一、前言
開發海洋油氣資源離不開海洋鑽井裝備。經過多年發展，我國海洋石油行業已經擁有坐底式鑽井平台、自升式鑽井平台、半潛式鑽井平台、導管架平台模塊鑽機等不同類型的鑽井作業裝備，形成了系列化、差異化的海洋鑽井裝備型譜 [1]。目前，我國已經具備一定的鑽井平台設計、建造能力，且國內鑽機生産廠家可以自主制造淺水平台鑽機設備。但在海洋鑽機設計制造方面，我國仍然有一些技術需要攻關，特別是深水鑽機關鍵設備的設計制造技術。由于這些技術掌握在國外少數企業手中，我國深水鑽井系統的關鍵設備依賴進口，使得國産深水鑽機的建造成本高、供貨周期長、維修保養費用高，制約了我國深水和遠海油氣的開發效率 [2,3]。
爲加快推進我國海洋鑽機設備的發展，滿足海洋油氣開發尤其是深遠海油氣開發的需求，有必要開展我國海洋鑽機設備的發展路徑研究。爲此，本文調研國內外海洋鑽機發展現狀，分析我國海洋鑽機設計建造中存在的問題，梳理有關關鍵技術並提出推進海洋鑽井裝備發展的對策建議。
二、國外海洋鑽機設備發展現狀
目前，海上鑽井作業裝備主要有移動式鑽井裝備、配置鑽井裝置的生産平台、浮式鑽井生産儲卸油裝置、支持船鑽井裝置（Tender Rig）[4~6]。海上鑽井裝備的核心設備是鑽機，不同類型生産平台配置的鑽機不同，因此根據作業水深不同可將海洋鑽機設備分爲淺水鑽機和深水鑽機。具體來看，淺水鑽機通常配置于坐底式鑽井平台、自升式鑽井平台、導管架平台等淺水平台，均采用地面防噴器；深水鑽機通常配置于半潛式鑽井平台、鑽井船、深水浮式生産平台（如張力腿平台、單柱式平台）等深水平台，均配有隔水管，其中張力腿平台、單柱式平台上的鑽機采用地面防噴器，其他深水平台上的鑽機采用水下防噴器 [4]。
（一）淺水鑽機
淺水鑽機與陸地鑽機差別不大，國內外具備淺水鑽機制造能力的廠家較多。根據提升方式不同，淺水鑽機可分爲：常規鑽機、液壓鑽機、齒輪齒條鑽機。
1. 常規鑽機
常規鑽機采用傳統的絞車 – 天車 – 遊車提升方式。大部分淺水鑽機，如生産平台和移動式鑽井平台配置的鑽機，均采用該提升方式。另外，由于生産平台配置的鑽機比較簡單，生産制造常規鑽機的廠家較多。當前，自升式鑽井平台上配置的鑽機大部分由美國國民油井華高公司、挪威阿科海洋液壓公司（Aker MH）、美國卡麥隆公司生産。
2. 液壓鑽機
液壓鑽機的提升系統爲液缸，沒有傳統鑽機的絞車和遊動系統。液壓鑽機在淺水平台的導管架平台和自升式鑽井平台有一定應用，淺水用的液壓鑽機大鈎載荷一般較小 [7]。目前淺水平台應用的液壓鑽機主要來自意大利 Drillmec 公司、意大利油井設備國際公司（WEI）、德國海瑞克股份公司，其中 Drillmec 公司和 WEI 公司生産的液壓鑽機提升系統均采用單液缸和滑輪系統，而德國海瑞克股份公司生産的液壓鑽機采用雙液缸且沒有滑輪系統。
3. 齒輪齒條鑽機
齒輪齒條鑽機的提升系統爲齒輪和齒條，通常有兩種結構：一種是齒條固定在井架上，齒輪箱帶動頂驅沿井架的齒條移動，如美國奧格公司的 VR 系列齒輪齒條鑽機、德國 Max Streicher 公司的 VDD 系列齒輪齒條鑽機，德國海瑞克股份公司的 TI-200 齒輪齒條鑽機；另一種是齒輪箱固定，齒條帶動頂驅移動，如挪威 TTS Sense 公司 Finder250 齒輪齒條鑽機。齒輪齒條鑽機在海上應用較少，僅在少量淺水導管架平台上應用了齒輪齒條鑽機 [8]。
（二）深水鑽機
與淺水鑽機不同，大部分深水鑽機采用水下防噴器和鑽井隔水管，典型的深水鑽機包括布置在平台上的鑽機設備（簡稱地面鑽機設備）和水下設備。地面鑽機設備包括：井架及附屬設備、鑽台及附屬設備、提升系統、升沉補償裝置、旋轉系統、高壓泥槳系統、低壓泥漿輸送系統、固控系統、吹灰系統、司鑽控制系統、管子處理系統（含隔水管運送系統）、防噴器以及采油樹運送系統、井控系統、液壓動力系統、第三方設備（如固井系統、試油系統、燃燒臂等）。水下設備主要有隔水管系統（含隔水管伸縮節）、水下防噴器組（含控制系統）。深水鑽機具有載荷能力強、功率大、自動化程度高、可靠性要求高、應用環境特殊等特點，世界上具有深水鑽機制造能力的企業數量很少。
1. 地面鑽機設備
深水鑽機的類型主要有交流變頻鑽機、瑞姆鑽機、液缸提升鑽機、雙面多功能塔鑽機。其中，交流變頻鑽機最常用，雙面多功能塔鑽機作爲一種提升系統比較特殊的鑽機而應用較少。
（1）交流變頻鑽機
交流變頻鑽機應用廣泛，安裝、調試、使用、維護方便，是當前全球應用最普遍的一種鑽機。交流變頻鑽機采用傳統的提升系統，鑽井絞車爲交流變頻絞車，其中深水交流變頻鑽機必須采用天車補償裝置或者絞車補償裝置對鑽柱的升沉運動進行補償。深水交流變頻鑽機的生産企業主要是美國國民油井華高公司、Aker MH 公司，具有市場壟斷地位。
（2）瑞姆鑽機
瑞姆鑽機是一種液壓鑽機，目前已經發展到第三代。瑞姆鑽機采用升降液缸替代絞車，同時升降液缸帶有鑽柱運動補償裝置，不需要額外配置升沉補償裝置，且具有液壓自動送鑽功能。瑞姆鑽機的井架型式大多爲雙井架。第一代和第二代瑞姆鑽機提升液壓缸在井架兩側，頂驅 / 大鈎在中間；第三代瑞姆鑽機井架液缸布置有較大改變，提升液缸放在了井架中間。
（3）液缸提升鑽機
液缸提升鑽機是一種液壓鑽機，采用的是固定井架，提升系統爲多組液壓缸，液壓缸在井架中間。液缸提升鑽機與第三代瑞姆鑽機比較類似。
（4）雙面多功能塔鑽機
雙面多功能塔鑽機是一種專門爲深水設計的新型鑽機，鑽機的井架爲雙作業多功能塔。雙作業多功能塔是焊接箱形梁承載結構，塔體占地面積小，兩側各配置一套起升系統，主動補償絞車放置在井架中間，遊動系統、立根盒均在井架外側。鑽機所有主要設備均安裝在全封閉的塔體內部，提升系統沒有桁架型井架結構，所以大型設備可不受傳統井架 V 形門的作業限制而直接滑移或提升到井口中心。
2. 水下設備
（1）隔水管
目前具有海洋鑽井隔水管制造能力的國家有美國、挪威、法國、俄羅斯等。隔水管結構主要有法蘭式、卡箍式、卡扣式等連接形式。美國維高公司、卡麥隆公司是世界最大的海洋鑽井隔水管生産企業，法國石油研究院于 20 世紀 80 年代開發了卡箍式隔水管，俄羅斯 ZAO 公司研制了鋁合金隔水管。此外，挪威阿科公司（Aker）、美國國民油井華高公司也生産不同形式和規格的鑽井隔水管。
（2）水下防噴器
目前，美國公司是世界主要的水下防噴器制造商，在技術和市場上處于壟斷地位，如卡麥隆公司、國民油井華高公司、維高公司。水下防噴器的主流産品爲通徑 476.25 mm、壓力等級 105 MPa、 6 個閘板的海底重型防噴器組和 MUX 控制系統，最大工作水深超過 3000 m，配套用于深水鑽井船和深水半潛式鑽井平台。近期，維高公司、卡麥隆公司等推出壓力等級爲 140 MPa 的防噴器組，配置 7~8 個閘板，可用于新一代超深水半潛式鑽井平台。
深水鑽機經曆了從陸地到淺水再到深水的發展過程：從陸地鑽機到淺水鑽機，主要解決了模塊化、海上鹽霧腐蝕、提高自動化程度等問題；從淺水鑽機到深水鑽機，解決了水下環境、升沉運動、自動化程度更高等問題 [9]。陸地鑽機、淺水鑽機和深水鑽機的主要區別如表 1 所示。
表 1 陸地鑽機、淺水鑽機和深水鑽機的主要區別
（三）新型海洋鑽機
除上述提到的海洋鑽機外，國外相關生産企業還在不斷開展海洋鑽機設備創新，提出一些新概念並進行新産品的研發與應用。
1. 連續起下鑽鑽機
連續起下鑽鑽機是挪威西部集團公司（West Group）研發的一種新型鑽機，技術特點是：起下鑽時，鑽機能夠在鑽柱升降過程中進行管柱的上卸扣作業，鑽機能夠對鑽柱進行連續提升或下放，使鑽機的起下鑽速度大幅度提高，起下鑽過程中由于壓力波動引起的井內事故也大幅減少 [10,11]；工作原理是往複循環、連續上卸扣，實現了連續起下鑽作業，最大起下鑽速度可達 3600 m/h。目前該型鑽機仍處于工程樣機的現場鑽井試驗階段，尚未在油田應用推廣。
2. 雙絞車鑽機
雙絞車鑽機的提升系統是在鑽機的一套提升系統中采用兩個絞車，其中一台絞車取代了傳統提升系統的死繩固定器，將死繩端變爲另一個快繩端；采用雙快繩設計，兩台絞車可同時工作，共同提升頂驅，也可以鎖住一個絞車，使用單個絞車提升頂驅。雙絞車系統具有系統冗余性高、單個絞車功率小、主動升沉補償效率高等優點 [12]。美國國民油井華高公司研制的帶主動補償的雙絞車鑽機已經在半潛式鑽井平台上得到實際應用。
3. 海底鑽機
海底鑽機概念在 20 世紀 90 年代被提出。 2003 年英國馬裏斯公司（Maris）完成了海底鑽機方案的初步可行性研究，提出了較爲詳細的海底鑽機設計方案。2005 年挪威機器人鑽井系統公司（Robotic Drilling Systems）開始研發海底鑽機系統樣機，2010 年完成試驗樣機試制，代表了當前國際海底鑽機研制的最高水平。
4. 獾式鑽探器
獾式鑽井概念 1999 年首次被提出，這種無鑽機鑽井方式可在很大程度上解決深水、極地等特殊複雜區域的探井所面臨的難題。2011 年，挪威成功研發出獾式鑽探器樣機並進入樣機試驗階段。獾式鑽探器可應用于深水作業，大幅降低海上鑽井作業費用；在海上可通過一艘工作船來安裝鑽探器，借助水下機器人將鑽探器下放到海底的井口位置。
三、我國海洋鑽機設備發展現狀
目前，我國淺水油田使用的鑽井裝備主要有海洋模塊鑽機、坐底式鑽井平台、自升式鑽井平台，這些裝備從船體設計建造到配套的船體設備、鑽機設備均已全面實現國産化，且海洋鑽機應用情況良好。
經過多年發展，我國半潛式鑽井平台形成了作業水深 300~3600 m 的系列船隊，在數量、作業水深、平台配置等方面與世界先進水平接軌。通過建造“奮進號”“藍鯨 1 號”等指標先進的半潛式鑽井平台，我國半潛式鑽井平台建造水平已達到國際先進水平 [13]。也要注意到，國內鑽機設備生産廠家的産品集中于陸地和淺水平台用鑽機設備，而深水鑽機設備設計制造水平與國外先進水平相比有較大差距；國産液壓鑽機設備與國外先進水平相比也有明顯差距。目前，國內導管架平台、自升式平台等淺水平台配置的鑽機設備基本實現了國産化，但深水平台上的鑽機設備（含水下設備）還較多依賴進口。
我國在深水鑽機使用、維護維修過程中逐漸實現了維修國産化、備件國産化、單件部件與設備國産化。例如，“勘探三號”半潛式鑽井平台、“南海挑戰號”半潛式生産平台上配置的鑽機有多個設備實現了國産化。上海船廠船舶有限公司爲新加坡歐帕斯公司（Opus offshore）建造的“老虎”（Tiger）系列鑽井船上配置的深水鑽機采用了大量國産化設備，如井架、天車、遊車、轉盤、鑽井絞車、泥漿泵、隔水管吊機、貓道機、折臂吊、采油樹台車、防噴器台車、司鑽房等。該系列鑽井船上配置的鑽機是目前設備國産化率最高的深水鑽機，但部分關鍵設備，如隔水管系統、防噴器及控制系統、轉噴器、節流壓井管彙、天車補償系統、隔水管張力器、頂驅、鐵鑽工、司鑽操作椅及控制軟件等均由國外公司制造。此外，寶雞石油機械有限責任公司開展了深水鑽機管子處理系統、1536.7 mm 轉盤、司鑽控制系統、隔水管等關鍵設備的研制 [14~16]，河北華北石油榮盛機械制造有限公司研制了水下防噴器和控制系統並建成了工程樣機 [17,18]。
整體來看，目前我國淺水鑽機設備的技術水平與國外先進水平的差距趨于減小，但是深水鑽機的國産化率依然較低；特別是深水鑽機的部分關鍵設備國內無法制造，有些設備雖然研制出工程樣機，但沒有經過現場試用或應用，難以服務于國內外市場。亟需進行技術突破的設備主要有：大功率設備，如大功率頂驅、鑽井絞車；水下設備，如隔水管、隔水管伸縮節、水下防噴器及控制系統；大載荷升沉補償類設備，如鑽柱升沉補償裝置、隔水管張力器；自動化處理設備，如管子處理系統、防噴器和采油樹運送系統；控制系統軟硬件、司鑽操作系統及控制軟件；其他關鍵設備，如雙井架、固井系統、燃燒臂等。此外，國內海洋鑽機絕大部分爲交流變頻鑽機，其他類型鑽機很少；深水大鈎載鑽機是更適合液壓鑽機的形式，而國內大功率液壓鑽機的設計研制仍爲空白。
四、深水鑽機關鍵技術分析
（一）國內外深水鑽機關鍵技術對比
國內外深水鑽機技術水平的比較情況如表 2 所示。國內在深水鑽機設計、材料、工藝、檢測、現場試驗、標准規範、服務等方面的技術均與國外有一定差距，主要表現在：深水鑽機成套設計、水下系統設計、升沉補償系統設計水平有待進一步提高；材料制造水平需要提高，制造鑽機的少部分特殊材料（用于液壓設備、井控設備、水下與井筒流體接觸設備）仍需進口；産品鏈不齊全，缺乏升沉補償裝置、水下防噴器等關鍵設備制造能力；企業在制造工藝、檢測、試驗等方面的能力還需進一步完善；缺乏深水鑽機關鍵設備的企業標准等。
表 2 深水鑽機設備關鍵技術的國內外水平比較
（二）國內深水鑽機需突破的關鍵技術
（1）設計與集成技術
鑽機成套設計、水下系統設計、升沉補償系統設計技術是深水鑽機的設計難點。設計與集成技術還包括深水鑽機系統與平台接口界面設計、深水鑽機不同系統之間接口界面設計、整合鑽機各個設備形成一套完整鑽機的系統等。
（2）特種材料
特種材料包括有特殊性能要求的金屬材料（耐高溫、耐腐蝕、耐沖蝕的合金）、耐高溫橡膠材料等，如制造水下防噴器的材料、生産液壓密封元件的材料。
（3）特殊加工工藝和熱處理工藝
具體包括制造水下防噴器大型鍛件的鍛造和熱處理工藝、液壓元件內流道的精密加工工藝、大型液壓缸的精密加工和表面熱處理工藝等。
（4）制造過程中的檢測
深水鑽機設備在制造過程中主要開展以下檢測：材料鑒定測試（如抗腐蝕性、抗高低溫、拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、硬度試驗等），焊接工藝和性能鑒定測試，質量控制過程試驗和無損檢測，其他基礎測試（如化學 / 晶相分析、蠕變試驗、非金屬材料試驗、犧牲陽極測試、塗層測試、防火測試等）。
（5）集成測試和試驗驗證
深水鑽機設備需開展部件、設備或系統的 FAT 和 EFAT，部分深水鑽機設備（如水下防噴器組）應開展 SIT，對新研制設備或改型設備還應進行可靠性試驗驗證。不同設備的測試驗證內容不同，如水下閘板防噴器的 FAT 內容主要包括：密封性試驗、疲勞試驗、承壓起下鑽壽命試驗、剪切試驗、懸挂試驗、閘板拆裝試驗、閘板鎖緊試驗。SIT 測試目的是在場地模擬海上的實際安裝作業步驟及使用，驗證鑽機設備的配合界面的匹配性、安裝程序有效性及功能的完整性。目前國內在深水鑽機設備測試方面還未形成系統的測試技術、測試流程和測試設備。
（6）首制設備的海上試驗
在推進深水鑽機關鍵設備研制的過程中，有大量鑽機設備是國內廠家的首制設備。對首制鑽機設備，雖然開展了材料測試、性能鑒定測試、 FAT、SIT 等，但是這些測試不能完全證實設備的可靠性，因此對重要設備，還要在海上實際工況下進行試驗或試用（如國外研發雙梯度鑽井系統過程中進行了長時間的海上試驗），以確保設備的功能、可靠性滿足實際作業要求。爲此，需明確各個設備的海試內容、作業程序、海試大綱、結果評估方法等。
（7）深水液壓鑽機
除以上關鍵技術外，深水液壓鑽機還需突破大載荷高速液壓缸、液壓缸升沉補償系統、大流量高精度液壓閥件、大功率液壓泵站等關鍵液壓設備研制的關鍵技術。
五、對策建議
（一）建立和完善標准規範
標准規範的完善程度可以反映行業的發展水平。目前，我國深水鑽機技術水平不高，針對深水鑽機特有的設備，如水下防噴器、隔水管、車升沉補償裝置、主動升沉補償絞車、隔水管張力器等制定的標准規範基本是對 API 或 ISO 標准的采標。爲紮實推進深水鑽機技術水平的發展，我國亟需推進自主制定深水鑽機標准規範工作。通過標准規範的制定與完善，總結已有成熟經驗，促進建造水平的提高，形成自有的設計、制造、檢驗、使用體系。在針對設備制定的標准規範中，設計標准規範、材料標准規範、檢測標准規範均是重點。此外，對于首制産品，還應建立海上試驗、海上應用的標准規範，推進設備的國産化進程。
（二）分類型、分階段、分層次實施深水鑽機設備的國産化
深水鑽機設備的國內技術成熟度不同，應開展國産化技術成熟度分析，劃分設備的國産化階段。相關的國産化階段可概括爲三類：第一類，暫不開展國産化應用，需要開展海上試驗、工程樣機建造、工程樣機測試、原理樣機研發等；第二類，設備可國産化（需測試），需要開展海上試驗或現場試用；第三類，可國産化應用，直接進行工程應用，開展 EFAT 或 SIT 後應用。由于深水鑽機設備的重要性不同、設備失效可能性及失效後果也不同，因此需要進行評估分析，宜根據重要性等級、國産化階段、技術難度、失效風險等級等因素來劃分鑽機設備類型，針對不同類型設備采用不同的國産化策略。例如，對重要設備、大功率設備或應用環境惡劣的設備，應開展大量試驗，確保可靠性；對全新首制設備，應從原理樣機、試驗樣機、工程樣機各個階段開展研發。此外，不是所有的深水鑽機設備都需要開展海上試驗，而應根據深水鑽機設備的重要性和風險分級來確定哪些設備需要進行海上試驗。
（三）建立集成測試和海上試驗基地
開展嚴格的測試是深水鑽機設備國産化的關鍵因素。在深水鑽機設備制造過程中，測試和試驗環節非常重要，特別是隔水管、水下防噴器組等水下設備，因其作業環境惡劣、承受複雜載荷並且對可靠性要求很高，必須嚴格進行測試來保證産品質量。針對一些測試設備分布分散、利用率不高等問題，建議在國家層面進行規劃，整合國內現有測試資源，建立集成測試基地，開展國産化設備的集成測試，充分提高測試裝備的利用率。另外，國産化首制設備經過海上試驗，可以更容易得到用戶認可，也可以在海上試驗過程中發現問題並進行改進。鑒于海上試驗費用高、企業難以找到配套設施和海試場地，建議在國家層面的支持和統籌下，由相關企業和用戶聯合搭建專用的海上試驗平台，開放控制系統的用戶接口，專門用于國産化設備的海上試驗。
（四）開展新研制設備應用的作業風險評估
國內新研制的深水鑽機設備若要投入試用或者進行實際應用，必須在應用前開展作業過程中的風險分析，確定風險點，制定風險應急預案。辨識深水鑽機設備在鑽井作業過程中可能存在的各種風險因素，開展風險評估，依據風險可接受程度來判斷風險水平，針對性制定風險控制措施，從而使國産化深水鑽機設備的作業風險下降到合理可接受的水平。對于國內深水鑽井設備的作業風險評估工作，建議由具有相關資質和豐富經驗的機構（如國內外船級社）來承擔。
（五）加強行業間的廣泛合作
我國生産海洋鑽機設備的企業數量不多，且不可能一家企業獨立解決所有關鍵問題。建議鑽機生産企業加強與相關行業的廣泛合作，爲海洋鑽機的設計、材料、精加工、熱處理、液壓元器件、控制元件、軟件開發等關鍵技術突破尋求協作支持，盡快形成完整的産品制造鏈。必要時可開展全球合作研究，通過全球采購完成整套鑽機産品的研發與制造。目前，我國已經出台相關制度爲重大設備研制和應用創造條件，爲海洋鑽機國産化提供支持，如重大技術裝備保險機制、建立中國海工聯盟等。今後，相關海洋鑽機制造企業、設備應用企業、承擔技術攻關的高等院校和科研院所需加強合作，共同建立標准規範體系並持續完善，打造高水平的研究、設計、建造人才隊伍，形成“産學研用”相結合的自主研發創新體系，快速推進海洋鑽機設備的國産化發展進程。
（六）創新驅動
深水鑽機設備市場長期被來自美國、挪威等國家的少數企業壟斷，我國通過常規技術發展路徑實現超越的難度較大，亟需通過技術創新打破壟斷並進入全球深水鑽機市場。因此，應注重和加強技術創新，針對中國南海海域特點開展深水鑽機的國産化工作，形成新産品以打破國外企業的壟斷地位。建議率先開展單個設備或工具的原始創新，如我國首創的隔水管防台軟懸挂裝置 [19]；持續開展成套鑽機的集成創新，如國內已開展的雙井架連續起下鑽鑽機設計。通過創新驅動，穩步推進並拓寬深水鑽機新産品在海洋油氣開發的應用。
（七）多樣化、系列化、自動化、智能化發展
我國海洋鑽機産品型譜比較單一，未來應朝著多樣化和系列化方向發展，滿足不同類型的需求。例如，制造輕型液壓鑽機滿足淺水小型平台的鑽修井需求，發展大鈎載鑽機滿足深水和超深水鑽井的需求。自動化、智能化是未來工業的發展方向，應加快開展海洋鑽機專用鑽台機械手、鐵鑽工、動力貓道、自動排管機、井口自動化工具等設備的研制，將自動送鑽系統、數據采集、閉環控制、圖像識別、遠程監控、故障識別等技術整合進入司鑽控制系統，實現海洋鑽機操作的自動化和智能化。