海洋上的“钢铁岛”

21世纪，人类已经进入海洋开发、海洋保护的大时代。占地表面积71%的蓝色海洋，是富饶而未充分开发的资源宝库。海洋水深200米以下的深海区域，占据着地球面积的60%左右，其锰、钴、镍、稀土等金属矿产含量均远超陆地含量，是未来可持续发展矿产资源需求的重要接替区。

我国幅员辽阔，疆域广大，除960万平方千米的陆地面积外，尚有300余万平方千米的海域面积。同时，我国还是世界上海岸线最长的国家之一，海岸线总长居世界第四。大陆架面积为130万平方千米，位居世界第五。200海里水域面积为200～300万平方千米，居世界第十。我国的海洋矿产资源种类丰富，储量巨大，具有良好的勘探开采前景，在未来经济的持续发展中将占据重要地位。

所谓“工欲善其事，必先利其器”，为了更好地利用海洋矿产资源，海上钻井平台应运而生。海上钻井平台通常由数台起重机、一套钻井系统、人员生活区、直升机停机坪、救生艇、储存液体的储水罐和火炬组成。其中，起重机负责在船舶和钻井平台之间运输物资；钻井系统用于开采活动；火炬用于将开采时夹杂的易燃气体（如天然气）进行分离并燃烧，以防止任何可能的爆炸。开采时，海上钻井平台还需设置防喷器防止井喷现象的发生，以达到在海上恶劣环境中进行长期作业的目的。

海上钻井平台被称为“流动的国土”，体现着一个国家工业的整体实力和发展方向。我国海洋石油工业起步于20世纪50年代的莺歌海。1984年，我国自主设计、建造的国内第一座半潜式钻井平台“勘探三号”交付使用，其最大作业水深200米，最大钻井深度6000米，这是我国最早的国产海洋钻井装备。进入21世纪以后，随着我国海洋油气勘探开发业务的大幅增长，海洋钻井装备技术得到了快速发展。从基本的仿制逐渐发展到自主创新研制，从早期的机械传动逐渐向自动化智能化方向发展。目前，部分钻井装备生产企业的浅水水域的装备设计和制作工艺已经较为完善，正在向深水水域进发。深水区域的钻井装备包括张力腿平台、立柱式平台和半潜式平台等。随着工作水深的不断增加，张力腿平台和立柱式平台在适应性、经济性等方面已经没有优势。当前国际主流的深水和超深水钻井平台主要以半潜式平台和钻井船为主。我国研制的“蓝鲸2号”就是目前全球最大、最先进的超深水双钻塔半潜式钻井平台。“蓝鲸2号”半潜式钻井平台的自重为43725吨，可以在全球95%的海域作业，最大钻井深度为15250米。“蓝鲸”系列钻井平台的船体结构很强，船体强壮，配备有DP3动力定位系统，在12级台风下平台位移不超过11米，倾斜角度不超过2度。而且，“蓝鲸”系列钻井平台采用超厚钢板，抗扭曲能力极强，其应对突发情况的钻井闭环技术更处于世界前列。“蓝鲸”系列钻井平台的研制成功，标志着我国在该领域已达到完全自主化。

那么，“蓝鲸”系列钻井平台是如何矗立于波涛汹涌的大海之中的呢？

何以立——海上钻井平台技术原理

要想理解“蓝鲸”系列钻井平台矗立在海中的根本，需要从海上钻井平台的原理说起。海上钻井平台根据不同的固定原理、结构形式和功能，可以分为多种类型，每种类型都有其独特的特点和适用场景。根据固定原理的不同，海上钻采平台可以简单分为移动式平台和固定式平台。

固定式平台稳定性良好，但其耗资巨大，所用材料需求量也十分惊人。固定式平台包括导管架式平台、混凝土重力式平台和深水顺应塔式平台等。这些平台通过打桩或是以混凝土（沉箱）为基础固定于海底，一般应用水深为20～500米，在整个使用寿命期内位置固定不变，一般不再移动。其最大的优点是稳定，海面气象条件对它影响较小，但是灵活性差，不能运移。

而移动式钻井平台，作业完成后，可拖航或自航到其他地点，特别适合钻勘探井或丛式井。移动式平台根据结构的不同，可分为坐底式平台、自升式平台、浮船式平台、半潜式平台和张力腿平台等，不同种类的平台对水深的要求不尽相同。最早出现的海上移动式平台为坐底式平台，又被称作“钻驳”或“插桩钻驳”，将钻井设备安装在驳船上。由于驳船型深有限，工作水深一般在5米以内，且抗风浪能力很差。现代的坐底式钻井平台适用于河流和海湾等30米以下的浅水区域。后来，为了满足向更深的水域进发的需求，自升式平台、钻井船先后面世。但它们最多只适用于200米以内的水深。在面对更深的海洋时，就需要用到半潜式平台。

目前，由烟台中集来福士船厂建造的“蓝鲸1号”和“蓝鲸2号”超深水半潜式钻井平台是全球最先进的半潜式钻井平台。“蓝鲸”系列钻井平台集钻井、修井、生产等多种功能于一体。它由坐底式平台发展而来，上部为工作甲板，下部是为平台提供浮力的浮体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，将重心置于水下，甲板处于水上安全高度，避开了海面波浪作用区，稳定性好，自持力强，工作水深大。半潜式平台在海面定点作业时，需要采用锚泊系统和动力定位系统来防止其随波逐流，即采用锚链、吸力桩固定平台固定钻井平台。在风浪大的深海区域，仅靠锚链不能有效固定平台，因此又引入了动力定位技术。动力定位技术可以实时监测钻井平台的位置偏差，综合外界干扰因素，自动控制推力器，使钻井平台尽可能地固定于作业位置，这样工作水深可达900～1200米。

何以稳——DP3船舶动力定位系统

深海区域海洋环境复杂多变，风、浪、流等因素会对钻井平台产生持续的干扰。传统的锚泊系统在深海区域受到水深影响，难以有效固定钻井平台，且成本极高，而动力定位系统不受水深影响，能够稳定地保持钻井平台位置，在深海钻井、敷设海底管线、打捞救生等复杂深海作业中大显身手。动力定位系统的主要原理是根据采集的风、浪、流等环境参数，以及位置参照系统提供的位置信息，利用计算机自动进行计算，控制各个推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位“雷打不动”。动力定位系统由控制整个定位过程的控制系统、获取平台位置和环境参数的传感器系统、为整个动力定位系统供电的动力系统及接受控制系统指令产生推力的推进装置四部分组成。

应用在“蓝鲸”系列钻井平台上的为DP3船舶动力定位系统。DP是动态位置保持系统的简称， DP3级是国际海事组织的最高动力定位级别，广泛用于船舶及海上平台作业时的精准定位，其精度最准，抗风险能力最强（最高能抵御18级台风）。DP3动力定位系统应用于海上钻井平台时具有四大明显优点：一是相对于锚泊定位，动力定位更加快捷方便，随水深的增加费用变化不明显；二是可以工作于任何水深，并能对外部环境的变化和操作需要做出相应的反应；三是当钻井完工后，可以迅速地移动到新井位并迅速进行定位作业；四是不会对海床造成损坏或同其他船舶、平台的锚链发生缠绕，也不影响附近的航道。

DP3船舶动力定位系统是我国走向深海不可或缺的核心关键装备，为我国在该领域的国产化和产业化打下了坚实的技术基础，也将为我国海洋工程向深海进军提供坚实的技术保障。

何以精——多项黑科技助力安全节能

DP3船舶动力定位系统不仅提供了一套稳定的定位方案，还附带了一套完整的闭环动力解决方案，极大地提升了钻井平台的安全性。2019年，“蓝鲸2号”钻井平台成功完成了DP3船舶动力定位系统操作模式下的电力系统的闭环实验。闭环实验是一项极其危险的系统测试，就是人为切断整个钻井平台的电力供应，让8台推进器同时停止工作，其目的是测试整个钻井平台在发生最极端的断点故障的情况下，是否能在最短的时间内隔离故障设备，立即恢复动力，并保证其他发电机继续让全船运行，最大限度地保证人员和设备安全，有效避免动力定位系统因失去电力供应而导致钻井平台发生较大位移，输油管发生断裂引发安全事故。此外，当发电机突然出现故障，DP3闭环动力解决方案会将备用发动机的启动时间从几分钟缩短到几十秒，极大地保证了事故处置的时效性。

除了稳定性和安全性，DP3闭环动力解决方案也使“蓝鲸”系列钻井平台实现了节能高效。DP3闭环动力解决方案可以节省50%的发动机维护成本，节约能耗超过11%，同时降低二氧化碳排放高达20%、降低氮氧化物排放高达35%，比同类作业平台燃油消耗降低10%。

“蓝鲸1号”和“蓝鲸2号”都装配了全球最先进的液压双钻塔和2个井口，两台钻机可在2个井口同时实现钻井、连接套管、下放防喷器等主副线作业，有效减少了钻井辅助时间，使深水钻井作业效率比传统的单井口作业平台提高30%。 “蓝鲸1号”和“蓝鲸2号”还配备了主副两套水下防喷器，每套防喷器都配备了剪切闸板，而剪切闸板是井喷控制的最后一道防线。如此配置，极大地提升了常规井下压力控制设备的能力，保证了作业过程的安全。

海上钻井平台，作为在波涛汹涌的深海中矗立的“钢铁岛”，不仅能够抵御狂风巨浪，而且还能在深海的恶劣环境中精准作业，为全球能源供应提供有力保障，在当今世界能源格局中扮演着举足轻重的角色。海上钻井平台的建设与运营，是多学科、多领域技术的高度集成，从钢铁结构的精密设计，到复杂的钻井系统，再到先进的定位技术，每一个环节都凝聚着无数科学家、工程师以及一线作业人员的心血与智慧，是现代工业技术与海洋资源开发深度融合的结晶。回顾海上钻井平台的发展历程，从最初的简陋驳船到如今功能完备、高度智能化的“蓝鲸”系列钻井平台，每一步都见证了人类对未知世界的勇敢探索。未来，我国将进一步探索钻井装备核心技术，加强钻井装备基础研究，进一步完善海洋装备产业化体制机制，朝着“标准化、自动化、智能化、深水化”的终极目标挺进。

致谢

感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054）、中国矿业大学教学研究项目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题项目（2021MXJG179）的支持。