深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新

深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新

目前，世界淡水投資占海上總投資的13%，深水項(xiàng)目占全球海上項(xiàng)目的1.4%。在全球排名前50的超大項(xiàng)目中,3/4是深水項(xiàng)目。近5年來(lái),全球重大油氣發(fā)現(xiàn)中70%來(lái)自水深超過(guò)1000m的水域。當(dāng)前,深水油氣產(chǎn)量大約占海上油氣總產(chǎn)量的30%。深水,必然對(duì)現(xiàn)今以及未來(lái)的油氣發(fā)展有著重要的意義。1深水油氣勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模巨近年來(lái)全球新增的油氣發(fā)現(xiàn)量主要來(lái)自于海上,尤其是深水和超深水。來(lái)自深水的發(fā)現(xiàn)數(shù)雖然不多,但發(fā)現(xiàn)量卻十分巨大,同時(shí)表現(xiàn)出水深越深、發(fā)現(xiàn)量越大的趨勢(shì):2012年,全球超1500m水深的總發(fā)現(xiàn)量接近16.3億噸油當(dāng)量(120億桶),相當(dāng)于陸上的6倍,接近淺水的3倍。2011年全球排名前十的油氣發(fā)現(xiàn)中,6個(gè)來(lái)自深水,且全部都是億噸級(jí)油氣發(fā)現(xiàn)。2012年全球排名前十的油氣發(fā)現(xiàn)全部來(lái)自深水,其中的7個(gè)為億噸級(jí)重大油氣發(fā)現(xiàn)(表1)。深水產(chǎn)量逐年增加,至2013年全球深水油氣產(chǎn)量已超過(guò)5億噸油當(dāng)量,占全球海上油氣產(chǎn)量的20%以上,并且這個(gè)比例還將逐年上升。過(guò)去幾年的高油價(jià),為海洋項(xiàng)目開(kāi)啟了較大的贏利空間。據(jù)PFC統(tǒng)計(jì),深水盈虧平衡點(diǎn)為397美元/t(54美元/桶),一般的收益率都在15%以上,高的甚至可以達(dá)到28%,因此吸引了越來(lái)越多的公司參與其中。?？松梨诘?家國(guó)際大石油公司的勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)正在由陸上向海上轉(zhuǎn)移,并且加快進(jìn)軍深水,海洋勘探開(kāi)發(fā)投資占總投資的比例已經(jīng)達(dá)到60%~85%,海洋產(chǎn)量占比均超過(guò)50%,其中的深水勘探開(kāi)發(fā)投資已經(jīng)占到海洋總投資的50%以上。國(guó)際大石油公司在深水領(lǐng)域獲得了豐厚的產(chǎn)量,BP公司的深水油氣年產(chǎn)量已接近5000萬(wàn)噸油當(dāng)量;道達(dá)爾的深水油氣年產(chǎn)量已超過(guò)3500萬(wàn)噸油當(dāng)量;而巴西國(guó)油和挪威國(guó)油則依靠深水在10~13年的時(shí)間里新增產(chǎn)量5000萬(wàn)t?？梢哉f(shuō),深水在未來(lái)油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)中占有舉足輕重的地位,是石油公司的必爭(zhēng)之地。我國(guó)的深水油氣資源也十分豐富。在我國(guó)南海海域,整個(gè)盆地群石油地質(zhì)資源量在230億至300億t之間,天然氣總地質(zhì)資源量約為16萬(wàn)億m2在深水勘探和開(kāi)發(fā)中面臨的五個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)2.1特殊的條件有可能造成巨大的損失與淺水相比,深水作業(yè)面臨著風(fēng)、浪、流、冰等自然及氣候條件的挑戰(zhàn),特殊的條件有可能造成巨大的損失。歷史上,極端氣候條件對(duì)海洋油氣作業(yè)造成過(guò)許多重大事故,比如1979年“渤海二號(hào)”、2011年俄羅斯“克拉”號(hào)鉆井平臺(tái)的沉沒(méi),都是在拖航過(guò)程中遭遇惡劣天氣所致2.2平臺(tái)空間和可變載荷水越深,與水深相關(guān)的一系列問(wèn)題就越明顯。比如隨著隔水管的用量增加,對(duì)鉆采裝置平臺(tái)空間和可變載荷的要求也更高。另外,海水深度越深,孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口越小(圖1),鉆井控制難度就越大,使井眼尺寸、鉆井深度都受到限制,而且出現(xiàn)鉆井事故的幾率也大大增加2.3深水溫度海水溫度一般隨水深增加而降低,1000m水深溫度約為4℃,3000m水深溫度為1~2℃。低溫會(huì)給鉆井和開(kāi)發(fā)帶來(lái)一系列問(wèn)題,如鉆井液流變性變差、水泥漿在低溫情況下的流態(tài)、低溫高壓情況下易在井筒內(nèi)形成水合物、ECD控制、油氣的流動(dòng)性等2.4淺層開(kāi)采的難點(diǎn)在深水鉆遇淺層氣和天然氣水合物可能會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。淺層氣是指埋藏在淺部地層、蘊(yùn)藏在海床面以下800m范圍內(nèi)未膠結(jié)地層中的天然氣,通常發(fā)生在泥線以下250~1200m的超壓、未固結(jié)砂層中。淺層氣成因復(fù)雜,預(yù)測(cè)難度大,而高壓、小體積以及分布分散的特性使鉆遇淺層氣的破壞性非常大、發(fā)生速度非?？?、控制難度也非常大。深水海底高壓低溫的環(huán)境極易形成天然氣水合物,給深水油氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。鉆采過(guò)程易導(dǎo)致水合物分解,分解后壓力的釋放將會(huì)造成地層承載力喪失和海底地基沉陷,井眼、套管及井口裝置、防噴器等都會(huì)因失去承載支撐而發(fā)生破壞性改變,喪失對(duì)井內(nèi)壓力的控制還有可能導(dǎo)致井噴2.5海洋鉆井承包商的平均傷亡率作業(yè)安全一直是海洋作業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì),陸上石油開(kāi)采的平均可記錄傷亡率(每20萬(wàn)工時(shí)的可記錄傷亡率)低于0.5,而海洋鉆井承包商的平均可記錄傷亡率超過(guò)0.7,發(fā)生人員傷害的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出陸上作業(yè)。比如BP墨西哥灣漏油事故,不僅造成鉆井平臺(tái)沉沒(méi),人員傷亡,還將大量原油泄漏到海上,給墨西哥灣沿岸造成嚴(yán)重環(huán)境污染、重大經(jīng)濟(jì)損失,成為一場(chǎng)生態(tài)災(zāi)難。3海洋探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域深水油氣勘探開(kāi)發(fā)涉及船舶及海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋鉆井、海洋探測(cè)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,集信息技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)及多學(xué)科于一體,是一項(xiàng)多領(lǐng)域、多學(xué)科、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。深水領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新十分活躍,總的來(lái)說(shuō)正朝著以下4個(gè)方向發(fā)展。3.1作業(yè)成本控制的優(yōu)化深水作業(yè)日費(fèi)高昂,半潛式鉆井船平均日費(fèi)高達(dá)40萬(wàn)$/d。因此,通過(guò)自動(dòng)化提高作業(yè)效率是必然選擇。目前的深水鉆井和開(kāi)發(fā)平臺(tái)基本都配備了高度自動(dòng)化的設(shè)備,鐵鉆工、自動(dòng)排管系統(tǒng)、自動(dòng)送鉆系統(tǒng)、電子司鉆等基本成為標(biāo)配。同時(shí),雙作業(yè)鉆機(jī)的應(yīng)用也是深水鉆井裝備提升自動(dòng)化程度的代表。3.1.1鉆井自動(dòng)化裝備鉆井自動(dòng)化設(shè)備主要包括多參數(shù)測(cè)量?jī)x或綜合錄井儀、頂部驅(qū)動(dòng)裝置、自動(dòng)排管設(shè)備、井口自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)送鉆設(shè)備、一體化司鉆控制室、管具自動(dòng)傳送裝置等。目前的第6代鉆井平臺(tái)上幾乎都配備了高度自動(dòng)化的鉆井裝備,使深水鉆井的效率和安全性大幅提升。比如2009年,Maersk公司推出的MAERSKDEVELOPER號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)就屬于第6代半潛式鉆井平臺(tái),額定作業(yè)水深3048m,鉆深能力9144m,配備有NOV公司的雙作業(yè)鉆機(jī)及自動(dòng)化設(shè)備,自動(dòng)化程度很高(圖2),無(wú)需鉆臺(tái)工和井架工,操作人員只需在一體化司鉆控制室即可完成相關(guān)作業(yè)。近年來(lái),基于信息技術(shù)的遠(yuǎn)程決策中心在海上也逐漸獲得推廣應(yīng)用。殼牌國(guó)際油公司、哈里伯頓、貝克休斯等大服務(wù)公司都建立了覆蓋全球的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心,以充分發(fā)揮多學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)的作用,進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析和鉆井決策支持。遠(yuǎn)程作業(yè)中心集成了一體化共享地學(xué)平臺(tái)、實(shí)時(shí)地質(zhì)建模、油井三維可視化、實(shí)時(shí)水力模擬、隨鉆測(cè)量、井眼軌跡控制、旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向等地質(zhì)方法和工程技術(shù),借助虛擬容錯(cuò)計(jì)算機(jī)主機(jī)服務(wù)器、IP通訊技術(shù)、視頻監(jiān)測(cè)和分析技術(shù)以及圖形化桌面共享等先進(jìn)的信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)井場(chǎng)支持。3.1.2雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)雙作業(yè)鉆機(jī)可以大幅提升深水鉆井效率,通過(guò)2部井架的設(shè)計(jì),使鉆井和組裝、拆卸隔水管柱等輔助作業(yè)可以同時(shí)進(jìn)行。1995年Transocean公司獲得了雙作業(yè)鉆井方法的專利。此后,雙作業(yè)鉆機(jī)迅速在新建半潛式平臺(tái)和深水鉆井船上得到推廣。目前,雙作業(yè)鉆機(jī)主要有3種類型:離線鉆機(jī)、雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)、多功能箱式鉆塔。離線鉆機(jī)又稱“一個(gè)半井架鉆機(jī)”,有主、輔2個(gè)井架:主井架較高,用于鉆井作業(yè);輔井架較低,用于鉆井輔助作業(yè)是脫離開(kāi)主井架的,又稱為一個(gè)半井架雙作業(yè)鉆機(jī)。輔井架的作業(yè)是脫離開(kāi)主井架的,稱為“脫機(jī)”作業(yè)或“離線”作業(yè)。中海油的“海洋石油981號(hào)”深水半潛式鉆井平臺(tái)配備的就是挪威AkerSolutions公司的一個(gè)半井架鉆機(jī)。雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)的“雙井架”并不是指在平臺(tái)甲板上安裝2個(gè)獨(dú)立的井架,而是將二者融為一體,一個(gè)用作主井架,另一個(gè)用作輔井架,各有一套提升系統(tǒng)、頂部驅(qū)動(dòng)裝置、管子操作系統(tǒng);“雙作業(yè)”是指在進(jìn)行正常鉆進(jìn)的同時(shí),可以并行完成組裝、拆卸鉆柱,下放隔水管柱、套管柱,以及下放與回收水下器具等脫機(jī)作業(yè)。到目前為止,國(guó)外已有Transocean公司、挪威AkerSolutions公司、美國(guó)國(guó)民油井華高公司(NOV)、新加坡Keppel集團(tuán)公司和SembCorp海洋公司等推出了雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)(圖3)。荷蘭Huisman設(shè)備公司為深水浮式鉆井裝置(半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船)設(shè)計(jì)的多功能箱式鉆塔如圖4所示,是一種交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī),額定鉆深能力為12190m(水面以下)。鉆塔左右兩側(cè)各有1個(gè)回轉(zhuǎn)式管架和1套提升能力為11118kN的提升系統(tǒng):前側(cè)為主提升系統(tǒng),用于鉆進(jìn);后側(cè)為輔提升系統(tǒng),用于在鉆表層井眼期間完成防噴器和隔水管的安裝,還可用于在鉆井作業(yè)期間將鉆桿單根連接成鉆桿立柱,以及用于安裝大型水下設(shè)備,比如水下采油樹(shù)等。塔架內(nèi)裝有兩臺(tái)絞車,絞車配備主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)和被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng),主絞車的功率為4600kW,輔絞車的功率為2300kW,頂驅(qū)功率為860kW。鉆塔4個(gè)角各配備1臺(tái)排管機(jī),用于操作鉆桿立柱。鉆塔消除了V形門的限制,鉆桿立柱和其他設(shè)備可以無(wú)障礙地進(jìn)出鉆臺(tái),改變了防噴器和水下采油樹(shù)的安裝方法,大大降低了鉆塔底座的高度(鉆臺(tái)距主甲板的高度僅4.9m)。從而可降低浮式鉆井裝置的重心,增強(qiáng)其穩(wěn)定性,減小其尺寸,提高承重/排水比。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,雙作業(yè)鉆機(jī)在深水半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船上得到推廣應(yīng)用,目前已成為第6代深水浮式鉆井裝置的主流配置,在建和擬建的深水浮式鉆井裝置配置的幾乎都是雙作業(yè)鉆機(jī)。中海油“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺(tái)是國(guó)內(nèi)首次配備了雙作業(yè)鉆機(jī)的海上鉆井平臺(tái)。與普通海洋鉆機(jī)相比,雙作業(yè)鉆機(jī)可提高鉆井效率20%,降低鉆井成本20%以上。3.2海底化將作業(yè)或生產(chǎn)設(shè)施布設(shè)在海底可以消除風(fēng)、浪、流、冰等惡劣海洋環(huán)境對(duì)鉆井作業(yè)的影響,還能起到降低成本的作用。3.2.1海底地震采集的成本海底地震就是利用海面地震船的氣槍震源在水中激發(fā)地震波,利用布設(shè)在海底的檢波器采集地震信號(hào)(圖5)。這種把檢波器布設(shè)在海底的新方式與傳統(tǒng)的拖纜地震采集相比,具有數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)位置準(zhǔn)確、減少環(huán)境的干擾、采集的可重復(fù)性強(qiáng)、易于消除鬼波干擾等優(yōu)點(diǎn),尤其是可以在鉆井平臺(tái)密集或有其他障礙物的地方實(shí)施采集海底地震采集的主要缺點(diǎn)是成本高,但是隨著技術(shù)進(jìn)步,其成本正在迅速降低。20世紀(jì)90年代海底采集成本是拖纜采集成本的5~10倍,而現(xiàn)在成本最低僅為拖纜采集的1.5~2.0倍,預(yù)計(jì)海底采集成本還會(huì)進(jìn)一步降低。近年來(lái),CGG、斯倫貝謝、殼牌、BP、道達(dá)爾、RXT等公司都非?？春煤５椎卣鹂碧绞袌?chǎng)的前景,世界上越來(lái)越多的區(qū)塊開(kāi)始實(shí)行海底勘探,海底地震勘探裝備供不應(yīng)求,海底地震服務(wù)市場(chǎng)從2006年的2.2億美元快速上升到2013年的9.1億美元。3.2.2方案的確立和海1997—1999年,殼牌公司曾組織開(kāi)展過(guò)海底鉆井的初步可行性研究和概念設(shè)計(jì),提出了一種海底自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)想。2003年4月,英國(guó)Maris國(guó)際公司完成了海底鉆機(jī)的初步可行性研究,也提出了海底鉆機(jī)的設(shè)想。2001—2007年,殼牌公司、BP公司和英國(guó)貿(mào)工部資助英國(guó)Pipistrelle公司開(kāi)展了海底鉆井的前期研究,主要研究了海底鉆井的技術(shù)可行性,并提出了初步設(shè)計(jì)方案。2006年美國(guó)海底鉆機(jī)公司提出了一種海底鉆井艙設(shè)計(jì)方案。挪威機(jī)器人鉆井系統(tǒng)公司計(jì)劃基于開(kāi)發(fā)中的機(jī)器人鉆井系統(tǒng)開(kāi)發(fā)海底鉆機(jī)(圖6)。目前,為配合美國(guó)大洋鉆探計(jì)劃,美國(guó)GreggMarine公司已經(jīng)推出了一種機(jī)器人海底取樣鉆機(jī),其最大作業(yè)水深3000m,可鉆取150m深的巖心。3.2.3挪威國(guó)際機(jī)構(gòu)的全海底生產(chǎn)模式在一些情況下,海底油氣開(kāi)采比陸上具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在深水中這種優(yōu)勢(shì)有時(shí)更加明顯。除了比較成熟的水下生產(chǎn)系統(tǒng)外,海底增壓、海底油氣水分離、水下油氣處理等工藝也逐漸成熟,海上油氣開(kāi)采正在向著海底化發(fā)展,甚至有公司提出了拋棄海上平臺(tái)的“全海底模式”。2012年,挪威國(guó)家石油公司提出“海底工廠”的概念是用于開(kāi)采天然氣的全海底生產(chǎn)模式(圖7),計(jì)劃2020年安裝在北海的Asgard油田?！昂５坠S”概念主要包括海底增壓系統(tǒng)、海底氣體壓縮系統(tǒng)、海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)、未凈化海水輸送系統(tǒng)4部分。海底壓縮是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,壓縮氣體的作用有2個(gè):一是通過(guò)氣體壓縮,補(bǔ)充氣體向海面運(yùn)送的能量;二是通過(guò)氣體壓縮形成生產(chǎn)壓差,有利于提高采收率。壓縮機(jī)安裝在海底,不但成本比安裝在平臺(tái)上低,而且效果更好。海底增壓技術(shù)是將海底采出油氣泵送到海上平臺(tái)。海底分離系統(tǒng)是在海底實(shí)現(xiàn)氣液分離。產(chǎn)出水回注和未凈化海水輸送系統(tǒng)則是為嚴(yán)格的海洋環(huán)保要求而研制的。3.3多臂翻新深水技術(shù)和裝備更多地體現(xiàn)出多學(xué)科技術(shù)的融合,出現(xiàn)了眾多多功能化的深水裝備。3.3.1folng與傳統(tǒng)天然氣開(kāi)采浮式LNG(或FLNG,見(jiàn)圖8)是一種多功能的浮式生產(chǎn)裝置,集開(kāi)采、處理、液化、儲(chǔ)存和裝卸天然氣的功能于一身,并通過(guò)與液化天然氣(LNG)船搭配使用,實(shí)現(xiàn)海上天然氣田的開(kāi)采和天然氣運(yùn)輸,克服了海上開(kāi)采天然氣通過(guò)管道輸送到陸上液化廠進(jìn)行液化,或是至管道終端將天然氣儲(chǔ)存再與陸上管道相接外輸?shù)膫鹘y(tǒng)資源開(kāi)發(fā)方式的局限性。與傳統(tǒng)方式相比,FLNG使投資減少20%,建設(shè)工期縮短25%。目前,全球已有2個(gè)海上天然氣田項(xiàng)目確定采用FLNG方式進(jìn)行開(kāi)采,至少有12個(gè)FLNG項(xiàng)目處在籌劃或招標(biāo)階段,還有數(shù)10個(gè)海上天然氣項(xiàng)目計(jì)劃采用FLNG。3.3.2模塊化鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)FDPSO是集鉆井、生產(chǎn)、儲(chǔ)卸油一體的平臺(tái),即在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油缷油(FPSO)的基礎(chǔ)上增加鉆井、修井功能。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)鉆井功能和開(kāi)采功能的靈活轉(zhuǎn)換。這種一體化設(shè)計(jì)節(jié)約了鉆井平臺(tái)的使用,經(jīng)濟(jì)性非常好。2009年1月新加坡Keppel公司為Murphy石油公司建造世界上第1艘具有鉆井功能的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置——Azurite號(hào)FDPSO(圖9),服役于剛果共和國(guó)水深1400m的Azurite油田。3.4創(chuàng)新深水是革新技術(shù)的發(fā)源地,很多高新技術(shù)都是從深水開(kāi)始的。3.4.1鉆井技術(shù)應(yīng)用隔水管的使用既占用平臺(tái)空間,又增加平臺(tái)重量和作業(yè)時(shí)間,很多公司都在嘗試不用隔水管的鉆井技術(shù)。其中,泥線泵是研究最多的一種無(wú)隔水管方案,主要是利用海底泵進(jìn)行鉆井液的分離與回收,從而取消鉆井隔水管的使用,將作業(yè)的壓力基準(zhǔn)從海面移至海底。該系統(tǒng)由海底吸入模塊、海底泵、控制系統(tǒng)和上返管線組成。較早開(kāi)展試驗(yàn)的是挪威AGR強(qiáng)化鉆井公司的RMR3.4.2管中管和無(wú)隔管鉆井技術(shù)挪威Reelwell公司無(wú)隔水管鉆井技術(shù)(圖10),是另一種利用管中管鉆桿消除隔水管使用的技