2024上海深海探采产业发展白皮书.pdf
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1、SHANG HAI2 0 2 42 0 2 4上海深海探采产业发展白皮书(2024)Industry Development White PaperShanghai Deepwater Drilling上海深海探采产业发展白皮书指导单位:上海市经济和信息化委员会编制单位:中交疏浚(集团)股份有限公司编制单位:上海中创产业创新研究院编写顾问:刘永满 霍胜勇 刘树东 张晴波编写人员:洪国军 尹纪富 周滢滢 树滢伟 周忠玮编写人员:李滢夏 丁国杰 李光辉 揭永琴 王诗悦编排人员:龙彦霖序 言P R E A M B L E“深海探采装备体系发展是开发深海资源、建设海洋强国的国之重器,海洋科学技术的进步
2、,深海探采装备的研制,是推动新时代海洋事业高质量发展、加快海洋强国建设的重要支撑,已成为全球产业竞争的重点领域。当前美、欧、日、韩等国都在积极布局深海探采技术、装备等的研制,并积极开展相关深海探采装备试验验证,大力发展深海探采技术及产业。从国内来讲,我国“十四五”国家发展战略明确提出要发展深海探采,这是顺应建设海洋强国、加速新能源产业发展需要、抢占国际战略新高地的重要机遇。2022年9月,上海市人民政府印发上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案,明确指出深海探采布局的重点方向;2023年,上海市经信委印发上海船舶与海洋工程装备产业高质量发展行动计划(2023-2025年),明确指
3、出要建成原创技术策源和绿色智能引领的全球船舶与海洋工程装备产业高地。基于此,有必要在对全球深海探采发展格局和发展趋势进行深入分析的基础上,系统梳理上海深海探采产业发展基础、特色优势以及主要进展,并对下一步深海探采产业发展进行展望。在上海市经济和信息化委员会指导下,上海中创产业创新研究院联合中交疏浚等集团,共同编制了上海深海探采产业发展白皮书,供相关政府部门、园区、企业提供决策参考。“C NTENT目 录产业概况一深海探采产业概念与内涵二深海探采产业发展趋势三深海探采涉及的核心技术深海油气资源开发装备关键技术|深海矿产资源开发装备关键技术极地船舶技术|氢燃料动力技术|深海探采共性技术研究四深海探
4、采产业链分析P02P03P05P07竞争格局一能源海工装备:已形成三级梯队式竞争格局二深海采矿装备:欧美国家领先发展三应急救援装备:美深远海打捞作业能力世界领先四极地科考和资源开发装备体系:美俄欧实力强大P09P11P14P15上海现状一现状基础企业集聚效应突出|创新要素资源丰富创新产品持续突破|空间基地布局完备二存在问题P18P23战略思路一总体思路二发展原则P28P28发展建议一加快提升行业整体创新能力二夯实产业发展自主基础能力三加快深海极地新兴装备研发四推动深海探采绿色智能升级五促进深海探采区域联动发展六深化深海探采国际开放合作P30P30P32P32P33P3401深海探采产业概念与内
5、涵02深海探采产业发展趋势03深海探采涉及的核心技术04深海探采产业链分析1.11.12024上海深海探采产业发展白皮书 02海洋蕴含着丰富的油气资源、矿产资源、生物资源、化学资源、空间资源和可再生资源。在气候变化、人口增长、陆地资源枯竭、生态和环境破坏以及建设海洋强国的战略需求等大背景下,勘探和开发深海资源是必然趋势。由于海底的巨大水压、风浪流复杂流场等各种严峻恶劣的极端环境,以及深海资源的特殊赋存状态、特殊环境保护要求,对深海资源开采、工艺装备提出了更高的要求。深海探采装备体系发展是开发深海资源、建设海洋强国的国之重器,海洋科学技术的进步,深海探采装备的研制,是推动新时代海洋事业高质量发展
6、、加快海洋强国建设的重要支撑。本报告研究的深海探采是极地科考和资源开发装备体系、特种救援装备、能源海工装备、深海采矿装备等的总称。PART 01 发展概况产业概况主要是海洋油气装备,包括海洋勘探、海洋钻井、海洋施工、海洋油气生产等装备类型,涉及海洋油气开发的全流程各环节,是集安装建造、浮体结构、信息及新材料等高新技术的综合体,是多领域融合、多学科交叉的系统工程能源海工装备针对深海富钴结壳、多金属硫化物等矿产资源,研究勘探、开采关键技术,目前研究集中在深海采矿重载作业装备、管道提升式深海采矿系统和水面支持装备深海采矿装备指在极地地区开展相关科考活动所需的装备以及极地资源开发所需的船舶装备,主要包
7、括极地科考船、极地科学观测、通信导航装备、极地破冰船、极地运输船、观光船、渔船等极地科考装备和资源开发装备体系综合了航海、船舶、海洋工程、水文地质、海洋技术等多个领域,涉及深海探测技术、饱和潜水技术、无人遥控潜水技术、载人潜水技术、深海打捞技术、深海油污及液体危险化学品回收技术等应急救援装备一是技术制约不断突破,商业化进程加速推进深海采矿是一项高新技术集中且密度高,难度和技术复杂性并存的系统工程。随着当今科技快速发展,技术制约不断被突破,深海采矿商业化进程加速推进。二是顺应能源转型趋势,以绿色化为发展方向深海探采装备动力燃料历经燃油、液化天然气、氢能等动能转换,绿色化趋势明显。1.21.2三是
8、适应安全性要求,装备可靠性不断增强深海资源开发需满足人和装备系统的安全性要求,对装备和技术提出了更高要求。四是新兴技术广泛应用,数字化智能化趋势明显深海矿产、油气资源开发技术紧跟大数据、人工智能、互联互通和智能融合等前沿领域,广泛开展技术创新。深海数字矿区建设技术、复杂环境近底探测和取样技术及新型智能大水深勘探机器人制造技术的更新迭代助力未知矿区勘探开发;多集矿车协同控制、沉积物扰动抑制和水下噪声控制等深海矿产资源开采技术朝无人化和智能化的多机协同控制和联合作业方向发展,保障装备安全、高效、稳定运行;开展海底作业矿区环境监测和健康评价是深海矿产资源开发面向商业化进程中必不可少的重要环节,羽状流
9、扩散和沉积机理分析等技术为绿色开采提供一定理论和技术支撑。技术面积极发展和采用减碳技术,涉及无工作介质排放或泄漏、无废弃物排放、无装备遗弃、无噪声污染、海洋大规模清洁能源供能及保护修护技术无二次污染等全过程清洁生产。国际协议绿色化要求越来越高,自2017年以来,国际海底管理局(ISA)一直积极开展深海采矿对环境影响的研究,以期制定一套复杂的“采矿法典”,包含环保标准、采矿合规程序等,通过召开理事会及成员国会议达成协议,截至2024年底将完成深海开采法律框架制定,并表示将就制定采矿法规展开持续性探讨,计划于2025年采用有关法规。在极端海况、正常运营以及偶发事件等条件下,需要不断强化人和装备系统
10、的常规和生存安全技术、应急处置技术、应急管理技术、紧急救援技术等的迭代更新;提高数据精准度、优化数据传输效率,保障水下装备和控制系统、水下监测网等长期有效、稳定工作的持续开展,充分保障深海探采系统及其附属生产系统在复杂海洋环境条件下持续生产作业的可靠性;积极建设工业大数据平台,促进知识、技术、数据资源共享,强化创新主体间的交流合作,促进行业快速发展。广泛开展海面海底、开采监测转运、海上陆地等跨域的多装备共融实施和信息化决策支撑等技术创新,生产全链条智能调度、全系统自主协同作业、健康监测、自动危险状态预警、主动避险智能控制等系统迅速发展和应用;此外,还有监测数据智能融合与分析、智能评估与决策、智
11、能控制等数字化技术与平台的推广应用,数字化、智能化趋势明显。PART 01 发展概况2024上海深海探采产业发展白皮书 0403 2024上海深海探采产业发展白皮书 面对日益增长的环保压力及碳达峰、碳中和的愿景,造船业不断加快探索船用替代燃料应用步伐。氢燃料电池产业目前正处于“陆热水冷”的阶段,下一步科研机构与企业需要在船用安全、船用动力匹配、深远海适用性等方面进行研究,以开发出更多适用于深海探采并能通过船级社认证的船用燃料电池系统。氢燃料动力技术氢燃料动力技术是深海探采装备动力系统中有关颠覆性技术的代表,若其能够发展成熟,并得到广泛应用,将重塑深海装备产业形态。深水及超深水油气资源开发是一项
12、庞大的系统工程,主要包括深水油气勘探、钻井及生产平台设计制造、深水钻井、深水钻完井、深水钻井应急救援,以及深水油气生产和输送等环节。主要涉及矿产勘探、水面支持、海底采矿、水下输送、采矿对生产环境影响与评估等五大体系,近年来重点布局海底矿产精探、水面支持、环境评估与修复等方面技术攻关。1.31.3各环节涉及的主要装备各环节涉及的主要装备有深水浮式钻井平台、深水钻井隔水管、水下井口系统、深水油气生产平台、水下采油树及管汇系统、水下生产控制系统等。涉及的相关关键核心技术包括深水油气地震勘探、探井钻探技术、钻井及生产平台总体结构设计制造、平台定位系统、平台信息通信技术、深水表层高效钻井技术、深水极窄压
13、力窗口安全钻井技术等。关键核心技术包括成矿机理和海底矿区分布规律研究、海底钻机群智能协同钻探技术、海底钻探岩芯原位实时分析技术、深海采矿船精确定位和随动控制技术、深海环境综合感知技术、深海精确导航与定位技术、海底自主行进控制技术、水下长距离粗颗粒矿石输送技术、固液两相流矿浆输送技术、水下中继舱稳定性与优化设计技术、海底长期实时多参数监测技术、海洋生物群落代谢指标原位监测技术、海洋环境噪声技术等。先进材料技术材料是深海探采装备的基础,深海高压、低温、黑暗等极端恶劣的环境给深海探采装备提出更苛刻的要求,先进的新型材料能增强装备性能,深海探采材料技术主要涉及EH47以上高强度钢材、钛合金材料、低温材
14、料(大气温度-50)、轻型复合材料、耐低温耐腐蚀厌冰涂层材料、环境友好型防污减阻新材料等研究。先进传感器技术海洋传感器是海洋观测系统神经末梢,作为海洋观测数据设备基础可获取海洋水质、水文、地形地貌、地震波等信息,其观测数据的准确性、原位性、连续性等,与最终海洋观测结果息息相关。未来的船舶、深海装备将有一个完整的传感器网络来监测,包括检测故障和识别需要维护或修理的区域等。涉及极地航行船总体设计,极地海洋工程装备基本设计技术,极地海洋工程装备动力与配套技术,冰区航行稳定性、快速性、操纵性,极地装备的冰载荷评估,极地环境保护与应急救援,极地抗冰防寒与防污染,耐低温、耐腐蚀、耐磨损、易焊接、高韧性涂层
15、,冰下声学物理特性与冰下水声技术等研究。极地船动力涉及的技术能力涉及LNG、核动力、全回转推进器等动力与推进,极地锚泊与动力定位、锚泊与动力定位联合控制,高负载系泊快速脱离与重新连接等方向技术能力。PART 01 发展概况2024上海深海探采产业发展白皮书 0605 2024上海深海探采产业发展白皮书 深海探采是一项庞大而复杂的工程,被视为世界各国科技竞争的前沿领域,融合了海底作业、水下输送、动力输配、中央控制和水面支持的全方位平台和系统装备体系,涵盖了装备支持、装备制造、油田/矿区服务等产业链流程,每个流程又包括对应的子环节。上游主要是研发、设计环节,包括装备基础研究、研发、设计、原材料、核
16、心零部件等;中游主要是装备制造环节,包括深海采矿和深水油气钻探装备;下游主要是产业应用、服务环节,包括工程承包以及辅助性工作等。竞争格局01能源海工装备:已形成三级梯队式竞争格局02深海采矿装备:欧美国家领先发展03应急救援装备:美深远海打捞作业能力世界领先04极地科考和资源开发装备体系:美俄欧实力强大1.41.4深海采矿装备深海采矿重载作业装备包括矿石采掘装备、矿石破碎装备、矿石收集装备;此外,深海采矿重载作业装备均需配备水下导航定位系统,支持完成装备在海底的作业。矿石输送装备主要用于将海底采集和破碎后的矿石输送至海面,包括提升泵管装备、水下中继装备、升沉补偿装置。水面支持装备包括水面支持平
17、台、协同控制系统、定位导航系统、矿石预分选及矿石存储外输装备、布放回收系统等。图1 为深海采矿产业链图谱深海油气钻探设备海洋油气勘探装备中最核心的装备为物探船,用于海底油气资源分布探测。深水钻井装备包括海洋动态井架、钻井泵组、钻柱升沉补偿系统、管柱自动化处理系统、钻井隔水管系统以及水下防喷器系统。水下生产系统通过水下井口、海底水下生产设施、海底管线和电缆,将油气井生产的油气混合物输送至较远的处理平台或岸上油气处理厂。07 2024上海深海探采产业发展白皮书 PART 02 竞争格局2.12.1能源海工装备:已形成三级梯队式竞争格局Three tiers of Energy offshore e
18、quipment industry 目前全球海洋油气开发工程和装备市场已形成三级梯队式竞争格局部分欧美国家(美国、挪威等)最早发展海洋工程和装备,垄断着世界海洋工程装备研发、设计和绝大多数关键配套设备技术。由亚洲国家主导装备制造领域,中国与韩国、新加坡在高端海洋工程装备模块建造与总装领域形成三足鼎立之势。第一梯队第二梯队巴西、俄罗斯、阿联酋等资源大国成为海洋工程装备制造领域新的竞争者,但尚未在世界市场形成有力竞争力。第三梯队从领先企业来看主要由挪威Skipsteknisk,Vik-Sandvik,Marin Teknikk,Ulstein和英国的Rolls-Royce等公司主导。船型开发深水钻
19、井装置新加坡的吉宝集团、胜科集团,韩国的三星集团和大宇集团,美国的Friede Goldman以及挪威阿克(AKER)海洋生物公司在深水钻井装置的设计建造方面具有很强的实力。主 要 集 中 在 挪 威 坦 索 地 球 物 理 公 司(P G S),西 方 奇 科(Western Geco)公司,法国地球物理维里达斯集团公司(CGG-veritas),辉固国际集团(Fugro Geoteam)等欧洲公司,上述公司占据全球海洋三维物探市场80%以上的份额,挪威PGS推出的24缆“Ramform”系列是目前缆数最多的物探船。大型深水物探船从国内来看:我国近十年来从第三梯队跃居第二梯队的领先地位以荔湾
20、3-1气田、流花16-2油田群、陵水17-2气田为代表,标志着我国海洋石油勘探开发装备实现从300m深水向1500m以上超深水的历史性跨越。一系列深水油气开发工程成功实施*荔湾3-1气田*流花16-2油田群*陵水17-2气田我国拥有“海洋石油720”和“海洋石油721”两艘自主建造的大型深水物探船,同时自主海洋地震勘探拖缆核心成套装备“海”系列(“海源”震源控制系统、“海亮”地震采集系统、“海燕”拖缆控制系统和“海途”综合导航系统)整体列装“海洋石油720”深水物探船,并投入生产使用,中海油田服务股份有限公司成为继舍赛尔(Sercel)公司、美国ION地球物理集团公司之后全球第三家掌握海洋拖缆
21、地震勘探成套装备技术的公司。从领先企业及产品来看国内船厂如上海外高桥造船有限公司、大连船舶重工集团有限公司、沪东中华造船集团有限公司、中远船务工程集团有限公司以及海洋石油工程股份有限公司(应用端)等已可以实现FPSO船体与上部组块的集成建造。可承接国外的FPSO建造订单2024上海深海探采产业发展白皮书 1009 2024上海深海探采产业发展白皮书 全球已正式开展深海矿产资源开发研究的国家较多2.22.2深海采矿装备:欧美国家领先发展 T h e U n i t e d S t a t e s,R u s s i a,a n d E u r o p e主要集中在欧洲、美国、加拿大、日本、印度、
22、韩国、中国等国家和地区,重点围绕多金属结核采矿系统开展研究和装备试制工作。欧洲、加拿大、日本等国家地区已在深海资源勘探、开发装备及商业开采方案的迭代研发方面取得长足发展,频繁开展深海矿产资源的单体开采和综合海试,已拥有深海采矿技术输出以及采矿技术标准规则制定能力。美国OMI公司研制了最初的深海采矿举升泵,并在太平洋5000m的海底成功采集1000t的锰结核;比利时GSR公司在4500m水深完成了履带式采矿车行走试验;印度NIOT在5270m水深处完成采矿机移动和机动性测试;加拿大鹦鹉螺公司制造了较接近于商业化开采的深海采矿用隔膜泵,并在索尔瓦拉项目中的巴布亚新几内亚地区试用。从领先企业来看全球
23、目前针对深海矿产资源开发所研发制造的深海采矿船仅有“鹦鹉螺新纪元”号(下图),是由加拿大鹦鹉螺矿业公司与我国福建省马尾造船股份有限公司于2018年联合制造。日本JOGMEC公司采矿车在水深1600m处完成了富钴结壳试采,在试验期间共收集649km富含钴、镍海底地壳;日本茌原(Ebara)公司为日本深海采矿系统准备了带有径向扩散器的对称多级泥浆泵;表1 2017-2022年国内外深海矿产资源开发装备发展现状时间/年国家/单位名称水深/m试验内容备注2017日本/日本国家石油天然气和金属公司(JOGMEC)1600采矿车采集和水利提升试验/2017欧盟/可行性替代采矿作业系统(VAMOS)/采矿车
24、定位导航及感知试验/2017比利时/全球海洋矿产资源公司(GSR)4571采矿车行走试验/2018比利时、德国/GSR、地球科学和自然资源研究所(BGR)/采矿车行走、结核收集试验和环境影响评估研究/2018中国/长沙矿冶研究院有限责任公司514“鲲龙500”采矿车单体海试采矿车额定生产能力为10 t/h2018中国/长沙矿山研究院有限责任公司2000“鲲龙2000”富钻结壳规模取样器海试/2019荷兰/皇家IHC公司(Royal IHC)300采矿车行走试验/2019比利时/GSR4500履带式行走和液压采集试验光纤电缆故障,测试中断2019中国/长沙矿山研究院有限责任公司2900声学测厚、
25、行走、截割与采集等综合海试采集了150 kg富钻结壳2019中国/2498采矿车单体海试/2020日本/JOGMEC1600富钻结壳试采收集了649 kg富含钻镍的海底地壳2024上海深海探采产业发展白皮书 1211 2024上海深海探采产业发展白皮书 PART 02 竞争格局时间/年国家/单位名称水深/m试验内容备注2021比利时/GSR4500履带式行走、液压采集和环境影响监测试验再次启动了该矿机的海试,并完成行走和试航2021印度/国家海洋技术研究所(NIOT)5270采矿机移动和机动性测试/2021中国/大连理工大学500“长远号”智能混输装备海试关键核心部件混输泵稳定运行流量大于24
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