深海油田開發(fā)工程技術及裝備研究

深海油田開發(fā)工程技術及裝備研究

1我國海上油田開發(fā)的展望最近，中國的中石油、石化和鄭和公司都提出了“向海洋石油重要”的問題。我國石油消費快速增長,2004年凈進口量達1.515億噸,已成為全球第二大石油消費國,對外依存度達到了37.85%。預計到2010年我國石油需要將增至3.5億噸,缺口約1.5億噸,對外依存度將進一步增至43%。為了提高我國石油的自給程度,除大力開發(fā)陸上油田之外,還需要充分挖掘深海擁有豐富油氣資源的潛力,“向深海進軍”、“向深海要油”。我國海上油田的開發(fā),雖然至今已有近40年的歷史。但是,基本上是在灘海、淺海、近海開發(fā)油田。目前,國際上通常是將400m以內水深劃作常規(guī)水深,400～1500m水深劃為深水,超過1500m稱為超深水。由于我國的海上油田開發(fā)一般均在常規(guī)水深范圍之內,因此,深水以及超深水的油田開發(fā)工程技術,對我國來說,尚屬空白,需要我們自主地去創(chuàng)新。國外的深海石油鉆采已創(chuàng)造了2964.8m(9727ft)工作水深的記錄,他們有不少技術、裝備,值得我國借鑒。但是,我國海域遼闊,海況千差萬別,水深也有差異;我國擁有自己設計制造海洋石油裝備的優(yōu)勢;并已積累了自己的開發(fā)海上油田的經驗。因此,如何針對我國深海海域的特點,發(fā)揮我國已有的設計建造能力的優(yōu)勢,運用我國已掌握的生產經驗,在“消化”國外先進技術、裝備的基礎上,自主創(chuàng)新,創(chuàng)造性地研究出具有中國特色的深海油田開發(fā)工程技術及裝備,就成為“向深海進軍”的重要課題了。本文擬圍繞以下四方面問題進行分析,并提出筆者自己的看法及建議。即:油氣采集處理和儲運的裝備組合方案的選擇,浮式移動型鉆采平臺形式的選擇,以及井口裝置和采油樹的類型的選擇,和深海浮式鉆井用水下設備與升沉運動的補償設備等。2“深入海底油”的必要性(1)海底大陸架水域面積地球表面積5.11億km2,其中海洋面積占70.9%。全球海洋平均深度為3730m,而其中水深在3000～6000m的就占了海洋總面積的73.83%。但是,水深在200m以內的近海大陸架水域面積,卻僅僅占了海洋總面積的7.49%。這種懸殊對比的客觀存在,決定了要大力向深海找資源。(2)世界最寬的石油生產海洋中蘊藏著豐富的油氣資源。目前,世界上已在海上發(fā)現(xiàn)了油氣田1600多個,僅其中已投產的200多個油氣田,年產量即達到12億噸,約占世界石油總產量的1/3。但應該指出的,目前已探明的海洋石油儲量的80%以上均是在水深500m以內,而水深大于500m的大面積海洋中的油氣資源,約占全球海上的44%,尚有待探明。(3)海洋油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀近年來,全球的海洋石油主要是向深海發(fā)展,僅2001年一年內,全球在水深超過1000m的海域里的探井數(shù)就多達130口。據(jù)估計,在2001～2007年,全世界投入的海洋油氣田開發(fā)項目將有434個,其中水深大于500m的深海項目占到了48%。還有22%的項目屬于水深大于1200m者。目前,全球約有60多個國家從事深海油氣勘探,且已發(fā)現(xiàn)了33個超過5億桶的深水巨型油氣田。因此,“向深海要油”是大勢所趨。(4)深水油氣勘探開發(fā)必要性與迫切性我國南海多達200萬km2的海域,它是世界上四大海洋油氣聚集中心之一。我國南海石油儲量約有230億～300億噸,天然氣338萬億m3,其中70%在深水。我國有300m水深以上的海域153.7萬km2,而目前只勘探了16萬km2,基本上還都沒有進行勘探。為此中海油總公司已感到深海油田勘探開發(fā)的必要性與迫切性,正在南海的1.9萬km2的深海海域開始了勘探作業(yè)。形勢表明:深海油氣資源勘探開發(fā),必將成為我國未來的海洋石油的“主戰(zhàn)場”。3油氣采集處理及儲存深海油田的開發(fā)工程涉及到將分布在各個井口的油氣集合到一起,并進行油氣分離、脫水及凈化水等生產處理,然后,還要儲存起來,適時地運送到海岸上。這一個油氣采集處理及儲運過程中所需要的設備有哪些;它們應該怎樣組合;國外現(xiàn)有哪幾種組合方案;結合我國具體情況,我國深海應選擇哪種方案。這一連串的問題,本文將在下面敘述。3.1在國外，對幾種組合方案進行了分析(1)全海式自然平臺WHXT+TLP+FPSO/FSO+ST(水下井口及采油樹)+(張力腿平臺)+(浮式生產儲油輪或浮式儲油輪)+(穿梭油輪)這種方案的特點是分布在各口井的油氣,由水下井口及采油樹,經集輸管道收集到張力腿平臺上,再輸送到儲油輪(FSO)或生產儲油輪(FPSO)上,然后,由穿梭油輪運到海岸上。由于原油的生產處理完全是在海上進行,運送到岸上的已經是達到合格質量的原油,故稱作全海式。這種方案的優(yōu)點是兼具鉆井、采油、油氣水分離等生產處理以及儲存和外運等多種功能。但采用的張力腿平臺,我國是空白。(2)儲油輪+穿透齒輪WHXT+SP+FPSO/FSO+ST(水下井口及采油樹)+(半潛式平臺)+(浮式生產儲油輪或浮式儲油輪)+(穿梭油輪)這種方案的裝備組合,基本上與第一種組合方案相同,只是將TLP改換成SP。這種組合方案目前已成為在深海油田開發(fā)工程技術方面已居于世界領先地位的巴西所采用的主要方案,已成功地用于水深2000m的深海海域。巴西在深海油田開發(fā)中已擁有18艘SP和13艘FPSO;我國有5艘SP。(3)fdpp組合法這種裝備組合方案的特點是不采用FPSO及ST,而是將原油直接通過海底管線輸送到岸上。這種組合方案的簡化表達形式為:WHXT+FDPP+SPL(水下井口及采油樹)+(浮式鉆采平臺)+(海底管線)這種組合方案主要應用于美國,因為美國在2001年之前曾頒布過法規(guī),限制使用FPSO。由于美國在墨西哥灣建成了干線和支線縱橫交錯的非常發(fā)達的海底管網,因而采用這種裝備組合方案。他們在這種組合方案中,采用的FDPP既可用以鉆井,又可用來進行油氣水生產處理,且形式多樣,有張力腿平臺、半潛式平臺,還有柱筒式平臺(SPAR)。但以SPAR占大多數(shù),在墨西哥灣SPAR建成約15座。(4)浮式鉆井與油氣水處理生產聯(lián)合裝置WHXT+FPDSO+ST(水下井口及采油樹)+(浮式生產鉆井聯(lián)合裝置)+(穿梭油輪)這種裝備組合的特點是運用了浮式鉆井與油氣水處理生產的聯(lián)合裝置(FPDSO),這樣就進一步擴大了浮式生產儲油輪(FPSO)的功能,使它除了能夠進行油氣水處理及儲存和裝卸原油之外,還可以進行鉆井。這種FPDSO聯(lián)合裝置已于2001年在巴西的1200m水深的海域進行了工業(yè)試驗,可望成為一種多功能的新型深海鉆井及油氣采集處理和儲運的聯(lián)合裝備。(5)梭齒輪組合這種裝備組合方案是由海底工作盒SWE(Subseaworkenclosure)和撓性出油管線FPL(FlexiblePipelines)以及浮式儲油輪FSO和穿梭油輪ST等組成,它的簡化表達形式為:SWE+FPL+FSO+ST(海底工作盒)+(撓性出油管)+(浮式儲油輪)+(穿梭油輪)這種方案通過連結器,將分離出的原油經撓性出油管,輸送到浮式儲油輪上,適時由穿梭油輪運送到海岸上。這種組合方案的關鍵裝備是海底工作盒(SWE),它通過底座固定于海底,盒內設有水下井口裝置及采油樹和采油管匯(包括有輸油管線、試井及配氣或氣舉管線等)以及油氣分離器和輸油泵等。若具有建造中心采油平臺的條件時,也可將分離出的原油輸送到中心平臺。這種方案的海底工作盒一般重量可達400t。3.2全要素配套的whx+sdpp+fpso+st解決路徑根據(jù)對上述國外現(xiàn)有五種組合方案的分析,結合我國南海深水海域的特點,筆者提出我國深海石油鉆采裝備的組合方案的表達式為:SWHXT+SDPSO+ST(水下井口及采油樹)+(半潛式鉆采平臺與生產儲油輪聯(lián)合裝置)+(穿梭油輪)這種組合方案是吸取上述第四方案的優(yōu)點,將浮式鉆采平臺與生產儲油輪聯(lián)合起來,擴大生產儲油輪的功能。但是不采取第四方案中的張力腿鉆井平臺的措施,而是以半潛式鉆采平臺代替。筆者提出此建議是基于以下幾點:(1)我國具有較強的建造FPSO的能力。目前我國擁有12艘FPSO,居世界第四,其中8艘均系我國自行設計建造的,而且在上海外高橋造船有限公司,正在建造著月加工19萬桶合格原油、儲油量200萬桶、滿載吃水20m的世界領先的30萬噸的FPSO。另有二艘10萬噸FPSO在大連及山東北海船廠建造。這充分表明我國完全可以建造這種裝備。(2)我國已有一定的建造SDP的經驗。我國現(xiàn)有SDP五艘,其中《勘探三號》是由我國自行設計建造的,積累了一定經驗,其它4艘均系由國外引進,其中《南海二號》是1978年引進的,目前仍在工作,我國已積累了豐富操作經驗。(3)有利于分步實施方案穩(wěn)步前進。筆者建議此方案可分三步實施。第一步先不建造聯(lián)合的SDPSO裝置,而是運用我國已有經驗,分別單獨建造半潛式鉆采平臺(SDPP)和浮式生產儲油輪(FPSO),實現(xiàn)WHXT+SDPP+FPSO+ST的裝備組合方案。第二步在開展科研的基礎上,再自行設計、建造出半潛式鉆井平臺與浮式生產儲油輪的聯(lián)合裝置(SDPSO)。第三步再進行創(chuàng)新,使半潛式平臺不僅具有鉆井功能,并且完井后,能夠撤離,移至其它海域鉆井進行重復使用。至于集油功能則可通過創(chuàng)新,研制出自水下井口采油樹輸送油氣至生產儲油輪上的一套設施來實現(xiàn)。4大型海上石油鉆孔設備的形狀選擇在深海石油鉆采裝置的組合方案中,其核心裝備是移動式深海采油裝置MOPU(MobileoceanProductionunit)。4.1現(xiàn)有的國外主要形式如下(1)浮箱+甲板它可以兼做鉆井及采油平臺,還可以起重和鋪設海底管線,功能齊全。它由中部支柱支持上部甲板,由底部浮箱實現(xiàn)沉浮。因浮箱沉于較深海水中,再加上錨泊系統(tǒng),故穩(wěn)定性好。至2002年底,全世界工作水深在1829m(6000ft)以上的已有31艘,在水深2286m(7500ft)以上的已有16艘,最深的工作水深已達3048m(10000ft)。(2)張力腰平臺的穩(wěn)定性它兼有鉆井及采油功能,它由置于水下的浮力艙上的框架支撐著上部甲板及組塊,在浮力艙的下端有鋼管制成的張力腿,將平臺固定于海底,因而穩(wěn)定性及安全可靠性均佳。隨水深的增加只是將張力腿延長,故造價對水深并不敏感,這是它適用于超深水的最大優(yōu)勢。這種平臺在墨西哥灣應用最多,共約有20座。而我國尚屬空白。(3)不倒翁平臺不穩(wěn)定浮心的平臺柱筒式平臺是由上部甲板及組塊、柱筒式浮體、系泊纜、頂部浮筒式井口立管、懸鏈式立管(外輸)和海底樁基礎等組成。它在浮體下部的壓載調節(jié)下,致使浮心高于平臺重心,形成“不倒翁”。再加上錨泊系統(tǒng)的牽制,因而可使平臺運動控制在允許范圍內。這種平臺因柱筒內可儲油,故既可用于鉆井、修井,又可進行采油生產及儲油。該平臺用于超深水時,造價比張力腿平臺有明顯的優(yōu)勢。目前,這種柱筒式平臺,全世界共有15座,主要集中在墨西哥灣,我國沒有。(4)fpso能力和儲油能力強的優(yōu)勢它是將集油計量、油氣水處理、儲油、裝卸運輸?shù)裙δ芫谟洼喩蠈崿F(xiàn)的裝置,簡稱為FPSO。與上述三種平臺相比,更具有較大的處理能力和儲油能力,并可通過改裝超級油輪實現(xiàn)建造周期短,投資少,甲板上操作空間大,設備利用率高,輸出原油成本低,經濟效益高的優(yōu)越性,目前這種FPSO在世界上共有約67艘,已占到全球移動式深海采油裝置(MOPU)總數(shù)的53.6%。當前世界最大的FPSO“Agbam”號,載重量40萬噸,工作水深1500m。而我國已擁有12艘FPSO,居世界第4位,但最大工作水深為105m,屬常規(guī)水深。4.2在張力視頻平臺與柱筒式平臺(1)首選半潛式平臺,在我國自行設計建造的《勘探三號》基礎上,運用已有經驗,加深工作水深,擴大甲板面積,設計和建造出兼具鉆井和采油的能夠用于深海的半潛式鉆采平臺,并以此為起點,按照前文提出的“三步走”的設想,逐步實現(xiàn)建成半潛式平臺與FPSO的聯(lián)合裝置。(2)同時開展張力腿平臺與柱筒式平臺的科研工作,進行水池中的模型試驗,甚至深水海域中的工業(yè)試驗,直至試驗成功,再著手進行設計與建造,以為我國向超深海找油準備核心裝備。因為這兩種形式的平臺,工作水深越深越有利,更適用于超深水。(3)通過科研、設計、試驗,當條件成熟時,在張力腿平臺與柱筒式平臺兩種形式中,可考慮優(yōu)先選柱筒式平臺進行建造。尤其是其中的桁架與柱筒兩者混合的形式,更可作為首選。因為柱筒式者可儲油,功能更全,且造價在超深水比張力腿平臺要低,而若采用部分桁架取代中部柱筒,則造價更低,且水流阻力減少。5選擇水井和采礦樹的類型井口及采油樹是鉆井時井口和防噴器以及采油時井口和采油樹的總稱,(又可統(tǒng)稱為井口裝置)。這個裝備涉及到下面幾方面的問題。5.1海底相對于海底單一設施ro3目前海洋鉆井及采油,其井口裝設的位置有:(1)水下井口位于水下海底,鉆井時的防噴器BOP(Blowoutpreventer)及采油時的采油樹XT(X-tree)均裝設在海底井口上。完井后及遇到緊急情況時,水面船易撤離。(2)水中井口裝設在水中浮體上,浮體與水上平臺用柔性纜繩相連。BOP重量由浮體承擔。完井后及遇緊急情況時,水上的平臺可及時撤離。但技術不夠成熟,只是由挪威ATLANTIS公司在海上完成了工業(yè)試驗。(3)水面井口裝設在水面上,BOP及XT的維修保養(yǎng)方便,但完井后及遇緊急情況時,水面上的平臺不易撤離。5.2防噴器及管口內固結器內結合式平臺內保水管網內固定模式一般深海多采用水下井口,井口盤上裝設有套管頭組,用于懸掛不同直徑的套管;在其上是防噴器組,包括有多個液壓防噴器,如裝設有閘板式及萬能防噴器等,防噴器組與套管頭組用液壓聯(lián)接器相連,以便于完井后解脫,將防噴器換成采油樹。為了適應在海浪作用下,平臺的升沉及搖擺運動,組合型隔水導管上連結有球形撓性接頭及伸縮隔水導管。組合型隔水導管與防噴器組也用液壓連結器相連,以便于在出現(xiàn)緊急情況時,從該處脫開,水上平臺容易撤離。目前,這套設備在國外如美國Vetco公司等均已有定型產品,我國由上海海洋石油局技術裝備研究院研制成功的一套設備,曾成功地用于《勘探一號》浮式鉆井船上。5.3田相同的田相同若采用水面井口,則其裝設的采油樹與陸上油田相同,這里不再贅述。因水中井口目前技術尚不夠成熟,故當前深海大多采用水下井口,對于水下井口的采油樹,?？蓜澐譃閮煞N類型。(1)管頭及油管粘連結單井濕式采油樹可以通過導向架,由水上平臺送至海底與套管頭及油管相連結。若為多井,則濕式采油樹安裝在多個井口在一起的海底基盤上。若還有衛(wèi)星井在其附近時,也可通過輸油管連結部分,將衛(wèi)星井的原油送至此基盤,一并采油。(2)管道口的安裝即采油樹及其輔助設備均放在保持一個大氣壓與海水隔絕的密閉室內(又稱為井口室)。井口室的上端向上傾斜的引管口,為引出輸油管及引入電纜和液壓管線的通孔,要求有很好的密封裝置;上端中部有個杯狀接合門,與維修艙連結。維修人員從水上乘坐維修艙沉至海底,經井口室的接合門,進入井口室,進行維修工作。目前,海底井口室及維修艙,在我國均屬空白。5.4中國提取深水和采井的建議(1)工程總費用比較因為從技術上的可行性分析,無論是修井作業(yè),還是維護保養(yǎng),深海采用水下井口均能滿足要求。從經濟方面分析,對于單井,水面井口的完井工程總費用,大約是水下完井的3.8～4.0倍;而對多井(叢式井),則是1.2～1.8倍。這是在同樣工作水深、同樣開采期、同樣折舊率之下的對比。顯見水下井口有著較大的優(yōu)越性。對于水中井口因其特別適用于配套半潛式平臺,故也可以考慮自挪威ADTH公司引進其ABS(AtlantisBouyancySystem)浮筒與我國的半潛式平臺配套,進行工業(yè)試驗,探索成功后,再作為成熟技術應用。(2)方向2:水下設施裝置+合成油氣劑因為從技術上來說,我國已有多個廠家能生產壓力高達15000lbf/in2(103.42MPa)的水下井口裝置(含油管頭及采油樹);另外,在水下設備及構件的犧牲陽極防腐技術方面,我國多年來已積累了一定經驗。再從經濟分析來看,按照前面同樣的對比方法,干式采油樹總工程費用與濕式采油樹的比值,對于單井是5.8～6.0倍,多井是6.10～6.30倍。顯然,干式采油樹的投資過高,不宜采用。(3)全套設備研制成功鑒于我國在自行建造《勘探一號》鉆井船時,已研制成功全套設備。因此,建議以此類全套設備為基礎,吸取以往的設計經驗和制造經驗,結合工作水深,進行改進即可。6解決升沉運動的補償問題深海選用的鉆采平臺無論是半潛式還是張力腿式或柱筒式,均屬浮式鉆井裝置。它在海上鉆井時,由于海浪的升沉,將推動平臺也產生升沉運動。為了消除升沉運動給鉆采作業(yè)帶來的不利影響,必須解決對升沉運動的補償問題。至于海浪搖擺運動,錨泊系統(tǒng)已基本上可以解決浮體的定位問題;而且中海油正在購置《海洋石油299》動力定位船,我國還可以進一步研制動力定位先進技術裝備,本文不擬詳述。6.1浮式鉆井平臺、比射線儀觀測系統(tǒng)組成深海浮式鉆井時,井內鉆桿隨平臺、井架、大鉤而上下升沉,若升沉運動的位移超過一定界限,則井底的鉆頭會隨鉆桿向上運動,而脫離井底,以至不能正常鉆井。為了解決這一問題,需在平臺上裝設鉆桿升沉運動補償裝置DSC(DrillingStringCompensator)。目前已有的為:(1)游動滑車與大鉤間裝設的鉆桿升沉運動補償裝置圖1(a)給出的是美國維高(Vetco)公司生產的這種類型的DSC。它的工作原理如圖1(b)所示,當雙液缸中的液體壓力Pc能夠平衡整個鉆桿重量Q(若每米鉆桿重量為q,鉆桿長度為L,則Q=qL)與鉆頭給地層的鉆壓Wb之差時,則大鉤上的懸重即為液缸中液體作用在活塞上的壓力2PcA(A為活塞面積)所支持,即2PcA=Q-Wb=qL-Wb(1)這時,雙液缸的缸體因與游動滑車連結,而隨井架及平臺做升沉運動,但因液缸中的活塞與活塞桿連接在大鉤上,基本上不隨液缸缸體運動,故即可實現(xiàn)對升沉運動的補償,保持井內鉆桿及井底鉆頭的運動位移在允許范圍內,從而進行正常鉆井。當然,這時的2PcA應略低于(Q-Wb)。我國《勘探一號》浮式鉆井船上應用的是自行設計與建造的,類似如圖1(a)所示;而引進國外的《南海二號》半潛式平臺應用的如圖1(c)所示,是由美國NL謝弗爾公司生產的。(2)天車上裝設的鉆桿升沉運動補償器如圖2所示,采用浮動天車,即天車滑輪及其上懸重均由雙液缸所支持,但天車滑輪又可沿天車的垂直軌道運動,于是相對來說,當天車的垂直軌道隨井架、平臺升沉運動時,則天車的滑輪可保持無垂直方向的位移,從而實現(xiàn)鉆桿升沉運動的補償。這種補償類型我國尚未使用過。(3)死繩上裝設的鉆桿升沉運動補償裝置如圖3所示,它是由死繩上的傳感裝置將死繩拉力的變化轉換成電信號,指令儲能器上的閥動作,改變儲能器中壓力,調節(jié)活塞兩端的壓差,推動活塞及與活塞桿相連的動滑輪組,沿框架內的軌道左右移動