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海洋工程中的創(chuàng)新思維一、海洋工程發(fā)展簡介1920年,委內(nèi)瑞拉首先在馬拉開波湖上使用木結(jié)構(gòu)平臺鉆井,揭開了人類開發(fā)海洋油氣資源的的序幕。90多年來,海洋油氣資源的勘探開發(fā)從無到有,觸及的海域由淺入深,勘探開發(fā)技術和裝備不斷革新,使人類向海洋索取資源成為可能,同樣為世界科技和經(jīng)濟的發(fā)展注入了強大的動力。1947年在美國墨西哥灣建成了世界第一座鋼結(jié)構(gòu)平臺,標志著鋼結(jié)構(gòu)海洋平臺成為海洋油氣資源開發(fā)的重要工具。20世紀60年代,以美國為首的許多西方國家為擺脫能源危機,紛紛投資開發(fā)近海石油,70年代形成近海石油的開發(fā)高潮。80年代,全世界從事海上油氣勘探開發(fā)的國家和地區(qū)超過100個。隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向深海推進,人類開始不斷探索新型的開發(fā)技術以適應需要。20世紀50年代提出了順應式平臺的概念,經(jīng)過多次實驗和探索,1984年英國北海建造了世界上第一座張力腿平臺——Hutton平臺,水深157m,標志著深水采油張力腿平臺技術完全成熟?,F(xiàn)已形成三大系列,SeaStar系列>MOSES系列和ETLP系列。1987年一種新型的深水采油平臺Spar平臺被設計出來,1997年首次建成投產(chǎn),目前已經(jīng)開發(fā)了三代Spar平臺,成為繼張力腿平臺之后的第二主力深水采油平臺。20世紀70年代中期開始,浮式生產(chǎn)儲油裝置與井口平臺的配套生產(chǎn)開始受到人們的關注,后逐漸發(fā)展成熟為浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(FPSO),是集海上油氣生產(chǎn)、儲存、外輸、生活、動力于一體的技術密集的海洋工程結(jié)構(gòu)物。CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少CanadaChEnaVietnamVenezuelaJDZ1CongoAustraliaHydrourijeiiTypeUnitedStatesTrinidadaMTobsgoNorwaylreland-C^NetherlalniDenmark^Morocco^Stenfl少GhaflS'—yIsraelIndi*Thatiand^Malaysia^Ir<ione5ia'Angola圖1世界主要海洋油田分布圖B國近銜油呂田分布褊州20<凝析油氣田銀中騎-1油田歧口18T油田錦州9-3油田秦MS32-6油田!1萊19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油氣田|泅?州11-4油出B國近銜油呂田分布褊州20<凝析油氣田銀中騎-1油田歧口18T油田錦州9-3油田秦MS32-6油田!1萊19-3油田土呈北油田渤中34-2/4油田平湖油氣田|泅?州11-4油出陸豐13-1袖田番禺4-2釉田陸豐四-1油田惠加1-1油田流花11T油田惠州空-2油田惠州寵-5油田惠州寵T油田方1T氣田惠州西-1油田文昌油田樣崖城13-1-,田天啓氣訶錢歧口11-2.1T-3油田西江24T油田西江30-E油田漓洲11-40油田番焉E-i淚田涯1MI12-1油田圖2我國主要海洋油田分布圖目前,陸上石油資源的逐步衰竭目前國際石油界的普遍共識,過去30年東、西半球兩個最重大的油田發(fā)現(xiàn)均來自海洋。海洋石油開采是大勢所趨,根據(jù)各種權威機構(gòu)的數(shù)據(jù)源顯示,海洋石油資源將是未來原油產(chǎn)量增長的重要來源,全球50%以上的油氣產(chǎn)量和儲量將來自海洋。海洋工程技術發(fā)展方興未艾,將在今后的海洋開發(fā)中起到根本性的關鍵作用。

二、海洋工程的技術特點海洋石油工業(yè)比起陸上石油工業(yè)來說,有著不同的特點。技術密集。由于海洋石油勘探開發(fā)建設需要多學科的綜合技術,涉及的技術面很寬,要求高效、安全、可靠、經(jīng)濟,所以廣泛采用了當今世界最先進的技術與裝備,而且更新?lián)Q代很快,新技術、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)。如海上地震勘探目前國外已發(fā)展到480道多纜多震源勘探技術、數(shù)字電纜、高分辨處理技術已普遍采用;在鉆井方面小井眼、小曲率半徑水平井鉆井技術在油田開發(fā)中應用,目前水平位移已達5000一8000多米;在測井方面,數(shù)控成像技術、大容量的傳輸系統(tǒng)及最先進地面設備,為油田開發(fā)方案的制定,提供了可靠依據(jù);在油氣田開發(fā)方面,采用注化學聚合物、熱采、核能利用等方法提高稠油油田采收率見到明顯效益;在海洋工程建設方面,深水油田開發(fā)范圍已發(fā)展到2000m以上,水下多相混輸多相計量技術試驗成功,已形成一套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng);在邊際油田開發(fā)方面,平臺結(jié)構(gòu)和工藝流程的簡化,更趨向輕小型、移動式,并實現(xiàn)遙控、遙測和無人操作。資金密集。海上油氣資源的勘探開發(fā)投資非常大,往往是陸上油田投資的數(shù)倍。海上打一口探井要花費上千萬美元,建一座中心采油平臺要上億美元。要找到一億噸儲量需要的投資約2.5億美元,陸上只需要投資1.7億美元,海上油田開發(fā)投資平均為陸上油田開發(fā)投資的1.5一3倍。高風險。海洋工程的高投入加上工程的不確定性以及意外事故的頻發(fā),導致了海洋工程的高風險。進行海上油氣資源勘探時,如果沒有發(fā)現(xiàn)資源,勘探投資就沉沒了。由于海洋工程技術密集,環(huán)境惡劣,一旦發(fā)生事故,維修處理難度相當大,將造成重大的生命財產(chǎn)和環(huán)境損失。這就加更需要開發(fā)高新技術,來降低海洋工程的風險概率,強化風險應對措施,降低開發(fā)投資,保證取得好的經(jīng)濟效益。2010年9月72010年9月7日平臺傾覆圖42010年4月20日深水地平線平臺事故三、創(chuàng)新——海洋工程發(fā)展的不竭動力海洋工程發(fā)展的近百年歷史也是人類不斷創(chuàng)新的歷史。創(chuàng)新是指人們?yōu)榱税l(fā)展的需要,運用已知的信息,不斷突破常規(guī),發(fā)現(xiàn)或產(chǎn)生某種新穎、獨特的有社會價值或個人價值的新事物、新思想的活動。創(chuàng)新的本質(zhì)是突破,即突破舊的思維定勢,舊的常規(guī)戒律。創(chuàng)新活動的核心是“新”,它或者是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和外部特征的變革,或者是造型設計、內(nèi)容的表現(xiàn)形式和手段的創(chuàng)造,或者是內(nèi)容的豐富和完善。下面通過幾個實例說明創(chuàng)新思維在海洋工程發(fā)展中的重要作用理論、技術和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開發(fā)提供了豐富的技術手段,使海洋開發(fā)成為可能。Spar平臺是目前世界上適用水深最深的海洋石油生產(chǎn)平臺。它的誕生見證了創(chuàng)新思維的重要作用。1971年,Lowd等人提出了浮式生產(chǎn)設施的設計方案,并且給出了其模型水池實驗的數(shù)據(jù)。這一半潛式生產(chǎn)裝置是一座Spar浮標,它綜合了垂直圓柱的穩(wěn)定性、靈活性以及較小的體積等優(yōu)點,并且具有重力式平臺的生產(chǎn)和處理功能。這一生產(chǎn)設施可裝船運輸?shù)桨惭b地點,無須起重船的幫助能完成下水安裝的程序,是現(xiàn)代Spar平臺的雛形。1987年,EdwardE.Horton設計了一種專用于深海鉆探和采油工作的Spar平臺,其結(jié)構(gòu)形式特別適合深水作業(yè)環(huán)境,該平臺被公認為現(xiàn)代Spar生產(chǎn)平臺的鼻祖。!UDtyTre#圖!UDtyTre#圖5Spar平臺現(xiàn)代Spar平臺的主體是單圓柱體結(jié)構(gòu),垂直懸浮于水中。主體吃水很深,平臺的垂蕩和縱蕩運動幅度很小,使得Spar平臺能夠直接安裝剛性的垂直立管系統(tǒng),承擔鉆探、生產(chǎn)和油氣輸出工作?,F(xiàn)代Spar平臺的中心處開有中央井,中央井內(nèi)裝有獨立的立管浮筒,具有良好的靈活性。生產(chǎn)立管上與平臺上體的控井和生產(chǎn)處理設施相連,向下則一直延伸到海底油井。Spar平臺的油氣產(chǎn)品有兩種輸出方式,它既可以通過柔性輸油管、SCR立管或頂緊張式立管將油氣產(chǎn)品直接輸送到海底管道系統(tǒng),也可以將石油儲藏在Spar平臺的主體中,然后用油輪將石油向岸上運輸。由于采用了纜索系泊系統(tǒng)固定,使得Spar平臺十分便于拖航和安裝,在原油田開發(fā)完后,可以拆除系泊系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)移到下一個工作地點繼續(xù)使用,特別適宜于在分布面廣、出油點較為分散的海洋區(qū)域進行石油探采工作。雖然Spar平臺應用歷史僅30多年,但是正是由于其凝聚了大量的創(chuàng)新之處使的其得到了飛躍性的發(fā)展,也使得人類走向更深的海洋。理論、技術和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開發(fā)提供了新的技術,提高了安全性與可靠性。動力定位技術的開發(fā)和應用使得海上操船不再高難,使得海上定位更加可靠更加精確。動力定位是一種可以不用錨系而自動保持海上浮動裝置的定位方法。采用動力定位的海上浮動裝置,在海上鉆探作業(yè)時不需要拋錨,這不僅減少了復雜的拋錨工序,而且工作的水深亦不受錨系長度的限制,甚至可以在水深大于1000米以上的深度進行工作。動力定位是海洋工程船舶的一種定位方法,先用聲吶測定船位,再利用船上的自動控制系統(tǒng),發(fā)出指令,控制安裝在船首、船尾的側(cè)向推進器,來固定船位。動力定位法的優(yōu)點是不受水深限制,適合于深水海域使用。動力定位系統(tǒng)由船位顯示儀、電子計算機控制機構(gòu)和推進器等部件組成。工作時,電子計算機隨時可根據(jù)船位儀所測定的船位數(shù)值,自動地發(fā)出控制信號,改變推進器的運轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速或葉片的螺矩,以調(diào)節(jié)船位。有的動力定位系統(tǒng),還可根據(jù)風力的變化,提前發(fā)出信號來抵消風力的影響。動力定位時,通過電腦傳輸,只需幾分鐘的時間,就把航行中的船穩(wěn)穩(wěn)地停在預定的位置。該系統(tǒng)開啟后,位置傳感器、航向傳感器、姿態(tài)傳感器、風傳感器、海流傳感器等儀器開始實時實地測得數(shù)據(jù),并把這些數(shù)據(jù)信息及時傳輸給計算機,計算機再將其與儲存的預定停泊位置資料對照,找出差別,繼而向各推進器發(fā)出指令,調(diào)整其推力,實行差別修正,直至到達預定位置,停穩(wěn)。該系統(tǒng)應用了差分全球定位系統(tǒng),數(shù)字濾波技術,以及最優(yōu)控制軟件等先進技術,使其定位精度在幾米之內(nèi)。該系統(tǒng)不僅應用于停船定位,而且還能應用于船與船間的航距固定。還使得海底電纜鋪設、檢修,海上打撈救生,以及深海石油開采等海洋作業(yè)的平臺定位更加便捷。理論、技術和裝備創(chuàng)新降低了海洋油氣開發(fā)的成本,降低了投入。鉆井技術的創(chuàng)新,大大縮短了海洋石油勘探鉆鉆井的周期,降低了成本。下列為深海鉆井的新技術。(1)定向鉆井幾十年來,叢式井一直是海上采油的唯一手段。近10年來,為了提高采油率和降低成本,大位移井、水平井和多支井又應運而生。地質(zhì)導向鉆井技術和旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)是定向鉆井技術的兩項尖端技術。(2)小井眼鉆井小井眼就是井眼直徑比常規(guī)井眼直徑明顯小。井眼小了,則破碎巖石體積小了,耗能小了,鉆桿也小了,套管也小了,鉆機也小了,占地也小了。一小百小,平均節(jié)省費用50%。(3)欠平衡鉆井欠平衡指的是鉆井液柱壓力低于地層壓力。欠平衡鉆進時,地層原油會流入井內(nèi)。所以井口要安裝旋轉(zhuǎn)防噴器,循環(huán)系統(tǒng)要有油水分離器。形成“欠平衡”的方法包括邊噴邊鉆、泥漿帽壓井、立管注入氣體、環(huán)空注入氣體和泡沫鉆井液等。欠平衡鉆井的突出優(yōu)點是提高鉆速和不損害油層。(4)用盤管機組鉆井盤管指的是沒有接頭、內(nèi)外平滑、連續(xù)成一根并可盤卷在滾筒上的鋼管,直徑多在25.4~50.8mm之間,長度最大達6000m。其最大優(yōu)點是井內(nèi)起下方便快捷,不用上卸螺紋。(5)無隔管鉆井系統(tǒng)隔(水)管的作用是保障鉆井液循環(huán)。但隔管的龐大與笨重增加了作業(yè)成本、難度和風險。不用隔管,關住海底防噴器(抱住鉆桿),讓鉆井液從另外一根小管返回平臺。理論、技術和裝備創(chuàng)新為海洋油氣開發(fā)提供了應對風險的能力。地震、臺風、海嘯或巨大海冰沖擊等惡劣環(huán)境載荷海洋平臺的動力響應是導致平臺事故和疲勞破壞的重要原因。為了降低動力載荷對海洋結(jié)構(gòu)物的影響,學者和工程人員開發(fā)了不同的減振技術和設備,來改善海洋結(jié)構(gòu)物的動力特性。另外在冰區(qū)作業(yè)的結(jié)構(gòu)物為了抵御巨大的冰荷載,還在結(jié)構(gòu)物上設計了抗冰錐體等特殊結(jié)構(gòu)。工程技術人員采用了大量的現(xiàn)代科技來改善海洋結(jié)構(gòu)物的特性,來提高其安全性能和對風險的抵御能力。四、海洋工程創(chuàng)新中的問題創(chuàng)新源于積累在海洋工程發(fā)展歷史中我們可以清楚的看到創(chuàng)新并不是異想天開,是在現(xiàn)有條件的基礎上進行了大量深思熟慮的研究。成功的創(chuàng)新來源于足夠理論基礎和工程經(jīng)驗的積累。創(chuàng)新應當博眾家之長,借鑒所有可以借鑒的技術、成功的經(jīng)驗和失敗的教訓,而不是閉門造車。創(chuàng)新需要積極的探索嘗試實踐是檢驗真理的唯一標準。所有的創(chuàng)新思維在理論上經(jīng)過謹慎的研究和計算之后應該大膽實踐,積極嘗試。在工程實踐中驗證創(chuàng)新之處的意義、價值和不足。創(chuàng)新思維應當是解決實踐工程問題,而不是紙上談兵。創(chuàng)新是一個長期過程創(chuàng)新是一個不斷探索,積累和修正的過程。在海洋工程領域中,一項大的創(chuàng)新技術需要經(jīng)過多年的積累和反復的驗證,之后投入生產(chǎn)。在生產(chǎn)中還應當重視跟蹤觀測,不斷的完善直至成熟。海洋工程的高風險也導致了創(chuàng)新的高風險,所以在創(chuàng)新時不能急于求成,盲目蠻干。五、國內(nèi)創(chuàng)新現(xiàn)狀中國在海洋國土開發(fā)上還比較薄弱,現(xiàn)在中國的海洋開發(fā)能力主要集中在淺海,海洋資源的全面利用、深海的開發(fā)能力還不足,也缺少相應經(jīng)驗。從裝備制造現(xiàn)狀來看,我國海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化率一直較低,進口比例在70%以上。在海洋工程裝

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