由于海洋环境的独特性，存在施工空间小、投资成本高和产量要求高等难题，给海上规模化压裂带来巨大挑战。大型压裂船及配套关键技术能够充分改造劣质储层，规模化、批量化作业模式能够形成集约化产业优势，降低作业成本，实现海上压裂开发的低成本“少井高产”，但相匹配的不同压裂作业模式及配套技术体系有待进一步研究。基于未来海上大规模、批量化压裂作业需求，展望了未来压裂船在地质-工程一体化、规模化、压裂-生产一体化、配套液体及处理工艺等4个方面的发展方向，并通过系统梳理海上主要作业设施，提出了基于“采油平台+模块钻机或钻井船、无人平台+钻井船或修井船、钻井船探井压裂和导管架期间压裂”4种模式下的压裂管柱及配套井口连接解决方案，为压裂船规模化连续作业提供技术借鉴。

多级限流压裂技术是提高渤中25-1油田低渗储层产能的最有效方法之一，然而当储层特征与限流压裂工艺参数共同影响时，多簇裂缝的扩展机理尚不清楚。为此，基于大尺寸真三轴压裂模拟实验平台，开展目标层位相似物性人工岩石的多簇裂缝扩展规律实验研究，分析了射孔簇间距、簇数量、水平应力差等因素对多簇裂缝扩展形态的影响规律。结果表明，簇间距增加对岩石起裂压力影响小，但会减弱裂缝间干扰，促使多簇裂缝均匀扩展；射孔簇数的增加会减弱岩石塑性变形对裂缝扩展的阻力，增大裂缝扩展规模；水平应力差小于6 MPa时，多簇裂缝呈现横向缝与纵向缝交错扩展的形态；压裂液排量与黏度升高可增加裂缝内净压力，多簇裂缝形态更复杂。研究成果为低渗储层限流压裂工艺参数优化提供了参考。

渤海油田低渗储量丰富，是增储上产的重要接替资源，其中以C油田为代表的渤海潜山储层天然裂缝发育，体积压裂造复杂缝网是开发这类储层的关键技术手段。为解决缝网压裂时次级裂缝支撑剂单层铺置对导流能力影响规律尚不明确的问题，基于平面接触理论建立了多粒径分布的次级裂缝导流能力预测模型，通过模型退化和实验分析验证了模型正确性，开展了影响因素分析。结果表明，提高大粒径支撑剂比例有利于保持次级裂缝宽度；次级裂缝渗透率与大粒径支撑剂比例呈近似线性正相关关系；多粒径组合支撑剂情况下，随着大粒径支撑剂比例增加，次级裂缝导流能力提高，大粒径支撑剂对导流能力起关键作用。研究结果对渤海油田缝网压裂设计过程中的支撑剂粒径优选提供了理论指导。

海上低渗储层开发面临高成本、高风险及高要求等挑战。基于压裂船的大规模压裂可实现连续、高效的储层改造，是推动海上低渗油气资源经济有效开发的关键技术路径。以“海洋石油696”压裂船为例，该模式下压裂作业可实现12 m³/min排量的连续施工，裂缝半长提升至常规海上压裂的1.5倍，采收率提高约5.0个百分点。通过对比分析水力喷射、泵送桥塞射孔联作与固井滑套3种分段压裂工艺，指出固井滑套工艺非作业时间占比仅10%~15%，作业连续性强，最适配压裂船高效作业模式。在此基础上，进一步研发了海水基一体化可变黏压裂液、支撑剂连续供给、套管回接与井下安全控制等关键配套技术，并建议采用多手段联用的裂缝监测方法以提升压后评估精度。研究成果为中国海上低渗油气资源规模化开发与“少井高产”目标提供了系统的技术支撑。

为满足海上深层超深层油气井压裂改造需要，保证压裂液的耐温和携砂能力，以丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸以及疏水单体DM合成了一种耐高温高盐疏水缔合聚合物TH-200。采用红外光谱、核磁共振氢谱、热重对聚合物TH-200进行结构表征，并进一步评价了其作为压裂液稠化剂的主要性能。研究结果表明：聚合物TH-200为四元共聚合物，具有较好的热稳定性。该聚合物在海水中增黏速率达92%，具有较好的增黏抗盐性能，适合在海水等高矿化度水中使用，其分子间临界缔合质量分数在0.25%附近。分子动力学模拟显示AMPS单体浓度增加，聚合物链段的回转半径显著提升且受温度和矿化度的影响较小。海水配制0.1%溶液降阻率可达78%。1.0%聚合物TH-200+0.5 %螯合调节剂+1.0 %有机锆交联剂配制的海水基压裂液，在200℃、100 s^-1下剪切90 min后黏度为110 mPa·s，表明其具有良好的延迟交联性能和耐温耐剪切性能，交联冻胶具有优异的携砂性能，可满足海上200℃储层压裂施工需求。

渤海低渗薄互储层厚度大，底水发育，砂泥互层严重。大排量穿层压裂是开发大厚度薄互层的重要手段，但目前海上尚无相关实践与研究。针对渤海油田沙河街组薄互层低渗砂岩储层，通过建立薄互层裂缝扩展模型，研究了5~12 m$^3$/min压裂排量下，射孔层位和分段界限对裂缝扩展的影响，同时明确了底水薄互储层的避射高度。研究结果表明，不同排量下射孔簇数存在最优值，簇数过少时裂缝虽然可以纵向穿层，但穿层改造的层数受限，簇数过多时裂缝难以穿层，被限制在射孔层内；采用12 m$^3$/min排量单段压裂结合多簇射孔可充分改造50 m薄互储层，对于厚度超过50 m的薄互储层，需采用多段压裂结合大排量施工；随排量的增加，底水储层的避射高度应随之增大，12 m$^3$/min压裂排量下，沙河街组底水储层避射高度应大于9.5 m。研究可为渤海大厚度底水薄互层的大排量压裂施工设计提供一定理论依据。

渤海油田低渗储量丰富，但受限于海上作业条件难以使用大规模缝网压裂工艺对低渗储层进行经济开发。随着大型压裂船的投入使用，大规模缝网压裂将成为海上低渗储层改造发展趋势。研究以渤海某低渗储层为目标，通过劈裂目的层岩芯扫描刻画粗糙裂缝壁面，基于压裂船作业能力建立复杂粗糙裂缝模型，开展了支撑剂运移的物理实验和数值模拟分析。研究结果表明，粗糙壁面会增加运移阻力，段塞打磨裂缝壁面是有必要的；滑溜水携砂运移机制为支撑剂重力沉降与流体拖曳共同作用下的动态平衡运移，应从提高支撑剂向裂缝深部运移能力方向提高铺砂效果；优化参数设计，使用滑溜水以12 m$^3$/min排量，携带40/70+30/50+20/40目混合支撑剂的泵注方式更有利于支撑剂在缝内铺置。研究结论能够科学指导压裂参数设计，对实现海上低渗油田的高效开发具有重要指导意义。

针对渤海大跨度薄互低渗储层均衡改造难题，建立了暂堵球运移、坐封力学模型，探究不同暂堵参数下暂堵球运移、坐封影响规律。基于离散元理论形成暂堵压裂裂缝缝口流量调控方法，建立了三维暂堵压裂裂缝扩展模型，探究了不同投球系数、暂堵时机、暂堵次数对多裂缝扩展影响规律。研究表明：1) 暂堵球最优送球排量为4 m$^3$/min，可实现暂堵球高效坐封。2) 低密度暂堵球、高液体黏度可提高封堵效果；暂堵球与炮眼孔径比超过临界封堵值1.6，封堵效果变差。3) 模型参数条件下，暂堵球最优投球系数1.8~2.0，暂堵次数为1~2次，且暂堵时机采用中、早期暂堵作业方式时，可显著提高裂缝扩展均匀性。基于理论及数值模拟研究方法，实现了H-2井暂堵压裂后增产3倍，产能达到100 m$^3$/d；研究结果为海上薄互砂岩储层暂堵工艺参数优化提供理论指导及技术借鉴。

准确评估压裂泵组振动响应特性，对提升海上压裂作业安全性具有关键作用。基于单台压裂撬振动特性试验，建立了精细化的压裂舱室耦合系统数值模型，对多工况组合振动进行仿真分析，考虑的参数包括压裂泵启动数量、空间布局和荷载频率等。结果表明：静载响应占总响应的80.0%以上，动载响应的贡献不足20.0%。压裂泵的振动沿甲板呈正弦半波衰减，激振泵处出现2.0~2.5倍的波峰放大效应。压裂泵启动数量从1台增至5台，位移峰值增大57.5%，加速度峰值增大6.5%，应力峰值增大5.1%。提出了五级压裂泵启动策略，即先边缘、后中间。当双向倾斜角从基准状态(0°) 增至临界阈值时，位移峰值增大190.0%，加速度峰值增大141.0%，3个核心构件甲板、甲板梁和连接基座的应力峰值分别增大20.0%、22.0%和21.0%。耦合系统破坏模式均表现为甲板整体的强度破坏，破坏形态与模态振型高度一致。

混砂罐是压裂作业的核心装备，其搅拌效果决定了压裂液的性能，并进一步影响压裂作业进程。针对海洋晃动载荷对压裂船混砂罐内部混合过程的作用不明确的问题，基于CFD方法建立了考虑横摇激励下的压裂船混砂罐固-液两相混合模型，探究了不同横摇幅值和周期对其混合特性的影响。研究表明：横摇激励主要影响颗粒相的速度与分布，对罐内混合相的整体流场影响不大，且颗粒相表现出与横摇方向相同的运动趋势；颗粒相的分布受到罐体位置的影响，在左倾状态时左侧颗粒相体积分数明显大于不晃动时，右侧则明显小于不晃动时，右倾时则与之相反；横摇激励可以加速混合过程，随着横摇幅值增大或周期降低，罐体左右两侧颗粒相体积分数差异增大，颗粒相下沉趋势更加明显，导致排出口混合相平均密度也随之增加，但排出口密度均匀指数呈现下降的趋势，在$T$=8 s，$A$>6°或$A$=6°，$T$<8 s时均匀指数低于不晃动时。研究结果可为探究混合类罐体受晃动载荷的影响奠定理论基础。

海洋压裂船高压管汇为压裂液提供高压通道，当前国内外压裂高压管汇研究集中在结构优化、冲蚀磨损、振动以及无损检测等方面，无法定量评估爆破失效后产生的爆破能量和冲击特性。对高压管汇爆破能量进行了量化表征，研究出高压管汇的爆破能量和等效TNT当量计算方法；爆破危害以冲击波为主，按人体损伤和物体破坏程度不同，将爆破区划分为极严重损伤区、严重损伤区、中等损伤区、轻微损伤区4个区域；仿真分析得出了能量隔离板在管汇爆裂后的最大形变、最大应力幅值、最大升压速率的分布规律。研究可用于海洋压裂高压管汇爆破能量计算和后果预测，也可为高压安全施工、防护以及评估提供依据及参考。

基于三维势流理论分析中国海上首台压裂船的水动力性能，研究其在不同浪向角、波浪谱峰周期和波高下船舶的运动响应规律。借助AQWA软件对系泊压裂船的频域响应进行分析计算，计算出船舶的运动幅值响应算子、附加质量与辐射阻尼，将数值分析结果与课题组所开展的耐波性实验数据开展比对验证，评估模型的有效性与准确性。然后依据频域分析的结果对压裂船的时域系泊问题进行分析，得到在不同波浪参数下的压裂船时域的系泊响应。研究表明，波浪周期对船舶横荡附加质量的影响小，纵荡方向附加质量呈现先减小后增大再减小的趋势，垂荡附加质量则与其相反。纵摇和艏摇方向的附加质量随波浪谱峰周期的增大呈现出先减小后增大再减小的变化趋势，而对于横摇方向，附加质量变化不大。此外，压裂船在不同波浪谱峰周期作用下，各自由度辐射阻尼均表现出先增强后减弱的特性。船体横摇角有义值在浪向角从0°增至180°过程中，呈现先增大后减小的趋势，最大值位于90°方位；纵摇角的变化趋势则呈先减后增加，180°时纵摇角有义值最大。随着波浪谱峰周期的增加，横摇和垂荡有义值呈现出增加的趋势，而纵摇角有义值呈先上升后下降的趋势。波高的增加使得船舶的横摇、纵摇及垂荡方向的有义值都上升。研究成果可为大型船舶在波浪条件下的运动响应分析的方法和技术应用提供一定的理论依据和基础。

针对海上首台压裂船在海洋载荷作用下诱发物料罐强度失效问题，首次系统地开展了该特殊船用装备在真实海况下的流固耦合振动与强度分析。建立了船舶上典型物料罐及支撑结构件的三维仿真模型，采用了物料罐内部流场与物料罐流固耦合计算方法。基于室内大型水池实验，确定不同海况下船舶加速度数据，模拟海洋载荷的影响。研究发现，随着波浪谱峰周期的增大，罐体变形和应力逐渐增加；随着波高的增加，物料罐的应力和变形都呈现出上升的趋势；在浪向角为90°时，变形和应力表现出最大状态；随着充液比增加，变形和应力都呈现上升的趋势；随着密度的增大，罐体的最大变形和最大应力逐渐上升。压裂船摇摆时物料罐体结构应力最大值出现频率较高的点位于罐壁底部中间区域折弯处。研究发现物料罐体结构最危险的极端工况为液体密度为1.35 g/cm$^3$、浪向角90°、波高4 m、波浪谱峰周期13.00 s、充液比95%。研究成果精准识别了罐壁底部折弯处为关键危险区域，明确了最危险的极端工况组合，可为海上压裂船物料罐的局部结构强化设计与安全运营阈值的制定提供直接、关键的理论与数据支撑。

曲轴作为海上压裂船柴油机的核心部件，在长期高速运转及制造误差导致的质量不平衡条件下，容易产生振动并影响发动机运行可靠性。以第二缸点火工况为研究前提，建立曲轴有限元模型，系统分析其静力学特性与振动性能。通过模态分析获得曲轴前六阶固有频率及对应振型，揭示低阶模态在共振条件下可能引起的显著变形；进一步进行谐响应分析和随机振动分析，确定曲轴在外载荷作用下的动态响应特征及应力集中区域。基于拓扑优化的轻量化设计结果表明，曲轴质量由37.7 kg减至19.3 kg，减重约48.8%，同时第一阶固有频率由545.36 Hz升至560.32 Hz，提高约10.3%，有效避开共振区间并降低曲轴失效风险。本研究为压裂船柴油机曲轴的结构优化、轻量化设计及振动可靠性提升提供了理论依据和工程参考。

针对传统压裂船采用独立柴油机驱动方案存在能耗高、噪音大、环境污染等问题，依托“海洋石油623”大型压裂船，开展了压裂系统与船舶电力推进系统一体化驱动的关键技术研究。研究中采用公共电站一体化驱动架构，交流6 600 V配电系统设计为闭环结构，通过5个冗余组构建公共电站，配置主保护与后备保护双重故障隔离机制，集成高级发电机保护系统(AGP)与表决机制；压裂泵采用24脉冲二极管整流变频器(DFE)驱动方案，利用三绕组变压器隔离压裂系统与船舶400 V系统，并采用源滤波器治理谐波超标问题。使电站得以灵活运行，燃油消耗得以优化，缩小了最大单一故障影响范围，隐性故障潜在危害得以有效管控，电网稳定性与可靠性大幅提升。该一体化解决方案突破了传统驱动模式的技术瓶颈，显著降低了能耗与污染物排放，推动海上压裂作业向节能高效、绿色环保方向发展。

随着海洋低渗油气资源开发，全电动压裂船作为高度集成式压裂作业系统，具有效率高、污染小、噪音低、操控精准等优势，是未来海洋大型体积压裂的重要发展方向。针对压裂船由搭载式向集成式方向转变，围绕25 000 hp全电动压裂船压裂作业系统关键技术与装备展开研究，基于船舶整体结构建立了海洋压裂作业15个子系统，并根据功能布局形成全电动3层布置结构的压裂系统，提高了系统的集成度；重点分析压裂供配电、压裂泵注、供混砂、混配、高压管汇、软管滚筒、混酸及集中控制中心8类关键技术，在此基础上研制出系列化海洋压裂成套装备并完成试验验证，装备取得中国船级社船用产品证书，形成了适用于多种海况、具备连续作业能力、可实现压裂全流程自动化的压裂作业系统，为集成式压裂船的开发奠定了基础，为海洋低渗油气高效、环保、安全作业提供技术支撑。

针对DP-2或DP-3级船舶中压闭合母排电力系统高冗余性和容错性的保护需求，提出一种兼顾快速性与可靠性的选择性保护方案，旨在解决单点故障叠加隐性故障下的故障隔离难题，确保失电区域不超过动力定位系统最大允许失效范围，通常为一段中压主母排。基于闭合母排电力系统运行特性，将中压系统中每段主母排划分为发电机、母排、负载馈线及母联电缆4类保护区域，通过差动保护与方向纵联保护的协同配置构建主保护或后备保护两层保护。依托典型DP-2级船舶的6.6 kV闭合母排架构，搭建了包含一段主母排上各类综合继电保护装置硬件与数字实时仿真系统的硬件在环(HIL)测试平台，在4类区域完成单点故障叠加隐性故障的8种运行工况的模拟测试，分别测试4类区域上主、后备保护的有效性，结果表明保护系统在故障电流水平动态变化的各类工况下均可正确动作，验证了所提保护方案的协调性、可靠性和快速性。