第3l卷第2期 石 油 钻 采 工 艺 V01．31No．2 2009年4月 OILDRILLING&PRODUCTl0NTECHNOLOGYApr．2()09 文章编号：1000—7393(2009)02一0039一05 深海石油钻采技术 张喜顺1李敬元1张向华2李子丰1董世民1 (1．燕山大学，河北秦皇岛066004；2．中海油能源发展监督监理公司，天津320045) 摘要：中国能源消耗剧增，供给不足，深海勘探开发势在必行。介绍了国外海上钻井技术的发展概况，提出了国内深海 钻采面临的各种困难；概括了半潜式钻采平台、深水钻井船、浮式生产储油卸油装置、张力腿平台、深吃水柱筒式平台5种深 海钻采平台的特点，并对国内选取平台提出了一些建议；总结了4种深海开发模式，根据国内实际海洋开发环境建议选用 为新的关注热点。学习国外先进技术和走自主开发的路线是国内深海石油钻采技术发展的必然选择。 关键词：深海；钻采技术；钻采平台；开发模式；天然气水合物 242 中图分类号：TE 文献标识码：A and Deepwaterpetroleumdr订Kngproductiontechnology ZHANG Shiminl Xishulll，LI Jingyuanl，ZHANGXiangh膏，LIZifen91，DONG Abstract：In resources increases butt11e is itis to considemblMene增：ys叩plyinsufIiciem，sonecessary China，energyconsumption out in in仃oducesthe ofthe o任§hore a_broad， carryexploration绷ddevelopmentdeepwater．Thispaper developmemdrillingtechnology showsthe in in the佬aturesoffiVesorts di伍culties China，summarizes plat- deepwaterd—lling舳dproduction of蹦IIing卸dproduction fornls，i．e．，semi-subme唱ed vessels，floatingpmductionstorageofHoadingdeVices，tensionlegplatfonTls platfoms，deepwater嘶lling tllatthe 蛐d also someadvicesin f．ollr modesin isconsidered spars，锄d developme堇ltde印water．It gives selectingplatf．0mls，gellemlizes “FDPP+WHXT+FPSO／FSO’’modeisreasonable t0theactual enVimnmentin l嬲t，tlledeVelop— according development de印wat既At ment骶nd in is icewill ofthe嘶lling卸dproductiontcchnologyde印watcr becomeanewfocus．Itis锄inevitablechoicetoleam丘Dmadv觚ced followⅡleof foreign pamselfdcVelopment． technologies卸d aIld mode；natuml Keywords：de印watcr；drillingproductiontechnology；drillingplatfo咖；developmemg鹊hyd俄e 近年来，随着人类对陆地和近海资源的大肆掠 瑞拉等围，其海上石油年产量均在千万吨以上。世 夺和破坏，陆地和近海油气资源逐渐减少甚至枯竭， 界最大的海底石油储量是中东的波斯湾、委内瑞拉 全球范嗣能源紧张的矛盾更加突显，为满足不断增 的马拉开湖、挪威的北海以及墨西哥湾。波斯湾现 长的能源需求，世界许多国家特别是一些发达国家 已探明的石油储量达120亿吨，占世界已探明海洋 都将油气资源的开发重点投向深海。 石油储量的50％以上，有”石油之海”之美称。在 据统计，世界海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，海底天然气储量方面，波斯湾仍居第一，挪威的北海 天然气储量140万亿立方米，深海区域还蕴藏着丰 占第二，墨西哥湾列第三…。 富可燃冰资源。目前，全世界从事海洋油气开发的 海上油田开发向深海和超深海迈进的必然原 国家已达100多个，尤其是美国、沙特阿拉伯、委内 因：深海和超深海占了海洋面积的绝大部分；世界 zhan黔ish咖001@yah∞．com．∞。 万方数据万方数据 深海油气资源十分丰富；深海和超深海勘探开采技 每平方米造价就高达两万美元，如此算来，建设一个 术逐步成熟；深海和超深海开发成本随着采油量的 中型海上油田投资在10亿~20亿美元；同时科研经 增加不再高升；油价持续上涨驱使深海和超深海油 费不足，缺乏高水平管理、专业技术人才和大型施工 气田开发；勘探开发天然气水合物的需要。 设备。 (3)技术不成熟。中国深海油气开发技术起点较 l深海石油钻井技术现状 低，而从技术研发到形成产业，还需要经历一个艰难 Summariz器of de印waterdrimngtechnology 过程。中海油为了向深水进军，组建了海洋石油深 1．1国外深海石油钻井技术 水工程重点实验室，并以此为龙头，联合国内有关科 offshomabroad DeepwaterdrnHngtechnoIo嚣of 研院所、院校，组成研究联合体，优势互补，攻克深水 1．1．1定向钻井几十年来，丛式井一直是海上采 关键技术。 油的唯一手段。近10年来，为了提高采油率和降低 2深海钻采平台 成本，大位移井、水平井和多支井又应运而生。地质 导向钻井技术和旋转闭环钻井系统是定向钻井技术 Deepwater捌mngplatl．onn 的两项尖端技术。 2．1全球主要的深海平台 1．1．2小井眼钻井小井眼就是井眼直径比常规井 Main d∞pwaterplatfoms 眼直径明显小。井眼小了，则破碎岩石体积小了，耗 2．1．1 深水和超深水多功能半潜式平台 半潜式平 能小了，钻杆也小了，套管也小了，钻机也小了，占地 台(图1)于1960年以后投入使用，一般由上部甲板 也小了。一小百小，平均节省费用50％。当然也存 结构、立柱、浮筒、系泊系统、悬链式立管(外输／输入) 在不利因素，井控和井下事故的处理比较困难，钻井 和桩基础／锚构成。半潜式平台采用扩展式锚泊，需 工具和测井仪器都要配套。 要特殊转塔锚固系统，半潜式钻井平台易被改造成 1．1．3欠平衡钻井欠平衡指的是钻井液柱压力低 采油生产平台，极大地减少了油田开发成本。相对 于地层压力。欠平衡钻进时，地层原油会流入井内。 于其他浮式装置，半潜式钻井平台稳定性较好，易于 所以井口要安装旋转防喷器，循环系统要有油水分 连接钢制悬链式立管，移动灵活，可在超深水使用， 离器。形成“欠平衡”的方法包括边喷边钻、泥浆 作业可靠。 帽压井、立管注入气体、环空注入气体和泡沫钻井液 等。欠平衡钻井的突出优点是提高钻速和不损害油 层。 1．1．4用盘管机组钻井盘(卷油)管指的是没有 接头、内外平滑、连续成一根并可盘卷在滚筒E的钢 管，直径多在25．4～50．8mm之间，长度最大达6000 m。其最大优点是井内起下方便快捷，不用上卸螺 纹。 图l半潜式钻采平台 1．1．5无隔管钻井系统隔(水)管的作用是保障 Fig．1Semi-subme唱edplatfonn 钻井液循环。但隔管的庞大与笨重增加了作业成本、 多功能半潜式平台的特点：抗风浪能力强；甲 难度和风险。不用隔管，关住海底防喷器(抱住钻杆)， 板面积和可变载荷大；适应水深范围广；钻机能力 让钻井液从另外一根小管返回平台。 强；具有多种作业功能(钻井、生产、起重、铺管等)。 1．2国内深海石油钻井技术面临困难 中国有5艘，在建1艘。 inChina 2．1．2深水钻井船和浮式生产储油卸油装置 D∞pwaterdrimngtechnology (1)深水钻采设备短缺。由于海上油气技术装备 (1)深水钻井船。钻井船(图2)主要由船体和 的发展起步较晚，与国际先进水平仍存在着较大差 定位设备两部分组成。船体用于安装钻井和航行动 距，大部分设备都依赖进口[2]。 力设备，并为工作人员提供工作和生活场所。在钻 (2)。深水作业成本昂贵。据测算，每 井船上设有升沉补偿装置、减轻设备、自动动力定位 钻井1m耗资约1万元人民币，而海上钢结构平台 系统等多种装备来保持船体定位。自动动力定位是 万方数据万方数据 张喜顺等：深海石油钻采技术 41 目前较为先进的一种保持定位的方法，它直接采用 提供。深水张力腿平台的特点：对上部质量十分敏 推进器及时调整船位。深水钻井船的特点：机动性 感，造价随水深而增加；垂向运动受到约束，平台稳 和运移性好；适应工作水深很强；甲板空间大，存储 定性好；可采用干式采油树，操作、维护及维修简单， 能力大，可变载荷高，自持力强。缺点足钻井工作时 费用较低。石油开采和钻井过程中各种数据的采集 的摇摆、升沉比半潜式大。中国有1艘。 便捷。中国目前还没有。 图2钻井船 Fig．2Drillship 图4张力腿平台TLP (2)浮式生产储油卸油装置。浮式生产储油卸油 7rension Fig．4 legplat^)册 装置(FPSO)(图3)将集油计量、油气水处理、储油、 2．1．4深吃水柱筒式平台随着近海油气工业朝着 装卸运输4种功能综合在一个油轮上实现。在一条 深水和超深水发展，深吃水柱筒式平台(spar)(图5) 改装或专门建造的船甲板}二安装有油、气、水处理系 已成为最富吸引力的平台之一‘5引。柱筒式平台由 统供电设备以及生活设施，浮船多南转塔式锚泊系 上部组块、柱筒式浮体、系泊缆、顶部浮筒式井口立 统定位，船上有旋转伸缩接头与输油立管相连接。 管、悬链式立管(外输／输入)和桩基础构成。 图3浮式生产储油卸油装置(FPS0) Fig．3FloatingproductionstorageofHoading 特点：机动性和运移性好；适应工作水深很强； 甲板空间大，存储能力大，可变载倚高，自持力强；具 有适应深水采油(与海底完井系统组合)的能力，在 图5深吃水柱筒式平台 深水域中有较大的抗风浪能力；具有大产量的油、 Fig·5sparplattom 气、水生产处理能力和大的原油储存能力。中国有 特点：可支持水上干式采油树，可直接进行井口 16艘，在建2艘。 作业，便于维修，井口立管可由自成一体的浮筒或顶 部液压张力器支撑；其升沉运动比张力腿式平台大， 2．1．3深水张力腿平台目前张力腿平台(TLP)分 为o341传统式TLP、海之星TLP、MPsEsTLP、伸张 比半潜式或浮(船)式平台小；对上部质量敏感性 相对较小；机动性较大；对特别深的水域，其造价比 式TLP，见图4。后3种型式相对于传统式张力腿 平台可统称为新型TLP。传统式张力腿平台由4个张力腿平台低。中围目前还没有。 立柱和4个连接的浮体组成，立柱的水切面较大，自 2．2国内钻采平台的选用与建议 selecti咖and 由浮动时的稳定性较好，并通过张力腿固定于海底。 su鹳酷tio啮ofpIatf0珊 海之星只有一个立柱，因而易于建造。这种结构对 2．2．1 自升式钻采平台 国内目前正处在向深海迈 于上部组块的限制较大，自由漂浮时结构稳定性也 进的阶段，但浅海还是主要的开发区域。国内自主 系统设计、自行建造的第1座具有世界先进水平的 很差。M0sEs张力腿平台结构由下部浮体和4根 立柱组成，张力腿连接到箱浮体上，浮力主要由浮体 海上石油122m自升式钻井平台已于2006年投产 万方数据万方数据 42 石油钻采工艺 使用，这标志着列入国家“十一五”发展规划的大型 储存和外输等多种功能组合起来，基本成为巴西深 海洋石油装备开发实现重大突破。 海石油开发的标准模式。 “TLP+WH 2．2．2半潜式钻采平台半潜式平台的强大功能决 3．1．3 “TLP+WHXT斗FPSo／FSO”模式 定了其在深海开发中的重要地位。国内自行设计制 造了“勘探三号”，已经积累了一定经验。在此基础 下井口／水下生产系统——浮式生产储油卸油装置 上可以研制T作水深更深、工作能力更强的半潜式钻 ／浮式储油卸油船”。这种模式的特点是从井口将油 采平台，并逐步实现与浮式生产储油卸油装置联合使 输送到张力腿平台上，然后再输送到浮式生产储油 用的功能。 卸油装置或浮式储油卸油船上，经过生产处理，运送 2．2．3 柱筒式平台和张力腿平台 虽然已经开始研 到岸上，到岸上的已经是成品油了。这种模式属于 究张力腿平台，但是仍然处在起步阶段。柱筒式平 全海式，优点是兼具钻井、采油、油气处理以及储运 台功能全、造价低。这两种平台更适合深水和超深 及装卸等多种功能。 水的勘探开发。 3．1．4 “FPL+WHXT+FSO”模式 2．2．4浮式生产储油卸油装置(FPSO)FPSO的多 so”模式也就是“挠性出油管+海底T作盒+浮式 功能用途决定了仍然以FPsO为主导t程设施。目储油卸油船”。这种模式的特点是通过连接器，将分 前，FPSO从设计、建造上已经进入了世界先进国家离出的原油经挠性出油管输送到浮式储油卸油船， 行列。FPsO建造周期短、质量高、成本低，达到了世然后运送到岸上。这种模式的优点是简捷快速、成 界最好水平。 本低。 3．2国内开发模式的选择与建议 3深海开发模式 Selectionand of mode suggestionsdeVelopment mode Deepwaterdevelopment iIlChiIIa 3．1国外深海开发模式 结合国内南海的特点，借鉴了美国和巴西的成 main modeofoffsho心 DeepwaterdeVelopment abroad 即“浮式钻采平台——水下井口／水下生产系统—— 3．1．1 “FDPP+、ⅣHXT “FDPP+WHXT+SPL”模式 浮式生产储油卸油装置／浮式储油卸油船”。 +sPL”模式也就是“浮式钻采平台——水下井口 选用这种模式的原因：结合国内海洋的实际情 ／水下生产系统——海底管线网”，简称“美国模式”。 况，吸取，r美同和巴西模式的长处；浮式钻采平台的 由于美国对浮式生产储油装置的限制，采出的海上 选择更灵活；国内FPSO的建造已经有了相当丰富 油气只能通过海底管道输送上岸，所以墨西哥湾建 的经验，可以充分利用这个优势。 立了发达的海底管道和管网，干线深海石油钻采技术的发展趋势 为平台外输管线的接入和油气外输创造了便利条 t1．endofthe and Developmentdri¨ingpH卜 件，从而形成了这种模式。这种模式中的FDPP既 duction iIl 可以用于钻井，也可以用于处理油气，而且可选种类 technologydeepwater 多，如柱筒式平台、张力腿乎台、半潜式平台等。“美 4．1钻采设备 and 国模式”属于半海半陆式，其优点是可以充分借用浅 Dr“nngproductionequipments 水干式采油树钻采平台的实践经验，便于井口设施 4．1．1新型平台设备研究在原有基础上，对平台 维护和修理。 的各种性能及经济成本优化，研究更先进的功能强 3．1．2 “SP+WHXT+FPSO厂FSO”模式“SP+WHXT 大的新型产品。 +FPSO／FSO”模式也就是“半潜式平台——水下井4．1．2向大型化深水化发展随着海上大型油气田的 口／水下生产系统——浮式生产储油卸油装置／浮 勘探发现和海洋工程科技的飞速发展，深海钻采装备 式储油卸油船”，简称“巴西模式”。巴西石油公司 呈现大型化深水化趋势，包括甲板可变载荷、平台主 针对其海域大陆架的特点，通过技术研究和生产实 尺度、工作水深、钻井深度、载重量、物资储存能力等 践，形成了这种模式。“巴西模式”属于全海半陆式， 各项指标都向大型化、深水化发展，以增大作业的安 这种模式充分利用了3种设施的特点，将钻采、生产、 全可靠性、增强工作能力(抗风暴能力)和自持能力。 万方数据万方数据 张喜顺等：深海石油钻采技术 43 4．1．3配套设备的性能更先进随着石油、天然气模式选择适合的开发模式。 工业的飞速发展，决定深海油气钻采装备的功能和 (4)向深海进军，必须借鉴国外经验，学习国外的 先进程度的关键配套设备日新月异，并不断更新换 先进技术，结合国内实际情况，走出自己的勘探开发 代，向着超深井、大功率、高压力、自动化、电脑化、高 路子来。 效率钻采设备发展。 4．1．4各种设备在原有基础上升级海上设备的成 参考文献： 本非常高，为了适应深海和超深海的开发需要，在原 References： 有设备的基础上进行升级改造，已经成为各国优先 考虑的方案。 6．18． LIUHmi．Rc8earchon 4．1．5 各种设备联合使用 由于各种设备都有其优 dcvelolm咖ofoversc邪de印oce勰 technol百es[J 缺点，而将它们结合起来使用，更能发挥它们的优势， [2]周珊，王才良．海上钻井装置的发展历程[J]．石油科 实现资源的合理利用。 技论坛，2004，4(4)：46—51． 4．2钻采技术 ZHoU cour!；cof Slla玑、)v：ANGCailiallg．ThedeVelopm朗t and DrilⅡngpmduction technoIogy drillingequipmeIl招ins∞【J]．阳troleum1＆llllology肌 m 海上大型自升式钻井船关键技术、3000~4000 mIIl，2004，4(4)：46-51． 水深半潜式钻井平台关键技术、3000m水深浮式钻 [3]段梦兰，李秀巧，赵秀菊，等．发展张力腿平台迎接深水 井船关键技术、钻井液完井液技术以及定向钻井技 钻井的挑战[J]．石油机械，2000，28(12)：46_48． DUAN aL MeIlgl砜LI xiuju，ctDevelop 术、小井眼钻井技术、欠平衡钻井技术等钻井技术将 xiuqiao，ZHA0 tension tomeetthe of in legplatfom challengedrilling 得到进一步发展，更加适应深海油气出的开发。 4．3天然气水合物 46_48． NatIIral gashydrate APIRP2T-l997．Recommendedfor [4] p豫cticeplanning， 天然气水合物又叫可燃冰，它是在低温、高压 tension designing，andconstractinglegplatfbms[S]． 环境下的深海海底和极地海底的甲烷水合物的沉积 Houston：【S．N．J，1997：14-30． Standards 物。全球储量约2．5×108m3，是全球油气与煤资源 [5] Technology NonⅣegian Standal．d-l998 f．ortension 总量的2倍。目前世界上已有100多个国家发现了 SpecialdesignproVisions leg for steelstnlctllres【S 可燃冰存在的实物样品和存在标志，其中海洋78处， platforms，design J．Norwary： 【S．N．]。1998：49—83． 永久冻土带38处。已有40多个国家和地区开展了 JE．StatIlsof for [6]HALKYARD de印watcr sparplatfo皿s 可燃冰研究或调杏勘探。在目前条件下可燃冰开采 oftheSixth(1996) productionsystems：Proceedings 还面临着一些难题：由于可燃冰主要成分是温室气 ImemationalOf强horeaIldPolar Conference Engineering 体甲烷，有可能引起温室效应；可燃冰存在的特殊地 [C]．LA，usA，May26-3l，1996． 质条件危险性很大；可燃冰的开采成本非常高，还没 [7]朱江．海洋钻井设备综述[J]．中国海上油气：工程， 有达到商业开采的水平。 2006．12(6)：44-46． ZHu 111e姒m晌tion Ji卸g 0f衄llingequipm∞忸[J]． 5结论 Chinaofbhoreoiland G勰，2006，12(6)：44_46． Conclusions [8]中国机械工业年鉴编辑委员会．2007．中国石油石化设 (1)陆地和浅海资源已接近枯竭，向深海进军是 备工业年鉴[M]．北京：机械工业出版社，2008． Pr麟．T1le ofPen议瓢- 大势所趋，国内深海开发还处于起步阶段，石油钻采 Machine叫IIldus仃yi11dust哆枷ual in 蚰拍dsinoPec 2007[M]．Beijillg 技术落后。 P髑s．2008． (2)国外深海石油钻采装备先进，国内与之差距 很大，但是国内已经有一定经验，在此基础上应该加 (收稿日期2008．09．04) 大资金投入，加强研究力度，采取有力措施，制造更 [编辑景暖] 多拥有自主知识产权、先进的钻采设备。 (3)国外已有多种开发模式，国内可以借鉴这些 万方数据万方数据

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