海上油气勘探开发具有高科技、高投入、高风险等特点，合适的勘探开发技术是保证油气田开发是否成功的关键，是整个项目投资的重中之重。海上油田开发从勘探、钻井、开采等，几乎都离不开高技术的支持，目前世界各国根据不同海域、不同储量、不同水深，研究应用了不同的勘探钻井、开发生产技术，如固定式生产技术、浮式生产技术、水下生产技术、张力腿平台生产技术、单柱体(SPAR)平台生产技术和大型起重铺管船等。

1 深水油气田钻探工程技术和装备

深水油气田勘探开发离不开钻探，钻探离不开钻井装备，图 1为海洋油气钻井装备技术进展示意图。

随着水深的不断加大，对钻井装备技术状况提出了更高的要求，具体是可变载荷大、钻深能力大、自动化能力高、双定位(动力定位和锚泊定位)、无隔水管钻井等。半潜式平台作为一种可重复使用的移动式海上钻井装置，以其性能优良、抗风浪能力强、甲板面积和装载量大、适应水深范围大等优点显示出其优越性，被称之谓21世纪海洋开发最关键的设备。半潜式平台不仅可用作钻井平台，也可用作生产平台、生活平台、起重平台、铺管平台等，适用范围广。

经过多个阶段的发展，研制了第六代半潜式深水钻井平台(图 2)和深水钻井船，并创造了钻井工作水深为3 051.35 m的世界记录(墨西哥湾的Alaminos Canyon 951区块，用Discover Deep Sea号钻井船^[1]，见图 3)。截至2011年11月，世界上作业水深超过500 m的钻井装置共有323座，其中134座的作业水深超过3 000 m，最大作业水深可达3 810 m^[2](有的钻井装置在不用隔水管作业时，其适应水深可达8 230m)。

2 深水油气田开发海洋工程技术和设施 2.1 导管架式平台

导管架式平台是目前海洋油气开发的主力军，这种平台具有稳定性好、操作方便、技术成熟、较大的甲板承载能力等特点，但缺点是不能移动，无法重复使用，目前大多用于水深在250 m之内、整装油气田的开发。东海油气田、渤海绥中36-1油田和英国北海莫林(Maureen)油田等都应用这种形式。有些油气田生产平台集钻机模块、生产设施和生活设施于一体。

图 4为马来西亚Angsi油田生产平台，该油田包括一座8腿导管架式中心处理平台和一座8腿导管架式钻井井口平台。油田水深70 m，有一条268 km的输油气管线。井口平台设计有52个井槽，分别用于钻生产井和注水井等。油田年生产原油250×10⁴ t、天然气47.25×10⁸ m³。目前，这类平台系统创造了水深达1 353 ft(412.4 m)的使用记录，是1991年由Shell公司在墨西哥湾的Bullwinkle油田创造^[3]。

2.2 简易井口平台系统

简易井口平台也称为最小化井口平台(Minimum Wellhead Platform)，是油公司为了节约工程投资、简化平台结构和使用设备最少、追求安装简便而采用的一种井口平台。简易井口平台在取消生产分离器及相关一些设备的基础上可实行无人值守，平台设备均采用远程自动控制，自动化要求程度高、可靠性强，国外海上油气田一些井口平台也采用无人值守，效果良好；国内中海油在渤海、南海几座井口平台也尝试采用无人值守，但由于管理欠缺、自动化程度低、渔民多等原因，最后取消了无人值守、重新派人上平台操作。另外，在钻井方式、钻井工艺等方面也有较大的区别。

实现简易井口平台的前提条件是采用自升式悬臂梁钻井平台进行钻井，取消模块钻机，这样使平台导管架和上部组块重量大幅度减轻，并易在国内外市场上租用到合适的浮吊来安装导管架和上部组块；如采用模块钻机钻井，就会增加平台导管架和上部组块所受的固定载荷和垂直作业载荷，重量将大幅度增加，由此会产生工程投资增加、安装繁琐或安装条件受制约的问题。

简易井口平台除采用自升式悬臂梁钻井平台钻井作业外，还可以对生产井的井身结构及井口设备系统进行优化，首先采用小井眼钻井，将最后一层的3-1/2″井段既作为套管固井又可以作为油管采油气，这样优化的优点很明显：简化完井程序、减少套管数量及重量、减少钻井液的需求、减少固井泥浆的量、减少岩屑的返出量等等，既能快速钻井，节省钻井时间，又能节省钻井费用；其次取消原先单根隔水导管钻1口井、安装1座采油气树的方式，采用单根隔水导管钻2口井、安装分开式2座采油气树的方法，减少井口区面积，减少隔水导管的数量，又能减少导管架所受的水平波浪力，对减轻井口平台的结构重量创造了先决条件。

采用简易井口平台后，平台结构、重量都发生了根本性的变化。东海某油气田曾作过简易井口平台和传统平台的对比研究，结果表明采用简易井口平台后，导管架、桩、上部模块、隔水导管的结构重量比传统井口平台下降48%，简易井口平台甲板从选用钢材的厚度、上下甲板的层高等各方面都比较合理；据国外油公司初步研究表明简易井口平台比传统井口平台减少投入约32%。图 5为简易井口平台与传统井口平台结构型式对比。

2.3 自升式平台系统

有的油田使用自升式钻井平台钻完井后，考虑到各种因素就地将钻井平台的许多钻井设备替换成油气生产处理设备，因此该平台就变成了原油生产处理、修井作业于一体的平台(图 6)。其它附加设施如同导管架平台一样。

2.4 柔性塔平台

柔性塔平台(Compliant Towers)系统(图 7)采用插入海底的塔式结构支撑上部结构，支撑塔随风浪会产生一定幅度的摇摆，因此有些外国公司将其列为浮式生产系统一类。这种平台分为绷绳式和桩基式两种，采用绷绳能够有效限制摇摆的幅度，提高平台的抗风浪能力。

由CHEVRON和TEXACO公司组建的BBT公司2000年在安哥拉采用桩基式柔性塔平台利用海底回接技术生产开发Benguela、Belize、Lobito和Tomboco油田，油田水深393 m，是一座钻井、生产一体平台^[3]。

工程的一期在2005年底首先开发Benguela和Belize油田，设计生产井有30口，2007年初投产。这座海上平台是当时世界最高的海上人工结构物之一，结构重量28 000 t，海底基盘有40个槽口，设计原油日产量23 848 m³，上甲板重量40 000 t，可支持由KCA Deutag公司提供的钻机模块，平台具有注气能力。

在墨西哥湾、安哥拉水域目前有四座这样的平台；水深从l 000 ft(305 m)到1 754 ft(535 m)。

2.5 半潜式平台(Semi-FPS)生产系统

半潜式平台生产系统(图 8)，就平台外型来看与半潜式钻井平台基本相同，但其内部设备是油气处理、转运等设备。由于平台具有良好的抗风浪能力和稳定性，这种生产平台已成为2 000 m以上深水油气生产的首选生产系统之一。它有传统式锚泊定位系统和动力定位系统两种平台定位方式。

1975年由Hamilton公司在英国北海的阿盖尔(Argyll)油田首先使用半潜式平台生产系统，水深为262.5 ft(80 m)。平台的设计日油气处理能力为原油1.06×10⁴ m³；天然气40×10⁴ m³。2006年在墨西哥湾投入使用的半潜式平台生产系统，水深已达7 040 ft(2 146 m)。

2.6 张力腿平台(TLP)生产系统

张力腿平台除了定位是由平台底下的多条张紧腱(即张力腿)承担以外，其余部分基本与半潜式平台生产系统相同。张力腿平台有传统式张力腿平台(TLP)和小型张力腿平台(Mini-TLP) (图 9)之分。目前这种生产平台受到不少油公司的青睐，能在1 000 m以上深水海域工作。

传统式张力腿平台1984年由Conoco公司在英国北海的Hutton油田首先使用，水深486 ft(148m)^[4]。小型张力腿平台1998年由英国Borneo(Agip)公司在墨西哥湾EW 921区块的Morpeth油田首先使用，水深1 700 ft(518 m)。

目前世界上水深最深的张力腿平台主要分布在墨西哥湾、英国北海、挪威、印度尼西亚、西非；水深从1 000 ft(305 m)到4 700 ft(1 432 m)。

2.7 柱状平台(Spar)生产系统

这是一种比较新型的浮式生产系统，它的上部甲板部分与半潜式平台等生产系统一样，主要不同是其在水下的巨型柱状浮筒，一般该柱状浮筒的直径近30 m，水下部分大于150 m；依靠锚泊定位。由于这类平台在水下部分深，所以最大的优点是抗风浪能力强，稳定性好，是将来深水油气开发值得注目的生产平台。

柱状平台生产系统有两种，包括柱状基底平台(Spar-based Platform)和柱状垂荡板平台(Truss Spar)(图 10)。该类平台1996年由Oryx(Kerr-McGee)公司在墨西哥湾的Neptune油田首先使用，水深1 930 ft(588 m)。现在应用广泛的是柱状垂荡板平台，因为这种平台设计的垂荡板能有效地减少平台上下垂荡。目前世界上水深最深的该类平台位于墨西哥湾，其水深达5 610 ft(1 710 m)。

2.8 油轮式浮式生产系统

油轮式浮式生产系统就是由新建或旧油轮改造而成的浮式生产系统。主要开采方式是油气经处理后储存于浮式生产储油卸油系统(FPSO)上，再由穿梭油轮外输，生产的天然气经海底输气管线输送至陆上天然气处理厂。

1977年SHELL公司在西班牙的地中海Castellon油田首先使用60 000 t油轮作为浮式生产系统(FPSO)，水深为383.9 ft(117 m)^[4]。从此以后在北海、墨西哥湾、东南亚、巴西、西非等地区开始广泛应用集生产、储油、卸油功能于一身的FPSO来开发深水、边际小油田。至1980年，FPSO的使用水深不超过150 m；1980年开始，设计水深达到了450 m，Placid石油公司1987年在墨西哥湾水深500 m的地区使用了FPSO，巴西石油公司用FPSO开发Albacora油田的水深达到了850 m，Seillean公司在巴西海域水深甚至达到1 853 m^[4]。但是FPSO并不是绝对用于深水地区，据统计在北海使用的大部分FPSO是应用在水深150 m之内，世界上占总数75%的FPSO被用于水深在300 m之内的油田，而水深最浅的记录为20 m，是中国渤中34-2油田，它是在1990年安装的长庆号FPSO(旧油轮改造)。

经过几十年的应用，证明FPSO具有以下的优点：投产快、投资省、适应性强、灵活机动、适用于深水油田及边际小油田、可以再利用等，如在北海海域FPSO的投资只相当于固定平台开发同类油田投资的四分之一，有利于小油田的开发；容易搬迁，可以再次利用；与固定平台相比水越深相对投资越低；投产时间比采用固定平台开发模式节省50%。由于有那么多的优点，所以受到了国际上各石油公司的青睐，应用和发展也越来越广泛。据国外资料统计，全世界有160多艘油轮式FPSO已投入使用，另有多艘油轮式FPSO在建造。

对于国内海洋油气田开发，中海油近几年也在大力发展FPSO，截止2011年底，中海油共拥有16艘FPSO(2艘已经停止生产)，其中旧油轮改造5艘(长庆号、明珠号)，新建11艘；均为国内厂家建造，11艘中有6艘达到或超过15×10⁴ t级，且绝大部分采用外转塔式FPSO。目前在渤海渤中34-2油田、渤中25-1油田、秦皇岛32-6油田、曹妃甸11油田以及南海陆丰22-1油田、西江30-2油田、西江24-3油田等都使用FPSO生产。

2.9 水下生产系统

水下生产系统是上世纪60年代发展起来的利用水下完井技术结合生产处理设施而组成的生产方式；是固定式平台、浮式生产系统的一种补充，它可以与固定式平台、浮式生产系统组合成不同的开发形式。它包括水下采油(气)树(干式、湿式)、水下分离器、水下增压泵、多相流量计、水下管汇、水下增压泵、输油气管线、气电液压控制系统等，有的设备还在试验阶段，有的已经得到实际应用，据“海洋工程”(Offshore Engineer)杂志报道一家美国公司在墨西哥湾的Canyon Express地区成功应用了多相流量计。图 11为典型的水下生产系统示意图。

2011年壳牌公司在墨西哥湾的Perdido开发项目中，采用水下生产系统对Tobago油气田进行开发，该油气田的水深达到9 627 ft(2 888 m)，为目前世界上最深的水下生产系统。

2.10 铺管船及起重船

海上油气田开发大型结构物的海上安装，海底管线的铺设，离不开铺管船及起重船，世界上起重船的最大起重能力已达2×8 000 t。开发深海油气时，海底铺管是必不可少的，将两种功能结合，形成大型铺管及起重半潜平台，不仅是深海油气开发的重要服务保障设施，还可用于其他海上军民的重大工程建设。2000年我国烟台船厂建造的起重铺管船“兰疆号”是亚洲最大的起重铺管船(中海油)，全回转，最大起重能力3 800 t，作业水深8~150 m，有义波高2 m，铺管直径4.5~48 in。各类起重铺管船见图 12。由中海油建造的“海洋石油201”号深海铺管起重船是我国第一艘深水铺管装备。该船采用DP2动力定位系统，最大作业水深可达3 000 m，起重能力4 000 t。

3 结束语

深水海工装备是决定深水油气勘探开发水平的关键因素之一，近几年中国已经意识到深水勘探的重要性，并在深水勘探装备和技术上取得了重要进展。由于我国目前投人开发的海洋油气田水深不是很大，所以在深水开发技术方面，差距更大。但是我国拥有近300×10⁴ km²的海域面积，发育26个大中型沉积盆地，面积约160×10⁴ km²；其中近海盆地10个，面积约90×10⁴ km²；其余为深水盆地，可以说深水区面积大，油气资源丰富，走向深水是必由之路。因此开展相关技术的研究和储备，对促进和加速我国深水油气勘探开发很有意义，起到一定的促进作用。