气领域的大量数据积累，通过计算机技术实现大规模、高效、全面的数据管理、分析和利用的技术。它以数据为核心，通过数据的采集、存储、管理、处理、分析和应用等环节，为深水油气钻探和开发提供了更全面、更深入、更精确的数据支持。作为大数据库技术的典型代表，挪威康斯伯格油气公司的SiteCom®系统涵盖了地质、油藏、钻探、测试、完井、修井及生产等作业数据，实现了海上油田多专业数据的融合。未来，随着技术的不断发展，海洋油气钻探开发大数据库技术必将扮演越来越重要的角色，成为实现海洋油气资源可持续开发的重要支撑。

　　旋转导向钻井与随钻测井技术可以精确控制钻头在地下几千米深的岩层中的钻进方向，实现“盯着”油气去，“瞄着”边界钻，甚至能在只有1 m厚的薄油层中稳定穿行数千米。同时，该技术可以对地层资料实时分析，大幅降低油气田钻探开发成本，是全球高效开发常规油气、页岩气、煤层气、可燃冰等资源关键核心技术，代表着当今世界钻井、测井技术发展的最高水平。截至2023年，由中国海油自主研发的首套旋转导向钻井与随钻测井系统（简称“璇玑”系统）成功实现1000口井作业、100万m钻井总进尺，关键作业指标达到世界一流水平，标志着中国高端油气钻井技术实现了里程碑式的跨越。目前，在全球定向井市场上，旋转导向技术份额超过千亿元人民币，发展前景远大。

　　钻柱是实现优质快速钻探的重要工具，它是与地下连通的关键枢纽。而智能钻柱采用高精度传感器和现代化数据采集技术，能够实时检测并纠正钻柱倾斜度和偏移，降低井下事故的发生概率，并保障了钻井作业的安全性。此外，智能钻柱能够自动调节转速和扭矩，使钻头在不同地层条件下具有更好的适应性和钻进效果。最后，智能钻柱能够提供高精度的钻探数据，包括钻头与地层接触点的位置、井壁稳定性等，为后续的油藏评价和开发提供了重要的参考数据。该技术有效地提高了深水钻探的安全性和效率，并为优化钻探工艺提供了强有力的支持，在当前及未来海洋油气钻探工程中，智能钻柱技术将成为深水钻探技术的主要发展趋势。

　　习总强调“石油能源建设对我们国家意义重大，中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。”深水油气钻探作为当前国际油气勘探开发领域的热点之一，是实现国家能源安全和经济可持续发展的重要手段之一。在面对日益紧张的能源供需关系和油气资源的快速消耗的情况下，亟需从战略视角出发，关注深水油气钻探领域关键技术的发展。由于深水油气钻探通常位于水深大、离岸距离远的深远海区域，因此深水油气钻探安全、钻探效率、钻探成本等问题更加突出。未来，深水油气钻探技术应做好关键核心技术的战略布局，要加强深水油气钻探技术的研发，推进数字化、智能化技术的应用，加强技术创新和国际合作，同时要注重深水油气钻探的环境保护和安全管理，实现深水油气资源有序开发利用，保障中国能源安全，打造原创技术策源地，继而推动中国深水油气等海洋资源实现可持续发展，以及能源科技迈向更高水平自立自强。

　　随着科技的快速发展，深水油气钻机系统已经向着智能化方向转型。深水油气钻探智能钻机集机械、电子、控制、信息等多学科技术于一体，是一种利用现代信息技术和先进的自动化控制技术对海洋油气钻探开发中的钻井过程进行全面监测、数据收集、分析和控制的装备。智能钻机可以实现对钻探过程的自动化控制，通过实时监测和预测，预防可能发生的事故和故障，从而提高钻探的效率和安全性。同时，智能钻机可以通过自动化钻井过程和优化管理，降低钻探成本，缩短建井周期，实现深水钻探作业安全、智能、高效。

　　近年来，随着海洋油气钻探向深远海的不断推进和深入，油气回输管线铺设成本的增加和风险的加大已经成为油气钻探开发面临的一大难题。为了应对这一难题，建设FPSO平台已成为解决方案中最为有效的途径之一。

　　FPSO平台是一种在海上生产、储存和卸载油气的浮式生产装置。FPSO平台的建设可以大大降低长距离油气回输管线）。与传统的海上油田开采方式相比，FPSO平台可以在海上将油气进行生产、存储和卸载，大大减少了油气的运输成本和安全风险。然而，FPSO平台的建设也面临着一些技术和管理上的挑战。一是FPSO平台的建造和运行需要高度专业化的技术人才和管理人员。二是FPSO平台的设备设施需要具有高度的集成性，各个系统之间需要相互协调配合，因此需要更加复杂的设计和施工工艺。三是FPSO平台的运行和维护也需要精细的管理和维修工作，以保障其长期稳定运行。尽管FPSO平台的建设存在一些技术和管理上的挑战，但其作为海洋油气开发的有效解决方案已经得到了广泛认可，被誉为海洋工程领域的“皇冠上的明珠”。随着技术的不断创新和完善，FPSO平台将会在未来海洋油气钻探领域发挥更加重要的作用。

　　2021年，由中国自主设计建造的全球首艘智能深水钻井平台“深蓝探索”在中国南海珠江口盆地成功开钻。“深蓝探索”（图7）配备12点大抓力锚泊定位系统，是全球首艘安装89 mm直径和世界最高强度海洋系泊链的钻井平台，安全性能超强，能抵御近16级风；“深蓝探索”最大作业水深1000 m，最大钻井深度9144 m，搭载全新自主研制的“智能运维系统”，具有“感知、分析、决策”智能一体化功能，可实时采集生产运维数据，实现云端处理、远程协同和优化决策。平台配备了智能防喷器系统，极端情况下可实现自动剪切关闭，确保安全可靠。该平台可以实现主、辅井口同时作业，相比常规单井口模式，综合作业效率可提高35%。同时，它也是全球首艘获得挪威船级社（Det Norske Veritas, DNV）认证的智能深水钻井平台，装配国内首个危险区域水处理环保装置，可实现气体物质分离，油、水、泥浆物质分离，最大限度减少污水和危险水的排放。

　　海上油气无人平台，是海上无人驻守生产平台的简称，是一项新型海上石油钻探生产设施，其目的是为海上油气资源开发提供一系列兼具成本效益和生产效率的解决方案，具有智能化、无人化、多功能、可远程操控等特点。

　　无人平台几乎分布于世界上所有油气活跃海域，如挪威、英国、墨西哥湾等。2019年，中国海油在番禺油田区块首次试点井口平台无人化改造，这项井口平台无人化改造后，将为油田节约2000万元人民币。这是中国海油深圳地区的第一个海上无人平台。目前，中国海油共有在生产无人平台23座，集中在渤海、东海和南海西部（图8），大多为简易井口平台或与中心平台栈桥相连的井口平台云顶集团·(中国)官方网站。起初，这些符合无人驻守技术标准的海上无人平台，并未实现真正意义上的无人化智能化管理，一直遵循着有人驻守的管理模式。后来，经过可行性分析和调研，功能测试和智能化改造，建立了无人化管理体系，模拟遥控生产、远程操作、无人驻守等阶段，才实现井口平台的智能化无人化管理，有效突破降本增效瓶颈。当前，海上浅水无人平台已在边际油田的钻探开发取得了许多实践经验，但在深水油气钻探中智能无人平台尚无实际应用，未来，智能无人平台在深水油气钻探开发生产中的应用前景十分广阔。

　　深水油气钻探是一项高技术含量、高风险、高投入的领域，需要依靠一系列关键装备来实现，关键装备的自主创新能力非常重要。

　　（1）目前，中国在深水油气钻探关键装备方面还存在着严重的依赖进口的问题，特别是一些核心部件和关键装备。因此，相关行业应该加大对装备的研发投入，提高自主创新能力，以降低依赖进口装备的风险。

　　（2）随着深水油气钻探难度的增加，装备的要求也在不断提高。智能钻机、钻井平台、井下设备和海底生产设备需要不断优化，以适应深海环境和复杂地质条件的变化。未来，应大力提升推动海洋油气服务产业和海洋工程等大型装备制造业的发展，加强装备研发，推动装备智能化、自动化和信息化，提高装备的效率和安全性。

　　（3）深水油气钻探是一个全球性行业，政府和企业应积极参与国际合作，深化交流和人才培养，制定一系列的装备标准和规范，以确保自主创新成果的质量和可靠性，共同推进深水油气钻探装备的发展和应用。

　　（4）深水油气钻探装备研究的战略布局应首先面向国家能源的重大需求，以拓展勘探开发领域、提高油气产量为目标，以提升深水油气开发关键装备和设备国产化率为突破口，实现海洋油气绿色安全高效开发，夯实海洋经济的支柱产业，培育海洋油气高端制造产业，带动相关高新装备产业链的发展；以新理论、新装备和新材料的发展推动海洋油气的高效规模性开发，为中国能源供应版图添砖加瓦，实现以海洋油气的大规模开发利用带动海洋石油工业全产业链的发展，特别是海洋领域内民族高端制造业跨越式发展的目标，响应建设海洋强国的需要，推进科技自立自强，勇当建设海洋强国“排头兵”。

　　在国家高屋建瓴的规划牵引和科研人员的共同努力下，中国深水油气钻探技术与关键装备国产化取得了显著的进步，但也必须要有清晰的认识，与发达国家相比，中国在深水油气钻探技术装备方面还有很大差距，基础还很薄弱，还要加快完善科研创新体制建设，努力搭建深水油气钻探研发科研平台，奋力打造深水油气钻探技术创新和装备创新的策源地，从而助力海洋强国战略的顺利实施，保障国家能源安全。

　　《前瞻科技》是由中国科学技术协会主管，科技导报社主办、出版的科技智库型自然科学综合类学术期刊，于2022年创刊。

　　办刊宗旨：围绕国家重大战略任务、科技前沿重要领域和关键核心技术，刊载相关研究成果的综述和述评，促进学术交流，推动科技进步，服务我国经济社会高质量发展。

　　常设栏目有“前瞻”“综述与述评”“聚焦”“论坛”“文化”“书评”等，其中“前瞻”“综述与述评”为固定栏目，其他为非固定栏目。