師桂杰，馮加果，康美澤，張正藝，劉圓

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中海石油（中國(guó)）有限公司，北京 100010；3.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；4.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074； 5.中國(guó)船級(jí)社天津分社，天津 300457）

一、前言

北極自然環(huán)境惡劣，存在低溫考驗(yàn)、海冰阻礙、冰山襲擊、暴風(fēng)雪襲擊、生態(tài)環(huán)境脆弱、極夜困擾、能見度差等挑戰(zhàn)，因此，對(duì)極地海洋工程裝備提出了嚴(yán)格要求。北極具有豐富的油氣資源，2008年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局評(píng)估報(bào)告顯示，北極待發(fā)現(xiàn)石油900 億桶，占全球13%，天然氣4.7×1013m3，占全球30%。其中，俄羅斯儲(chǔ)量最大，約占58%，大部分為天然氣資源 [1]。本文主要分析用于北極海洋油氣開發(fā)的極地海洋工程裝備。

隨著北極海冰的消融，東北航道貨運(yùn)規(guī)模提升，黃金水道價(jià)值逐漸體現(xiàn)，無(wú)冰級(jí)船舶通航時(shí)間從每年的7月初到9月底，PC4冰級(jí)以上可全年通航東北航道 [2]，北極油氣開采與運(yùn)輸技術(shù)難度降低。由于北極油氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高、投資大，降低油氣開發(fā)成本并保證安全唯有依賴高端極地海洋工程裝備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012—2018年北極油氣開發(fā)投資的50%以上用于輸油管道建設(shè)，31%投資用于海工平臺(tái)建設(shè)，其中固定式平臺(tái)投資占75% [3]。近十年，北極油氣開發(fā)的重要油氣工程包括：加拿大紐芬蘭Terra Nova 與 White Rose、挪威Sn?hvit與Goliat、俄羅斯Sakhalin II與Yamal LNG等[4]。

目前，俄羅斯是北極油氣開發(fā)的主要推動(dòng)者，其國(guó)家戰(zhàn)略視北極為能源戰(zhàn)略基地，通過制定政策降低北極油氣開發(fā)稅率，提高外資允許占比，吸引外方投資與技術(shù)服務(wù)。俄羅斯本土公司如諾瓦泰克、俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司、俄羅斯石油公司，法國(guó)道達(dá)爾公司，意大利埃尼集團(tuán)，英國(guó)殼牌集團(tuán)等非北極國(guó)家油氣企業(yè)紛紛搶灘北冰洋[5]。2014年，歐美對(duì)俄羅斯進(jìn)行石油產(chǎn)業(yè)制裁[6]，包括限制投資或提供設(shè)備/技術(shù)出口，并延伸至已簽訂合作項(xiàng)目。俄羅斯迫切希望中方參與北極油氣資源開發(fā)，包括金融投資、油氣開采、裝備制造、能源運(yùn)輸?shù)软?xiàng)目合作。

我國(guó)是世界貿(mào)易大國(guó)、能源進(jìn)口大國(guó)與造船大國(guó)，參與北極油氣資源開發(fā)有利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源供應(yīng)與海洋裝備出口。但是，我國(guó)參與北極油氣開發(fā)時(shí)間晚且規(guī)模較小、極地海洋工程裝備能力弱、尚有關(guān)鍵技術(shù)仍未突破，不能滿足我國(guó)參與北極油氣開發(fā)的戰(zhàn)略需求。本文基于能源供應(yīng)與裝備出口等角度，分析我國(guó)極地海洋工程裝備的發(fā)展需求；結(jié)合總體油氣分布情況與開發(fā)現(xiàn)狀，分析極地海洋工程裝備的總體應(yīng)用現(xiàn)狀；圍繞北極油氣開發(fā)難點(diǎn)，分析并提出北極油氣裝備的關(guān)鍵技術(shù)；最后提出我國(guó)極地海洋工程裝備的發(fā)展建議，為國(guó)家及相關(guān)行業(yè)參與北極油氣開發(fā)提供參考。

二、我國(guó)極地海洋工程裝備的發(fā)展需求

（一）促進(jìn)北極海上油氣開采，構(gòu)建北極能源進(jìn)口的穩(wěn)定渠道

北極政治環(huán)境穩(wěn)定、海上航線較短，我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)油氣進(jìn)口額度持續(xù)增加，對(duì)北極豐富的油氣資源存在重大需求，建立能源供應(yīng)的多元渠道是保障我國(guó)能源安全的重要措施。隨著北極油氣開發(fā)規(guī)模增加，“冰上絲綢之路”有望成為我國(guó)能源進(jìn)口的主要渠道之一。發(fā)展極地油氣海洋裝備，通過裝備出口、工程服務(wù)、金融投資等多種方式深度參與北極油氣開發(fā)，為低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)北極油氣進(jìn)口份額提供裝備支撐，有利于滿足我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源進(jìn)口增長(zhǎng)的硬性需求。

（二）降低北極油氣項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)我國(guó)北極油氣投資安全

我國(guó)適時(shí)支持俄羅斯北極油氣開發(fā)，2013— 2016年收購(gòu)俄羅斯北極Yamal液化天然氣（LNG）項(xiàng)目29.9%股份，提供銀行貸款總計(jì)120億美元，參與海洋裝備建造、油氣田工程服務(wù)、港口建設(shè)等項(xiàng)目。2019年中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司與中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司分別收購(gòu)俄羅斯北極LNG-2項(xiàng)目10%股權(quán)，未來北極LNG-3 ～ LNG-7項(xiàng)目仍是我國(guó)海外投資的重要方向。目前我國(guó)在北極直接投資規(guī)模超300億美元，巨額投資風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，油氣勘探不利、油氣泄露事故、裝備建造延期等均會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目推遲甚至失敗。依托我國(guó)完善的工業(yè)體系與科技體系，發(fā)展極地油氣海洋裝備技術(shù)，突破北極惡劣自然環(huán)境束縛，具備參與俄羅斯北極油氣開發(fā)的技術(shù)實(shí)力，才能更好地維護(hù)我國(guó)海外投資安全與投資收益。

（三）帶動(dòng)極地戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)

北極油氣開發(fā)的海洋裝備價(jià)值巨大，以正在開發(fā)的北極LNG-2項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目新建重力式混凝土平臺(tái)、破冰型LNG運(yùn)輸船、破冰型油船等裝備訂單總價(jià)超過120億美元。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，計(jì)劃開發(fā)北極油氣項(xiàng)目超過10個(gè)，預(yù)計(jì)北極油氣海洋裝備未來訂單將超數(shù)千億美元，為船舶工業(yè)發(fā)展提供巨大市場(chǎng)。我國(guó)發(fā)展極地油氣海洋裝備，突破防寒保溫、破冰除冰、凍土鉆探、冰下通信導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)低溫新材料、極地裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重大拉動(dòng)作用。

（四）積累北極數(shù)據(jù)資料與作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，提升對(duì)北極環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知

我國(guó)參與北極油氣資源開發(fā)，帶動(dòng)裝備技術(shù)與專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入北極，利用北極作業(yè)活動(dòng)時(shí)機(jī)，加強(qiáng)北極環(huán)境與資源調(diào)查，全面掌握北極地質(zhì)、水文、聲電磁場(chǎng)、能源等分布，增強(qiáng)我國(guó)對(duì)北極科學(xué)認(rèn)知，開展國(guó)產(chǎn)極地油氣海洋裝備的實(shí)地評(píng)估，積累北極海上與海底的作業(yè)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，提高我國(guó)在北極的應(yīng)急救援與國(guó)際治理能力。

三、極地海洋工程裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于環(huán)北極國(guó)家，俄羅斯北極油氣儲(chǔ)量最大且開采態(tài)度最積極[7]，挪威北極油氣開采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富 [8]，美國(guó)與加拿大對(duì)北極油氣開采具有不確定性，格陵蘭與冰島有預(yù)測(cè)儲(chǔ)量但未實(shí)質(zhì)開采。未來，俄羅斯、挪威、冰島、丹麥四國(guó)是我國(guó)未來參與極地資源開發(fā)的潛在合作國(guó)家，其中俄羅斯是最大合作伙伴，未來中俄能源貿(mào)易增量將主要來自北極海上。

（一）北極油氣勘探裝備

適合北極海上油氣勘探的裝備非常有限，主要采用抗冰鉆井船與抗冰半潛式鉆井平臺(tái)，還研發(fā)了圓形鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)，可全年在北極工作。北極油氣勘探海洋裝備主要設(shè)計(jì)因素包括海冰、波浪、水深、氣象與作業(yè)時(shí)間，其關(guān)鍵系統(tǒng)為鉆井裝置、海冰控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)和水下設(shè)備。

極地鉆井船具有甲板面積大、自給能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。2007年英國(guó)Stena鉆井公司委托韓國(guó)三星重工業(yè)株式會(huì)社建造全球首艘極地深水鉆井船DRILLMAX ICE IV，造價(jià)11.5億美元，相當(dāng)于2～3倍常規(guī)鉆井船造價(jià)。該船主尺度為船長(zhǎng)228 m，排水量9.7×104t，設(shè)計(jì)溫度-40℃，PC5冰級(jí)，設(shè)計(jì)作業(yè)水深3000 m，最大鉆井深度10000 m，采用動(dòng)力定位DP3，抵抗16 m海浪和41 m/s海風(fēng)。

極地半潛鉆井平臺(tái)適用于深水區(qū)，僅適用于低冰情區(qū)域。2001—2019年建造的極地半潛鉆井平臺(tái)見表1。 2014年，中集來福士海洋工程有限公司為中海油田服務(wù)股份有限公司建造的第四座深水半潛式鉆井平臺(tái)“中海油服興旺號(hào)”（COSL PROSPECTOR），該平臺(tái)型長(zhǎng)104.5 m，型寬70.5 m，型高37.55 m，最大工作水深1500 m，最大鉆井深度7600 m，滿足冰級(jí)、環(huán)保和低溫作業(yè)要求，能夠在挪威北海的惡劣環(huán)境下作業(yè)。2015年，中集來福士海洋工程有限公司為挪威建造的極地半潛式鉆井平臺(tái)“維京龍”號(hào)，是我國(guó)建造的首座適合北極海域作業(yè)的深水半潛式鉆井平臺(tái)。該平臺(tái)最大工作水深500 m，可升級(jí)到1200 m，最大鉆井深度8000 m，配置了DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)和八點(diǎn)系泊系統(tǒng)，最低服務(wù)溫度為-20℃，滿足冰級(jí)需求。

表1 2001—2019年建造的極地半潛鉆井平臺(tái)

（二）北極油氣開發(fā)裝備

北極海上油氣開采模式包括海油陸采、固定式平臺(tái)、浮式平臺(tái)、海底開采四大類型[9]，見表2。北極油氣開發(fā)海洋裝備包括人工島、混凝土重力式平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）、浮式平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)等。

表 2 北極海上油氣開采模式

人工島主要用在美國(guó)、加拿大、俄羅斯北極近海區(qū)域，屬于海洋工程與土木工程的交叉領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)為建島速度快、成本低、有效場(chǎng)地面積更大，關(guān)鍵技術(shù)包括挖泥船冰區(qū)吹填、凍土施工、邊坡穩(wěn)定等。

混凝土重力式平臺(tái)是目前北極使用最廣泛的生產(chǎn)平臺(tái)，主要適用于淺水區(qū)（水深＜100 m）。典型代表為Hibernia平臺(tái)、Prirazlomnaya平臺(tái)、LNG-2平臺(tái)。其核心結(jié)構(gòu)為沉箱、立柱和上部甲板；其優(yōu)點(diǎn)為下部沉箱儲(chǔ)油，平臺(tái)依靠自身重量保持穩(wěn)定，抵抗海冰環(huán)境荷載能力和抗腐蝕能力更強(qiáng)。

FPSO應(yīng)用于北極冰情不是很嚴(yán)重的區(qū)域。優(yōu)點(diǎn)是具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力大、可移動(dòng)、重復(fù)使用；缺點(diǎn)是受波浪、海冰等環(huán)境荷載影響較大。北極有4個(gè)在產(chǎn)項(xiàng)目使用FPSO，包括紐芬蘭島東部海域Terra Nova和White Rose、挪威海的Balder油田以及挪威巴倫支海的Goliat油田。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為深水油氣開采的主要方式。其核心設(shè)備包括水下井口、采油樹、水下管匯、跨接管、海底管道和立管系統(tǒng)等。其關(guān)鍵技術(shù)包括為防止海冰破壞，水下井口和管匯低于海床、管道與設(shè)備之間采用弱連接技術(shù)、管道埋深較大。挪威Sn?hvit項(xiàng)目是首個(gè)采用全水下系統(tǒng)開發(fā)的海上氣田，離岸距離145 km，水深250～345 m，2007年投產(chǎn)。

（三）北極油氣運(yùn)輸裝備

海上輸油管道可串聯(lián)海上生產(chǎn)平臺(tái)與岸上設(shè)施、北極海上各平臺(tái)之間、水下井頭與生產(chǎn)平臺(tái)之間、生產(chǎn)平臺(tái)與附近裝載浮體之間、水下井頭與岸上設(shè)施之間等。海底管道是油氣生產(chǎn)的“血管”，串聯(lián)起海底井頭和海底生產(chǎn)設(shè)施，有利于減少分布式油田所需平臺(tái)的數(shù)量。

油氣資源的船舶運(yùn)輸成本遠(yuǎn)低于海底管道，運(yùn)輸范圍更加靈活。極地LNG船設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧常規(guī)海況下的快速性、適航性以及冰區(qū)海況下的雙向破冰性能，通常采用吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)。LNG船艙主要采用球形和膜型兩種形式。2016年11月全球首艘北極專用LNG船“Christophe de Margerie”號(hào)順利完工，PC4冰級(jí)，連續(xù)破冰厚度達(dá)2.1 m，新造價(jià)為3.3億美元，約為常規(guī)LNG船造價(jià)的2倍。

（四）北極油氣作業(yè)保障裝備

后勤保障對(duì)于北極地區(qū)鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行至關(guān)重要，而極地供給船是確保后勤保障的關(guān)鍵。由于全年可鉆井時(shí)間短，鉆探成本高，需要保證鉆井裝置物資的持續(xù)供應(yīng)以實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行。具有代表性的是阿克爾北極技術(shù)公司開發(fā)的“ARC105”型破冰平臺(tái)供應(yīng)船，主要用于為海洋平臺(tái)和鉆井船提供物資及設(shè)備，進(jìn)行破冰/冰區(qū)管理作業(yè)，具備防火和救援能力，為海洋結(jié)構(gòu)物提供救援和守護(hù)服務(wù)。

綜上，目前北極油氣勘探主要使用半潛式平臺(tái)，未來帶儲(chǔ)油功能的新型鉆井船將是發(fā)展方向。北極油氣生產(chǎn)主要采用人工島與重力式平臺(tái)，未來隨著走向深海，F(xiàn)PSO、Spar平臺(tái)與水下生產(chǎn)系統(tǒng)將是主流?？紤]到北極后勤保障距離遙遠(yuǎn)，同時(shí)具有鉆井與生產(chǎn)功能的平臺(tái)將受到市場(chǎng)歡迎。北極油氣運(yùn)輸采用海底管道的成本太高，破冰型油船/LNG船將是未來油氣運(yùn)輸?shù)闹髁?。極地海洋工程裝備在抗冰、海冰管理、應(yīng)急脫險(xiǎn)、消防逃生、自給保障能力、環(huán)保性能等方面有特殊要求。

四、極地海洋工程裝備的關(guān)鍵技術(shù)

（一）北極海冰環(huán)境預(yù)報(bào)和海冰管理系統(tǒng)

北冰洋有常年不化冰蓋、當(dāng)年冰、大面積浮冰以及大塊冰山，海冰環(huán)境研究是極地海洋工程裝備設(shè)計(jì)建造以及作業(yè)的前提條件。北極海冰使結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如海冰對(duì)結(jié)構(gòu)物載荷、冰山碰撞安全性評(píng)估、冰水混合物中的航行性能評(píng)估等。研發(fā)特定作業(yè)區(qū)域的海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)展海冰分布遙感監(jiān)測(cè)、海冰漂移監(jiān)測(cè)、船基海冰力學(xué)性能采集系統(tǒng)、船載雷達(dá)冰情探測(cè)、冰下環(huán)境探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，建立高精度海冰預(yù)報(bào)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海冰的威脅程度。

為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的有效作業(yè)時(shí)間，北極海洋裝備除提高抗冰撞能力之外，還應(yīng)配備完整的海冰管理系統(tǒng)。海冰管理系統(tǒng)指的是避免浮冰或冰山與海工平臺(tái)發(fā)生碰撞的海上活動(dòng)總稱，包括海冰監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、冰情預(yù)警、破冰船舶管理等。研發(fā)作業(yè)區(qū)域周邊海域冰情預(yù)警系統(tǒng)，建立破冰船智能協(xié)同作業(yè)管理系統(tǒng)，提高船隊(duì)的總體破冰效率，用于破碎、攔截、控制海冰，避免其對(duì)海洋裝備的破壞。

（二）極地海洋工程裝備基本設(shè)計(jì)技術(shù)

北極水域冬季最低氣溫低于-50℃，夏季最高氣溫一般低于5℃。極地海洋裝備的甲板機(jī)械設(shè)備及管系暴露在低溫環(huán)境下，會(huì)發(fā)生設(shè)備冰凍、管系結(jié)冰、滑油流動(dòng)性減弱等問題。極地海洋裝備還會(huì)發(fā)生上浪結(jié)冰和低溫凍雨結(jié)冰，對(duì)平臺(tái)穩(wěn)性和人員露天活動(dòng)安全帶來較大影響。重點(diǎn)攻關(guān)低能耗除冰、智能化除冰、防寒保溫、節(jié)能降耗等低溫防護(hù)與能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)，滿足低溫環(huán)境下的長(zhǎng)周期作業(yè)需求。

作業(yè)/航行于冰覆蓋水域的海洋裝備經(jīng)常受到冰山、浮冰等碰撞與擠壓，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)提高抗冰能力，避免海冰破壞。由于調(diào)查、救助等作業(yè)需求，極地海洋裝備突破連續(xù)冰蓋束縛，需具備一定程度的破冰能力與推進(jìn)能力。重點(diǎn)突破冰載荷預(yù)報(bào)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、大功率推進(jìn)破冰技術(shù)、破冰下海作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)，滿足極地海洋裝備抗冰破冰需求。

北極油氣作業(yè)對(duì)海洋裝備的綠色環(huán)保、防寒保溫、抗冰破冰等提供了特殊需求，具有勘探、開采、儲(chǔ)存、油氣預(yù)處理等大型綜合功能平臺(tái)/船舶受到市場(chǎng)歡迎，長(zhǎng)周期航行北極水域的破冰型運(yùn)輸船成為極地開發(fā)首選裝備。圍繞北極油氣開發(fā)需求，開展新型極地平臺(tái)與船舶總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究，突破開采處理儲(chǔ)油一體化平臺(tái)、高冰級(jí)船型設(shè)計(jì)、新型破冰船型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)極地海洋工程裝備技術(shù)的空白。

試驗(yàn)方法是進(jìn)行冰載荷預(yù)報(bào)的主要手段，新型極地船舶/平臺(tái)航行性能、破冰性能、定位性能等評(píng)估通常依賴冰水池試驗(yàn)。不同常規(guī)水池試驗(yàn)，冰水池試驗(yàn)還應(yīng)考慮試模擬冰的力學(xué)相似條件。由于在制冰工藝和制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面不同，冰水池模型試驗(yàn)方法和相似外推方法也不同。重點(diǎn)突破極地海冰模擬制備、平臺(tái)抗冰性能測(cè)試等冰水池試驗(yàn)技術(shù)，建立冰水試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)和評(píng)估系統(tǒng)。

（三）極地海洋工程裝備動(dòng)力與配套技術(shù)

極地海洋裝備動(dòng)力裝置應(yīng)適應(yīng)低溫環(huán)境、偏遠(yuǎn)地區(qū)及其存在的海冰狀況等操作條件，避免船舶停滯或被海冰圍困進(jìn)而引發(fā)海損或污染事故。柴電動(dòng)力系統(tǒng)是目前全球破冰船的主流，核動(dòng)力更有利于保證船上的推進(jìn)、供電、供暖等需求，雙燃料動(dòng)力代表未來綠色能源發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)發(fā)展極地船用LNG動(dòng)力、核動(dòng)力、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器等動(dòng)力與推進(jìn)技術(shù)，服務(wù)于極地作業(yè)活動(dòng)需求。

極地船舶/平臺(tái)在定位時(shí)會(huì)受到浮冰、風(fēng)、浪、流和潮汐等環(huán)境的聯(lián)合作用，可采用純動(dòng)力定位、錨泊輔助以及純錨泊定位三種方式，最大限度支持海上鉆井采油工作順利進(jìn)行。大塊冰山與大面積浮冰使油輪和鉆井平臺(tái)面臨危險(xiǎn)，鉆井平臺(tái)應(yīng)具備隨時(shí)與油井?dāng)嚅_的能力。重點(diǎn)發(fā)展極地錨泊與動(dòng)力定位、錨泊與動(dòng)力定位聯(lián)合控制技術(shù)、高負(fù)載系泊快速脫離與重新連接等關(guān)鍵技術(shù)，滿足作業(yè)定位需求。

聲波是水下信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行лd體，水聲信號(hào)處理及聲吶設(shè)備研發(fā)在開發(fā)利用北極的活動(dòng)中具有不可替代的重要作用，如冰下通信、導(dǎo)航、定位以及海洋環(huán)境、氣候聲學(xué)觀/探測(cè)等。通過研究冰下聲學(xué)物理特性與冰下水聲技術(shù)，解決極地環(huán)境下的聲場(chǎng)特性認(rèn)知、冰下網(wǎng)絡(luò)化水聲探測(cè)與通信機(jī)理等科學(xué)問題，研發(fā)極地分布式長(zhǎng)期觀測(cè)平臺(tái)、冰下移動(dòng)式聲學(xué)觀測(cè)平臺(tái)、極地潛標(biāo)及信息透冰通信系統(tǒng)、耐低溫傳感器、適應(yīng)極地環(huán)境的聲吶系統(tǒng)等極地水聲設(shè)備與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冰下遠(yuǎn)程水聲通信及組網(wǎng)，構(gòu)建冰下探測(cè)、通信、定位的一體化能力。

極地船舶建造離不開適應(yīng)極地惡劣環(huán)境的低溫鋼，其具有高強(qiáng)度、抗腐蝕、低溫止裂、易焊接、耐冰水腐蝕等特點(diǎn)。極地生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)格要求涂裝材料的環(huán)保性，船體采用耐冰磨損的低摩擦涂層，LNG工藝模塊采用特有涂層防止-196℃的液化天然氣飛濺到鋼結(jié)構(gòu)引發(fā)脆性斷裂。重點(diǎn)開展發(fā)展船用低溫高強(qiáng)鋼、低溫容器高強(qiáng)鋼、低溫非金屬密封材料、防疏冰涂層材料、輕質(zhì)保溫防火材料、耐低溫電纜材料等低溫材料，突破耐低溫、耐腐蝕、耐磨損、易焊接、高韌性等關(guān)鍵技術(shù)。

（四）北極海洋油氣鉆井系統(tǒng)與工藝

北極凍土給基礎(chǔ)施工帶來較大困難，凍土層是極地冷海鉆井作業(yè)的關(guān)鍵難題。凍土層鉆井難題包括：鉆井造成凍土層孔隙水融化，引起井壁坍塌；鉆井導(dǎo)致凍土層溫度升高，天然氣水合物分解，造成氣侵，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致井涌或者井噴。重點(diǎn)研制適用于凍土層鉆井的鉆頭、鉆井液、固井水泥漿等系列產(chǎn)品，同時(shí)推進(jìn)低溫氣體鉆井、套管鉆井和隔熱套管等特殊工藝和設(shè)備的研究。

北極油氣開發(fā)主要使用坐底式平臺(tái)或人工島進(jìn)行作業(yè)，為擴(kuò)大平臺(tái)或人工島的開采面積，需采用大位移井進(jìn)行油氣開發(fā)，目前大位移井的水平位移記錄已超過10 km。開展水平井眼延伸極限能力的制約因素研究，解決萬(wàn)米大位移井井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制、防磨減阻等技術(shù)難題。

北極適合海上鉆井的時(shí)間窗口為每年的8月初到10月初，最大浪高十幾米，海域施工環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)浪大、氣溫低、大霧天氣多，地層復(fù)雜，給鉆井作業(yè)帶來了很大風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法，識(shí)別各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的概率水平，制定可行的預(yù)備方案，實(shí)時(shí)掌握北極油氣鉆探的安全水平。

（五）北極海洋油氣水下系統(tǒng)與工藝

北極水下系統(tǒng)包括水下井口、采油樹、水下管匯、海底管道和立管系統(tǒng)等，為防止海冰破壞北極水下井口和管匯低于海床，管道與設(shè)備之間采用弱連接技術(shù)，集輸管道埋深較大，或上覆碎石/土保護(hù)。針對(duì)北極低溫、海冰等特殊海洋環(huán)境條件，開展北極海底管道和立管以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)技術(shù)研究，重點(diǎn)研究水下控制和通信技術(shù)、水下遠(yuǎn)距離供電技術(shù)、水下油氣集輸處理技術(shù)、水下管線總體設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，滿足油氣生產(chǎn)耐高壓、高防腐、大排量需求。

為擴(kuò)展極地作業(yè)深度范圍，冰下作業(yè)潛器是重要發(fā)展方向，在船上/岸上操控潛器實(shí)現(xiàn)冰下數(shù)百米水深的探測(cè)、測(cè)繪、目標(biāo)識(shí)別、取樣等工作，還可用于鋪設(shè)水下通信系統(tǒng)與安裝水下模塊。研發(fā)冰下鉆井機(jī)器人、冰下遙控?zé)o人潛水器（ROV）、載人作業(yè)型潛器等裝備群，建立在北極水下活動(dòng)的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。

（六）北極海洋油氣事故救助技術(shù)

北極海上船舶海事事故偶有發(fā)生，導(dǎo)致燃油泄漏，破壞北極脆弱生態(tài)環(huán)境，為北極油氣開發(fā)敲響了警鐘。1989年3月，美國(guó)?？松梨诠镜挠洼啞鞍？松ね郀柕掀潯碧?hào)在阿拉斯加北極附近觸礁，原油泄出達(dá)8×106加侖（1加侖≈3.79 L）。2012年12月，殼牌集團(tuán)的“庫(kù)魯克”號(hào)拖航至阿拉斯加灣時(shí)，拖繩斷裂、漂流擱淺、燃油泄漏。重點(diǎn)開展冰區(qū)溢油聲電磁探測(cè)技術(shù)、冰區(qū)溢油圍控回收處理技術(shù)、北極溢油應(yīng)急救援總體方案、冰下井噴封堵等研究，提高溢油事故防范和應(yīng)急處置能力。

極寒條件下海洋裝備消防逃生技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。北極海洋裝備普遍采用封閉保溫設(shè)計(jì)，有火災(zāi)隱患的設(shè)備設(shè)施安裝在室內(nèi)，易燃易爆內(nèi)部積聚，燃爆可能性增加。工作人員穿著厚重防護(hù)服，海洋裝備表面結(jié)冰與積雪，導(dǎo)致人員疏散困難。北極海上救援依靠破冰船、直升機(jī)等專業(yè)救助設(shè)備，海冰變化、復(fù)雜天氣均會(huì)增加救援難度。重點(diǎn)開展北極海上逃生、疏散和救援技術(shù)、救生設(shè)備配備、應(yīng)急救援后勤保障等研究，具備北極海上人命安全救助能力。

（七）極地海洋工程裝備的綠色環(huán)保技術(shù)

為保護(hù)極地海洋環(huán)境，國(guó)際海事組織（IMO）頒布的強(qiáng)制性規(guī)則《極地規(guī)則》已于2017年1月1日正式生效實(shí)施。其要求高于IMO現(xiàn)有國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）、國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL）等要求。《極地規(guī)則》禁止或嚴(yán)格限制油類、化學(xué)品、生活污水、垃圾、食品廢棄物以及其他物質(zhì)的排放。北極國(guó)家嚴(yán)格限制油氣作業(yè)帶來的環(huán)境污染，俄羅斯規(guī)定在油氣鉆井作業(yè)過程中形成的巖屑、泥漿、生活污水、油污水、垃圾等均不能直接排放到大海中，通常采用拖輪運(yùn)輸至陸地處理，避免對(duì)海洋環(huán)境的污染破壞。黑碳對(duì)環(huán)境的最大影響是其帶來的溫室效應(yīng)，對(duì)極地冰川消融作用尤為突出。加拿大、德國(guó)、芬蘭等國(guó)家圍繞測(cè)量方法、影響因素和減排技術(shù)開展研究，并建議IMO制定極地黑碳排放的控制措施，這將對(duì)船舶主機(jī)設(shè)計(jì)和減排控制技術(shù)產(chǎn)生影響。研究油氣作業(yè)廢水處理、黑碳排放控制等關(guān)鍵技術(shù)，滿足北極作業(yè)的綠色環(huán)保需求，形成符合我國(guó)利益的建議案，積極參與國(guó)際規(guī)則制定。

極地船舶/平臺(tái)在營(yíng)運(yùn)過程中需消耗大量能源。通過減少船舶阻力、提高推進(jìn)效率、有效操作控制、引入清潔能源等方式，使極地船舶在同等效益下降低能源消耗，從而有助于提高船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性、減少極地船舶營(yíng)運(yùn)所產(chǎn)生的氣體排放。突破極地綠色能源動(dòng)力、研究蓄電池低溫續(xù)航能力與快速充電系統(tǒng)，滿足長(zhǎng)周期冰區(qū)作業(yè)裝備的綠色能源需求。

五、我國(guó)極地海洋工程裝備存在的問題及技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

（一）存在問題

1.我國(guó)極地油氣海洋裝備自主研發(fā)能力薄弱

我國(guó)在極地海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)及裝備研發(fā)領(lǐng)域已具備一定基礎(chǔ)，具有北極巴倫支海夏季無(wú)冰/ 少冰期勘探經(jīng)驗(yàn)、北極LNG核心模塊建造經(jīng)驗(yàn)以及北極東北航道運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)，北極海洋油氣技術(shù)及裝備的自主研發(fā)工作已起步。但我國(guó)在北極油氣技術(shù)及裝備研發(fā)工作基礎(chǔ)仍十分薄弱，自主核心技術(shù)和核心裝備數(shù)量非常有限，特別是極地海洋裝備的基本設(shè)計(jì)幾乎處于空白，極地鉆井船、極地重力式平臺(tái)、極地LNG船等裝備均是設(shè)計(jì)建造空白區(qū)。

2.我國(guó)在北極油氣工程作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)較少

我國(guó)冰區(qū)油氣田作業(yè)主要集中在冬季渤海灣地區(qū)，冰厚小于90 cm，在冰區(qū)油氣田作業(yè)、抗冰平臺(tái)建造、海冰監(jiān)測(cè)管理等方面已有初步積累。相比渤海灣，北極冰層厚度、作業(yè)窗口期、后勤保障等方面具有顯著不同，渤海灣油氣裝備技術(shù)難以直接應(yīng)用于北極地區(qū)。由于缺乏足夠的技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)參與北極工程投標(biāo)、設(shè)計(jì)與施工缺乏話語(yǔ)權(quán)，尚不具備北極油氣工程總包能力，難以主導(dǎo)北極油氣合作。

3.我國(guó)在北極油氣的合作項(xiàng)目非常有限

受歐美制裁，投資、設(shè)備與技術(shù)被迫退出俄羅斯北極油氣項(xiàng)目。我國(guó)具有海洋裝備制造優(yōu)勢(shì)、油氣消費(fèi)市場(chǎng)需求，進(jìn)軍北極油氣項(xiàng)目恰逢其時(shí)。但是，我國(guó)在北極油氣的國(guó)際合作項(xiàng)目非常有限，實(shí)際參與的北極油氣勘探海域局限在巴倫支海、喀拉海的個(gè)別區(qū)塊，尚未掌握北極油氣儲(chǔ)量與分布，缺少自主數(shù)據(jù)資料，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估北極項(xiàng)目的可行性。我國(guó)實(shí)際參與北極油氣開發(fā)只有Yamal 1項(xiàng)，正在參與北極LNG-2項(xiàng)目，參與北極工程項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)缺乏話語(yǔ)權(quán)。我國(guó)只有從北極油氣項(xiàng)目的“參與者”成長(zhǎng)為實(shí)際“作業(yè)者”，才能掌握北極油氣開發(fā)的決策權(quán)，才能帶動(dòng)更多國(guó)產(chǎn)裝備產(chǎn)品與技術(shù)服務(wù)走向北極，才能保證我國(guó)安全、穩(wěn)定地獲得北極油氣戰(zhàn)略資源。

4.我國(guó)對(duì)北極油氣勘探開發(fā)的科研支持力度較弱

《中國(guó)的北極政策》白皮書指出，支持企業(yè)通過各種合作形式，在保護(hù)北極生態(tài)環(huán)境的前提下參與北極油氣和礦產(chǎn)資源開發(fā)，促進(jìn)在北極海域石油與天然氣鉆采。北極海上油氣資源的勘探評(píng)估、開采運(yùn)輸以及工程實(shí)施均離不開高端極地海洋裝備技術(shù)支持。自2012年以來，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部支持了極地船舶、極地潛器以及極地環(huán)境探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，立項(xiàng)支持極地裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)研發(fā)。但是，北極海上油氣資源高精度探測(cè)、工程地質(zhì)勘察、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工程總體方案設(shè)計(jì)、海冰控制管理、冰下作業(yè)開采等一系列問題仍未解決，缺乏國(guó)家專項(xiàng)支持北極海上油氣開發(fā)，僅依靠企業(yè)自身力量研發(fā)，短期內(nèi)很難開拓北極油氣開發(fā)合作的新局面。

（二）技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

1.研發(fā)極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料

極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料包括低溫用高強(qiáng)鋼、低溫容器高強(qiáng)鋼、低溫非金屬密封材料、防疏冰涂層材料、輕質(zhì)保溫防火材料、耐低溫電纜材料等，突破耐低溫、耐腐蝕、耐磨損、易焊接、高韌性等關(guān)鍵技術(shù)，滿足極地特殊環(huán)境工程裝備需求。

2.研發(fā)極地船用綠色能源動(dòng)力設(shè)備

研究極地船用LNG動(dòng)力、核動(dòng)力、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器等大功率推進(jìn)技術(shù)，研究蓄電池低溫續(xù)航能力與快速充電系統(tǒng)，滿足長(zhǎng)周期冰區(qū)作業(yè)裝備的綠色能源需求；研究極地機(jī)械設(shè)備耐低溫可靠性，突破低能耗防冰凍和大面積除冰技術(shù)，提高船用設(shè)備低溫環(huán)境適應(yīng)性。

3.研發(fā)極地海洋裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)

研究極地船舶總體性能、冰載荷預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、新型破冰技術(shù)、防寒防凍、低溫潤(rùn)滑密封等關(guān)鍵技術(shù)，提升高冰級(jí)船自主研發(fā)水平，帶動(dòng)重型破冰船、極地LNG船、極地油船等重點(diǎn)船型發(fā)展；開展大型冰水池船模試驗(yàn)技術(shù)研究，提高復(fù)雜海冰條件的模擬能力，檢驗(yàn)新型船舶破冰性能、冰區(qū)航行性能與錨系泊定位性能，驗(yàn)證船用設(shè)備低溫環(huán)境的適應(yīng)性。

4.研發(fā)極地油氣資源勘探開發(fā)裝備

研發(fā)極地物探船、極地鉆井船、極地重力式平臺(tái)、極地浮式儲(chǔ)油船等勘探開發(fā)裝備，提升極地海洋裝備研發(fā)設(shè)計(jì)水平，提高總裝建造的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；研發(fā)極地水下生產(chǎn)系統(tǒng)與冰下作業(yè)潛器，突破大口徑低溫油氣閥門、低溫試驗(yàn)檢驗(yàn)、破冰下海作業(yè)、冰下探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)極地油氣鉆井設(shè)備，突破極地凍土鉆探技術(shù)、固井技術(shù)、水力壓裂等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建極地冷海鉆完井作業(yè)與技術(shù)服務(wù)能力；研發(fā)海冰控制系統(tǒng)、溢油預(yù)警系統(tǒng)、溢油救助裝備等作業(yè)保障裝備，突破海冰監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、海冰攔截破碎、極地溢油預(yù)防、極地溢油處理等關(guān)鍵技術(shù)，建立極地油氣泄露事故預(yù)防與應(yīng)急處理能力。

六、我國(guó)極地海洋工程裝備的發(fā)展建議

（一）把握中俄北極油氣合作窗口期，加快發(fā)展極地海洋工程裝備

依托“冰上絲綢之路”倡議，以北極油氣合作為抓手，把握中方參與俄羅斯北極油氣開發(fā)的戰(zhàn)略機(jī)遇，以極地海洋工程裝備為基礎(chǔ)和條件，通過技術(shù)服務(wù)能力提升，實(shí)現(xiàn)裝備與技術(shù)捆綁，提升中方參與的廣度與深度，推動(dòng)建立北極能源進(jìn)口渠道。

（二）成立“北極海上油氣勘探開發(fā)共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用創(chuàng)新”專項(xiàng)

以北極LNG-2項(xiàng)目為載體，圍繞北極海洋油氣裝備研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造以及應(yīng)用面臨的系列問題，重點(diǎn)開展極地船用關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、極地船用綠色能源動(dòng)力設(shè)備、極地海洋裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)與極地油氣資源勘探開發(fā)裝備研發(fā)，構(gòu)建我國(guó)北極油氣開發(fā)的裝備和技術(shù)體系，提升中國(guó)參與中俄北極油氣合作開發(fā)的作業(yè)能力。

（三）成立以中俄為主體、多方參與的“極地海洋油氣工程技術(shù)國(guó)際研發(fā)中心”

依托中俄雙方北極海洋油氣開發(fā)的石油公司，聯(lián)合工程設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)建造企業(yè)、高校院所等優(yōu)勢(shì)資源，建立極地海洋油氣裝備的穩(wěn)定研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展長(zhǎng)期持續(xù)科研攻關(guān)，打通“產(chǎn)學(xué)研用”的科研成果轉(zhuǎn)化渠道，對(duì)前沿技術(shù)與新型產(chǎn)品形成有效積累。該中心突破全產(chǎn)業(yè)鏈裝備及系統(tǒng)核心技術(shù)，推動(dòng)關(guān)鍵設(shè)備與部件的國(guó)產(chǎn)化，組織成果展示、技術(shù)培訓(xùn)、人員交流等國(guó)際合作，推動(dòng)中俄裝備研發(fā)及應(yīng)用合作的深度融合。

（四）建立中俄北極能源合資公司，促進(jìn)“冰上絲綢之路”務(wù)實(shí)合作

建立中俄北極能源合資公司，開展特定油氣區(qū)塊的具體合作，以合作方與參股方的身份參與北極海洋油氣開發(fā)，帶動(dòng)我國(guó)裝備全面進(jìn)入北極海洋油氣勘探開發(fā)。同時(shí)，提升油氣開發(fā)裝備在通信、導(dǎo)航等方面的服務(wù)能力，促進(jìn)冰上絲綢之路沿線互聯(lián)互通，為北極東北航線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供更經(jīng)濟(jì)的方案。