北极深水钻井关键装备及发展展望.pdf

第 4 l 卷 第 3 期 2 0 1 3年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETR 0LEUM DRI L LI NG TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 1 NO ． 3 M a y， 2 0 1 3 专家视点 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 2 北极 深水钻 井关键装备及发展展 望 孙 宝江 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青岛 2 6 6 5 8 0 摘要 随着国际常规油气资源El渐枯竭和国际油价的日益攀升， 越来越多的国家和石油公 司开始关注北极 地区储量丰富的油气资源。我国的冷深海钻井技术尚处于探索阶段， 了解北极深海钻井技术进展， 对推动我国海 洋油气钻井技术进步、 保障能源供给安全具有重要的意义。北极深水油气勘探面临海洋环境恶劣、 后勤保障困难、 生 态环境脆弱等难题 ， 使 北极 深水油气勘探 困难重重 。通过 大量 文献调研 和技术 跟踪 ， 概述 了国外 北极 深水钻 井 关键 装备的主要 进展 ， 并从极 地破 冰船 、 供给船 、 钻井船 、 钻 井平 台、 海冰控 制 系统 、 低 温钻机等方 面， 对北极 深水油 气钻探的关键装备进行了介绍， 对北极深水钻井技术的发展趋势进行了分析， 提出了一些探索性的观点和建议。 关键词 北极 深水钻井 钻 井装备 发展 趋势 中图分类号 TE 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 3 0 0 0 7 0 6 Pr o g r e s s a n d Pr o s p e c t o f Ke y Equ i pme nt s f o r Ar c t i c De e pwa t e r Dr i l l i ng S u n B a o j i a n g S c h o o l o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Q i n g d a o ， S h a n d o n g ， 2 6 6 5 8 0， i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e p l e t i o n o f c o n v e n t i o n a l o i l a n d g a s r e s o u r c e s a n d t h e i n c r e a s e o f o i l p r i c e s ， mo r e a n d mo r e c o u n t r i e s a n d o i l c o mp a n i e s b e g i n t o p a y a t t e n t i o n t o t h e Ar c t i c a r e a f o r i t s r i c h o i l a n d g a s r e s o u c e s ． Co l d d e e p wa t e r d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n Ch i n a i s n o w i n t h e e x p l o r a t o r y s t a g e ， i t i s v e r y i mp o r t a n t t o k n o w t h e a d v a n c e me n t i n Ar c t i c d r i l l i n g， wh i c h c a n p r o mo t e t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e me n t i n d e e p wa t e r d r i l l i n g a n d e n s u r e t h e s a f e t y a n d s e c u r i t y o f e n e r g y s u p p l y i n Ch i n a ． B u t i t i s v e r y d i f f i c u l t t o r e a l i z e d r i l l i n g i n Ar c t i c d u e t o t h e h a r s h ma r i n e e n v i r o n me n t ， a r e mo t e 1 o c a t i o n wi t h d i f f i c u l t l o g i s t i c s ， a n d s e n s i t i v e e c o l o g i c a l e n v i r o n me n t ． Th r o u g h i n v e s t i g a t i o n a n d e x t e n s i v e r e v i e w o f l i t e r a t u r e s ， t h i s p a p e r s u mma r i z e d t h e p r o g r e s s o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d e q u i p me n t i n Ar c t i c d e e p wa t e r d r i l l i n g， i n c l u d i n g i c e b r e a k e r ， s t o r e s h i p， d r i l l i n g s h i p， d r i l l i n g p l a t f o r m， i c e ma n a g e me n t s y s t e m a n d l o w t e mp e r a t u r e d r i l l i n g r i g ， e t c ．S o me t e n t a t i v e v i e wp o i n t s a n d s u g g e s t i o n s we r e p r o p o s e d i n Ar c t i c d e e p wa t e r d r i l l i n g t e c h n o l o g i e s ． Ke y wo r d s Ar c t i c ； d e e p wa t e r d r i l l i n g ； d r i l l i n g e q u i p me n t ； d e v e l o p me n t t r e n d 2 0 0 9年美国地质调查局的调查资料显示 ， 北极 地区原油储量约 1 2 0 1 0 m3 8 0 0亿桶 ， 天然气储 量 4 7 1 0 r n 3 ， 分别 占全球尚未开发石油和天然气 储量的 l 3 和 3 0 l 1 ] 。据俄罗斯等国的调查资料， 北极地区原油储量约为 4 0 0 1 0 m。 2 5 0 0亿桶 ， 相当于目前全球探明原油储量的 2 5 ， 天然气储量 约为 8 O 1 0 ”m3 ， 占全球天然气储量的 4 1 。这些 油气储量的 8 4 都在海底 ， 仅阿拉斯加海域油气储 量就可能占总储量的 2 0 [ 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 3 ； 改回日期 2 0 1 3 0 5 1 7 。 作者简 介 孙 宝江 1 9 6 3 一 ， 男， 山 东高青人 ， 1 9 8 5年 毕业 于华 东石 油学院钻 井工程 专业 ， 1 9 9 9年获北京大学流体力 学专业博 士学 位 ， 教授 ， 博士 生导师 ， 教育部长江学者特 聘教授 ， 主要从事海洋石油 工程、 油气井流体 力学与 工程领域的研 究工作 。 联 系方式 O 5 3 2 8 6 9 8 3 O 1 7 ， s u n h j l 1 2 8 1 2 6 ． c o rn。 基金项 目 国家科技重 大专项子课题“ 深水钻 井水力学及井控 关 键技术” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 2 、 教 育部“ 长江学者 和创新 团 队发展计 划” 项 目“ 海洋油气井钻完井理论与 工程” 编号I R T 1 0 8 6 及中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“ 海洋油气钻探中的 安全保 障基础 问题研 究 ” 编号 1 3 C X0 5 0 0 6 A 联合 资助 。 石 油 钻 探 技 术 在国际油价 日益攀升 、 原油供给链条 日显脆弱的 今天， 越来越多的国家和石油公司开始把 目光投向北 极地区。科学与工程技术的不断发展、 北极冰川的不 断消融 ， 使北极油气开采变成可能 ， 并逐渐成为油气 勘探开发的热点。俄罗斯政府 已经对北极地区油气 资源开发工作进行了部署， 荷兰皇家壳牌、 英荷能源 集团、 埃克森美孚石油等国际能源公司， 也纷纷游说 各自 政府， 争取为北极油气开发提供资金、 技术和政 策支持。挪威国家石油公 司 S t a t o i l 与俄罗斯石油公 司 R o s n e f t 签署合约， 共同开发北极周围海域油气资 源l 3 ] 。埃克森美孚石油公司与俄罗斯石油公司达成 协议 ， 携手勘探北极圈边海喀拉海石油资源E 引。 然而 ， 由于北极地 区气温低 、 暴风雪 多、 位置偏 远 、 基础设施匮乏、 缺乏海洋环境数据 、 生态环境敏 感， 使在该地区钻井困难重重[ 5 ] 。笔者通过调研大 量文献 ， 总结了北极深水钻井 面临的挑战及关键技 术 ， 并分析了北极深水钻井技术的发展趋势 ， 以期为 我国深海钻井技术的发展提供借鉴。 1 北极深海油气钻探主要难题 相 比于常规深水钻井 ， 北极深水钻井面临的技 术难题更多。例如， 北极 的海洋环境不同于低纬度 地区的海洋环境 ， 需要克服航线长、 成本高的后勤保 障 ， 易破坏 、 难恢复的生态环境以及其他问题。 1 ． 1 恶劣的海洋环境 北极气候寒冷 ， 冬 季始于十一月 ， 历 时半年之 久 ， 温度为一2 0 ～ 一4 0℃， 八 月份 的平均气温最高 也仅有 一8℃[ 7 ] 。所 以， 在北极进行钻井作业首先 要做好防寒措施 以保证人员的生命安全 ； 其次 ， 严寒 会使钻井平台操作困难 、 钻机设备难 以安全承载和 正常运转 、 钻井管柱容易产生脆性破坏[ 8 ’ ] 。 由于格陵兰岛、 北美及欧亚大陆北部冬季的冷 高压 ， 北冰洋海域时常会出现猛烈的暴风雪【 7 ] ， 北极 冬季沿岸的平均风速达到 1 0 m／ s 。 这有可能引起钻 井船的移位， 导致隔水管发生变形和涡激振动， 因此 对其疲劳强度提出了更高的要求l 】 。 浮冰对钻井作业的时间及钻井平 台的抗载强度 有限制并提出了很高的要求， 而且浮冰的影响范围 很广 ， 北极大部分海域的开放水域时间在很大程度 上都受到浮冰的影响 。北极地区海冰面积和范 围均 具有明显的季节变化， 冬季平均海冰面积为夏季的 2倍[ ] ， 浮冰一般在六月中旬到七月上旬融化 。在 夏季 ， 钻井作业经常会因多年积冰而 中断。新 冰通 常在十月开始形成 ， 需要破冰船来辅助作业。据统 计 ， 北极地区全年可钻井时间有 8 5 ～1 5 0 d ， 平均作 业时间为 1 0 0 d ， 由于天气变化等的影 响， 有效作业 时间又会缩短至约 8 7 d L 1 3 - 1 4 ] 。 1 ． 2 艰难的后勤保障 北极地方偏远 ， 人迹罕至， 缺少基础设施 。大型 设备难 以运输 ， 后勤保障困难 。后勤保障出现问题 付出的代价将远高于其他任何地方， 可能导致钻井 工期大大延长甚至钻完井工程失败I 8 ] 。钻井平 台的 甲板面积有限， 进行重新补充的花费 租赁工具 、 管 道 、 钻井液 、 水泥和备用部分 很大 ， 该问题在冬季显 得格外突出， 因为与最近码头 的距离也会非 常远。 因此 ， 在比较偏远的 B e a u f o r t海域的大陆架上部署 钻井船 比部署半潜式钻井平台进行油气勘探更为有 利E 1 5 ； 。所以， 北极深海钻井在进行钻井设计时必须 高度重视后勤保障 ， 充分认识其影 响因素并制定相 应的解决方案， 以保证钻井作业的顺利完成。 1 ． 3 脆弱的生态环境 低温条件下生态环境遭污染后恢复缓慢 ， 加上 北极地区高度季节性生态环境的影响 ， 北极的生态 环境极易因人类的油气勘探和开发活动而遭到破 坏 。尤其是原油泄漏对北极地 区造成 的危害巨大 一 是北极地区海平面下存在冰 山的海域 ， 如泄露原 油则清洁工作十分 困难 ； 二是原油泄漏可能会导致 大量生物死亡 ， 并对该地区的人 口和生态环境造成 长期污染， 其影响甚至会持续数十年[ 1 。 在墨西哥湾溢油事件发生后 ， 深水钻井 中溢油 的应对方法开始成为一个十分受关注的问题 。北极 深海钻井中， 传统 的防原油泄漏技 术 如建设 防油 栅 ， 在厚实冰层中难以实现。风浪会将厚厚的浮油 打散 ， 油溅入碎冰块 中与冰一起移动 ， 给浮油定位与 清洁带来困难l_ 1 。同时北极冬季缺少光照， 气候严 寒 ， 石油也可能会被封存在海洋冰层里， 这意味着泄 漏的石油被环境稀释和降解需要经历更长时间。 1 ． 4 其他问题 与其他海域一样， 北极深海钻井也存在海底浅 层欠压实、 安全密度窗 口窄、 井壁不稳定 、 遇到浅层 气易形成天然气水合物等一 系列问题 ， 如果不引起 足够的重视 ， 容易导致井壁坍塌、 井漏等井下故障的 发生 。 第 4 1卷第 3期 孙 宝江． 北极深水钻井关键装备及发展展望 材料制 造 而成 ， 主要 包 括铸 钢 件、 结 构件 和轴 类 件【 2 。由于北极地处 高纬度 ， 气候严寒 ， 因此钻机 在布局时应尽可能减少热量损失 ， 采用集 中供热， 对 于需要保温的装置 紧密布置， 以减少热量损失 。选 择钻机材料时要能保证钻机在低温环境下 的工作 ， 同时为了降低成本 ， 露天工作 的设备 ， 如井架 、 底座 和天车等， 采用耐低温材料 ； 有保温措施的部件， 如后 台、 固控等采用常用材料 ； 钻机搬迁、 安装拆卸过程 中 由于吊装和井架起升中受力较大的部件采用低温材 料 。研究表明， Q 3 4 5 E级钢在常温 、 o℃和一2 0℃温 度下的纵向冲击功均超过 6 0 J ， 一4 O℃以下 的冲击 功不低于 4 0 J ， 冷脆转化温度不低 于一6 O℃， 其力 学性能、 化学成分等完全满足前苏联国家标准推荐 的井架用 C 3 4 5钢的性能要求。因此， 对于井架的 主要部件选用 Q3 4 5 E钢_ 2 引。我 国南 阳二机集团作 为研制石油钻采装备的骨干企业 ， 在 国内率先进行 了低温材料 的研制和应用 ， 2 0 0 5年 以来该公 司先后 研制出能够满足 一4 5℃高寒地 区钻井作 业要求的 1 0 0 0 5 0 0 0 m 系列低温钻机 ， 产品批量 出口俄罗 斯和加拿大等国_ 2 。 3 北极深海钻探工程进展 作为全球最大的能源企业之一， 壳牌公 司一直 在努力推动北极海域 的石油钻探 工作 。截至 2 0 1 2 年 ， 壳牌公 司在北极海上 的钻探作业已经进行 了 7 年并耗资 4 O多亿美元 ， 还要面对阿拉斯加土著人的 反对 、 环保团体的抗议 以及墨西哥湾漏油事件带来 的巨大压力 。2 0 1 2年 7月初 ， 壳牌公 司的“ Ku l l u k ” 钻井船驶向阿拉斯加北极地 区， 计划在 B e a u f o r t 海 的一个海域 距离阿拉斯加州海岸大约 3 2 k m 钻 2 口探井 ， 在 C h u k c h i 海的一个海域 距离阿拉斯加州 海岸大约 1 1 2 k in 钻 3口探井 。其主要 目的是对这 2个区域 做进 一步 的勘 探 和研 究， 而不 是开 采石 油[ 2 引。2 0 1 3年 1 月 1号 ， 该钻井船在拖航 中遭遇风 暴 ， 船 体和 设备受 到损坏 ， 不得 不返 回船坞 整修 。 2 0 1 3年 2月 1 2日， 壳牌公司宣布暂停北极石油勘 探钻井活动[ 。 。 4 发展趋势与展望 北极的环境特点是气候严寒 ， 冰层厚 ， 可钻井时 间短 每年只有三四个月时间 ， 油气钻探 的主要瓶 颈是装备系统 。研究分析认为 ， 北极钻井装备的发 展趋势 主要有 1 基于装备运行和人员安全考虑， 船 载钻井装备及操作区趋 向于采用全封 闭设计 ； 2 基 于最大限度降低北极海域流冰对钻井装备带来 的风 险 ， 钻井船和隔水管系统需有较强 的抵抗暴风雪和 冰荷载的能力 ；3 基于 自动化安全控制和运输及模 块化装备高效安装考虑 ， 钻井装备趋 于采用轻质耐 低温 的新型材料制造 ； 4 基于延长每年在北极的作 业期和增加冰期 的活动能力考虑 ， 需研发破冰能力 强的钻井破冰船和供给船 ； 5 为了降低恶劣环境的 影响， 海底钻机的研制与应用也可能是北极海水钻 井的发展方向。 我国的石油消费位居世界前列， 进 口依赖程度 达到 5 O 以上 ， 因此 ， 北极油气资源对 我国的重要 意义不言而喻。所以我国应重视跟踪北极地区油气 勘探开发进展 ， 加强抗冰船舶的设计和研发力度 ， 研 究冰区航行和作业经验 ， 为在北极海域进行油气勘 探做好准备。我国石油企业应寻求与世界大型石油 公司的合作机会 ， 通过注资、 技术人股 、 设备 出口等 方式积极参与北极油气资源的勘探开发。 随着新材料、 制造技术、 网络通讯和气象科学技 术的不断发展 ， 及钻井作业的机械化、 自动化和信息 化程度不断提高， 钻机作业将实现完全 自动化 ， 钻井 效率与成功率极大提高 ， 并将恶劣气候对钻井作业 的不利影响降至最低 ， 从而逐步提高北极深海钻探 生产的安全性 。北极深海 的石油天然气开采一定会 在不远的将来成为可能 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 冯丹， 陆朝荣， 周山丹． 北极石油开发的争夺与障碍[ J ] ． 节能技 术 ， 2 0 0 9 ， 2 7 4 3 5 5 3 5 7 ． Fe n g Da n， Lu Ch a o r o n g， Zh o u Sh a n d a n ． Pe t r o l e u m e x p l o i t a t i o n in t h e A r c t i c R e g i o n c o mp e t i t i o n a n d o b s t a c l e s [ J ] ． E n e r g y C o ns e r v a t i o n Te c h n o l o g y， 2 0 0 9， 2 7 4 3 5 5 3 57 ． [ 2 ] 白振瑞， 李明岩， 杨国丰． 北极地区油气资源潜力和勘探开发动 向口] ． 当代石油石化 ， 2 0 1 1 ， 1 9 9 3 9 - 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2 1 - 4 - 2 4 1 ， 2 0 1 1 ． [ 9 ] 王福 贵， 贾秉彦 ， 周忠祥 基 于低温钻机管汇应用的电伴热系统 设计口] ． 天然气与石油， 2 0 1 1 ， 2 9 3 7 6 7 8 ． Wa n g F u g u i ， J i a B i n g y a n ， Z h o u Z h o n g x i a n g ． De s i g n o f e l e c t r i c a l h e a t t r a c i n g s y s t e m b a s e d o n l o w t e mp e r a t u r e d r i l l ing r i g m a n i f o l d [ J ] ． N a t u r a l G a s a n d O i l ， 2 0 1 1 ， 2 9 3 7 6 7 8 ． [ 1 O ] Gu l i c k ， J o n a t h a n F ． Tr a n s p o r t a t i o n r e q u i r e me n t s f o r d r i l l i n g o p e r a t i o n s o n t h e Ar c t i c No r t h S l o p e o f Al a s k a[ R] ．S P E 1 0 7 5 5。 1 9 8 3 ． [ 1 1 ] 孙宝江 ， 曹式敬 ， 李昊 ， 等． 深水钻井技术装备现状及发展趋势 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 1 1 ， 3 9 2 8 - 1 5 ． S u n B a o j i a n g ， C a o S h i j i n g， L i Ha o ， e t a 1 ． S t a t u s a n d d e v e l o p me ri t t r e n d o f d e e p wa t e r d r i l l i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t - J ] ． P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 8 - 1 5 ． [ 1 2 ] 魏立新． 北极海冰变 化及其气候效应 研究 [ D ] ． 青 岛 中国海 洋大学 ， 2 0 0 8 ． We i Li x i n ．S t u d y o n t h e v a r ia t i o n o f Ar c t i c s e a i c e a n d i t s e f f e c t o n g l o b a l c l i m a t e [ D] ． Q i n g d a o O c e a n U n i v e r s i t y o f Ch i n a， 2 0 0 8 ． [ 1 3 ] J a h n s H O ． A r c t i c d r i l l i n g s y s t e m s [ R ． WP C 2 0 2 0 4 ， 1 9 8 3 ． [ 1 4 ] Hi p p m a n A， K e l l y w_ T h e s i n g l e s t e e l d r i l l i n g c a i s s o n a D e w A r c t i c d r i l l i n g u n i t [ R ． S P E 1 2 0 0 0 ， 1 9 8 5 ． r 1 5 ] P i l i s i N， Ma e s M， L e wi s D B D e e p wa t e r d r i l l i n g f o r Ar c t i c o i l a n d g a s r e s o ur c e s d e v e l o p me n t a c o n c e p t u a l s t u d y i n t h e B e a u f o r t S e a E R ] ． O T C 2 2 0 9 2 ， 2 0 1 1 ． [ 1 6 ] 李浩武， 童晓光． 北极地区油气资源及勘探潜力分析[ J ] ． 中国 石油勘探， 2 0 1 0 ， 1 5 3 7 3 8 2 ． Li Ha o wu，To n g Xi a o g u a n g ． Ex p l o r a t io n p o t e n t i a l a n a l y s i s o f o i l a n d g a s r e s o u r c e i n A r c t i c R e g i o n s [ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n， 2 0 1 0， 1 5 3 7 3 8 2 ． [ 1 7 ] S k e ie G M， B j rnb o m E ， T h o r b j O r n s e n S ， e t a 1 ． H i g h r e s o l u t i o n o i l s p i l l r e s p o ns e p l a n n i n g f o r o p e r a t i o ns i n a s e ns i t i v e Ar c t i c e nv i r o n me n t ．s h a r i n g i n f o r ma t i o n be t we e n o p e r a t o r s ， n a t i o n a l a u t h o r i t i e s ，l o c a l o i l s p i l l r e s p o ns e g r o u p s a n d t h e g e n e r a l p u b l ic [ R ] ． S P E 9 8 5 9 3 ， 2 0 0 6 ． [ 1 8 3 沈权 ， 赵 炎平． 破冰 船技 术及 几种破 冰方 法 [ J ] ． 航海 技术 ， 2 0 1 0 1 5 7 ． S h e n qu a n ， Z h a o Ya n p i n g ． I c e b r e a k e r t e e h n o l o g y a n d s e v e r a l i c e - b r e a k in g w a y s [ J ] ． Ma r i n e T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 1 5 - 7 ． [ 1 9 3 中船集团第七OA所． 冰区船靓丽风景线[ E B ／ O L ] ． [ 2 0 1 3 - 0 3 2 0 ] ． h t t p ／ ／ Ⅵ s h ip o 1 ． c o m． c n ／ j s z l ／ 1 wb g ／ 1 5 7 3 8 1 ． h t n CS S C 7 08 c h I ns t i t u t i o n ． S h i p i n z o n e o f i c e f o r mi n g r e ma r k a bl e s c e n e r y l i n e [ E B／ OL ] ． [ 2 0 1 3 0 3 2 0 ] h t t p { f ． s h i p o 1 ． e o r r u e n ／ j s z l ／ 1 wb g ／ 1 5 7 3 8 1 ． h t m． [ 2 O ] Ra j iv Ag g a r wa l ， Ri c h a r d D’ S o u z a ． D e e p wa t e r Ar c t i c t e c h n i c a l c h a l l e n g e s a n d s o l u t i o n s [ R ] ． OT C 2 2 1 5 5 ， 2 0 1 1 ． [ 2 1 ] T h o ma s K i p k e r ， B e n t e c G m b H． D r i l l i n g r i g s i n A r c t i c d e e p t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t s d e s ign a n o p e r a t i o n c ha l l e n g e s J R] ． OTc 2 2 0 9 3 ， 2 0 1 1 ． [ 2 2 ] 汪金桃． 低温钻机金属材料性能与工艺研究_ J ] ． 石油机械， 2 0 0 8， 3 6