中國(guó)科學(xué)報(bào)：深海天然氣工程亟待突破核心技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2020-10-05 | 來(lái)源：宣傳部 | 瀏覽量：
中國(guó)海洋石油天然氣資源十分豐富，但其大多數(shù)都埋藏于深水區(qū)，相應(yīng)的油氣勘探開(kāi)發(fā)工作面臨著“入地、下?！痹S多難題和工程技術(shù)挑戰(zhàn)。
歷經(jīng)多年的探索與實(shí)踐，我國(guó)海洋深水鉆探工程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從淺水（水深300米以?xún)?nèi)）到超深水（水深超過(guò)1500米）的跨越，并在南海發(fā)現(xiàn)了豐富的天然氣及其水合物資源，亟待進(jìn)行安全高效開(kāi)發(fā)，因而對(duì)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工程模式及其技術(shù)支撐體系提出了重大需求。
深海油氣工程具有“四高”特點(diǎn)
隨著全球油氣需求量的持續(xù)增長(zhǎng)與油氣科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)正在從淺水區(qū)（水深小于300米）向次深水區(qū)（水深介于300～500米）、深水區(qū)（水深介于500～1500米）及超深水區(qū)（水深超過(guò)1500米）加速推進(jìn)。
海洋深水區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)深海）油氣資源勘探開(kāi)發(fā)日趨活躍，如墨西哥灣、西非、巴西、北海、澳大利亞及中國(guó)南海等深水海域。近10年來(lái)，全球的重大油氣發(fā)現(xiàn)一多半都來(lái)自深海，深海將成為油氣資源的重要接替區(qū)之一。
同時(shí)，深海油氣勘探開(kāi)發(fā)及其工程作業(yè)也面臨著“入地、下?！钡碾p重挑戰(zhàn)，具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入及高回報(bào)的“四高”特點(diǎn)，其中的“高回報(bào)”和巨大的附加效益（如船舶技術(shù)進(jìn)步、信息技術(shù)綜合應(yīng)用、海洋地質(zhì)勘測(cè)、海防劃界、軍事情報(bào)獲取等），吸引了世界相關(guān)國(guó)家及公司進(jìn)行持續(xù)高強(qiáng)度投入與大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)活動(dòng)。
由于深海油氣工程具有“四高”的基本特征，出現(xiàn)任何作業(yè)事故都可能極大地增加作業(yè)時(shí)間和成本，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因而必須對(duì)事關(guān)深海油氣勘探開(kāi)發(fā)的安全高效作業(yè)模式及其技術(shù)支撐體系進(jìn)行持續(xù)研究與實(shí)踐：一方面掌握其基本的科學(xué)規(guī)律與先進(jìn)的勘探開(kāi)發(fā)模式，另一方面力求不斷取得相關(guān)工程技術(shù)與裝備支撐體系的重大創(chuàng)新與突破。
中國(guó)南海油氣資源豐富，但其中的70%以上都埋藏于深水區(qū)，相應(yīng)的油氣勘探開(kāi)發(fā)及其工程作業(yè)因而面臨著許多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。歷經(jīng)10多年的探索和實(shí)踐，我國(guó)海洋油氣鉆探的最大水深已超過(guò)2600米，實(shí)現(xiàn)了從淺水到超深水的跨越，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了豐富的深海天然氣及其水合物資源，亟待進(jìn)行安全高效開(kāi)發(fā)利用，需要通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)積極探索相適應(yīng)的安全高效開(kāi)發(fā)模式，不斷實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備的重大突破。
深水鉆井技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵核心之一
較之于淺水或陸地，深海天然氣工程最大的特點(diǎn)就是需要浮式鉆采作業(yè)、水下井口及相適應(yīng)的天然氣生產(chǎn)與集輸系統(tǒng)等。這不僅增加了工程作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且也大幅度增加了工程成本。
因此，在深海天然氣開(kāi)發(fā)工程中應(yīng)盡可能地減少水下井口及配套設(shè)施的數(shù)量，縮短浮式作業(yè)時(shí)間，并通過(guò)實(shí)施水平井或以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，大幅度提高深海天然氣田的單井天然氣產(chǎn)量以及最終采收率。
為此，我國(guó)有必要圍繞深海天然氣田安全高效開(kāi)發(fā)目標(biāo)，優(yōu)選比較適用的工程模式及其配套技術(shù)與裝備，同時(shí)積極探索更加先進(jìn)適用的工程模式及其技術(shù)支撐體系。
深水鉆井技術(shù)就是深海油氣勘探開(kāi)發(fā)不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，有關(guān)研究與實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。深水鉆井作業(yè)主要包括深水導(dǎo)管安裝、表層套管井段鉆井、水下防噴器組及隔水管安裝、后續(xù)鉆井等4個(gè)主要作業(yè)環(huán)節(jié)。其中“后續(xù)鉆井”的技術(shù)難度取決于油氣藏特性與埋深、不同的井型技術(shù)要求（直井、水平井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等）及所鉆地層的復(fù)雜性。
綜合考慮深水鉆井的客觀(guān)約束條件和作業(yè)工藝特點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了適用于深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同作業(yè)安全系數(shù)選取方法及套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的推薦做法，并給出一套先進(jìn)的深水井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。針對(duì)深水鉆井作業(yè)的特點(diǎn)，綜合考慮隔水管段井筒傳熱、鉆井液增注、套管及其環(huán)空溫壓效應(yīng)等諸多因素的影響，建立了深水鉆井套管環(huán)空循環(huán)溫度預(yù)測(cè)計(jì)算模型，以及由溫度效應(yīng)導(dǎo)致的環(huán)空增壓計(jì)算模型，闡明了相關(guān)因素的影響規(guī)律，提出了深水井筒完整性設(shè)計(jì)控制新方法。
此外，深水導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)與噴射安裝控制研究也不斷取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果揭示了深水導(dǎo)管與海底土體相互作用的機(jī)理，通過(guò)采用不同的樁土接觸面模型，對(duì)深水鉆井導(dǎo)管的承載能力進(jìn)行了計(jì)算分析，揭示了深水導(dǎo)管作為“循環(huán)通道”和“持力結(jié)構(gòu)”兩大功能的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，建立了深水導(dǎo)管?chē)娚浞ò惭b入泥深度預(yù)測(cè)模型。
考慮到深水鉆井隔水管安裝過(guò)程的特殊邊界條件，建立深水鉆井隔水管安裝過(guò)程中多種動(dòng)力學(xué)行為分析模型及控制方程也至關(guān)重要。通過(guò)采用傳遞矩陣和譜分析方法，對(duì)深水鉆井隔水管的頂張力進(jìn)行了優(yōu)化分析，可得到不同作業(yè)參數(shù)下的頂張力最優(yōu)值。
目前，筆者團(tuán)隊(duì)已形成深水表層導(dǎo)管入泥深度預(yù)測(cè)與控制方法，以及深水隔水管綜合力學(xué)分析與安全作業(yè)窗口預(yù)測(cè)方法，為深水鉆探工程安全高效作業(yè)提供了重要的技術(shù)支持。同時(shí)，建立了深海油氣工程科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)基地，自主研發(fā)了深水鉆井力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，形成了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化的創(chuàng)新平臺(tái)條件，推動(dòng)了海洋深水鉆探行業(yè)的科技進(jìn)步。
深海天然氣工程科技創(chuàng)新的幾點(diǎn)建議
中國(guó)南海深水區(qū)天然氣及其水合物的安全高效開(kāi)發(fā)面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要建立相適應(yīng)的工程模式及其技術(shù)支撐體系，尋求“地質(zhì)—工程—市場(chǎng)”一體化的解決方案。
對(duì)于深海常規(guī)天然氣田，應(yīng)積極試驗(yàn)與建立“水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井浮式鉆完井+水下鉆采系統(tǒng)+浮式生產(chǎn)、集輸與FLNG（浮式液化天然氣）處理系統(tǒng)+船運(yùn)外輸”的開(kāi)發(fā)模式及其技術(shù)支撐體系；而對(duì)于鄰近淺水區(qū)的深海天然氣田，則可以考慮采用大位移水平井開(kāi)發(fā)模式，將“水下井口”轉(zhuǎn)移到淺水區(qū)固定鉆采平臺(tái)上來(lái)，從而大幅度提高其綜合開(kāi)發(fā)效益。
以實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)為目標(biāo)，還應(yīng)積極試驗(yàn)與建立“水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井浮式鉆完井+天然氣水合物原位分解開(kāi)采+水下或浮式生產(chǎn)與集輸處理系統(tǒng)+管道或船運(yùn)外輸”的開(kāi)發(fā)模式及其技術(shù)支撐體系。
另外，由于天然氣水合物埋藏在海底以下的淺部（如中國(guó)南海某海域的水合物埋藏在泥線(xiàn)以下200～300米之間），難以實(shí)施水平井、U形水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，可考慮將井位選在水深較淺的海底，通過(guò)實(shí)施大位移井工程進(jìn)行安全高效開(kāi)發(fā)，或采用吸力錨技術(shù)與裝備建立水下井口。
未來(lái)，應(yīng)通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，不斷提升深水鉆探、開(kāi)采及儲(chǔ)運(yùn)一體化技術(shù)體系的先進(jìn)性與安全高效應(yīng)用水平。同時(shí)，在深海天然氣工程中應(yīng)高度重視安全環(huán)保問(wèn)題，要特別注意防止發(fā)生井噴、泄漏等惡性事故。伴隨著信息、材料、人工智能等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的科技進(jìn)步，深海天然氣工程必然朝著信息化與智能化的方向加速發(fā)展。
（作者系中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉石油與天然氣工程國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科負(fù)責(zé)人）
詳情見(jiàn)鏈接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/9/358051.shtm
（編輯 劉曉玉）
