我国坐底式钻井平台发展
我国坐底式钻井平台研发起步较晚，但国家重视，市场需求，研制人员的努力，发展较快。由最初跟着走，到进入世界先进水平。20世纪80年代，我国北部辽东湾至莱州湾一线的辽河油田、大港油田、胜利油田的油气带向海中延伸，此区域的油气储量较大，急需开发以满足国家经济发展对石油的需求，此海区水深较浅，海床宏观坡度较平坦，而地表层承载能力较弱，常规的海洋钻井平台难以进入，用筑堤或人工岛进行打井，投资风险大。为此，研发设计了我国第一座坐底式钻井平台“胜利1号”，用于浅海石油的勘探和开发，填补了我国极浅海石油勘探的空白。通过对该平台的总结，我国相继研制了“胜利2号”坐底式钻井平台、“胜利3号”坐底式钻井平台和“中油海3号”坐底式钻井平台，其中胜利2号坐底式钻井平台荣获全国十大科技成果奖和国家技术发明二等奖。胜利3号获中国船舶工业总公司科技进步一等奖。“中油海3号”是目前国内及世界最先进的坐底式钻井平台。这几座平台为我国极浅海油田的开发作出了贡献。
1.“胜利1号”坐底式平台
“胜利1号”坐底式钻井平台是我国第一座自行设计建造的坐底式钻井平台，该平台总长56.5米，总宽24米，总高53.2米（包括井架高度）；自沉垫底板至上层平台甲板高度为9.5米；上层平台长56.5米，宽24米；沉垫长45米，宽24米，型深2.5米；平台空载吃水1.3米，空载重量1 300吨，该平台用于莱州湾胜利油田极浅海区域，填补了我国极浅海石油勘探的空白区，为极浅海石油勘探作出了重要贡献。“胜利1号”平台设计要求如表2-2所示。
表2-2 “胜利1号”平台设计要求
①节为速度单位，1节＝1.852千米／小时。
“胜利1号”用于极浅海勘探，又处在黄河口附近的特殊环境条件，要求该平台能到潮间带钻井，要进得去、站得稳、起得来、出得去、性能好、易建造。在总体结构型式选择时，一切围绕“浅”字，结构尽量轻便，因而选取了大而扁的沉垫、细支柱、轻型的上层平台结构，为防止滑移，采用带四个抗滑桩的坐底式平台结构型式。实践证明，这种结构型式重量轻、吃水小、承受的外力小、结构强度和稳性好、冲刷小，是极浅海坐底式钻井平台较好的型式。
上层平台主要为钻井作业提供合理的作业面积和生活设施。控制上层平台尺度的主要因素是钻井生产工艺要求。由于该平台在极浅水区域作业，上部装备尽量减轻，主要按单层考虑，局部有两层。上层平台的长度主要受井架、井场、联动机、泥浆泵、生活区的布置控制；在宽度上受井架、井场、泥浆循环系统和平台四边的起重机、堆场、通道、锚机和抗滑桩等布置控制。根据上述布置需要，上层平台宽度为24米，与沉垫宽度相同，长度为56.5米，比沉垫长出11.5米，用斜撑在艏端悬出7.5米，在艉端悬出4米。上层平台总面积为1 356平方米，比沉垫面积大26%。
沉垫是平台的基础结构，在平台漂浮时提供浮力并满足吃水和漂浮稳性要求，在平台坐底时将整个平台的重量传递至海底，并要满足坐底稳性的要求，同时要保证结构强度要求。沉垫尺度首先考虑型深，由于平台坐底时受到浪、流的作用，型深不宜太高；但因在漂浮时由它提供一定浮力，则要有一定的排水体积。再根据设计任务要求，平台必须能进入1.5米水深工作，因此吃水不能大于1.3米是型深的必要条件，此时平台载荷（工艺装备和结构自重）为1 200吨，所以初步算得沉垫底面积约为1 000平方米，而平台满载时最大载荷约2 030吨，按1 000平方米底面积计算，满载吃水为2.0米，再考虑0.5米的拖航干舷，所以初步确定沉垫型深为2.5米。
在型深2.5米的基础上，按底面积1 000平方米来确定沉垫的长度和宽度，先取上层平台工艺布置要求的宽度24米为沉垫的宽度，核算平台坐底稳性和漂浮稳性所需要的宽度。将工艺布置、坐底稳性、漂浮稳性三者综合考虑，从而最后确定沉垫宽度为24米，长度为45米。综合上述要求，选择扁平的长方体沉垫，尺度为45米×24米×2.5米。此外，根据该平台沉垫冲刷试验提供的结果，将沉垫设计成圆弧形舷顶，4个角隅呈圆形，从而有利于平台防冲刷。
综合指标如下：
（1）平台坐底时地基承载力安全系数为1.44。
（2）平台坐底时横向抗倾安全系数为4.5。
（3）平台坐底时横向抗滑安全系数为2.44。
（4）平台漂浮时横稳性高度26.4米。
当然也要考虑到其他因素，如平台的摇摆、拖航中波浪的变形、航向的稳定、基地的坞修、航道尺度、码头岸线长度等。
坐底式钻井平台支柱型式有粗的稳定支柱和细的支撑支柱两种。该平台选用细支柱群柱结构作为平台的支撑结构，它连接上层平台和下部沉垫以保证平台整体强度，将各种载荷传递到沉垫和上层平台主要构件上，这种支柱具有直径小、重量轻、支柱间距小等优点，可减轻上层平台结构重量，减小波浪力，这对于平台坐底稳性和整体强度都是有利的，实践证明这种支柱对极浅海坐底式钻井平台是适用的。
支柱均用16锰Φ326×7的钢管组成的群柱结构，对于受力大的井架大腿、吊机底座等处采用组合柱的结构型式，由四个支柱或两个支柱组合而成，支柱的间距与沉垫纵横舱壁之间距离相等，均布置在纵横舱壁上，纵向支柱4行，其间距均为6米，横向支柱8排，其间距有两种，中间为6米，两边为7.5米。
支柱与上层平台和沉垫构件的连接节点，均采用0.8米高的专用节点箱进行连接，连同节点箱从沉垫上甲板至上层平台主梁下缘的高度为6.4米。
2.“胜利2号”坐底式平台
“胜利2号”步行坐底式钻井平台是由胜利油田钻井工艺研究院与上海交通大学联合设计、青岛北海船厂建造的我国第一艘极浅海步行坐底式钻井平台。该平台于1988年建成投产，到1992年底累计钻井11口。“胜利2号”步行坐底式钻井平台获1992年全国十大科技成就奖，1995年获国家技术发明二等奖。
“胜利2号”钻井平台是一座能步行的两栖型坐底式钻井平台，也是一座由内体和外体组成的特殊型式的双体平台。平台的内体和外体由甲板、立柱及沉垫三部分组成。在拖航、沉浮、坐底等工况时，内外体由锁紧装置相连，组成一个整体；步行时，则脱开锁紧装置并借助一套步行机械和液压系统实现内外体交替步行。因此，该平台既有一般坐底式钻井平台的性能，又有因步行需要而派生出的种种特性。
该平台最大工作水深6.8米，平台结构分内、外体，可借助一套步行机械和液压系统实现各种步行动作，步行速度60～100米／小时。外体：甲板72米×42.5米×2.5米，沉垫72米×42.5米×2.5米。内体：甲板51.78米×27.5米，沉垫51.78米×27.5米×2.5米。
平台的布置与常规的坐底式钻井平台相比较，有3个较为显著的特点：①平台甲板的主尺度尤其是内体甲板尺度较小，再加上内体甲板又是单甲板，因此布置如此众多的工作场所及生活设施，显得极为紧凑；②外体的存在，使内、外体产生了一个布置分工及衔接问题；③因步行需要而设置的步行机械液压系统和四个庞大悬臂支架，使“胜利2号”具有步行特性的布置风格。
分以下几点介绍布置详情。
（1）沉垫的布置。沉垫内主要布置了压载舱、淡水舱、燃油舱、钻井用水舱、泵舱等。其中内体设置了2个泵舱、3个淡水舱、2个钻井用水舱、9个压载舱、2个燃油舱。外体设置了2个泵舱、12个压载舱。在沉垫顶部设置了5个锁紧装置，1个在艏部，另4个在两舷。在左右两舷的内外体交接处，还设立了4个步行用的导向装置。
（2）内、外体甲板的分工与衔接。在考虑内、外体甲板的分工时，一是尽可能减少内外体间管路及电缆的连接，以减少步行前的准备工作；二是充分利用外体的甲板，在外体甲板上主要布置了牵引油缸、牵引小车、步行轨道、救生艇、起重机、锚机、系缆绞盘以及两个从甲板通向沉垫的梯道。
（3）内体甲板的布置。内体甲板的长与宽为51.78米×27.5米，基本上与“胜利1号”相近。但该平台的4个庞大的悬臂支架以及液压系统占去了不少甲板面积，因此，内体甲板的空间显得很紧张。
整个内体甲板分成3个区域：艏部、舯部和艉部。艉部为井场作业区，集中布置了井架、钻机、泥浆池、泥浆循环系统、三除设备、重晶石罐、泥浆化验室及地质房等。由于这些钻井设施集中在一起，在钻井过程中，操作、联系、维修保养等均极为方便，提高了工作效率。甲板中部为动力区域，为了弥补内体甲板面积的不足，在中部搭建了平台。在平台下，右舷为4台柴油发电机组、5台风冷散热器、可控硅整流装置；左舷为泥浆泵、固井泵、风压机及4个灰罐等。在平台上部为钻杆堆场、应急发电机房、电测仪器房和电测绞车房等。在内体甲板的艏部为生活区，平台所有的居住舱室、娱乐场所及生活设施均设置在此。艏部离危险的钻井作业区较远，且中间还有动力区作为缓冲，因此较为安全，干扰也较少。该平台的生活楼，外形较为特殊，呈“工”字形。这是因为两个悬臂支架深插至生活楼的中间，使生活楼只能采用“工”字形。这种型式的生活楼有不少缺点：一是减少了生活楼的面积，使原先就比较小的生活楼，其空间更显局促；二是布置不方便，由于中间存在一通道，无形中生活楼变成了两“片”。但“工”字型也有其特有的优点：一是采光通风好，在生活楼中，没有一个需24小时开灯的暗房间；二是噪声小，尤其是靠近艏部的这一片更显安静与舒适。在靠近动力区的居住舱室，布置时有意识地不设住人房间，而把浴室、盥洗室、厕所、贮藏室等设在此处，因而获得居住人员普遍好评，经使用后一致反映，“胜利2号”生活楼的最大特点是安静。在生活楼的顶层设置了指挥室，考虑到各个工况如拖航、步行、沉浮、钻井等均在此处指挥，因此在指挥室四周均设置窗户，以便于观察四周。
“胜利2号”从目前的情况看，主尺度选择还是合理的，无论在设备和舱室的布置上，还是在沉浮、钻井、步行等各个作业工况上均能满足设计的要求。
3.“胜利3号”坐底式平台
1983年11月胜利油田委托中国船舶及海洋工程设计研究院设计一艘坐底式钻井平台“胜利3号”。该平台总长77.82米，总宽39.50米，总高80.00米，沉垫长68.40米，沉垫宽39.00米，沉垫深3.00米，轻载和满载拖航吃水分别为1.80米和2.18米，轻载和满载排水量分别为4 825吨和5 864吨。“胜利3号”平台主要作业性能如表2-3所示。
表2-3 “胜利3号”平台主要作业性能
“胜利3号”坐底式平台作业于渤海湾内浅海区域的埕北油田，该海域风大、浪高、流急，环境条件十分恶劣。为了满足性能指标的要求，设计人员攻克了许多关键技术难关。
（1）自重轻、吃水浅。胜利油田浅海区域海床宏观坡度为1／1 000度，即向海中每延伸1千米，水深才增加1米。为了尽可能进入浅水区域扩大平台作业区，要求该平台轻载拖航吃水不大于1.8米，这样在满足钻井作业场地和设备安装需要的前提下，设计人员在合理选取平台主尺度，减轻平台自身重量的同时，在沉垫与上平台之间采用中小垂直立柱连接方式，取消所有斜撑，船体经多次计算和合理选材，减轻了重量。充分利用空间，设备布置紧凑、流程合理，减小管材和电缆用量。建造完工后经测定，该平台轻载拖航吃水恰好为1.8米，满足了对平台吃水的要求。(https://www.daowen.com)
（2）抗滑移、坐底稳。该平台是通过沉垫内十几个压载水舱进行注水或排水，先使一端下沉着地或一端离底上浮，实现坐底作业或上浮拖离。平台坐底后，要保证能在风力8级、波高5米、潮流2节的海况下安全作业，能在风速45米／秒、潮流2节的海况下自存。也就是说平台坐底后不应移动，要稳如泰山地坐在海底上。为解决此关键技术难题，在确定尺度时，尽可能降低型深，取消斜支撑，以减小平台所受的波浪力和流力，同时在平台四根外端立柱内各设一根抗滑桩，每根桩长23.50米，最大插桩深度7.2米，用液压机构进行插拔桩。这些桩承担了平台2／3的抗滑力，加上平台正压力产生的摩擦力，实现了坐底的稳定性和安全性。
（3）破吸力浮起顺利。平台钻井完工需移位时，必须使沉垫离底上浮恢复到漂浮状态。由于该平台沉垫面积达2 600平方米，坐底后长时间在平台重载和钻井作业震动力的作用下，沉垫底面和海底泥面紧密接触粘合，产生巨大的吸附力。平台起浮时，仅靠排空沉垫内压载水难以使沉垫一端离底。为减小和克服吸附力，设计人员经研究和多次试验，设计出一种新型的喷头能水平旋转的喷冲装置，安装在沉垫底部，可在泵舱中控制，能消除沉垫底面与海底泥面之间的吸附力，解决了平台平稳上浮问题。这一创新喷冲装置在以后平台设计中被推广应用。
（4）巧设计调平钻台。钻井作业时必须保证井架天车、大钩、转盘中心三点成一垂直线。尽管作业海域海床宏观坡度为1／1 000度，海底面是比较平坦的，但坐底作业后，平台上装载情况和井架负载不断改变，又受风浪流所产生的外力影响，平台坐底不能始终保证水平，会存在一定倾斜度，导致钻台也会相应倾斜，这对钻井是不允许的。
为此设计人员采取在钻台四根支腿上各安装一只高压调平油缸，通过管路和调平阀组来达到“两两”调平油缸头所连成轴线进行转动，设计出使钻台始终能保持水平状态的调平系统。在设计这一装置时，设计人员还创造性地改进了所选用的液压元件，使液压油流工作十分平稳，整个系统操作方便，安全可靠，保证了钻井作业正常进行。
（5）包设计填补空白。以往中国船舶及海洋工程设计研究院设计钻井平台时受限于专业，通常返请用户方承担钻井机械和钻井工艺流程设计。胜利油田此次委托该院自行设计。设计人员在深入学习钻采作业知识的同时，参考以往平台设计资料，进行详细设计，获得了用户认可，填补了船舶设计单位在钻井平台设计方面的空白。
（6）称重器知重量。平台上装有8只供钻井和固井用灰罐，每只直径3.5米，高约5米。由于泥浆在钻井过程中不断消耗，重量变化大。以往作业人员采用手工敲击的方式估计尚存灰量，很不精确。设计人员采用电阻应变、荷重传感器、定值器、数字电子秤等，创新研制出一套称重装置，可准确反映罐内灰量，受到用户好评。
“胜利3号”坐底式钻井平台于1983年11月开始设计，1984年11月完成技术设计，1985年10月完成施工设计。平台由烟台造船厂总包建造，中华造船厂分包，经过五年的风风雨雨，在各单位的通力合作下，1988年10月5日顺利交船。1990年“胜利3号”获得中国船舶工业总公司科技进步一等奖。
坐底起浮是平台最具危险性的作业过程，较易发生事故，能否在规定的时间内平稳坐底和安全起浮，是对平台性能的重要考验。该平台首次坐底较平稳，共用时2小时42分钟，比原设计要求在4个小时内完成坐底快了1个多小时。随着操作熟练程度提高，坐底更平稳，时间亦缩至2个小时，提高了工作效率。该平台使用至今，一直平稳安全地坐底和起浮，充分证明了设计满足钻井作业要求。
桩西埕北11井的作业水深6～8.5米，从钻井到完井，曾遭遇三次8～9级大风，但只要土质条件合适，插桩深度到位，抗冲刷措施有力，平台始终能稳坐海底正常钻井。又因选用了先进的设备组合，钻井中采用了喷射钻井、优质淡水泥浆、近平衡地层压力钻井技术，大大提高了钻井速度，仅用14天就钻达2 296.7米，顺利完成了钻井任务，创造了浅海钻井历时最短的纪录。
1988年10月“胜利3号”平台建成后，拖至第一口井——桩西埕北11井施工，共发现油层29层共108米，油水层15层共103.4米，含油水层12层共173米。1990年7月平台又赴辽河承担LH10-1-1井施工。
“胜利3号”平台连续13年在辽河进行石油勘探开发钻井作业，发现了辽河亿吨级大油田——辽河葵花岛油田，为我国海洋石油建设作出了杰出的贡献。
2002年，埕北CB1井是“胜利3号”与美国EDC公司合作的第一口探井，2001年12月29日开钻，2002年1月4日完钻，设计井深1 720米，实际井深1 750米，全井测得最大井斜角0.75度。
2004年，“胜利3号”平台在大港油田庄海801井的施工中，成功钻出定向井，开创了平台从事定向井作业的先河。
2007年，“胜利3号”平台同比年累计进尺、年交井口数、年远距离拖航频次、年度转战海域次数均创历史最高纪录，共完成9口探井，总进尺20 538米，首次突破全年探井进尺2万米大关。
2007年8月，“胜利3号”平台在离海滨浴场仅500米处钻探了滨海21斜1井。平台实行清洁、密闭、无泄漏生产，创建了“绿色平台”。
2008年，“胜利3号”平台在大港油田滨海28井施工中，创下一系列纪录：大港油田海上探井井深最深、完钻井深4 762米、浅海作业一开井眼318米、井底井斜0.9度。
4.“中油海3号”坐底式钻井平台
为了加快渤海湾浅海区域的油气勘探开发，中国石油天然气集团有限公司海洋工程公司决定建造坐底式钻井平台。该平台由中国船舶及海洋工程设计研究院设计、山海关船厂建造，于2007年5月交付使用，名为“中油海3号”。后又建造同类型平台“中油海33号”。
该平台为坐底式钢质非自航石油钻井平台，平台结构由沉垫、上平台和中间支柱三大部分组成。平台尾部设有7.2米长的固定式悬臂梁和12米宽的井口槽。钻机可以纵向和横向移动，平台一次坐底可以打16口以上丛式井。该平台适用于泥砂质或淤泥质地基表面承载能力很低（泥面以下1米处的地基许用承载力40千帕）的海域，在无冰区进行钻井或试油、修井作业。在平台艏部设有三层生活楼，可供110人居住。楼顶设直升机平台。
该平台入级中国船级社（china classification society，CCS）。设计依据的规范和规则主要有：《海上移动式平台入级与建造规范》《海上移动式平台安全规则》《钢质海船入级与建造规范》《海上石油作业安全管理规定》《中华人民共和国防止船舶污染海域管理条例》以及《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》等。
“中油海3号”坐底式钻井平台主要特点如下：
（1）坐底式钻井平台具有结构比较简单，投资较小，建造周期较短等优点，特别适合在水深浅、海床平坦的浅海区域进行油气勘探开发作业。
（2）尾部设计有固定悬臂梁，长度7.2米，井口槽宽12米，扩大了钻井作业范围，平台一次坐底可以打16口以上丛式井。
（3）采用数字化控制。发电机采用全数字化矢量控制，速度调节和电压调节性能达到最佳状态，有功无功可以自动均衡，多机组自动准同步，方便操作及维护，安全可靠性有了较大提高。采用现场总线技术，可将钻机动力、传动状态实现远程显示操作，司钻操作达到智能化。
（4）平台设施齐全，可独立完成钻井、测井、固井、试油及完井作业。
（5）自行设计建造，除柴油发电机组和部分电控设备外，均采用国产设备。
“中油海3号”采用了防冲刷、抗滑移、钻台调平、沉垫起浮、交流变频驱动等技术。
（1）防冲刷技术。沉垫坐落海底后，水流作用产生冲刷和淘空，严重时造成平台倾斜，甚至滑移。如何采取措施防止冲刷和淘空成为坐底式平台的一个关键问题。该平台采用薄沉垫，并在沉垫四周1.2米以上做成45度斜坡，使水流比较顺畅地通过，以减少冲刷和淘空。
（2）抗滑移技术。坐底平台需承受风、浪、流作用产生的巨大的水平载荷，仅靠沉垫底面与海底产生的摩擦力和黏结力是不够的。为了抵抗水平载荷以防止滑移，该平台在四角的端立柱内各设置一根截面尺寸为2米×1.3米的抗滑桩，桩长25.3米，最大插深8米，采用液压插销式升降装置。每根桩最大可产生抗滑力300多吨，能有效抵抗滑移。
（3）钻台调平技术。海床坡度和沉降不均匀会造成平台倾斜，为了使天车、游车、转盘三点保持在同一垂线上，该平台在钻台下面四角各设置一只液压调平油缸，缸径为400毫米，推力为1 864千牛，油缸柱塞端部为球形结构。调平油缸可以调整钻台倾角1度，调平工作完成后油缸用卡箍锁紧，以确保安全。
（4）沉垫起浮技术。坐底平台沉垫与海底土壤产生黏结力和吸附力，使平台排水起浮时发生困难。为了解决此问题，在沉垫底部设计安装了若干个回转喷冲头，起浮前先用低压头大排量的水流破坏沉垫底部的黏结力和吸附力，使沉垫起浮变得容易。
（5）交流变频驱动技术。第一次在我国自行设计建造的海洋钻井平台上采用交流变频驱动，在没有经验的情况下，攻克难关，取得了成功。
“中油海3号”坐底式钻井平台已于2007年6月在渤海湾南堡油田开钻，当年打完三口探井，并于2008年与澳大利亚Roc Oil公司合作在渤海湾进行钻探作业。该平台技术先进，设备齐全，环保安全，经济实用，是目前国内最先进的坐底式钻井平台之一，也是目前世界上最大的坐底式钻井平台之一。除了用于渤海湾浅海区域外，该平台也可用于环境和地质条件类似的其他海域。
【注释】
[1]英里为长度单位，1英里＝1 609米。
