第四章 海洋石油工程概述幻燈片.ppt

1、海洋石油工程概論，主講人：許，第1章緒論第2章海洋資源第3章海洋災害與防治第4章海洋鉆井設備概述第5章海洋石油生產設備概述第6章波動理論第7章海洋環(huán)境與環(huán)境載荷第8章海洋石油鉆井與生產設備運動學與動力學第9章海洋石油鉆井與生產設備的強度，基本內容：海洋石油是一個高投資、高風險、高技術的行業(yè)，決策和操作失誤會造成巨大的經(jīng)濟和社會損失。與世界石油產業(yè)一樣，中國海洋油氣產業(yè)面臨油氣田開發(fā)困難、投資額度和風險度增加、油氣儲量增長緩慢、環(huán)保成本增加、國際油價波動等問題。針對這些問題，有必要在油氣田勘探開發(fā)過程中優(yōu)化作業(yè)流程；有效利用各種人力、技術和財政資源；促進地質油藏、鉆完井、工程建設和經(jīng)濟評價的全面

2、協(xié)調；進行觀念創(chuàng)新、科技創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和制度創(chuàng)新，以最小的投資成本和運營成本獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。1887年，美國人通過棧橋在距離海岸200多米的加利福尼亞鉆了第一口海上油井，標志著海上石油工業(yè)的誕生。第一個專門為海上石油鉆探設計的平臺于20世紀40年代成功建造。這標志著海上石油工業(yè)和陸上石油工業(yè)一樣，已經(jīng)開始了明確的分工，即海上石油公司和專業(yè)服務公司之間的分工。20世紀50年代以后，研制成功移動鉆井平臺系統(tǒng)地形成了海洋石油產業(yè)體系，通過嚴格的社會分工體系，多學科公司合作開展海洋石油開發(fā)工作。1976年，有超過350個浮動石油平臺。海洋石油勘探已經(jīng)成為各石油公司可持續(xù)發(fā)展的重要標志。2

3、0世紀80年代中期，近海石油產量占世界石油產量的三分之一。海洋石油勘探和開發(fā)已經(jīng)成為國際關系中的一個重要環(huán)節(jié)。絕大多數(shù)近海油氣資源存在于大陸架上，豐富的油氣資源隱藏在海洋中。據(jù)1995年估計，世界近海石油資源探明儲量為379億噸，天然氣儲量為39萬億立方米。據(jù)不完全統(tǒng)計，海底油氣儲量約占全球油氣儲量的1/3。目前，海底油氣開發(fā)已從淺海大陸架延伸到水深達千米的海域。全球石油資源的可采儲量為3000億噸。海洋石油儲量占45%，可采儲量為1350億噸。為什么大多數(shù)近海石油資源都在大陸架上？根據(jù)石油和海洋生物理論，河流出口處有大量的海洋生物，容易形成原生動物，大陸架往往是河流出口處的主要沉積區(qū)。海洋油

4、氣資源、深海油氣產量在陸地和海洋產量中的比例顯著增加，1990年參與深海油氣生產；2005年，深海的近海油氣產量幾乎占陸地和海洋總量的50%；其中，深海油氣產量占近海油氣產量的30%以上。海上油氣資源中，深水油氣產量的比重在2006-2010年中，最大且最先推離歐洲海岸(尤其是西非的安哥拉和尼日利亞)，占40%；其次是北美近海(尤其是墨西哥灣)，占25%；第三是拉丁美洲(尤其是巴西沿海)，占20%；亞洲占10%；西歐占3%；澳大利亞占2%；其他的只有1%。2010年，石油產量相當于世界七大深水油氣生產國(2000-2010年前七大深水生產國)，中國石油資源的平均探明率為38.9%，而世界深水油

5、氣資源的平均探明率為38.9%中國海洋石油開發(fā)現(xiàn)狀、中國海洋油氣總儲量中國海洋油氣勘探主要集中在渤海、黃海、東海和南海北部大陸架。預測石油資源量為2753.108萬噸(2753億噸)，天然氣資源量為106.1012萬立方米(106億立方米)，總石油當量約為375億噸，占2007年中國已探明石油當量儲量的46.19億立方米。目前，原油發(fā)現(xiàn)率僅為18.5%，天然氣發(fā)現(xiàn)率僅為9.2%，勘探開發(fā)潛力巨大。20世紀50年代末，中國的海洋石油工業(yè)開始起步。從1967年到1979年，中國海洋石油十年累計產量僅63萬多噸。20世紀70年代末，中國的海洋石油首次對外開放。截至2000年底，累計對外合作探明石油地

6、質儲量8.5億噸，自營探明石油地質儲量5.7億噸，年產原油近2000萬噸，天然氣近43億立方米。1.中國海洋石油總公司的整體技術能力已達到國際水平。“七五”期間含油氣盆地資源評價和勘探目標評價；海上地震的采集、處理和解釋、水平井、大斜度井和復雜地層的鉆探、海上油氣田的完井和延伸測試、數(shù)控測井以及數(shù)據(jù)分析和處理；油氣田和儲層評價的數(shù)值模擬，以及復雜海上油氣田的開采；海上油氣田的工程設計、建造和安裝；海上油氣管道鋪設；海洋石油環(huán)境條件的調查與預測?！鞍宋濉逼陂g，中海油整體技術能力達到國際水平?！熬盼濉逼陂g，中國海洋石油總公司計劃增加油氣儲量4.6億噸和3，000億立方米。2005年，南海原油年產量

7、將穩(wěn)定在1000萬噸，渤海1000萬噸，整個海域1000萬噸石油當量，主要在南海西部。2.中國石油天然氣集團公司投資開發(fā)了最大的對外合作項目趙東油田，該項目于2001年3月開始開發(fā)建設，2003年8月4日投產。趙東合作區(qū)發(fā)現(xiàn)并探明了一個規(guī)模達6000萬噸的自給自足的高產油田。該油田具有豐度高、埋藏淺、儲層物性好、產量高的特點。2004年，它生產了96.5萬噸原油。2005年前三個月，原油日產量始終保持在3000噸的高位線，并走上了年產100萬噸的道路，呈現(xiàn)出高效發(fā)展趨勢。中國的海洋石油工業(yè)始于20世紀50年代末，比世界海洋石油的發(fā)展晚了約70年。當它在20世紀60年代正式?jīng)Q定出海時，它遵循了在

8、陸地上發(fā)現(xiàn)石油的想法。最初的想法很簡單。在海中尋找石油意味著“給陸地增加水”，思考如何將陸地鉆井經(jīng)驗和方法轉移到海上，這就是所謂的“陸地推海”。1965年冬天，一個50多人的鉆井隊聚集在渤海，選擇了渤海的一個沙島曹妃甸作為井場建設中海上鉆井的起點。出人意料的是，它遭遇了一場突如其來的海嘯，吞沒了整個沙島和一個多月辛苦修建的井場。所有的工作人員都躲進了一個臨時搭建在燈塔燈架上的避難所，并幸免于難。這一事件讓走向大海的第一代中國石油人贊賞不已。由于海洋環(huán)境的特殊性，海上油氣田開發(fā)與陸上油氣田開發(fā)有很大的區(qū)別，對專業(yè)技術的要求也大相徑庭，這主要是由完全不同的客觀環(huán)境決定的。它主要有以下十個顯著特點：

9、一是自然環(huán)境惡劣；第二平臺的工作空間是有限的；三油氣田施工設備和工具復雜，科技含量高；4.投資大、涉及面廣、管理難、未知領域多；第五，采用l戰(zhàn)略(1)自然環(huán)境惡劣，既受天氣的影響，又受海洋特殊環(huán)境的影響。海浪、海冰、臺風和季風的共同作用會給油氣田的生產設施帶來巨大的破壞力，從而影響海上的正常作業(yè)和油氣井的正常生產。海上颶風被稱為海上氣象惡魔，嚴重威脅著海上平臺的安全。1979年11月25日，“渤海2號”鉆井平臺在井位遷移過程中傾覆，1983年12月25日，美國阿科公司租用的“爪哇海”鉆井船在臺風襲擊下在南海傾覆。兩起事故都造成了嚴重的人員傷亡。經(jīng)過多年的實踐經(jīng)驗，人們認識到海上颶風仍然是不可阻

10、擋的，他們只能要求加強天氣預報的準確性，做好預防工作。根據(jù)海上颶風在被颶風吹倒的平臺上的臺風云圖，由于海洋自然環(huán)境與陸地完全不同，掌握海上石油開發(fā)的海況尤為重要。根據(jù)國際通用分類方法，我們一般將海況分為海冰、波浪、潮汐、海流和熱帶氣旋，它們是可能導致海洋石油開發(fā)失敗或不安全事故的自然主導因素。例如，海冰推下平臺和波浪結構的疲勞破壞降低了結構的使用壽命，潮汐鋼結構的腐蝕嚴重影響了海流的輸送、海底管道的彎曲和熱帶氣旋人工島的大規(guī)模流入。1980年8月，墨西哥灣的四個鉆井平臺被大風大浪摧毀，1989年11月，美國“海浪峰”鉆井船被巨浪掀翻。根據(jù)1989年的統(tǒng)計，全世界有50多艘近海鉆井船被海浪吞沒。

11、到目前為止，海浪也是不可抗拒的，這只能加強預測和預防。我們將重點關注海洋自然環(huán)境中的風、浪、流和海冰對海洋石油開發(fā)的影響。海冰對海上設施的影響主要表現(xiàn)在冰增加了設施需要承受的負荷，主要有以下幾種形式：一是在風和潮流的作用下，大規(guī)模的冰運動對鉆井和生產設備產生擠壓壓力；在第二次冰流過程中，大小冰塊對鉆采設備的沖擊力以及冰蓋對鉆采設備的磨損作用；漲潮和落潮時，如果超過平臺底甲板的高度，就會產生上拔力；在四次冰蓋形成和冬季氣溫急劇變化引起的冰層擴張引起的靜壓。憑直覺，冰變成了具有巨大動能的固體，這給設施施加了強大的力。渤海歷史上曾發(fā)生過由海水結冰引起的災難性事故，其中最典型的是1969年和1977年

12、海2井和海4井的烽火臺分別被海冰推倒，造成兩起重大海洋結構物破壞事故。以下是對海2井坍塌事故相關情況的簡要介紹。海2井是中國自行設計、制造和安裝的海上石油鉆采平臺，為鋼樁基礎固定平臺；1969年立春后，渤海歷史上形成了罕見的冰封。海冰堆積在平臺導管架下方和平臺周圍，一些部件因強度不足而被冰壓碎并破裂。從預測到第一站失敗到平臺倒塌只花了十個小時。海冰狀況、破冰船、尼羅河冰狀、事故原因分析，通過詳細的事故原因分析，主要有以下五個因素：一是設計中不考慮冰荷載，僅采用波浪作為設計控制荷載；第二個平臺整體結構設計不合理，樁細長(樁長41m，外徑650-836mm，壁厚12-18mm)，整體穩(wěn)定性差，平臺

13、振動嚴重，出現(xiàn)自激振動；三個平臺總體布局不合理，冰區(qū)面積最大；4.施工粗糙，焊接質量差；靜強度僅由材料力學計算。海浪主要是由風、熱帶氣旋、臺風和從設計角度來看，海浪的沖擊還應考慮其往復力加劇結構的疲勞，影響結構的使用壽命。特征颶風和大浪拍擊，潮汐和潮汐是由月亮和太陽相對于地球的運動引起的，表現(xiàn)為海水的周期性波動。海水在白天上升稱為潮汐，在晚上上升稱為汐。海上鉆井和生產的設計和施工應考慮潮位差和潮流的影響。在一個潮汐周期中，相鄰高潮位和低潮位之間的差異也稱為潮汐振幅。潮差的大小受潮汐力、地形和其他條件的影響，并隨時間和地點而變化。應充分考慮人工島建設和海上原油運輸對潮汐的影響，以避免洪水和擱淺事

14、故。潮汐后的泥灘，潮汐進入海灣，船只擱淺，洋流是海水按照一定方向和路線的連續(xù)流動。一般來說，海流分為洋流、風生流和潮流，其中風生流和潮流對海上油氣鉆井和生產裝置的作用力最大。其受力的影響主要體現(xiàn)在海流產生的水動力對結構的沖擊和結構在長期往復作用下的疲勞效應。通過近百年來在海洋工程領域的研究和實踐，已經(jīng)掌握并量化了海流影響海洋工程的基本規(guī)律。現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠使用相應的公式來計算作用在海上油氣鉆井和生產設備上的當前載荷，從而在設計中確保設施的本質安全。海船沿著水流移動，水流作用在海冰上，海上的石油泄漏被逆流收集。熱帶氣旋/臺風，熱帶氣旋是指發(fā)生在熱帶海洋中的強風暴；熱帶氣旋/臺風對中國南部海域的海

15、洋石油開發(fā)有很大影響，是影響各種海洋石油作業(yè)的重大災害性氣候。雖然渤海很少有臺風和熱帶氣旋，但今年的麥莎給我們帶來了很大的影響，例如，黃驊海的局地臺風曾造成人工島堤岸的破壞。因此，為防止當?shù)責釒庑惋L暴潮的影響，設施設計時應綜合考慮。臺風云圖、風暴潮破壞了人工島護堤、破壞了井場，以及結構可靠性保證的一般做法。通過各種事故和海洋環(huán)境影響的教訓，海洋石油工程界在設計、施工和生產過程中借鑒了國際規(guī)范和慣例，采取了以下措施：首先，根據(jù)美國石油學會RP 2A的要求，對結構工程的許用應力進行了校核，從設計開始就考慮了影響結構安全的各種潛在因素，并考慮了平臺安裝過程中的應力情況。2.通過第三方認證檢驗機構

16、嚴格執(zhí)行平臺制造質量控制標準；3.定期檢查設施結構，評估使用壽命，確保設施正常運行。檢查平臺結構許用應力的基本思路是利用定量的專用有限元軟件系統(tǒng)模擬風、海浪、波流等各種自然力對結構的影響，并考慮設計是否能滿足各種自然條件的影響和長期效應。二是平臺工作空間有限，鉆井采油活動空間狹小。所有設備都集中在一個或幾個平臺上。每個平臺一般有23層甲板，每層甲板的最大面積只有30米67.5米。在如此有限的空間內開發(fā)幾十平方公里的油氣田，無論是開發(fā)方案還是工程設計都不同于陸上。如生產井口高度集中，最大井口距離為2.5m2.5m，最小井口距離為1.5m1.8m，只能是定向井和水平井；開發(fā)過程中調整井的數(shù)量受預留井槽的限制；油井作業(yè)非常困難；工程設施小而全由于空間小，設備布局緊湊，運行風險高，有時