海洋油氣鉆探及其相關應用技術的發展與展望

蔡黃河 彭振斌

（中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙410083）

1 海洋主權及海洋資源

由于歷史原因，“960萬平方公里”的國土觀念根深蒂固。殊不知，我國還有約300萬平方公里的海洋國土。國民海洋意識薄弱，海洋主權受到威脅，海洋權益屢受侵犯，近年，中國的東海、南海局勢愈演愈烈。海上權益的一個關鍵在于海洋資源問題，特別是海洋油氣資源，更是引起海上沖突的關鍵導火索，由不久前中國海上981鉆井平臺在南海的一系列經歷便可見一斑。

據不完全統計，全球已發現海洋油氣田2000多個，海洋油氣儲量占全部油氣儲量的30-40%，海洋油氣產量占全部油氣產量的30%以上，且探明率在30%左右，尚處于勘探的早期階段。目前，海洋油氣已經成為世界油氣生產增長的主要來源。在我國強調樹立科學發展觀，力求可持續發展的環境下，必須重視海洋資源的開發與利用。

2 海洋油氣鉆探技術簡介

2.1 海洋鉆探

海洋鉆探包括：濱海、海底地質鉆探；濱海（近海）石油與天然氣鉆探；大洋科學考察鉆探。

為適應不同水深，海洋鉆進設施可分為以下幾類：

（1）人工島、棧橋、珩架式構架——實質上是陸地鉆探向淺海的延伸，適應水深5-20m。

（2）底座式固定平臺，適應水深20-30m。

（3）自升式鉆井船（平臺）適應水深20-110m。

（4）半潛式鉆井船（平臺，高出水面 18m），適應水深60-200m，最深達610m。

（5）深海鉆井船，適應水深300-6000m，一般為610m以內。

海上鉆井設施的發展過程是：1947年建成底座式鉆井平臺；1949年建成潛入式鉆井設施；1953年建成桁架式鉆井設施；1954年出現自行式鉆井船（平臺）；1961年建成深海鉆井船；1962年建成半潛式鉆井船（平臺）；至20世紀70年代初，底座式、自升式、半潛式、浮船式四類海洋鉆井設施已基本定型，目前發展趨勢是進一步完善局部結構和實現大型化。

2.2 海洋油氣勘探對鉆探平臺的要求

與陸地油氣鉆探相比，海洋油氣鉆探需要克服海洋環境的影響。海況總會引起鉆井船船體運動，且隨著風速的變化和海流速度的高低而加劇或減弱。盡可能地提高船體的穩定性，保證鉆井船有效作業，減弱船體運動是至關重要的。

在對海上船體運動進行分析之后，發現在鉆進船工作或錨定后，有六種運動：縱移，橫移，升沉，橫搖，縱搖，搖艏。任一船體運動必須考慮船上工作人員所能承受的水平，從而保證人員在特殊環境下安全作業和鉆探施工的順利進行。

船體穩定性是船抗傾覆的性能，它關系到船只的傾斜運動狀態，對穩定性的要求如下：

（1）完整穩定性——要求扶正力矩必須頂得住從任何方向吹來的預計風速。

（2）破壞穩定性——在任何主艙間被合理淹沒的情況下，船只還能頂得住來自任何方向的一定的風負荷。

（3）動穩定性——用風傾覆力矩這個名詞來表示，它是傾斜角的函數。

為了保證船體穩定性，海上鉆井船上需有錨定定位設備限制船只在水平面上的運動。這些運動包括縱移、橫移與搖艏。根據實際鉆探情況，選取錨泊系統有以下原則：

（1）深達152m的淺海要用一根加重纜繩，尤其在氣候特別惡劣的地區。

（2）錨鏈能用于的水深約366m，但也不一定非建議采用不可。

（3）水深457m或達到610m則可用復合纜（鋼繩與錨鏈）。

（4）超過550m，可單獨使用鋼絲繩。

（5）水靜止狀態時的纜繩能力，應如此確定：在特許作業環境下，能使船只保持在允許作業偏離距離以內。

（6）一旦隔水管被卸開，船只方向可以變動以減少各種環境力對船只的影響。

在實際生產過程中，總是存在人類不可抗的力量使得無法完成理想化的有效作業，并受到重大損失。如2005年7月Dennis颶風使美國墨西哥灣THUNDER HORSE平臺傾斜22°，經昂貴的修復作業，才使平臺恢復生產。可見，海上油氣鉆探與開發存在著不可忽視的風險，如何提高鉆探平臺的穩定性是海洋油氣鉆探發展中的一項重點課題。

2.3 海上鉆井工程設備的主要結構

陸地上的油氣鉆探方法與技術在海洋油氣鉆探中都是適用的。但是，受惡劣的海洋自然地理環境和海水的物理化學性質的影響，許多鉆探方法與技術受到了限制。因此，海上鉆井工程設備的結構要復雜的多，海上鉆井必須使用鉆井平臺。除與陸上相同的必須的鉆井設備結構外，還有部分設備需要根據實際鉆探情況做適當的改進與調整。

2.3.1 套管頭與套管

水下套管頭與陸地鉆井的套管頭很相似，其作用是：

（1）鉆進中必須能支持防噴器組。

（2）注水泥固井時能懸掛套管。

（3）在鉆進和開采中必須能將各層套管柱之間予以密封。

為適應海上鉆探的需要，浮式鉆井的套管掛、套管密封、水泥頭與陸地或自升式鉆井平臺作業并不相同，如：①下套管時，最后一節接上一只套管掛，并在固井前永久性地懸掛在套管頭處，泥漿回經套管掛上的凹槽返回；②水泥塞一般位于套管頭上，用遙控開啟；③套管密封件用遙控法下入安裝；④備有特殊測試器具對套管密封進行遙測。

早年套管柱由海底套管頭一直延續到海面，用傳統的水泥頭即可進行注水作業。現在多使用海下注水泥系統，這一系統的特殊結構使得近海用的水泥頭比陸上用的要輕些，并易于掌握。

2.3.2 防噴器

防噴器是為承壓狀態下關閉井口而設計的。為保持對井的連續控制，使流入井筒里的地層流體也能循環出來，需要采用多種類型的防噴器。同時為了備用，同一類型的防噴器也要有兩臺或更多的臺數。把幾臺防噴器組裝在一起稱為防噴器組。

防噴器設計工藝與技術以及陸上使用防噴器的經驗，都借用于浮式鉆井，但是當防噴器安置在海底時，需要對防噴器、控制系統、鉆進工藝、使用方法等方面進行改進。主要變化是：①防噴器尺寸加大了；②結構設計需考慮海底的靜水壓力；③由于運送管線較長，壓力降增高，大型的防噴器比陸上相應的需要更多的液體以操縱防噴器；④為防止回油管路的壓力降，液壓液體要往海里排氣；⑤液壓液體不能污染海水，具有防腐性、粘度低、潤滑性好，并能與高礦化水混合的特性；⑥防噴器組的布置改變；⑦長節流管線中的壓力降影響井控工藝改變。

防噴器組從下而上包括：一臺套管頭連接器；三臺鉆桿閘板防噴器；一臺全封閉剪切閘板防噴器，一臺環形防噴器；液壓連接器；以及另一臺環形防噴器。

其中，閘板防噴器的主要部件是塊狀鋼閘板，帶有橡膠密封，用液壓控制關封井筒。環形防噴器由特殊設計的加強橡膠芯子組成，它能從四周封住通過防噴器的任何管狀或近似管狀物件，也能封住裸眼，鉆桿接頭能夠通過而不會嚴重損傷密封芯子。

2.3.3 隔水管部件

隔水管是鉆井船與海底套管頭之間的交通連系通道。通過它，將鉆具導進井眼，使泥漿循環到船面。隔水管的部件包括：隔水管短節；球接頭；滑動短節；分流器；過渡管線；浮力輪。

在海上油氣鉆井平臺上需要附加許多設備來補償船體的運動，從而確保隔水管的正常工作。

運動補償的含義是抵償浮式鉆井船的升沉運動，使鉆井平臺相對于海床保持其不受運動的影響，即在浮式鉆井過程中，船受升沉作用的影響，而始終保持鉆頭壓力恒定。進行運動補償的方式有：被動系統；主動和半主動系統；緩沖短節。

2.3.4 水下設備

海洋鉆井的水下設備組成從下而上依次為：井口盤（臨時井口盤）——附電視導向繩、聲波裝置；永久導向架——附永久導向繩；套管頭（組）；液壓連接器；防噴器（組）——附四只雙閘板防噴器、一只環形液壓防噴器、壓井-放噴閥與水下放噴管線、控制箱、隔水管系導向臂及電視攝像機；液壓連接器——附球接頭、卡箍、壓井-放噴管線的過渡線；下球接頭；隔水管；伸縮隔水管；隔水管張緊繩；上球接頭；分流器；伸縮短節。

這些水下設備的主要功能為：

（1）從井口到鉆臺構成一個隔絕海水的通道。以供起下各種鉆探工具，返回與導出鉆井液。

（2）由防噴器、壓井-放噴管對海底井口與井內壓力實行控制。

（3）由球接頭、滑動短節、張緊系統的偏斜和伸縮，以適應鉆井船的升沉與搖動。

（4）在井口裝置與防噴器組、防噴器組與隔水管系統之間，采用液壓連接器，在緊急狀況實現鉆井船與隔水管系統快速脫開。

2.4 海洋油氣鉆探技術特點

在海上，由于惡劣的自然環境和海水的物理化學性質的影響，很難進行在陸地上所能采用的地面地質調查法，許多技術方法受到限制，各種勘探方法需轉到勘探船、鉆井平臺上進行，并且測量結果受海水深度和海水性質的影響。正是為適應這些因素，減弱其不良影響，海洋油氣鉆探技術形成了不同于陸地的特點：

（1）鉆井平臺使用壽命長,可靠性指標高，主要體現在強度要求高、疲勞壽命要求高、建造工藝要求高、生產管理要求高。

（2）鉆井平臺為適應不同海域、不同水深、不同方位的作業而呈多樣化，各種鉆探設備和方法也更為復雜。

（3）海上的鉆探在布置探井井位時必須十分慎重，確保最大限度地提高鉆探效率，取全、取準第一手資料。

（4）由于海洋油氣工程裝置所產生的海損事故十分嚴重,所以對其安全性能要求大大提高,特別是對包括設計與要求、火災與消防及環保設計等HSE的貫徹執行更加嚴格。

（5）學科多，技術復雜，海洋石油鉆井平臺的結構設計與分析涉及了海洋環境、流體動力學、結構力學、土力學、鋼結構、船舶技術等多門學科。

總之，海洋油氣鉆探技術總體呈現為普通技術、新技術和高技術相互吸收融合而形成的多技術結構。

3 我國海洋油氣鉆探的發展展望

目前各種新型能源琳瑯滿目，使人應接不暇，但真正能夠實現系統的開發、儲存、利用的少之又少，何況在此基礎上還應當考慮能源成本的最優化。在未來相當長的一段時間內，石油、天然氣仍將占有最重要的地位。然而世界上已開采的油氣大部分來自陸地，陸地油氣的開采量遠遠大于自然增長量，其枯竭在所難免。我國擁有遼闊的海域，蘊含豐富的資源，海上油氣鉆探與開發是保證國家資源安全的重要法寶。

我國海洋油氣鉆探起步較晚，與世界先進水平存在不可忽視的差距。通過對各種相關資料的分析，這些差距主要表現在：①深海鉆探技術不能滿足要求，適用于深水海域的水下鉆采設備短缺，深水海底管道及系統的動態安全性技術缺乏；②新型鉆井平臺的設計和建造技術落后，關鍵設備與技術的國產化率低；③后勤保障及配套設施落后。

近年來，海洋資源越來越受到重視，我國海洋油氣鉆探技術突飛猛進，但依然存在一些尚未解決的關鍵技術，制約著我國海洋油氣的發展。隨著計算機技術、智能化技術等標志性技術的出現和引入石油工業領域，傳統的鉆井工藝不斷發生著“革命性”的更新和突破，新技術、新工藝、新型鉆井液、新設備、新平臺先后研發并得到廣泛應用，配合國家的經濟發展和海洋能源開發的需要，結合國外經驗，我國海洋油氣鉆探技術的發展將有以下趨向：

（1）圍繞鉆探和開發所遇到的問題有針對性地開發新技術。

（2）對現有的先進技術進行綜合利用。

（3）為實現鉆井自動化和智能化而積極開發新設備和新技術。

（4）實時化、信息化、可視化，集成化、自動化、智能化。

（5）鉆機及其配套設備穩定可靠，施工作業“安全、高效、環保”。

（6）快速鉆井，準確定向，降低成本，保護油氣層。

總的來看，無論是油氣勘探，還是儲量鉆探，其發展趨勢都將向深海發展，這就要求其技術設備要向浮動化、大型化方向發展，要求增強設備的抗波、抗冰能力、耐久性以及穩定性。

4 結語

隨著世界經濟的發展，能源需求不斷增加，在市場需求壓力和高油價的驅使下，未來全球海洋油氣鉆探開發的投資將不斷增加，鉆探開采作業海域和水深將不斷擴大，海洋油氣鉆探從基礎理論到設備、工具、工藝技術將會得到迅速的革新和發展。實際上，我國對海洋油氣資源的鉆探與開發尚處于早期，存有極大的發展空間。今后，我們在自行研制和積極引進國外技術和方法的過程中，更應當積極開拓填補我國深海油氣鉆探開發的技術空白，使我國的海洋油氣產業及技術趕上甚至超過西方發達國家的水平，成為在海洋油氣鉆探技術上的領跑者。

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