劉大輝，Ove T. Gudmestad，白 勇，滕 瑤，陳 昱，吳延明

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264670；3.斯塔萬(wàn)格大學(xué)，挪威 斯塔萬(wàn)格 8600；4.煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264004)

北極地區(qū)主要是指北極圈(北緯66°34′)以北的區(qū)域，包括北冰洋和8個(gè)環(huán)北極國(guó)家(加拿大、丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典、俄羅斯和美國(guó))的北方領(lǐng)土。近年來，世界不同組織、機(jī)構(gòu)對(duì)該地區(qū)的油氣資源進(jìn)行了如火如荼的調(diào)查評(píng)估，盡管評(píng)估都顯示北極油氣資源的儲(chǔ)量相當(dāng)可觀，但是，要對(duì)北極油氣資源進(jìn)行規(guī)模開發(fā)，則會(huì)遇到眾多技術(shù)上的困難。

目前加拿大、美國(guó)、俄羅斯、挪威等國(guó)都已經(jīng)開展了北極的海上油氣勘探開發(fā)工作。近年來受到低油價(jià)的影響，及對(duì)環(huán)保因素的考慮，多數(shù)國(guó)家基本暫停了北極的海上油氣勘探開發(fā)活動(dòng)，但是俄羅斯仍在積極布局北極海上油氣資源的勘探開發(fā)工作。另外，很多油氣公司及海工裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)單位也在積極開展北極勘探開發(fā)裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，這些企業(yè)都看好未來的北極海上油氣資源開發(fā)前景，希望通過早期的研發(fā)設(shè)計(jì)積累，為未來積極參與北極勘探開發(fā)工作做好準(zhǔn)備。

本文就北極海上油氣資源開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)、適用的開發(fā)裝備及開發(fā)模式等進(jìn)行了分析研究，為我國(guó)參與極地油氣資源的勘探開發(fā)提出一些建議，對(duì)北極海上油氣資源開發(fā)裝備及模式的發(fā)展方向進(jìn)行了思考。

1 北極海上油氣資源開發(fā)的挑戰(zhàn)

北極的海上勘探開發(fā)面臨著路途遙遠(yuǎn)、生態(tài)環(huán)境脆弱、環(huán)境溫度超低、浮冰、冰山、極夜、暴風(fēng)雨(雪)、永久凍土、地震等挑戰(zhàn)[1]。

1.1 超低溫、浮冰、冰山等帶來的挑戰(zhàn)

北極地區(qū)1月份平均氣溫-20～-40 ℃，而氣溫最高的8月，平均氣溫也只有-8 ℃。北冰洋海域的表層廣泛覆蓋著海冰，冬季海冰最大覆蓋面積占北冰洋總面積的3/4，即使在暖季，海冰最小覆蓋面積也接近1/2，另外還分布著冰山、冰島。北極地區(qū)常年存在的超低溫和多浮冰環(huán)境給極地鉆井作業(yè)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如海洋浮式裝置的特殊防寒抗冰設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)困難、鉆井設(shè)備和工具機(jī)械性能降低、鉆井管柱易發(fā)生脆性破壞、鉆井液性能發(fā)生變化、隔水管容易被浮冰破壞、作業(yè)人員無(wú)法在露天環(huán)境下正常作業(yè)等[2]。

1.2 風(fēng)、浪、流等帶來的挑戰(zhàn)

隨著近年來海冰面積和厚度的減小，極區(qū)表面波強(qiáng)度已經(jīng)顯著增強(qiáng)，尤其在極區(qū)的冰緣區(qū)和副極區(qū)的冰水交界處，波浪引起的力是海冰運(yùn)動(dòng)的主要作用力之一。同時(shí)，由于極地海水的密度和鹽度隨深度變化較大，極地海域的內(nèi)波和海流以及引起的流體混合對(duì)極地海洋的循環(huán)和熱動(dòng)力學(xué)起到重要的作用。表面波、內(nèi)波和海流的傳播和變化不僅影響海冰的運(yùn)動(dòng)和分布，對(duì)工作在其影響區(qū)域內(nèi)的船舶和海洋平臺(tái)也將引起嚴(yán)重的環(huán)境載荷[3]。

北極海域的風(fēng)、浪會(huì)引起浮式結(jié)構(gòu)物大移位，導(dǎo)致隔水管發(fā)生變形和渦激振動(dòng)，因此對(duì)隔水管抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高要求。當(dāng)環(huán)境載荷超出隔水管作業(yè)極限載荷時(shí)，需要斷開隔水管系統(tǒng)和水下防噴器的連接。懸掛隔水管的動(dòng)態(tài)壓縮也可能造成局部失穩(wěn)，增大隔水管的彎曲應(yīng)力和碰撞月池的可能性。

1.3 暴風(fēng)雨(雪)帶來的挑戰(zhàn)

極地低壓(polar low)等會(huì)引起強(qiáng)烈的海洋暴風(fēng)雨(雪)，這對(duì)海洋平臺(tái)或船舶等具有極大的破壞作用。除了影響平臺(tái)或船只的安全作業(yè)、定位能力外，還會(huì)快速地在平臺(tái)上形成大量的積冰、積雪等，影響平臺(tái)上人員的安全，并對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性有較大影響，迅速降低平臺(tái)的有效可變載荷，歷史上出現(xiàn)過由此引起的平臺(tái)或船只失穩(wěn)或傾覆事故，有的鉆井平臺(tái)(船只)需要快速地排除鉆井泥漿、鉆桿等可變載荷來保證平臺(tái)或船只的安全。這對(duì)極地鉆井裝備、對(duì)海洋暴風(fēng)雨(雪)的預(yù)測(cè)及快速撤離危險(xiǎn)海域提出了更高要求。

1.4 路途遙遠(yuǎn)、極夜帶來的挑戰(zhàn)

北極地區(qū)是世界上最偏遠(yuǎn)的地區(qū)之一，人跡罕至，物資供應(yīng)極其困難，難以為石油鉆探提供穩(wěn)定可靠的后勤保障。另外，北極和南極都有極晝和極夜之分，一年內(nèi)大致連續(xù)六個(gè)月是極晝，六個(gè)月是極夜。極夜對(duì)海上油氣勘探生產(chǎn)作業(yè)帶來極大的不便，對(duì)海上作業(yè)人員的挑戰(zhàn)也極大。

1.5 脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)

北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，鉆井過程中一旦發(fā)生井噴，鉆救援井和海上溢油回收都十分困難。如出現(xiàn)漏油則極易對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來極大破壞。特別在冬季，該地區(qū)缺少光照，氣候寒冷，對(duì)漏油的吸收降解能力將更加困難。

1.6 凍土帶來的挑戰(zhàn)

在極地凍土層鉆井過程中，低溫環(huán)境會(huì)改變鉆井液的流變性，需要研究在低溫下具有較好抑制性的鉆井液體系，盡量降低鉆井液的凝固點(diǎn)。另外，鉆頭破巖過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)使井底升溫，導(dǎo)致凍土層軟化，造成井壁坍塌，給鉆井安全帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

2 北極海上油氣資源勘探開發(fā)的裝備

北極地區(qū)的惡劣環(huán)境條件及脆弱的生態(tài)環(huán)境等都增加了勘探、鉆井、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。目前適合極地惡劣環(huán)境的油氣資源勘探開發(fā)裝備數(shù)量非常有限。對(duì)國(guó)際上已經(jīng)開展的、正在建造或研發(fā)的極地油氣資源開發(fā)裝備進(jìn)行分析研究，希望通過比較分析發(fā)現(xiàn)未來極地開發(fā)裝備的主流方向。

2.1 固定式平臺(tái)(人工島)

淺水海域，多應(yīng)用固定式鉆井生產(chǎn)平臺(tái)鉆井。固定式鉆井平臺(tái)多采用鋼筋混凝土建造方式，平臺(tái)堅(jiān)固，重量大，抗冰能力強(qiáng)。如俄羅斯Prirazlomnaya固定平臺(tái)能抗3.5 m厚浮冰，加拿大Hibernia平臺(tái)可抵抗110萬(wàn)t冰山撞擊(見圖1)。另外，在庫(kù)克灣(Cook Inlet)等海況較好的海域，利用導(dǎo)管架平臺(tái)鉆井和生產(chǎn)。此外，在由礫石或冰建造的人工島上進(jìn)行鉆井作業(yè)，也是最為經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。淺水區(qū)除了用各種材料建造人工島外，各種沉箱或擋水結(jié)構(gòu)也被用作鉆井設(shè)施。例如：?？松梨诠驹诒睒O作業(yè)中使用了礫石島、冰島、沉箱固定島(CRI)、混凝土島鉆井系統(tǒng)(CIDS)、Molikpaq和單個(gè)鋼制鉆井沉箱(SSDC)系統(tǒng)[4]。

2.2 自升式鉆井平臺(tái)

目前，北極海況條件較好的海域和夏季無(wú)冰期的海域或冰情較輕的情況下，可采用自升式鉆井平臺(tái)鉆井，主流的極地自升式鉆井平臺(tái)如下。

(1) “奮進(jìn)號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)?！皧^進(jìn)號(hào)”是一座由Marathon LeTourneau公司建造的116-C自升式鉆井平臺(tái)，1982年制造，2004年經(jīng)過升級(jí)改裝(見圖2)。可在91.4 m水深中作業(yè)，用-10 ℃級(jí)別的鋼建造而成，可在包括楚科奇海(Chukchi Sea)和波佛特海(Beaufort Sea)在內(nèi)的北極圈內(nèi)的廣闊環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)安全工作。

(2)GustoMSC SEA ICE系列自升式鉆井平臺(tái)。GustoMSC設(shè)計(jì)的 SEA ICE系列自升式鉆井平臺(tái)(見圖3)，采用全封閉式設(shè)計(jì)，作業(yè)水深30～50 m，可抗2 m厚的浮冰，冰級(jí)相當(dāng)于PC4。SEA ICE采用四個(gè)圓形腿作為支撐腿，配備液壓舉升系統(tǒng)。

圖1 俄羅斯Prirazlomnaya平臺(tái)及加拿大Hibernia平臺(tái)

圖2 “奮進(jìn)號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)

圖3 GustoMSC SEA ICE自升式鉆井平臺(tái)

(3) “Arkticheskaya”號(hào)、“Amazon”號(hào)自升式鉆井平臺(tái)。由Gazflot擁有和運(yùn)營(yíng)的“Arkticheskaya”號(hào)、“Amazon”號(hào)自升式鉆井平臺(tái)(見圖4)，“Arkticheskaya”號(hào)最大工作水深100.6 m，最大鉆井深度6553.2 m，樁腿長(zhǎng)度121.9 m，主尺度為61.7 m ×66.1 m ×9.4 m，由CDB Corall設(shè)計(jì)，Zvezdochka船廠在2012年建造?！癆mazon”號(hào)最大工作水深52.3 m，最大鉆井深度3048.0 m，由Gusto Engineering 設(shè)計(jì)，1982年建造于Stord Verft A/S at the Aker Stordverft Norway shipyard，入籍挪威船級(jí)社(DNV)[5]。

圖4 “Arkticheskaya”號(hào)、“Amazon”號(hào)自升式鉆井平臺(tái)

圖5 勘探六號(hào)

(4)Nordic、Shelf Exp.、勘探六號(hào)(見圖5)。三座自升式鉆井平臺(tái)的適應(yīng)溫度為-20 ℃，最大作業(yè)水深90 m，最大鉆井深度7500 m(勘探六號(hào)為9000 m)，最大工作風(fēng)速分別為70節(jié)、88節(jié)、90節(jié)，作業(yè)可變載荷為2700 t、2955 t、3400 t，頂驅(qū)鉤載為450 t、450 t、680 t[6]。

(5)吉寶岸外與海事研發(fā)項(xiàng)目。新加坡吉寶岸外與海事公司在設(shè)計(jì)及工程領(lǐng)域子公司Keppel O&M Technology Centre及美國(guó)康菲國(guó)際石油有限公司聯(lián)合開展了極地用自升式鉆井平臺(tái)的開發(fā)項(xiàng)目，該極地用自升式鉆井平臺(tái)將服務(wù)在北冰洋近海油田上。平臺(tái)將通過Dual Cantilever，在一定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行最佳的鉆井工作；在沒有外部援助的情況下，自己可進(jìn)行最多14 d的鉆井工作。還有該鉆井平臺(tái)的船體可以抵消來自流冰的沖擊[7]。

2.3 鉆井船

(1) “Stena DRILLMAX ICE”號(hào)。韓國(guó)三星重

工集團(tuán)推出了一種既適應(yīng)全球超深水作業(yè)又適應(yīng)北極惡劣氣候的鉆井船：三星DP Dual Mast Ice+1A1型鉆井船。其甲板起重機(jī)額定作業(yè)溫度-30 ℃，符合耐寒基本要求。

瑞典Stena公司與韓國(guó)三星重工集團(tuán)簽訂了建造一艘Stena DRILLMAX ICE Ⅳ型鉆井船(見圖6)的合同，“Stena DRILLMAX ICE Ⅳ”號(hào)鉆井船是世界上第一艘動(dòng)力定位的雙鉆塔冰區(qū)鉆井船，配備動(dòng)力定位系統(tǒng)，額定作業(yè)水深3048 m，配備雙井架和雙作業(yè)鉆機(jī)，額定鉆深10 668 m，船長(zhǎng)228 m，寬42 m，高19 m，排水量97 000 t，可以在-40℃溫度、16 m浪高和41 m/s風(fēng)速的環(huán)境下作業(yè)，冰級(jí)符號(hào)為+1A1，船體冰級(jí)為PC5，安裝6個(gè)5500 kW的ICE-10冰級(jí)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，造價(jià)11.5億美元。

圖6 “Stena DRILLMAX ICE Ⅳ”號(hào)極地鉆井船

(2)大宇造船與海洋工程公司的北極鉆井船。大宇造船與海洋工程公司目前正在開發(fā)能夠在北極作業(yè)的鉆井船。該船采用球鼻艏設(shè)計(jì)，適合在無(wú)冰水域和薄冰區(qū)域航行；船尾采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以適于厚冰區(qū)域操作。該船安裝有2個(gè)Azipod裝置和4個(gè)可收縮方位推進(jìn)器，以提高船舶操作和動(dòng)力定位能力。該船的作業(yè)環(huán)境為0.5～1.5 m厚冰區(qū)，在薄冰區(qū)域的穿透度為90%以上，在厚冰區(qū)域的穿透度為50%[8]。

(3) “PRD12000”冰區(qū)型鉆井船、“Pelican”冰區(qū)鉆井船。GustoMSC公司在20世紀(jì)70年代開發(fā)了可在冰區(qū)作業(yè)的“Pelican”級(jí)冰區(qū)鉆井船。近期開發(fā)的“PRD12000”冰區(qū)型鉆井船適合在北極航行和作業(yè)，滿足ICE-05船級(jí)符號(hào)要求。新加坡吉寶船廠為Frontier鉆井公司和殼牌公司總裝的2艘“Bully”級(jí)鉆井船就采用了“PRD12000”型設(shè)計(jì)方案，首艘船“Bully 1”號(hào)于2010年交付[8]。

(4)俄羅斯克雷洛夫國(guó)家科學(xué)中心研發(fā)北極鉆井船。俄羅斯克雷洛夫國(guó)家科學(xué)中心研發(fā)的北極鉆井船可在北極風(fēng)暴中航行，破冰能力可達(dá)1.5 m，并可在北極地區(qū)獨(dú)自作業(yè)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月時(shí)間。

(5)GustoMSC全封閉鉆井平臺(tái)和鉆井船。GustoMSC NanuQ系列鉆井船(見圖7)：可抗4 m厚浮冰，冰級(jí)PC4，最大作業(yè)水深1524.0 m，可提供DP3動(dòng)力定位和錨泊定位兩種選擇，作業(yè)區(qū)域覆蓋全部北極地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)全年候作業(yè)。

圖7 NanuQ極地鉆井船

(6)Cat-I極地鉆井船。挪威Inocean公司為Statoil所做的Cat-I鉆井船概念設(shè)計(jì)(見圖8)，配備耐寒裝置。船長(zhǎng)232 m，寬40 m，型深19 m，工作排水量為89 800 t，有效載重量為22 400 t，危險(xiǎn)區(qū)域和噪音遠(yuǎn)離生活區(qū)，不僅適合極地使用，在任何開敞水域的鉆井效率都得到優(yōu)化提升。船體進(jìn)行了冰區(qū)加強(qiáng)，采用動(dòng)力定位時(shí)可抵抗16 m的冰脊，錨泊定位時(shí)可抵抗水下8 m的浮冰。同時(shí)，具有一定的破冰航行能力，可在3～4節(jié)航速下穿越1.2 m厚的冰層。工作水深為100～1500 m，可進(jìn)行鉆井、完井、水下維護(hù)、電纜測(cè)井，以及試井等工作。北極地區(qū)的鉆井深度為5000 m，自持力120 d。開敞水域的鉆井深度可達(dá)8500 m[9]。

2.4 柱穩(wěn)半潛式鉆井平臺(tái)(Column Stabilized)

(1)Moss Maritime CS50/60設(shè)計(jì)。典型代表是俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司(Gazprome)的“北極星Polar Star”“北極光Northern Light”兩座柱穩(wěn)半潛式鉆井平臺(tái)(見圖9)，采用的是MOSS Maritime 設(shè)計(jì)的CS50型，可以在巴倫支海(Barents Sea)和喀拉海(Kara Sea)作業(yè)，兩座平臺(tái)由韓國(guó)大宇造船與海洋工程公司于2010年建造交付，于2015年12月到達(dá)煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，完成了技術(shù)維修改裝和5年特檢取證工作。

圖8 Cat-I鉆井船布置示意圖

圖9 “北極星Polar Star”“北極光Northern Light”柱穩(wěn)半潛式鉆井平臺(tái)

(2)GM4-D系列半潛式鉆井平臺(tái)。 煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司聯(lián)合挪威設(shè)計(jì)公司Global Maritime AS自主研發(fā)設(shè)計(jì)并總裝建造交付的“North Dragon”“Beacon Pacific”和“Beacon Atlantic”三座GM4-D系列柱穩(wěn)半潛式鉆井平臺(tái)(見圖10)，煙臺(tái)中集來福士擁有80%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，該平臺(tái)可以抵抗0.3 m厚的冰，擁有ICE-T、Winterization和Clean Design等符號(hào)，可以在巴倫支海作業(yè)，具備極地冰區(qū)作業(yè)的能力。

(3)“極地先鋒號(hào)”鉆井平臺(tái)。瑞士越洋鉆探公司Transocean建造了“極地先鋒號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)(見圖11)，目前正在挪威巴倫支海Skrugard油田服務(wù)。該平臺(tái)的鉆機(jī)組塊和管匯采用低溫碳鋼建造，所有操作都是全封閉的，并配有加熱系統(tǒng)，便于在寒冷的北極地區(qū)開展油氣鉆探活動(dòng)[10]。

圖10 “North Dragon”“Beacon Pacific”柱穩(wěn)半潛式鉆井平臺(tái)

圖11 “極地先鋒號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)

2.5 圓筒半潛式鉆井平臺(tái)

(1)Sevan Marine圓筒形半潛式鉆井平臺(tái)。挪威Sevan Marine公司以制造半潛式圓筒形鉆井儲(chǔ)油平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制造適用于北極海上的抗冰圓筒形半潛式鉆井平臺(tái)(見圖12)。Sevan Marine圓筒形半潛式鉆井平臺(tái)配備圓筒形破冰船體，可抗2 m厚浮冰，作業(yè)水深60～1500 m。上部模塊、管道及電纜完全封閉，并擁有可拆換的系泊及立管系統(tǒng)。

圖12 Sevan Marine公司圓筒形鉆井平臺(tái)

圖13 受11 m高的巨浪襲擊，殼牌公司“Kulluk”號(hào)鉆井船擱淺

(2)“Kulluk”鉆井平臺(tái)。2012年7月初，殼牌公司的“Kulluk”鉆井平臺(tái)(見圖13)駛向阿拉斯加北極地區(qū)，計(jì)劃在波佛特海的一個(gè)海域(距離阿拉斯加州海岸大約32 km)鉆2口探井，在楚科奇海的一個(gè)海域(距離阿拉斯加州海岸大約112 km)鉆3口探井。其主要目的是對(duì)這2個(gè)區(qū)域做進(jìn)一步的勘探和研究，而不是開采石油。2013年1月1日，該鉆井船在拖航中遭遇風(fēng)暴，船體和設(shè)備受到損壞，不得不返回船塢整修。同年2月12日，殼牌公司宣布暫停北極石油勘探鉆井活動(dòng)。

(3)Huisman可升降圓筒形半潛式鉆井平臺(tái)。近北極區(qū)的主要特點(diǎn)是冬季結(jié)冰很厚，夏季風(fēng)大浪高。針對(duì)這種特殊氣候，荷蘭Huisman設(shè)備公司設(shè)計(jì)了兩種適合近北極地區(qū)的半潛式鉆井平臺(tái)，即“JBF Arctic”和“Arctic S”鉆井平臺(tái)(見圖14)。其中“JBF Arctic”作業(yè)水深50～1500 m，采用20點(diǎn)錨泊定位，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠承受冬季厚冰(冰厚度可達(dá)2.0～3.0 m)和夏季風(fēng)浪沖擊，便于在近北極地區(qū)全年全天候作業(yè)。該鉆井平臺(tái)可在兩種吃水深度下作業(yè)：在無(wú)冰水域，可像普通半潛式鉆井平臺(tái)一樣進(jìn)行作業(yè)或拖航；在覆冰水域，通過壓載艙(部分進(jìn)水)增加吃水深度，平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)快速升降，以保護(hù)隔水管免受冰的破壞，有效保護(hù)隔水管等設(shè)施的安全和穩(wěn)定。無(wú)冰期可作為傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)，移動(dòng)性能好?！癆rctic S”可抵抗冰厚為1.0～1.5 m，配備16點(diǎn)錨泊，作業(yè)水深為35～1000 m，除了具備“JBF Arctic”的兩種作業(yè)模式外，在12.0～29.2 m水深情況下作為重力式平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。

3 極地深海油氣開發(fā)模式新技術(shù)

隨著新材料、制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊和氣象科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，及鉆井作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化程度不斷提高，鉆井作業(yè)將實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，鉆井效率與成功率極大提高，并將惡劣氣候?qū)︺@井作業(yè)的不利影響降至最低，從而逐步提高北極深海鉆探生產(chǎn)的安全性。北極深海的油氣開采一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來成為可能[11]。

3.1 套管鉆井技術(shù)

目前，可利用套管鉆井技術(shù)(CWD)來改善北極環(huán)境中的鉆井作業(yè)。該技術(shù)可使作業(yè)者一趟完成鉆井和下套管作業(yè)，對(duì)鉆井液的排量要求相對(duì)較低，從而避免引起井眼擴(kuò)大。由于排量較低，因此可以使用更小、更輕便的鉆機(jī)設(shè)備，降低了搬運(yùn)鉆機(jī)時(shí)對(duì)冰層最小厚度的要求，從而延長(zhǎng)了北極的冬季作業(yè)時(shí)間[4]。

3.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)

水下鉆井系統(tǒng)包括海底鉆機(jī)模塊和上部輔助保障模塊兩部分。海底鉆機(jī)通過模塊化結(jié)構(gòu)運(yùn)輸和組裝，利用井底電動(dòng)馬達(dá)或水下頂驅(qū)，通過遠(yuǎn)程控制水下機(jī)器人完成鉆完井、修井作業(yè)。上部保障模塊主要是輔助船或冰上設(shè)備，通過連續(xù)撓性管柱、臍帶管及電纜，實(shí)現(xiàn)鉆井過程中循環(huán)鉆井液、電力供應(yīng)、遠(yuǎn)程控制，應(yīng)急處理等。

水下鉆井具備以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制完成鉆完井、修井作業(yè)，節(jié)約投資30%～40%以上、降低惡劣天氣干擾；井底電動(dòng)馬達(dá)或水下頂驅(qū)鉆井；遇大塊浮冰威脅，輔助船可短時(shí)間與隔水管斷開，迅速撤離；可實(shí)現(xiàn)極地環(huán)境全年候作業(yè)：無(wú)冰期依靠輔助船配合，冰封期在冰層上遠(yuǎn)程控制。

挪威的Robotic Drilling System AS 公司和英國(guó)的 Maris International等公司的海底鉆機(jī)已完成概念設(shè)計(jì)。部分單元已經(jīng)進(jìn)行了地面試驗(yàn)。目前用于海底取樣海底鉆機(jī)已經(jīng)應(yīng)用，具備較大作業(yè)水深和鉆井能力的海底鉆機(jī)仍處在概念設(shè)計(jì)階段。

4 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過總結(jié)目前全球正在建造或研發(fā)的項(xiàng)目情況，并結(jié)合已經(jīng)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，作者認(rèn)為極地海上油氣資源勘探開發(fā)的未來發(fā)展趨勢(shì)如下。我國(guó)的海工裝備研發(fā)及建造企業(yè)可以根據(jù)自身的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)做好布局，力爭(zhēng)獲得較好的技術(shù)儲(chǔ)備和積累。

(1)鉆井裝備及操作區(qū)趨向于采用全封閉設(shè)計(jì)，保障裝備運(yùn)行效率和人員安全。

(2) 船體、隔水管、定位系統(tǒng)等具備較強(qiáng)的抗暴風(fēng)雪和冰荷載能力，最大限度地降低北極海域惡劣環(huán)境對(duì)鉆井裝備帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)采用輕質(zhì)耐低溫的新材料，自動(dòng)化安全控制系統(tǒng)。

(4) 提高鉆井平臺(tái)自身的抗冰耐寒能力和自持力，并配備破冰船和破冰供給船等冰管理系統(tǒng)，增加冰期的活動(dòng)能力，延長(zhǎng)作業(yè)期。

(5)智能冰負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安全高效管理裝備。

(6)海底鉆機(jī)的研制與應(yīng)用，降低惡劣環(huán)境的影響。

(7)浮式鉆井或生產(chǎn)裝備具備快速解脫和再連接的能力，應(yīng)對(duì)冰山等不可抗因素。

(8)水下鉆井(生產(chǎn))系統(tǒng)的運(yùn)用，提高鉆井和生產(chǎn)的效率及安全性。

目前美國(guó)、加拿大等國(guó)家均停滯了北極的開發(fā)進(jìn)程，俄羅斯還在積極開展北極的海上油氣開發(fā)工作，但是受到歐美的制裁，目前在尋求亞洲國(guó)家的合作，我國(guó)的裝備研發(fā)和總裝建造企業(yè)應(yīng)該與中國(guó)的油氣公司一起參與到俄羅斯的北極開發(fā)工作中。極地裝備的開發(fā)不僅僅與船型有關(guān)，而且與設(shè)備有關(guān)，更與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)特別是環(huán)境數(shù)據(jù)有關(guān)，考慮到北極主權(quán)因素影響，歐洲和俄羅斯等國(guó)家進(jìn)行合作開發(fā)，是一種可行性較高的推進(jìn)方式。

另外，由于北極脆弱的環(huán)境，一直有許多針對(duì)北極區(qū)環(huán)保問題的研究，如溢油處理、鉆井活動(dòng)對(duì)北極生態(tài)系統(tǒng)的影響等相關(guān)的研究也是北極開發(fā)裝備研發(fā)需要重點(diǎn)考慮的。