（四）海工装备细分市场分析1、海洋钻机系统海上石油天然气的钻井工艺与陆上基本相同，所不同的是陆上钻机不受场地限制，可以分散布置，而海洋钻机必须集中布置在面积不大的海上平台上，自然条件恶劣，操作工况十分复杂。

此外，海洋钻井远离陆地，运输十分困难。

这些特点决定了海洋钻机除了必须达到陆上设备的要求外，还要满足一些特殊要求。

同时，由于钻井环境条件的不同，海洋钻机系统和部件配置又有其自身的特点。

1）组成简介海洋钻机系统主要由钻井绞车、顶驱、泥浆泵、排管机、仪表与司钻房等部分组成。

（1）钻井绞车钻井绞车按照驱动方式可以分为直流驱动、液压驱动和交流驱动三种形式；按照传动方式可以分为链条传动和齿轮传动两种形式；按照刹车方式可以分为盘式刹车和涡磁刹车两种。

（2）顶驱顶驱的驱动方式分为直流、液压和交流三种，有单马达和双马达两种驱动组合。

（3）泥浆泵泥浆泵的驱动方式分为直流、液压和交流三种，有卧式和立式两种布置型式。

（4）排管机排管机有柱式排管机、桥吊式排管机和星型排管机三种形式。

（5）仪表与司钻房仪表一般有组合式指针仪表、组合式数显仪表和屏显数字化仪表三种形式。

（6）产业结构目前，整个钻井系统几乎所有核心设备都被国外少数几个公司垄断，如下表所示：表 1 钻井系统设备生产企业市场份额年代初开始，世界钻井技术进入快速发展期，石油钻机整体向着交流变频调速电驱动石油钻机）方向发展；钻深能力达12000～15000米，绞车功率从增大至。

虽然我国川油广汉宏华公司与宝鸡石油机械公司已设计出海洋同时配备交流变频电驱、静液驱动的新一代顶部驱并已成为海洋工程标准产品。

挪威MH公司、德国Bentec和美7000-9000m数控变频钻机。

但大多数国内钻机的性能较差，导致国内钻井平台几乎只采用国外钻机。

另外，国外无绞车、液缸升降型钻机正迅速发展，质量比传统曲轴连杆三缸钻井泵轻80%的静液驱动钻井泵、套管钻井石油钻机、机械驱动长行程泥浆泵均得到广泛应用，我国基本在这几项没有开发能力。

在钻井配套设备方面：对一些高难度钻采条件，如定向井、水平井所需的随钻测量（MWD）、地质导向钻井技术（LWD），电潜泵（ESP）、自动送钻装置、软扭矩系统、钻井泵同步装置等等关键设备仍依赖进口。

大通径高封井压力和高剪切力的防喷器（BOP）我国仍没有开发能力。

如美国Hydril公司的防喷器封井压力高达138Mpa；河北华北石油荣盛机械公司作为国内最大的防喷器企业，封井压力才50Mpa，难以适用于6000米水深。

13年三月，上海船厂与宏华海洋油气装备（江苏）有限公司在上海签订了TIGER系列钻井船的钻井设备包合同，其中五缸泵等设备由宏华自主研发。

这将推动钻井船配备国产化钻井设备的进程，逐渐提高中国海洋装备制造企业在国际市场的竞争力。

2、水下生产系统水下生产系统是将全部或部分油气集输装备置于海底的生产系统。

该系统的出现，解决了在深水中使用固定式平台而使成本急剧上升的问题；水下生产系统多与浮式生产系统配合工作。

在水下系统中，井口头和采油树都在海底；因此，水下生产系统就不会像在水上的生产系统（如刚性平台）那样受到海面风浪流和水深的影响。

但另一方面，水下生产系统不能直接进行操作，操控也必须通过脐带缆远程控制，持续地操作显然比平台式生产系统复杂得多。

水下生产系统的费用基本上随水深变化而变化，而刚性平台的费用是随着水深的增加而增加的；因此，对于深水区域，多趋向于使用水下生产系统。

该系统的工作原理为：油气从水下井口上的采油树采出，经海底管线送到水下管汇进行计量、收集、初步处理，再通过海洋立管输送，然后被运往岸上做进一步处理。

1）组成简介水下生产系统主要包括：油井、井口头、采油树、水下管汇、接入出油管系统和控制系统等，如下图12所示。

图 1 水下生产系统组成（1）采油树采油树最初被称为十字树、X型树或者圣诞树。

它是位于通向油井顶端开口处的一个组件，它包括用来测量和维修的阀门、安全系统和一系列监视器械。

它连接了来自井下的生产管道和出油管；同时，作为油井顶端外部环境隔绝开的重要屏障。

采油树还包括：许多可以用来调节或阻止所产原油蒸汽、天然气和液体从井内涌出的阀门；采油树是通过海底管线连接到生产管汇系统的。

水下采油树的诞生使低成本地开发深水油气田成为可能。

（2）水下管汇水下管汇主要用来分配、控制管理石油和天然气的流动。

水下管汇安装在海底井群之间，主要是将数口油井的油气集巾起来，再通过一条输油管线混合油流，送到最近的采油平台或岸上基地做进一步处理，它可以减少海底管线的长度。

管汇终端包括一些大型的结构（如：水下加工系统）都属于水下管汇；因此，水下管汇类型有许多种。

水下管汇和油井在结构上是完全独立的，油井和出油管道通过跨接管与管汇相连。

水下管汇由管汇、管汇支撑结构、基础结构和保护盖三部分组成。

（3）管汇管汇由管线、阀门、控制模块、流动仪表等组成。

管汇中心的管线布置在底盘上，从底盘井及卫星井产出的流体，由管汇聚集后用管道输至平台。

来自平台的注入水经管汇分配至个注水井。

（4）管汇支撑结构水下管汇的管汇支撑结构主要由大管径和型钢制成的框架组成，它的主要作用是：为钻井提供导向；为水下管汇安装的设备提供支撑基座；为水下管汇下入海底提供载体；提供一个隔离物以保护水下管汇部件不被撞坏。

（5）基础结构和保护盖大部分水下管汇中心的基础结构都是吸力锚的结构形式。

吸力锚主要由大管径钢结构组成，对管汇系统主要起锚固作用；吸力锚（Suetion Anehor）所依靠的“吸力”，仅仅是在沉锚施工过程中实现的；沉锚完成后，“吸力”即消失，此时的吸力锚实际上就如同一个常规的埋入短桩，依靠它周围土体的抗力提供锚固力。

（6）跨接管在水下油气生产系统中，跨接管是一个较短的管状连接元件，主要用在采油树和管汇、管汇和管汇等之间输油；除输油外，跨接管也可用来向油井注入水和气。

典型的跨接管在管子的两头分别有一个终端连接器。

如果管子是刚性的，跨接管叫做刚性跨接管，如果管子是柔性的就叫做柔性跨接管。

刚性跨接管主要有“M”和“U”两种形式。

（7）脐带缆是由一组电缆组成，通过上部设备连接水下设备，为水下生产设备提供电力、液压、控制和监控信号。

（8）水下控制系统主要用于对水下采油树、水下管汇系统等设备的远程控制，用以闸阀开/关，水下油咀的调节，井下压力温度及水下设施进行的监测，所需化学药剂的配注。

图 2 水下生产控制系统的基本组成主要模式有：直接液压控制系统，直接电液控制系统和复合电液控制系统等等控制方式。

表 2 各类控制系统比较表其中复合电液控制系统技术最为先进。

复合电液控制系统采用了先进的数字复合技术，实现了真正的远程遥测和遥控，为智能化综合管理提供了可能，该系统由上部电动和液压控制系统、水下控制单元组成，见图14。

图 3 复合电液控制系统示意图a）典型的复合电液控制系统b）带有水下液压动力源的复合电液控制系统图中给出带水下液压动力源的复合电液控制系统，它通过控制脐带缆连接到一个或多个采油树、管汇等。

每个终端装置或节点都有一个水下控制模块（SCM）。

采用多心电缆，上行信号用于遥测大量水下数据如压力、温度、阀门状态等，下行信号则用于快速地控制水下电磁执行机构，这些电磁执行机构又进一步经液压放大驱动液压阀门和油嘴。

水下电子模块（SEM）的应用增加了电液系统的复杂性，但却缩短了其响应时间，可用于监视较大范围的数据遥测设备。

通常，电液系统适用于多井系统，开发过程中的井控和/或油藏监控应具有操作灵活、操作速度快和数据遥测的特点。

其主要优点是采用多路电气控制技术，减少了导线数量，简化了水下电路连接，大大降低了控制脐带缆成本，多用于回接距离长、井数多的水下系统。

控制系统分为水面部分和水下部分。

图 4 水面控制单元组成水面部分应考虑气候条件、腐蚀、海生物、潮汐、照明和危险区划分；水下控制设备应考虑腐蚀、环境压力和温度及维护。

水下部分主要为传感器和执行器，用于如下方面的监测：生产压力、环空压力、管汇压力、生产温度、管汇温度、油气泄漏监测、采油树阀门位置、油嘴位置、油嘴压差、出砂监测、井下监视、多相流量、腐蚀监测、清管监测。

水下部分执行器主要为配套阀门，包括：水面控制的井下安全阀门（SCSSVs）、生产主阀、生产翼阀、环空主阀、环空翼阀、转换阀（注入阀）、甲醇/化学药剂注入阀、防垢剂注入阀、防腐剂注入阀、油嘴（每个油嘴可具备两个控制功能）、注入调节阀（每个调节阀可具备两个控制功能）、管汇阀组、化学药剂注入控制阀。

水下部分的设计需要考虑如下要求。

（1）压力等级水下控制系统中液压系统允许的最大操作压力应至少小于设计压力（额定工作压力）10%。

水面控制的井下安全阀回路外，液压控制组件设计压力一般为：10.3MPa，20.7MPa，或34. 5MPa（1500PSI，3000 PSI或5000 PSI），水面控制的井下安全阀回路液压控制组件的设计压力应由厂家确定。

其它设备例如作业、回收和测试工具的设计压力应遵循厂商的规格书要求。

（2）温度等级在非受控环境中工作的水面控制设备应按表17-3-25所列的温度等级进行设计、测试、操作和储存。

安装于受控环境中的上部设备应按特定受控环境的温度等级进行设计、测试、操作和储存。

（3）外部静水压水下控制设备设计中应考虑外部静水压，特别是与密封设计、自密封耦合和常压外壳相关的部分，同时也应考虑安装和作业时控制脐带缆的破裂。

（4）流体的相容性选择控制设备或组件时应考虑其与控制流体和化学注入剂的相容性。

2）产业结构水下生产系统作为一种新兴产业，相对于传统的水面平台设施建造产业有着极大的市场价值、极强的市场竞争力和丰厚的利润空间，如下表10所示。

表 3 水下生产系统产业结构3）国内情况水下生产系统是深海开发不可缺少的装备，包括多相流增压泵、海底多相流分离、高压管汇及采油树等井口装置，国内企业尚无能力独立设计成套水下生产系统。

（1）采油树：连接来自井下的生产管道和出油管，并作为油井顶端和环境隔绝开的重要屏障，是深海采油装置不可缺少装置。

国际上采油树制造公司较多，包括NorskHyd ro、Aker Kvaerner和Vetco Grey、FMC、Cameron等。

我国可生产70MPa以下采油树，但不能设计建造海底完井所需要的海底湿式采油树、干箱式采油树等装置。

（2）高压管汇：高压管汇是连接海洋井下压裂设备与井体之间的主要配件。

长期以来，国内海底采油管汇一直依赖从挪威、美国、英国等国进口。

中石油长庆油田公司机械制造总厂研制的超高压、大口径海洋钻井管汇，工作压力达105Mpa，为国内钻井高压管汇最高，填补了国内空白。

（3）多相流增压泵：多相流混输泵是专门输送原油的设备，不需要增加分离装置，直接使原油产出物输送到加工基地，是深海采油必备器械。