深水和超深水区油气勘探难点技术及发展趋势.pdf
D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n. 1 6 7 2 -7 7 0 3 . 2 0 1 0 . 0 4 . 0 1 2 ● ■ ●一 爿_ I ● ■ ● 一 ■|. 深水和超深水区油气勘探难点技术及发展趋势 王文立 中国石化石油工程技 术研 究院 ,北京 1 0 0 1 0 1 摘要深海油气资源的勘探开发是石油工业的一个重要的前沿阵地 ,与大陆架和陆上勘探钻井作业相比, 深水作 业的施工风险高, 深水和超深水的勘探开发作业必须依赖先进的技术和雄厚的经济实力。 分析了世界深海勘探开发的技 术现状及在钻探开发技术、 石油平台建造、自然灾害的预告与规避等诸多难题; 指出了未来的深海钻探所要面对的特殊 的海洋环境、复杂的油气储藏、 安全高效的技术和装备支持及后勤保障等多种挑战, 对比分析了国内外该领域的技术差 距,简要阐述了我国在海洋油气勘探开发中所面临的问题 ,提出了提升我国深海勘探能力的建议。 关键词 深水和超 深水 ;钻 井船 ;油 气资源 ;勘探 ;技术现状 ;发展趋 势 中图分类号T El 2 2 . 1 文献标识码A 随着深海开发技术的不断发展与完善 ,人类对于 大洋底部资源如石油 、 可燃冰 、 锰结核、 热液硫化物等 各种矿藏的探索与开发在不断深入。深水油气开发已 成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿 ,鉴于海 洋深部 巨大的油气资源储量和其所属开采权的不确定 性 ,近年来世界上各个有能力进行深海勘探的石油公 司均加大 了海洋资源的勘探和开发力度 ,由于深海作 业需要技术支持 、 后勤供给 、 法律问题、自然灾害的预 告与风险规避等各方面的保障 ,使得能够从事这一高 风险行业的公司屈指可数,并且因其现实利润与长远 的经济利益,造成这种活动的背后往往是 国家之间工 业、经济、 尖端技术乃至政治 、 军事 、 外交等深层次的 竞争。 仅从技术层面看 , 正确认识海洋深海勘测所涉及 的难度 , 大力开展并强化这一领域的科技投入力度 , 不 但可以缓解我国能源需求短缺的问题 ,同时能够使 已 经成熟的技术得到很好的整合进而形成高效的技术体 系。 笔者认为, 深海这个人类未来发展的新空间, 蕴藏 着巨大的能源矿产和无限的商机 ,开展海洋工业活动 是将技术能力最终转变为政治资源的一条比较可行的 发展 之路 。 1 深水和超深水勘探概况 按照国际惯例, 一般将水深不超过4 0 0 m的水域称 为常规水深 ,4 0 0 ~l 5 0 0 m之间的水域称为深水海域 , 大于 1 5 0 0 m的水域为超深水 。根据来 自 世界深水报 告 的资料预测 , 未来4 4 %的油气储量在深水海域 , 而 现在 已经动用的仅 占 3 %,可见其潜力之大 。2 0 0 0 2 0 0 5 年 , 全球新增油气探明储量 1 6 41 0 t 油当量 , 其 中深海 占 4 1 %,浅海 占 3 1 % ,陆上占 2 8 %。根据 Of f s h o r e Re s o u r c e s 提供资料 ,2 0 0 1 2 0 0 7 年全世界 投入的海洋油气开发的项 目达到了4 3 4 个 , 其中水深大 于 5 0 0 m 的深水项 目占了4 8 % ,水深大于 1 2 0 0 m的超 深水项 目达到了2 2 %⋯ 。 ’ 目前全球 已有1 0 0多个国家在进行海上石油勘探 , 其中对深海进行勘探的有5 0多个国家。 美 国是全球海 洋钻井数量最多的国家 , 仅在墨西哥湾就有1 9 0 0 0 多 E l 井 , 在海湾地区也有上百 口井在生产 ; 除此之外 , 英 国、 马来西亚 、 印度、 俄罗斯等 国也有数量较多的海洋钻井 作者简介 王文立 ,女 ,硕士 ,2 0 0 3 年 毕业于石 油大学 北京 石油工程专业 ,高级 工程 师 ,主要从事油气井钻井工程 技术研究和 管理 工作。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 -0 5 7 1 N o 4 2 o l o C h in a P e t r 。 l e u m E x p l。 r a t i。 n 1 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 作业。拥有深水勘探开发核心技术的公司有 B P 、巴西 国家石油公司、 挪威国家石油公司、 埃克森美孚、 壳牌、 哈斯基 、 优尼科等。 这些公司通常采取独立联合的方式 进行海上油气资源的勘探与开采 , 进入 2 l 世纪特别是 在 2 0 0 5 2 0 0 8 年期间,国际上诸如北海、墨西哥湾 、 巴西、西非和 中国南海等逐渐成为各国在深海油气活 动的主要地区。 随着大陆架油气勘探向海洋延伸 , 全球 深水油气勘探开发呈迅猛发展之势。 2 深水和超深水油气勘探技术的状况分析 2 . | 现状 深水区油气资源的勘探开发具有高新技术 、高风 险、高投入、高 回报的 “ 四高”特点,深水油气勘探 开发的高回报以及由此所带来的巨大附加效益 如船 艇技术进步 、计算机综合应用技术的整合 、海洋水文 地质资料勘测、海防划界 、军事情报的获取等仍然 吸引着世界各大石油公司。 近年来深水钻探资料统计 数据显示 ,全球 钻井能力达到 1 0 0 0 0 m ,可在超过 3 0 0 0 m的深水区作业的钻井船有 l 5 艘 , 海上施工时的 最大起重能力为 1 4 0 0 0 t ,深水管道铺设长度达到 1 2 0 0 0 k m,可在水深超过 2 0 0 0 m 的水下进行维修作 业 ,深水区采油装置超过 2 0 4 座 。2 0 0 3 年水下生产系 统有 2 1 0 0套,2 0 0 7 年增加到 5 7 0 0套[ 2 l 。就施工海域 的水深看 , 世界上使用半潜式钻井平台的钻探水深多 为 6 0 ~2 0 0 0 m,最深达到 3 1 0 0 m。美国是世界上最早 进行深海研究和开发的国家, 拥有先进的平台装备及 海底完井设备 ; 一些西欧和北欧的国家在深海勘探和 开发方面也各有擅长之处。图 l 给出了世界各地深海 区钻探作业成功率的统计数据 ,可以看出,由西方主 要石油公司进行的深海勘探作业成功率比较高。由于 深水区勘探技术的复杂性和高风险性 , 极大地制约了 深水区油气勘探的成功率 ,美、日及欧洲少数工业发 达国家掌握深海勘探核心技术。 { 西非 南美 墨西哥湾 地中海 亚太 西北欧 垒球平均 图 1全球深水油气勘探成功率 Fi g. 1 S u c c e s s r a t i o o f e xp l o r a t i o n f o r o i l a n d g a s i n d e e p wa t e r a r e a wo r l d wi d e 国内中海油 已将向深水进发列为未来主攻方 向之 一 ,中海油的一揽子计划包括 “ 未来几年内, 中海油将 陆续建造包括深水钻井船 、深水铺管起重船在内的多 种深水大型装备 ,并建设 自己的深水实验室和深水作 业船队” 。最近在我 国南海珠江 口盆地的L W3 一 l 一1 井, 作业水深 1 4 8 0 m,是我国成功打出的第一 口超千米深 水井。 [3 】 根据 2 0 0 9 年 4月来 自科技部 网站的信息,由中 国海洋石油总公司投资 6 0亿人民币建造的我国首座 3 0 0 0 m深水半潜式钻井平台在上海外高桥船厂进坞铺 底,标志着深水半潜式钻井平台将由分段建造全面进 入到总装合拢阶段, 预计在2 0 1 1 年上半年投入试运行。 该平台的设计水平直接与国际最先进的第六代钻井船 , r 中国石油勘探 2 0 1 0 年第4 期7 2 看齐。 2 . 2 技术难点 2 . 2 . 1 深水勘探开发对传统钻探工艺的挑战 深海钻探涉及海上固定平台或深海浮动式平台的 泊位、 深水海床的不稳定地质因素、 浮动状态下的深水 井控问题以及有效的保护深海环境等。相对于传统的 陆上钻井工艺而言 ,海洋钻探工艺呈现以下特点 1 油气勘探中如何确定油气藏的精确位置。 随着 水深的增加 , 油藏流体更加复杂化 , 由于海上钻井工程 直接面对深水环境下的油气勘探技术,这些技术包括 长缆地震信号测量和分析技术、 多波场分析技术、 深水 蚰 拍 2 O 一 芭静薄镁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大型储层识别技术及隐蔽油气藏识别技术等。由于海 洋油气勘探费用一般是陆地油气勘探费用的 5 ~6倍 , 钻井成本每米耗资在1 万元以上 , 建设海上中型油田投 资约3 ~6 亿美元, 海上大型油田投资约在2 O ~3 O ,f L 美 元 1 。 鉴于这种高投入和高风险, 这就要求综合利用各 种分析评价技术深入分析区域地质构造及油气聚集规 律 ,尽可能精确地定位油气储量大 、产能高的油气构 造 ,这对各种测量分析技术和 目标识别手段的整合是 一 个挑战 。 2 深水钻井所需的高新技术集成。 深水钻井面临 的困难与浅水钻井 H I L 区别很大 ,主要包括深水海床 的不稳定地质因素、浅层地质灾害、 海底低温的影响、 天然气水合物 、深水井控问题及有效 的保护深海环境 等 。 特别是超深水海域更有着浅水所不可想象的困难 , 有许多浅水的钻井工具和技术在深水钻井中就不能适 用 。国外进行海底勘探调查 ,必须配备深水机器人 RO V 、 深海取样钻机等设备 1 , 有的还用载人潜器和 深海钻探船等顶尖设备,同时要求掌握深水油气钻井 关键技术 包括动力定位技术、 海上大型 自升式钻井船 技术、3 0 0 0 m水深半潜式钻井平台和深水浮式钻井船 关键技术 、 钻井液和完井液以及水下施工技术等 和深 水油气开发技术 包括深海采油技术、深水平台技术、 深海油气 田总体开发技术、 深海海底管道、 电缆设计技 术 、水下作业技术等 [ 6 1 。所有这些都需要特别的高新 技术和特殊手段进行应对 , 每向海底深入一米, 对技术 的要求就更高一层。 3 对海洋钻探装备、 后勤组织等提出了更高的要 求。 随着水深的增加 , 油藏流体更加复杂化, 加之远洋 洋面随时可能遭遇的恶劣海洋作业环境等, 所以更先 进的钻井完井技术 , 浮式生产系统 , 性能优良的、 更耐 腐蚀性的深水平台系统,以及更智能化的海底生产系 统等均是实施深海钻探的技术和装备保 障。 2 . 2 . 2 特殊的 自然环境是钻井船安全的主要威胁 1 设备及船体结构、 设备的疲劳破坏。 在现代科 技条件下实施深水和超深水钻探所面临的最大挑战就 是如何确保在出现恶劣海洋气候条件下钻井船的稳定 及安全, 这涉及海洋环境、 流体动力学、 钢结构、 船舶 制造等一些边缘科学和许多未知技术领域。现代海洋 钢结构如移动式钻井平台 ,特别是固定式桩基平台会 不可避免地受到一些 自然因素的影响①海洋环境 中 风浪和海流的长期反复作用及冲击振动 ; ②严寒海域长 期受冰载及流冰随海潮对平台的冲击碰撞; ③低温及海 水的腐蚀作用。以上因素都给钢结构平台造成极为不 利的影响 ,最突 出的问题就是海洋钢结构的脆性断裂 和疲劳破坏。 其中 , 疲劳破坏仍是长期未能有效解决的 严重问题 ,这一问题直接威胁着海洋钢结构的安全使 用 ; 另外 , 随机荷载下设备的疲劳破坏所导致的管节点 的疲劳破坏事故已发生多起。 2 船结构强度校核仍存在缺陷。 为了评价整个浮 体结构的疲劳强度,必须选定大量不同部位受强力较 大构件的连接端进行疲劳校核 ,每校核一个点的计算 工作量非常大 ,一般是选择根据工程实际及同有经验 的船级社共同商讨确定 ,例如我国大连造船厂为挪威 D C E A N R I G公司建造的第五代B I N G O - 9 0 0 0 型半潜 式钻井平台就是在浮体结构中部选择3 个具有代表性的 疲劳热点作为典型来分析校核的。 实际上, 由于半潜式 钻井平台在风浪的作用下始终处于运动状态 ,因此对 平台所受载荷进行计算是一个异常复杂的动力学问题 。 关于平台结构的结构强度和抗疲劳问题是 目前现代钻 井平台制造业中的前沿技术,随着高强度钢在船体结 构中的大量使用, 船体结构的疲劳破坏问题越发突出, 但随着电脑运算速度和数据处理能力的不断提高 ,使 得平台主体结构所受波浪诱导载荷 、船体响应的长期 预报以及疲劳校核点应 力集 中的计算成为可能。 2 . 2 . 3 开发 “ 可燃冰”技术的特殊需求 “ 可燃冰”又名 “ 天然气水合物” ,被冠之以 “ 地球 留给人类的最后燃料”之名 。根据 目前的资源普查资 料 ,全球海底 “ 可燃冰”中贮存的甲烷总量约为 1 . 8 1 0 m, ,约合 1 . 11 0 t , 按照人类 目前的能源消耗速 度, 这一数量足够人类使用 1 0 0 0 年。 鉴于这种前景 , 各 工业发达国家已经将 “ 可燃冰” 的开发利用技术提高到 了政治的高度。 但由于 “ 可燃冰” 需要有一定的温度和 压力条件 , 常温常压下无法以固态形式存在 , 因此其钻 探开发技术与传统的钻探技术会有本质的区别。目前 用于天然气水合物勘探的方法有 高分辨率多道反射 地震、测井、深水多波束测探、地质调查或海底摄像 、 地球化学异常探测和钻探等技术方法。钻探 “ 可燃冰” 时遇到的最直接问题就是取心, 亦即如何在保温、 保压 状态下获得完整的 “ 可燃冰” 。这一技术的最新进展情 况在参考文献【 7 冲 进行了论述 。 此外 “ 可燃冰” 的开采 对于传统的钻井工艺是一个更大的挑战 ,目前的在研 技术大致可分为3 类 热激发法 、 化学试剂法和减压法 , 但如果不搞清楚 “ 可燃冰”大量开采对环境的影响程 度, 上述技术即便成熟也无法立即商业化。 为此 , 美国 7 3 N o 4 2 0 1 0 C h in a P e t ro le u m E x p lo r a t io n 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 科学家提出将 C O 注入海底的可燃冰储层,因 C O 在 “ 可燃冰”的形成条件下较甲烷更容易形成水合物 , 就 能将可燃冰中的甲烷分子 “ 挤走” , 从而将其置换出来。 这样既可安全地获得 C H 燃料 , 又能保证 “ 可燃冰” 燃 烧以后产生的大量 C O 不会增大环境的温室效应。所 有这些技术已远远超出了传统钻探工艺和现代完井的 技术范畴,因此是一个全新的技术研发与技术整合问 题 。 2 . 2 . 4由管理、后勤支援等所引发的安全问题 有效的技术管理、后勤保障工作在远洋钻井平台 的生产与生活中显得尤为重要,或者说海上钻井平台 的管理工作直接关系着钻井船的安全及所有在平台上 工作的员工的生命保障。一个高效而强大的后勤保障 系统可以将平台事故所造成的损失降至最低 ,或者消 除平台安全隐患。 远洋深水环境的复杂性和未知性 ,使得现代远洋 钻井平台具有如下3 个特点 ①高新技术密集; ②资金密 集 ; ③风险大, 从发现到正式投入生产所 占用时间长[ 8 】 。 仅从开展深水和超深水钻探的技术需要看,该领域基 本呈现以下六大发展趋势 1 未来的深海勘探船将以半潜式钻井平台为主。 这是 由于半潜式钻井平台下体都浸没在水中, 其纵、 横 摇摆幅值都很小 , 但垂荡运动影响较大 , 这决定了半潜 式钻井平台在波浪中的水平效应较好 。 在海洋工程中, 这不仅有利于钻井生产, 而且如生产平台、 铺管船、 供 应船 、 海上起重船等都可采用。 随着海洋开发逐渐向深 水发展 , 这类平台的应用将会 日渐增多。 我国以先进的 第五代半潜式钻井平台为 目标 ,为挪威国家石油公司 建造的B I NG O一 9 0 0 0 型半潜式钻井平台就是这种钻井 船舶的典型代表。 2 钻井装备的自动化程度将更加完善。 这主要体 现在高精度的定位技术 如卫星、无线电、声学定位 等 、卫星数据传输通信技术及高精度的动力定位技 术,并且这些技术的综合应用将推动远洋钻探设备向 智能控制技术发展。考虑到进一步增强平台抵御恶劣 海洋气候和开展多种综合科学考察工作的能力,未来 的远洋钻井平台势必朝着更加大型化的方向发展。 3 深水钻井配套技术和设备性能将有更进一步 的提高 ,强度高 、重量小的新型材料将得到广泛应 用。 深水钻井配套技术主要包括定向钻井 特别是水 中国石油勘探 2 0 1 0 年第4 期7 4 平井和大位移井 技术 、 极地海域钻井技 术 , 相关的 水下生产装备主要包括隔水管、 水下封井器、 水下采 油树 、 水下集输 , 其技术进步的主要方 向是对复杂的 海底环境具有更强的适应能力, 能够在海底低温、 腐 蚀环境下耐受更高 的海水压力 ,具有更好的抵御水 下环境破坏 因素 如温度变化 、海洋生物附着及啮 咬的能力。 4 井眼轨迹的设计将实现智能化和实时化 。 所谓 智能化是指井眼轨迹能够根据钻进中所得到的各种地 层信息 ,按照最大限度保持井壁稳定和获得最优机械 钻速的原则进行调整 ;实时化是指在作业过程中对测 井、 录井信息进行精确处理的基础上, 借助地质导向工 具于钻进中及时调整井眼轨迹 ,使其避开易失稳带或 在 目的层中延伸。 5 新型钻井技术将得到发展。例如进入 2 1 世纪 以来被重新看好的激光钻井技术因其具有设备小、效 率高、 规模化应用成本较低等特点 , 可能在海洋勘探中 发挥作用。 6 水下维护与安装技术向 3 0 0 0 m以深的超深水 域发展。现代海洋钻井技术能够确保2 0 0 0 m深度海水 中的水 下设备 得 到正常 维护和 更换 ,但能 够适应 3 0 0 0 m水深的维护设备和技术很少 ,这涉及深海载人 潜艇技术、深海机器人技术和水下精确测量定位技术 等。 随着钻探水深的增大 , 必须要有这种技术的支持方 能开展各种水下作业,因此也是大势所趋。 3 我国海洋钻井技术现状 我国海洋钻井技术与国际先进水平相比 ,技术水 平不但落后于美国2 0 年以上, 也落后于巴西甚至印尼 等一些东南亚国家[8 ]。 通过对各种相关资料的分析, 认 为在海洋钻井技术方面的差距主要表现在如下 5个方 面 1 深海钻探技术不能满足要求 , 距离形成一套成 熟的深海勘探技术还要走很长一段路 ,特别是大型装 备的使用与生产工艺的配套技术尤其需要整合, “ 有需 求、 没技术” 这已成为中国深海探索领域的一个普遍存 在的 “ 短板” 。 2 我国的造船工业技术水平可以达到国际先进 水平,但关于新型钻井平台的设计和建造技术仍处于 初建状态 ,关键设备与技术的国产化率低。 3 适用于深水海域的水下钻采设备短缺 , 由于海 上油气技术装备的发展起步较晚 ,与国际先进水平仍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 存在着较大差距,大部分设备都依赖进 口[9 ] 。 4 深水海底管道及系统的动态安全性技术缺乏。 深水海底为高静压、 低温环境 , 这对管道强度、 管内流 体的输送要求非常苛刻 , 这一技术 问题不解决 , 将直接 影响海底集输 系统的安全运行。 5 后勤保障及配套设施落后 , 无法满足远洋勘探 作业需要 。这包括各种服务船 、补给船 、测量船提供 的生活和技术 支持 ,乃至海军舰 艇提供的安全保护 等。 从 国内钻井平台建造的最新进展情况看 ,由中国 海洋石油总公司牵头 , 上海外高桥造船有限公司承揽 了属于国家 “ 8 6 3 ”项 目的 “ 深水半潜式钻井平台”海 洋石油 9 8 1 号的设计和建造工程 。本船为 AB S / CC S 双船级 ,技术水平和作业能力与国际最先进的第六代 钻井船看齐, 工作水深 3 0 5 0 m, 额定钻井深度 l O 0 0 0 m, 主要用于勘探钻井、生产钻井、完井和修井作业 。此 前 , 该公司成功建造 了3 01 0 4 t 级的海上浮式生产储 油装置 F P S O “ 海洋石油 1 1 7 号” , 这意味着我 国在 该类装备的设计与建造领域进入 了世界先进行列。 从 F P S O的建造速度和完成质量看 ,我国在该领域具有 世界领先水平 ,这得益于我 国雄厚的造船工业基础 。 上述工作的开展无疑能够有效提升我国的远洋勘探作 业能 力, 但技术能力的提升则是一个整合与消化吸收 的过程。 4 关于提升我国深海勘探能力的建议 1 瞄准国际最新技术 , 加强基础研究, 加大资金 投入 ,坚持 自主研发与集成创新相结合 , 尽快设计建 造我 国适用于深水和超深水域的钻采设备 。 在第六代 钻井船设计与制造的技术积累的基础上 , 提 出更加合 理的远洋钻井平台设计思想 ,同时密切关注 “ 海洋石 油 9 8 l 号”钻井船的使用资料 ,假以时 日,具有中国 文化特色和技术优势的全新钻井平台一定能够脱颖而 出 。 2 充分发挥和挖掘 国内科技人员的智慧和技术 潜力, 在吸收国外先进技术的基础上 , 研究与开发具有 自主知识产权的核心技术,为培养一支完整而尖端的 “ 产一学一研”相结合的技术队伍奠定基础。 3 我国海洋油气资源丰富 , 天然气水合物资源极 其丰富。我国的石油公司不仅应加快浅海油气勘探开 发, 更应把进军深海作为一个重要的发展战略, 加紧落 实。 4 深海这个人类未来生存发展的新空间, 蕴藏着 巨大的能源矿产和无限的商机。向深海石油勘探开发 进军 , 这不仅仅是经济建设的需要, 也是维护海洋权益 的需要n ⋯ 。 参考文献 [ 1 ]江怀友 ,潘继平 ,邵奎龙 . 世界海洋 油气资源勘探现状[ J ] . 中国石油企业,2 0 0 9 7 7 ~7 9 . 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