我国钻井船发展
我国油气资源开发起步相对较晚，而钻井船特别是深水钻井船的自主研发建造则更延迟了一步。20世纪70年代我国改装建成了第一艘钻井船“勘探一号”，但限于当时技术水平和环境因素的影响，钻井船设计研发技术停滞了较长一段时间。进入21世纪之后，尤其是2010年之后，我国深水钻井船的设计和建造工作有了令人欣喜的成绩。2010年8月大连中远船务开工建造“大连开拓者号”钻井船，打破了韩国在世界钻井船建造领域的垄断地位。2012年6月上海船厂开工建造“OPUS TIGER”号钻井船，成为国内首个具有自主知识产权并总包建造的钻井船项目取得了我国在深水钻井船设计和建造领域的新突破。此外，我国还针对第七代超深水钻井船的技术特征，开展了超深水钻井船总体设计关键技术研究。
1.“勘探一号”钻井船
1970年4月，为加快进行海底石油资源勘查，国务院业务组决定“自力更生改建一条、新设计一条和争取时间从国外进口一条海上石油钻探船”。国家计划委员会（以下简称“国家计委”）地质局六二七工程筹备组成立了由上海海洋地质调查局、中国船舶及海洋工程设计研究院和沪东造船厂组成的海上钻探船三结合设计小组。设计小组经过反复研究分析，认为钻井设备布置和钻井作业均要求较宽的甲板，如用单船改装，则船的尺寸要相当大，国内当时难有可供改装的船舶。而用两艘较小的船通过连接成双体船，可提供足够大的甲板宽度，且双体船的稳性比较好，于是决定采用双船拼接的双体钻探船方案。通过考察，选择两艘3 000吨级旧货轮“战斗62号”和“战斗63号”进行改装设计，该方案最终获得审查会通过和上级主管单位批准。
沪东造船厂于1974年5月19日建造完工，交付用户上海海洋地质调查局，船名为“勘探一号”，由该局第三地质调查大队出海试钻。“勘探一号”的建成在当时引起很大轰动。1978年，该船获全国科学大会奖。
“勘探一号”（见图4-4）采用一个长60米、宽38米、高4米的箱形结构把两条货船牢牢连在一起，拼接后船长100米、宽38米、高11.6米，满载排水量8 000吨，装载量1 800吨，吃水5.6米，工作水深100米，钻井深度3 000米，航速12节，床位150个。
图4-4 勘探一号
根据海上作业的需要，勘探船设计有较高的强度和稳性。在十二级风时主体结构不会摧毁；十级风时不离井位；七级风、五级浪时摇摆不大于5度、升沉不大于2米、漂移不超过水深的1／20。在钻探过程中，若勘探船发生摇摆或漂移，则船上的摇摆指示仪和超声波定位仪能随时监视并测量出摇摆角度和漂移的方向与大小，根据测量结果通过锚机或其他机械方法校正船位，以满足海上钻机及水下设备正常工作的要求。
该船设有40吨电动定位锚机六台（艏艉各3台），配合6个10吨定位锚及1 200米直径56.5毫米的钢索定位作业。船上装有国产ZJ-130型陆用钻机1台，其高耸的船用井架竖立在甲板中部，井架底座装有绞车和船用特殊转盘，井架内有游动滑车导轨，以防滑车晃动。井架下部穿过连接平台，开有“月池”，用以通过钻具和水下设备。水下设备是海上钻井最重要的设备，它主要指装在勘探船同海底井口之间用于隔绝海水、控制井口、引导工具的各种设备。井架后还设有立根排放装置，它由单根起升部分、立根储运部分、立根拉送部分和控制系统等组成。它可代替二层台人工排放立根的操作。该排放装置在船横摇6度、纵摇3度时能正常工作。该船还设有一套独立的固井设备，由4台陆用黄河-150型水泥车、4台离心水泵、2台气动上灰缸、3台气动下灰缸和1个配浆池等组成，并可自行固井。
该船采用舱室沉淀净化法实现泥浆净化。由井底返出的泥浆，经振动筛后流入净化舱，净化舱分6个小舱。沉淀净化后的泥浆，用3台排量为140米3／小时的4PS离心砂泵打到日用泥浆池，以实现钻井过程中的泥浆循环。此外，船上设有泥浆配制、储备和处理的专门设备，供补充泥浆用。
勘探船甲板前部三层的上层建筑设有驾驶室、地质室、化验室、测井室、气测室、船位仪控制室、机泵房、修配间、水下器具操纵室、水下电视室等。固井设备、泥浆配制和净化设备装在船体甲板下的第一层舱室内。在船尾两侧各有一座四层建筑，为船员居住区。
在工作的6年时间里，“勘探一号”在南海和黄海共钻了7口油井，总进尺15 000米，最大井深2 413米。因受建造时的技术水平和工艺设备的限制，该船存在先天不足又无法挽救的缺陷，国内没有这么宽的船坞，无法进行检修，加之船体变形，腐蚀严重，轮机、电机破损，失去继续在海上施工的能力，经地矿部批准，于1993年退役报废。
2.“大连开拓者”号钻井船
2010年8月22日，当时世界上最大的深水钻井船“大连开拓者”号（见图4-5）在大连开工建造，打破了韩国垄断全球深水钻井船建造的局面。该船总长290.25米，型宽50米，型深27米，设计吃水19.5米，设计排水量240 750吨。另外，该船在甲板上预留了位置，需要时可将其改装为具有钻井功能，可储油100万桶的深水浮式生产储油船。甲板总载荷为40 000吨，可变载荷为25 000吨。船上配置了先进的DP-3级动力定位系统，设计航速12节，工作水深3 048米，钻井深度12 000米。
图4-5 “大连开拓者”号
“大连开拓者”号集油矿钻探、油气处理、原油储存以及装卸等多种功能于一体，可以在任何需要深水钻井船的情况下使用。作为在我国建造的首个“交钥匙”工程的钻井船项目，其建造标志着我国开发深海油气资源设备的进步，为我国船企进军世界钻井船建造市场奠定了坚实基础，同时也对保障我国大规模开发海洋石油资源，实施能源安全战略具有十分重要的意义。
3.“OPUS TIGER1”号钻井船
2012年6月1日，我国首艘具有全部知识产权、由国内总承包建造，全权负责项目设计、建造、设备采购和安装调试的深水钻井船在上海开工建造。可以说，这艘名为“OPUS TIGER1”号（见图4-6）的钻井船是完全“中国制造”的钻井船。总长170.3米，型宽32米，型深15.6米，设计吃水10.5米，最大工作水深1 524米，最大钻井深度9 144米，定员150人。船上设置八点锚系泊定位系统，配有当时先进的防喷器、水下和井控系统等设备，可用于勘探井和生产井施工。“OPUS TIGER1”号的建造，填补了我国在深水海洋钻井船的空白。
图4-6 “OPUS TIGER1”号
“OPUS TIGER1”号深水钻井船是由中国船舶及海洋工程设计研究院和上海船厂船舶有限公司联合设计，上海船厂船舶有限公司总包建造，负责全船所有船体、设备和系统的建造、设备采办和调试，入级美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS），船舶所有人为华彬集团所属的OPUS OFFSHORE公司。首制船于2012年6月1日开工建造，2013年7月20日进坞，2013年12月20日出坞，2015年年初交付。
“OPUS TIGER1”号属紧凑型钻井船，其采用前倾艏柱球鼻艏、方艉和艏楼形式，具备无限航区航行能力，采用柴电推进系统。同时，为改善钻井月池对快速性的不利影响，月池形状采取了特殊处理。
“OPUS TIGER1”号定位于东南亚海域作业，最大作业水深1 524米、钻井深度10 000米、可变载荷10 000吨，具备钻井、固井、测井和试油作业功能，配置了一套可控被动式减摇水舱系统，具备优良的运动性能，满足钻井作业对运动性能的要求。该船采用八点锚泊定位方式，在满足钻井作业对定位要求的同时，具有比动力定位方式更节能、更环保的优点。船上配置5台2 600千瓦的主发电机，机舱布置于船尾，避免机舱排烟对钻井作业区造成不利影响。此外，为防止艉折臂吊在取放钻杆或套管时与烟囱干涉，对烟囱的外形进行了优化。
“OPUS TIGER1”号主要钻井设备由四川宏华集团供货，钻井设备国产化应用取得里程碑式突破。该船采用一个半井架钻井作业系统，具有结构紧凑、系统重量轻以及经济实用等特点。半井架系统在主井口进行钻井作业时，井架内的接立根系统可以预接钻具、套管立根，并将之存放到指梁上，提高了钻井效率。此井架长50英尺（15.24米）、宽45英尺（13.72米），立根盒容量为680吨，立根形式为3根，立根高度共93英尺（28.35米），其中单根高31英尺（9.45米）。钻井绞车功率为3 000马力[3]（约2 237千瓦）、钩载约为680吨，采用8根钢丝绳组成的隔水管张紧系统，每根能力为90吨，并且预留了扩充至12根张紧器的能力。在钻台艏部设置了输运隔水管的猫道，隔水管可由隔水管门吊运至猫道上；在钻台尾部设置了输运钻杆和套管的猫道，钻杆和套管可由尾折臂吊运至猫道上。
“OPUS TIGER1”号按照安全、高效、环保的设计理念，对钻井系统和设备钻井作业流程进行了优化布置。
4.第七代超深水钻井船开发课题研究
根据国家“十二五”和“十三五”规划，中海油制订了走向深水、大力开发南海深水海域油气资源的发展战略，这就使得研究并掌握超深水钻井船设计和建造技术，并拥有自主知识产权显得尤为重要。
长期以来，深水钻井船的设计技术一直被欧美设计公司所把持，而建造则被韩国船厂所垄断。经过多年努力，我国在深水钻井船设计和建造方面均取得了可喜的进展。依托工信部海洋工程装备科研项目支持，国内完成了第六代深水钻井船设计关键技术研究和船型方案开发。2011年，我国已自行设计建造了具有自主知识产权并总包建造的钻井船“OPUS TIGER1”号，取得了我国在深水钻井船设计和建造领域的新突破。然而，国内在深水钻井船设计和建造领域还处于起步阶段，与欧美公司和韩国船厂存在较大差距。
目前，国外已提出了第七代超深水钻井船概念。为了紧跟第七代超深水钻井船技术发展步伐，充分利用国际海洋工程装备市场调整的有利时机抢占技术制高点，急需组织我国海工装备设计、研发及建造企业，联合开展第七代超深水钻井船设计关键技术研究和船型开发，力争取得建造订单的突破，提高国内海洋工程装备建造企业的国际竞争力。(https://www.daowen.com)
2016年1月，工信部、财政部启动的“第七代超深水钻井平台（船）创新专项”，该专项由中集来福士[4]牵头。其中“第七代超深水钻井船开发”子课题，由中国船舶及海洋工程设计院联合上海外高桥造船有限公司、上海交通大学和中国船级社承担。
“第七代深水钻井船开发”子课题的主要研究目的是针对第七代超深水钻井船（见图4-7）的技术特征，开展超深水钻井船总体设计关键技术研究，突破总体方案论证、水动力性能、结构性能、关键设备系统集成、多岛总装建造技术等关键技术，开展技术指标先进的第七代超深水钻井船开发，完成概念设计和基本设计，相关图纸和技术文件通过船级社审查，具备承接工程项目订单的条件，提高我国海洋工程装备设计建造在国际市场的竞争力。
图4-7 第七代超深水钻井船
第七代超深水钻井船主要突破了主尺度综合优化技术、大月池开口钻井船阻力和运动性能分析技术、钻井船动力定位时域分析技术、钻井船结构优化设计参数化工作流搭建技术、巨型环段移位合拢技术等关键技术。
1）主尺度综合优化论证技术
第七代钻井船各项技术指标均更为先进，然而若无限制地增加主尺度，不但增加建造成本，也会带来其他总体和结构性能的问题。因此，钻井船主尺度综合优化论证技术是第七代钻井船总体方案论证的一项关键技术。
首先，分析其船型和主尺度参数，研究其技术指标和性能的特点，总结主尺度参数对主要技术指标的影响规律。其次，梳理出在钻井船主尺度论证中需要考虑的因素，如排水量、总体布置、稳性、运动性能、阻力性能、定位能力等，分析其对主尺度参数的需求规律。再次，总结钻井船各主尺度参数变化（如船长、船宽、吃水、方形系数、月池尺度等）对各考虑因素的影响规律，研究考虑综合性能的钻井船主尺度论证方法。最后，基于上述研究成果，结合第七代钻井船最为关键的性能指标，完成目标钻井船的主尺度论证，实现目标钻井船综合性能优良的设计目标。
2）大月池开口钻井船阻力性能分析技术
由于大开口月池结构的存在，第七代超深水钻井船的阻力预报变得困难，而月池开口导致的阻力增加在总阻力中又占有较大的比重，所以准确预报钻井船阻力对航速估算及动力配置具有重要的意义。因此，钻井船阻力性能分析技术是第七代钻井船总体方案论证的又一项关键技术。
为突破该项关键技术，在研究中采取以下解决途径：首先，查阅国内外钻井船阻力性能分析的相关文献，学习相关基础理论，借鉴其研究方法，制订目标钻井船阻力研究方案。其次，学习并掌握基于计算流体力学的阻力分析软件，并采用定常和非定常方法对目标船型进行阻力性能预报，通过与模型试验结果的对比，掌握深水钻井船阻力性能分析方法。最后，通过对不同月池形式及位置的钻井船阻力性能研究，分析月池内流场特性及月池流与船底水流的相互影响，研究月池附加阻力的形成机理，总结月池附加阻力的变化规律，进而形成一套适用于深水钻井船阻力性能分析的技术手段。
3）大月池开口钻井船运动性能分析技术
第七代超深水钻井船作业环境条件更为恶劣，且大月池开口也会对船体运动性能产生更大影响。鉴于钻井船运动性能的好坏直接影响钻井船的钻井作业效率，因此大月池开口钻井船运动性能的准确预报至关重要，也是第七代钻井船总体方案论证的一项关键技术。
为突破该项关键技术，在研究中采取以下解决途径：首先，了解非线性水动力理论，研究其在大月池开口钻井船运动性能预报中的应用方法。其次，分别采用线性理论和非线性理论对钻井船的运动性能进行评估，研究非线性效应对钻井船运动性能的影响规律；再次，采用数值分析与模型试验相结合的方式，研究大尺度月池对钻井船运动性能的影响，了解数值计算方法预报大尺度月池钻井船运动性能的适用性。最后，在此基础上，研究并形成一套适用于深水钻井船运动性能分析的技术手段。
4）动力定位时域分析技术
第七代钻井船需满足在超深水域进行钻井作业的定位要求，而该作业水域的环境条件更为恶劣，对定位能力及定位精度预报提出了更高要求。传统的动力定位静态分析方法仅能对钻井船推进器功率配置需求进行评估，而无法确定钻井船的定位精度，因而动力定位时域分析技术成为钻井船动力定位分析急需解决的一项关键技术。
为突破该项关键技术，在研究中采取以下解决途径：首先，调研现有的环境载荷计算方法，借助计算流体力学和模型试验开展环境载荷计算方法研究，重点研究基于计算流体力学和计及遮蔽效应的环境载荷计算方法，以形成适用于超深水钻井船环境载荷计算的方法和流程。其次，分析掌握动力定位时域分析软件，通过对目标钻井船进行动力定位时域分析，掌握动力定位时域分析方法与流程，分析影响动力定位能力的各种因素，从而形成超深水钻井船定位精度的预报能力。
5）结构优化设计参数化工作流搭建技术
为实现第七代钻井船更高可变载荷及各项技术指标的要求，在保证结构强度基础上，尽量降低结构重量。常规结构设计通常以满足局部强度和总强度要求即可，即使进行局部优化设计，也是以人工设置为主，因此优化设计的范围及效率都不高。基于参数化的优化技术具有人工设置方法所不具备的高效率及更合理的优化结果，因此其核心内容优化工作流搭建技术是结构优化设计中急需解决的另一项关键技术。
为突破该项关键技术，在研究中采取以下解决途径：首先，结合对参数化数值优化分析软件的引进和优化分析方法理论的消化吸收，摸索掌握可应用于结构优化设计的数值优化分析流程和方法。其次，研究参数化建模方法和技术，保证各种类型结构基于设计参数变量自动实现结构有限元模型的建立。再次，对各类优化结构的变量选取、约束条件等优化过程中的关系、步骤进行分析提炼，以编制符合结构设计要求的优化工作流。最后，基于对优化算法的充分理解以及优化数值分析工具的灵活运用，完成并实现钻井船结构优化设计，取得满意的优化效果。
6）巨型环段移位合拢技术
钻井船的总装建造方案的确定将直接影响钻井船的建造方法、流程以及施工工艺，采用多岛总装建造方案，多个巨型环段同时建造，通过有效的精度控制方案保证环段的精度，最后通过移位合拢，大大提高钻井船的建造效率，缩短建造周期。因此，巨型环段移位合拢技术是提高第七代钻井船总体建造效率的一项关键技术。
为突破该项关键技术，在研究中采取以下解决途径：首先，充分利用船厂建造场地的设备设施能力，结合钻井船的结构特点，制订钻井船巨型环段划分方案；其次，调研国内外巨型环段的移位方式，对比分析各自的优缺点，并结合具体建造场地的设施条件，选取适用的巨型环段移位合拢方案；再次，结合钻井船的建造方案和特点，分析钻井船建造精度控制的影响因素，确定钻井船巨型环段建造精度控制方案，保证建造的精度要求；最后，运用有限元数值计算技术，对移位合拢过程中的巨型环段结构强度及变形进行校核，并完成移位和精度控制所需的大型工装设计，以保证钻井船巨型环段移位合拢的安全性和精度要求。
“第七代超深水钻井船开发”子课题完成了设计关键技术研究和船型开发，突破了总体方案论证、水动力性能、结构性能、关键设备系统集成，多岛总装建造等关键技术的课题研究任务，具备了结题条件，准备验收。目标船设计方面完成了概念设计和基本设计，相关图纸和技术文件已经通过了船级社审查，暂存备查。
该课题打破了国外对高端海洋工程装备的技术垄断，实现具备自主设计与建造深海钻井船的能力、推动我国海洋工程新技术和新产业链的发展，提升我国船舶工业在海洋工程领域的综合竞争力。
【注释】
[1]水声位置参考系统，hydroacoustic position reference。
[2]英寸为长度单位，1英寸＝2.54×10-2米。
[3]马力为功率单位，1马力＝745.700瓦。
[4]中集来福士海洋工程有限公司。
