21世紀(jì)，人類已經(jīng)進(jìn)入海洋開發(fā)、海洋保護(hù)的大時(shí)代。占地表面積71%的藍(lán)色海洋，是富饒而未充分開發(fā)的資源寶庫。海洋水深200米以下的深海區(qū)域，占據(jù)著地球面積的60%左右，其錳、鈷、鎳、稀土等金屬礦產(chǎn)含量均遠(yuǎn)超陸地含量，是未來可持續(xù)發(fā)展礦產(chǎn)資源需求的重要接替區(qū)。

我國幅員遼闊，疆域廣大，除960萬平方千米的陸地面積外，尚有300余萬平方千米的海域面積。同時(shí)，我國還是世界上海岸線最長的國家之一，海岸線總長居世界第四。大陸架面積為130萬平方千米，位居世界第五。200海里水域面積為200～300萬平方千米，居世界第十。我國的海洋礦產(chǎn)資源種類豐富，儲(chǔ)量巨大，具有良好的勘探開采前景，在未來經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展中將占據(jù)重要地位。

所謂“工欲善其事，必先利其器”，為了更好地利用海洋礦產(chǎn)資源，海上鉆井平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。海上鉆井平臺(tái)通常由數(shù)臺(tái)起重機(jī)、一套鉆井系統(tǒng)、人員生活區(qū)、直升機(jī)停機(jī)坪、救生艇、儲(chǔ)存液體的儲(chǔ)水罐和火炬組成。其中，起重機(jī)負(fù)責(zé)在船舶和鉆井平臺(tái)之間運(yùn)輸物資；鉆井系統(tǒng)用于開采活動(dòng)；火炬用于將開采時(shí)夾雜的易燃?xì)怏w（如天然氣）進(jìn)行分離并燃燒，以防止任何可能的爆炸。開采時(shí)，海上鉆井平臺(tái)還需設(shè)置防噴器防止井噴現(xiàn)象的發(fā)生，以達(dá)到在海上惡劣環(huán)境中進(jìn)行長期作業(yè)的目的。

海上鉆井平臺(tái)被稱為“流動(dòng)的國土”，體現(xiàn)著一個(gè)國家工業(yè)的整體實(shí)力和發(fā)展方向。我國海洋石油工業(yè)起步于20世紀(jì)50年代的鶯歌海。1984年，我國自主設(shè)計(jì)、建造的國內(nèi)第一座半潛式鉆井平臺(tái)“勘探三號(hào)”交付使用，其最大作業(yè)水深200米，最大鉆井深度6000米，這是我國最早的國產(chǎn)海洋鉆井裝備。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國海洋油氣勘探開發(fā)業(yè)務(wù)的大幅增長，海洋鉆井裝備技術(shù)得到了快速發(fā)展。從基本的仿制逐漸發(fā)展到自主創(chuàng)新研制，從早期的機(jī)械傳動(dòng)逐漸向自動(dòng)化智能化方向發(fā)展。目前，部分鉆井裝備生產(chǎn)企業(yè)的淺水水域的裝備設(shè)計(jì)和制作工藝已經(jīng)較為完善，正在向深水水域進(jìn)發(fā)。深水區(qū)域的鉆井裝備包括張力腿平臺(tái)、立柱式平臺(tái)和半潛式平臺(tái)等。隨著工作水深的不斷增加，張力腿平臺(tái)和立柱式平臺(tái)在適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等方面已經(jīng)沒有優(yōu)勢。當(dāng)前國際主流的深水和超深水鉆井平臺(tái)主要以半潛式平臺(tái)和鉆井船為主。我國研制的“藍(lán)鯨2號(hào)”就是目前全球最大、最先進(jìn)的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)?！八{(lán)鯨2號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的自重為43725噸，可以在全球95%的海域作業(yè)，最大鉆井深度為15250米。“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)很強(qiáng)，船體強(qiáng)壯，配備有DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，在12級(jí)臺(tái)風(fēng)下平臺(tái)位移不超過11米，傾斜角度不超過2度。而且，“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)采用超厚鋼板，抗扭曲能力極強(qiáng)，其應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的鉆井閉環(huán)技術(shù)更處于世界前列。“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)的研制成功，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域已達(dá)到完全自主化。

那么，“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)是如何矗立于波濤洶涌的大海之中的呢？

何以立——海上鉆井平臺(tái)技術(shù)原理

要想理解“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)矗立在海中的根本，需要從海上鉆井平臺(tái)的原理說起。海上鉆井平臺(tái)根據(jù)不同的固定原理、結(jié)構(gòu)形式和功能，可以分為多種類型，每種類型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場景。根據(jù)固定原理的不同，海上鉆采平臺(tái)可以簡單分為移動(dòng)式平臺(tái)和固定式平臺(tái)。

固定式平臺(tái)穩(wěn)定性良好，但其耗資巨大，所用材料需求量也十分驚人。固定式平臺(tái)包括導(dǎo)管架式平臺(tái)、混凝土重力式平臺(tái)和深水順應(yīng)塔式平臺(tái)等。這些平臺(tái)通過打樁或是以混凝土（沉箱）為基礎(chǔ)固定于海底，一般應(yīng)用水深為20～500米，在整個(gè)使用壽命期內(nèi)位置固定不變，一般不再移動(dòng)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定，海面氣象條件對(duì)它影響較小，但是靈活性差，不能運(yùn)移。

而移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，作業(yè)完成后，可拖航或自航到其他地點(diǎn)，特別適合鉆勘探井或叢式井。移動(dòng)式平臺(tái)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為坐底式平臺(tái)、自升式平臺(tái)、浮船式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和張力腿平臺(tái)等，不同種類的平臺(tái)對(duì)水深的要求不盡相同。最早出現(xiàn)的海上移動(dòng)式平臺(tái)為坐底式平臺(tái)，又被稱作“鉆駁”或“插樁鉆駁”，將鉆井設(shè)備安裝在駁船上。由于駁船型深有限，工作水深一般在5米以內(nèi)，且抗風(fēng)浪能力很差。現(xiàn)代的坐底式鉆井平臺(tái)適用于河流和海灣等30米以下的淺水區(qū)域。后來，為了滿足向更深的水域進(jìn)發(fā)的需求，自升式平臺(tái)、鉆井船先后面世。但它們最多只適用于200米以內(nèi)的水深。在面對(duì)更深的海洋時(shí)，就需要用到半潛式平臺(tái)。

目前，由煙臺(tái)中集來福士船廠建造的“藍(lán)鯨1號(hào)”和“藍(lán)鯨2號(hào)”超深水半潛式鉆井平臺(tái)是全球最先進(jìn)的半潛式鉆井平臺(tái)?！八{(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)集鉆井、修井、生產(chǎn)等多種功能于一體。它由坐底式平臺(tái)發(fā)展而來，上部為工作甲板，下部是為平臺(tái)提供浮力的浮體，用支撐立柱連接。工作時(shí)下船體潛入水中，將重心置于水下，甲板處于水上安全高度，避開了海面波浪作用區(qū)，穩(wěn)定性好，自持力強(qiáng)，工作水深大。半潛式平臺(tái)在海面定點(diǎn)作業(yè)時(shí)，需要采用錨泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)來防止其隨波逐流，即采用錨鏈、吸力樁固定平臺(tái)固定鉆井平臺(tái)。在風(fēng)浪大的深海區(qū)域，僅靠錨鏈不能有效固定平臺(tái)，因此又引入了動(dòng)力定位技術(shù)。動(dòng)力定位技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井平臺(tái)的位置偏差，綜合外界干擾因素，自動(dòng)控制推力器，使鉆井平臺(tái)盡可能地固定于作業(yè)位置，這樣工作水深可達(dá)900～1200米。

何以穩(wěn)——DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)

深海區(qū)域海洋環(huán)境復(fù)雜多變，風(fēng)、浪、流等因素會(huì)對(duì)鉆井平臺(tái)產(chǎn)生持續(xù)的干擾。傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)在深海區(qū)域受到水深影響，難以有效固定鉆井平臺(tái)，且成本極高，而動(dòng)力定位系統(tǒng)不受水深影響，能夠穩(wěn)定地保持鉆井平臺(tái)位置，在深海鉆井、敷設(shè)海底管線、打撈救生等復(fù)雜深海作業(yè)中大顯身手。動(dòng)力定位系統(tǒng)的主要原理是根據(jù)采集的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，以及位置參照系統(tǒng)提供的位置信息，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，控制各個(gè)推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位“雷打不動(dòng)”。動(dòng)力定位系統(tǒng)由控制整個(gè)定位過程的控制系統(tǒng)、獲取平臺(tái)位置和環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)、為整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)供電的動(dòng)力系統(tǒng)及接受控制系統(tǒng)指令產(chǎn)生推力的推進(jìn)裝置四部分組成。

應(yīng)用在“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)上的為DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)。DP是動(dòng)態(tài)位置保持系統(tǒng)的簡稱， DP3級(jí)是國際海事組織的最高動(dòng)力定位級(jí)別，廣泛用于船舶及海上平臺(tái)作業(yè)時(shí)的精準(zhǔn)定位，其精度最準(zhǔn)，抗風(fēng)險(xiǎn)能力最強(qiáng)（最高能抵御18級(jí)臺(tái)風(fēng)）。DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用于海上鉆井平臺(tái)時(shí)具有四大明顯優(yōu)點(diǎn)：一是相對(duì)于錨泊定位，動(dòng)力定位更加快捷方便，隨水深的增加費(fèi)用變化不明顯；二是可以工作于任何水深，并能對(duì)外部環(huán)境的變化和操作需要做出相應(yīng)的反應(yīng)；三是當(dāng)鉆井完工后，可以迅速地移動(dòng)到新井位并迅速進(jìn)行定位作業(yè)；四是不會(huì)對(duì)海床造成損壞或同其他船舶、平臺(tái)的錨鏈發(fā)生纏繞，也不影響附近的航道。

DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是我國走向深海不可或缺的核心關(guān)鍵裝備，為我國在該領(lǐng)域的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，也將為我國海洋工程向深海進(jìn)軍提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

何以精——多項(xiàng)黑科技助力安全節(jié)能

DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)不僅提供了一套穩(wěn)定的定位方案，還附帶了一套完整的閉環(huán)動(dòng)力解決方案，極大地提升了鉆井平臺(tái)的安全性。2019年，“藍(lán)鯨2號(hào)”鉆井平臺(tái)成功完成了DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)操作模式下的電力系統(tǒng)的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)極其危險(xiǎn)的系統(tǒng)測試，就是人為切斷整個(gè)鉆井平臺(tái)的電力供應(yīng)，讓8臺(tái)推進(jìn)器同時(shí)停止工作，其目的是測試整個(gè)鉆井平臺(tái)在發(fā)生最極端的斷點(diǎn)故障的情況下，是否能在最短的時(shí)間內(nèi)隔離故障設(shè)備，立即恢復(fù)動(dòng)力，并保證其他發(fā)電機(jī)繼續(xù)讓全船運(yùn)行，最大限度地保證人員和設(shè)備安全，有效避免動(dòng)力定位系統(tǒng)因失去電力供應(yīng)而導(dǎo)致鉆井平臺(tái)發(fā)生較大位移，輸油管發(fā)生斷裂引發(fā)安全事故。此外，當(dāng)發(fā)電機(jī)突然出現(xiàn)故障，DP3閉環(huán)動(dòng)力解決方案會(huì)將備用發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間從幾分鐘縮短到幾十秒，極大地保證了事故處置的時(shí)效性。

除了穩(wěn)定性和安全性，DP3閉環(huán)動(dòng)力解決方案也使“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效。DP3閉環(huán)動(dòng)力解決方案可以節(jié)省50%的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本，節(jié)約能耗超過11%，同時(shí)降低二氧化碳排放高達(dá)20%、降低氮氧化物排放高達(dá)35%，比同類作業(yè)平臺(tái)燃油消耗降低10%。

“藍(lán)鯨1號(hào)”和“藍(lán)鯨2號(hào)”都裝配了全球最先進(jìn)的液壓雙鉆塔和2個(gè)井口，兩臺(tái)鉆機(jī)可在2個(gè)井口同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆井、連接套管、下放防噴器等主副線作業(yè)，有效減少了鉆井輔助時(shí)間，使深水鉆井作業(yè)效率比傳統(tǒng)的單井口作業(yè)平臺(tái)提高30%。 “藍(lán)鯨1號(hào)”和“藍(lán)鯨2號(hào)”還配備了主副兩套水下防噴器，每套防噴器都配備了剪切閘板，而剪切閘板是井噴控制的最后一道防線。如此配置，極大地提升了常規(guī)井下壓力控制設(shè)備的能力，保證了作業(yè)過程的安全。

海上鉆井平臺(tái)，作為在波濤洶涌的深海中矗立的“鋼鐵島”，不僅能夠抵御狂風(fēng)巨浪，而且還能在深海的惡劣環(huán)境中精準(zhǔn)作業(yè)，為全球能源供應(yīng)提供有力保障，在當(dāng)今世界能源格局中扮演著舉足輕重的角色。海上鉆井平臺(tái)的建設(shè)與運(yùn)營，是多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)的高度集成，從鋼鐵結(jié)構(gòu)的精密設(shè)計(jì)，到復(fù)雜的鉆井系統(tǒng)，再到先進(jìn)的定位技術(shù)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都凝聚著無數(shù)科學(xué)家、工程師以及一線作業(yè)人員的心血與智慧，是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)與海洋資源開發(fā)深度融合的結(jié)晶。回顧海上鉆井平臺(tái)的發(fā)展歷程，從最初的簡陋駁船到如今功能完備、高度智能化的“藍(lán)鯨”系列鉆井平臺(tái)，每一步都見證了人類對(duì)未知世界的勇敢探索。未來，我國將進(jìn)一步探索鉆井裝備核心技術(shù)，加強(qiáng)鉆井裝備基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步完善海洋裝備產(chǎn)業(yè)化體制機(jī)制，朝著“標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、深水化”的終極目標(biāo)挺進(jìn)。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177123、42042054）、中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全國煤炭行業(yè)高等教育教學(xué)改革研究課題項(xiàng)目（2021MXJG179）的支持。