海洋油气钻探及其相关应用技术的发展与展望

蔡黄河 彭振斌

（中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙410083）

1 海洋主权及海洋资源

由于历史原因，“960万平方公里”的国土观念根深蒂固。殊不知，我国还有约300万平方公里的海洋国土。国民海洋意识薄弱，海洋主权受到威胁，海洋权益屡受侵犯，近年，中国的东海、南海局势愈演愈烈。海上权益的一个关键在于海洋资源问题，特别是海洋油气资源，更是引起海上冲突的关键导火索，由不久前中国海上981钻井平台在南海的一系列经历便可见一斑。

据不完全统计，全球已发现海洋油气田2000多个，海洋油气储量占全部油气储量的30-40%，海洋油气产量占全部油气产量的30%以上，且探明率在30%左右，尚处于勘探的早期阶段。目前，海洋油气已经成为世界油气生产增长的主要来源。在我国强调树立科学发展观，力求可持续发展的环境下，必须重视海洋资源的开发与利用。

2 海洋油气钻探技术简介

2.1 海洋钻探

海洋钻探包括：滨海、海底地质钻探；滨海（近海）石油与天然气钻探；大洋科学考察钻探。

为适应不同水深，海洋钻进设施可分为以下几类：

（1）人工岛、栈桥、珩架式构架——实质上是陆地钻探向浅海的延伸，适应水深5-20m。

（2）底座式固定平台，适应水深20-30m。

（3）自升式钻井船（平台）适应水深20-110m。

（4）半潜式钻井船（平台，高出水面 18m），适应水深60-200m，最深达610m。

（5）深海钻井船，适应水深300-6000m，一般为610m以内。

海上钻井设施的发展过程是：1947年建成底座式钻井平台；1949年建成潜入式钻井设施；1953年建成桁架式钻井设施；1954年出现自行式钻井船（平台）；1961年建成深海钻井船；1962年建成半潜式钻井船（平台）；至20世纪70年代初，底座式、自升式、半潜式、浮船式四类海洋钻井设施已基本定型，目前发展趋势是进一步完善局部结构和实现大型化。

2.2 海洋油气勘探对钻探平台的要求

与陆地油气钻探相比，海洋油气钻探需要克服海洋环境的影响。海况总会引起钻井船船体运动，且随着风速的变化和海流速度的高低而加剧或减弱。尽可能地提高船体的稳定性，保证钻井船有效作业，减弱船体运动是至关重要的。

在对海上船体运动进行分析之后，发现在钻进船工作或锚定后，有六种运动：纵移，横移，升沉，横摇，纵摇，摇艏。任一船体运动必须考虑船上工作人员所能承受的水平，从而保证人员在特殊环境下安全作业和钻探施工的顺利进行。

船体稳定性是船抗倾覆的性能，它关系到船只的倾斜运动状态，对稳定性的要求如下：

（1）完整稳定性——要求扶正力矩必须顶得住从任何方向吹来的预计风速。

（2）破坏稳定性——在任何主舱间被合理淹没的情况下，船只还能顶得住来自任何方向的一定的风负荷。

（3）动稳定性——用风倾覆力矩这个名词来表示，它是倾斜角的函数。

为了保证船体稳定性，海上钻井船上需有锚定定位设备限制船只在水平面上的运动。这些运动包括纵移、横移与摇艏。根据实际钻探情况，选取锚泊系统有以下原则：

（1）深达152m的浅海要用一根加重缆绳，尤其在气候特别恶劣的地区。

（2）锚链能用于的水深约366m，但也不一定非建议采用不可。

（3）水深457m或达到610m则可用复合缆（钢绳与锚链）。

（4）超过550m，可单独使用钢丝绳。

（5）水静止状态时的缆绳能力，应如此确定：在特许作业环境下，能使船只保持在允许作业偏离距离以内。

（6）一旦隔水管被卸开，船只方向可以变动以减少各种环境力对船只的影响。

在实际生产过程中，总是存在人类不可抗的力量使得无法完成理想化的有效作业，并受到重大损失。如2005年7月Dennis飓风使美国墨西哥湾THUNDER HORSE平台倾斜22°，经昂贵的修复作业，才使平台恢复生产。可见，海上油气钻探与开发存在着不可忽视的风险，如何提高钻探平台的稳定性是海洋油气钻探发展中的一项重点课题。

2.3 海上钻井工程设备的主要结构

陆地上的油气钻探方法与技术在海洋油气钻探中都是适用的。但是，受恶劣的海洋自然地理环境和海水的物理化学性质的影响，许多钻探方法与技术受到了限制。因此，海上钻井工程设备的结构要复杂的多，海上钻井必须使用钻井平台。除与陆上相同的必须的钻井设备结构外，还有部分设备需要根据实际钻探情况做适当的改进与调整。

2.3.1 套管头与套管

水下套管头与陆地钻井的套管头很相似，其作用是：

（1）钻进中必须能支持防喷器组。

（2）注水泥固井时能悬挂套管。

（3）在钻进和开采中必须能将各层套管柱之间予以密封。

为适应海上钻探的需要，浮式钻井的套管挂、套管密封、水泥头与陆地或自升式钻井平台作业并不相同，如：①下套管时，最后一节接上一只套管挂，并在固井前永久性地悬挂在套管头处，泥浆回经套管挂上的凹槽返回；②水泥塞一般位于套管头上，用遥控开启；③套管密封件用遥控法下入安装；④备有特殊测试器具对套管密封进行遥测。

早年套管柱由海底套管头一直延续到海面，用传统的水泥头即可进行注水作业。现在多使用海下注水泥系统，这一系统的特殊结构使得近海用的水泥头比陆上用的要轻些，并易于掌握。

2.3.2 防喷器

防喷器是为承压状态下关闭井口而设计的。为保持对井的连续控制，使流入井筒里的地层流体也能循环出来，需要采用多种类型的防喷器。同时为了备用，同一类型的防喷器也要有两台或更多的台数。把几台防喷器组装在一起称为防喷器组。

防喷器设计工艺与技术以及陆上使用防喷器的经验，都借用于浮式钻井，但是当防喷器安置在海底时，需要对防喷器、控制系统、钻进工艺、使用方法等方面进行改进。主要变化是：①防喷器尺寸加大了；②结构设计需考虑海底的静水压力；③由于运送管线较长，压力降增高，大型的防喷器比陆上相应的需要更多的液体以操纵防喷器；④为防止回油管路的压力降，液压液体要往海里排气；⑤液压液体不能污染海水，具有防腐性、粘度低、润滑性好，并能与高矿化水混合的特性；⑥防喷器组的布置改变；⑦长节流管线中的压力降影响井控工艺改变。

防喷器组从下而上包括：一台套管头连接器；三台钻杆闸板防喷器；一台全封闭剪切闸板防喷器，一台环形防喷器；液压连接器；以及另一台环形防喷器。

其中，闸板防喷器的主要部件是块状钢闸板，带有橡胶密封，用液压控制关封井筒。环形防喷器由特殊设计的加强橡胶芯子组成，它能从四周封住通过防喷器的任何管状或近似管状物件，也能封住裸眼，钻杆接头能够通过而不会严重损伤密封芯子。

2.3.3 隔水管部件

隔水管是钻井船与海底套管头之间的交通连系通道。通过它，将钻具导进井眼，使泥浆循环到船面。隔水管的部件包括：隔水管短节；球接头；滑动短节；分流器；过渡管线；浮力轮。

在海上油气钻井平台上需要附加许多设备来补偿船体的运动，从而确保隔水管的正常工作。

运动补偿的含义是抵偿浮式钻井船的升沉运动，使钻井平台相对于海床保持其不受运动的影响，即在浮式钻井过程中，船受升沉作用的影响，而始终保持钻头压力恒定。进行运动补偿的方式有：被动系统；主动和半主动系统；缓冲短节。

2.3.4 水下设备

海洋钻井的水下设备组成从下而上依次为：井口盘（临时井口盘）——附电视导向绳、声波装置；永久导向架——附永久导向绳；套管头（组）；液压连接器；防喷器（组）——附四只双闸板防喷器、一只环形液压防喷器、压井-放喷阀与水下放喷管线、控制箱、隔水管系导向臂及电视摄像机；液压连接器——附球接头、卡箍、压井-放喷管线的过渡线；下球接头；隔水管；伸缩隔水管；隔水管张紧绳；上球接头；分流器；伸缩短节。

这些水下设备的主要功能为：

（1）从井口到钻台构成一个隔绝海水的通道。以供起下各种钻探工具，返回与导出钻井液。

（2）由防喷器、压井-放喷管对海底井口与井内压力实行控制。

（3）由球接头、滑动短节、张紧系统的偏斜和伸缩，以适应钻井船的升沉与摇动。

（4）在井口装置与防喷器组、防喷器组与隔水管系统之间，采用液压连接器，在紧急状况实现钻井船与隔水管系统快速脱开。

2.4 海洋油气钻探技术特点

在海上，由于恶劣的自然环境和海水的物理化学性质的影响，很难进行在陆地上所能采用的地面地质调查法，许多技术方法受到限制，各种勘探方法需转到勘探船、钻井平台上进行，并且测量结果受海水深度和海水性质的影响。正是为适应这些因素，减弱其不良影响，海洋油气钻探技术形成了不同于陆地的特点：

（1）钻井平台使用寿命长,可靠性指标高，主要体现在强度要求高、疲劳寿命要求高、建造工艺要求高、生产管理要求高。

（2）钻井平台为适应不同海域、不同水深、不同方位的作业而呈多样化，各种钻探设备和方法也更为复杂。

（3）海上的钻探在布置探井井位时必须十分慎重，确保最大限度地提高钻探效率，取全、取准第一手资料。

（4）由于海洋油气工程装置所产生的海损事故十分严重,所以对其安全性能要求大大提高,特别是对包括设计与要求、火灾与消防及环保设计等HSE的贯彻执行更加严格。

（5）学科多，技术复杂，海洋石油钻井平台的结构设计与分析涉及了海洋环境、流体动力学、结构力学、土力学、钢结构、船舶技术等多门学科。

总之，海洋油气钻探技术总体呈现为普通技术、新技术和高技术相互吸收融合而形成的多技术结构。

3 我国海洋油气钻探的发展展望

目前各种新型能源琳琅满目，使人应接不暇，但真正能够实现系统的开发、储存、利用的少之又少，何况在此基础上还应当考虑能源成本的最优化。在未来相当长的一段时间内，石油、天然气仍将占有最重要的地位。然而世界上已开采的油气大部分来自陆地，陆地油气的开采量远远大于自然增长量，其枯竭在所难免。我国拥有辽阔的海域，蕴含丰富的资源，海上油气钻探与开发是保证国家资源安全的重要法宝。

我国海洋油气钻探起步较晚，与世界先进水平存在不可忽视的差距。通过对各种相关资料的分析，这些差距主要表现在：①深海钻探技术不能满足要求，适用于深水海域的水下钻采设备短缺，深水海底管道及系统的动态安全性技术缺乏；②新型钻井平台的设计和建造技术落后，关键设备与技术的国产化率低；③后勤保障及配套设施落后。

近年来，海洋资源越来越受到重视，我国海洋油气钻探技术突飞猛进，但依然存在一些尚未解决的关键技术，制约着我国海洋油气的发展。随着计算机技术、智能化技术等标志性技术的出现和引入石油工业领域，传统的钻井工艺不断发生着“革命性”的更新和突破，新技术、新工艺、新型钻井液、新设备、新平台先后研发并得到广泛应用，配合国家的经济发展和海洋能源开发的需要，结合国外经验，我国海洋油气钻探技术的发展将有以下趋向：

（1）围绕钻探和开发所遇到的问题有针对性地开发新技术。

（2）对现有的先进技术进行综合利用。

（3）为实现钻井自动化和智能化而积极开发新设备和新技术。

（4）实时化、信息化、可视化，集成化、自动化、智能化。

（5）钻机及其配套设备稳定可靠，施工作业“安全、高效、环保”。

（6）快速钻井，准确定向，降低成本，保护油气层。

总的来看，无论是油气勘探，还是储量钻探，其发展趋势都将向深海发展，这就要求其技术设备要向浮动化、大型化方向发展，要求增强设备的抗波、抗冰能力、耐久性以及稳定性。

4 结语

随着世界经济的发展，能源需求不断增加，在市场需求压力和高油价的驱使下，未来全球海洋油气钻探开发的投资将不断增加，钻探开采作业海域和水深将不断扩大，海洋油气钻探从基础理论到设备、工具、工艺技术将会得到迅速的革新和发展。实际上，我国对海洋油气资源的钻探与开发尚处于早期，存有极大的发展空间。今后，我们在自行研制和积极引进国外技术和方法的过程中，更应当积极开拓填补我国深海油气钻探开发的技术空白，使我国的海洋油气产业及技术赶上甚至超过西方发达国家的水平，成为在海洋油气钻探技术上的领跑者。

［1］刘广志.特种钻探工艺学[M].武汉:中国地质大学,1992:76-122.

［2］车长波.海洋油气资源勘探开发趋势[Z].2010,3.

［3］江怀友,赵文智,裘怿楠,齐仁理,李治屏,潘继平.世界海洋油气资源现状和勘探特点及方法[J].中国石油勘探,2008(3):27-34.

［4］王树文.科技在我国海洋油气业发展中的作用及趋势[J].青岛海洋大学学报社会科学版,1997(4):29-39.

［5］金顺爱.全球海域油气勘探现状与我国海域油气勘探[J].海相油气地质,2008,13(3):1-4.

［6］吴家鸣.世界及我国海洋油气产业发展及现状[D].北京:中国学术期刊电子杂志出版社,2013:29-32.

［7］中国页岩气网新闻中心.详解世界海洋油气勘探技术与装备[EB/OL].http://www.csgcn.com.cn/news/show-22281.html,2013-07-04/2014-09-28.

［8］张凤成.中国海洋油气产业发展战略研究[D].北京:中国学术期刊电子杂志出版社,2013:99-102.

［9］江怀友,乔卫杰,钟太贤,齐仁理,鲁庆江,田凤顺.世界海洋钻井技术及设备现状与展望[J].石油科技论坛,2008(6):25-30.