中國(guó)科學(xué)報(bào)：深海天然氣工程亟待突破核心技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2020-10-05 | 來(lái)源：宣傳部 | 瀏覽量：
中國(guó)海洋石油天然氣資源十分豐富,，但其大多數(shù)都埋藏于深水區(qū)，相應(yīng)的油氣勘探開發(fā)工作面臨著“入地,、下?！痹S多難題和工程技術(shù)挑戰(zhàn)。
歷經(jīng)多年的探索與實(shí)踐,，我國(guó)海洋深水鉆探工程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從淺水（水深300米以內(nèi)）到超深水（水深超過(guò)1500米）的跨越，并在南海發(fā)現(xiàn)了豐富的天然氣及其水合物資源,，亟待進(jìn)行安全高效開發(fā),，因而對(duì)相應(yīng)的開發(fā)工程模式及其技術(shù)支撐體系提出了重大需求。
深海油氣工程具有“四高”特點(diǎn)
隨著全球油氣需求量的持續(xù)增長(zhǎng)與油氣科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,，海洋油氣勘探開發(fā)正在從淺水區(qū)（水深小于300米）向次深水區(qū)（水深介于300～500米）,、深水區(qū)（水深介于500～1500米）及超深水區(qū)（水深超過(guò)1500米）加速推進(jìn)。
海洋深水區(qū)（以下簡(jiǎn)稱深海）油氣資源勘探開發(fā)日趨活躍,，如墨西哥灣,、西非,、巴西、北海,、澳大利亞及中國(guó)南海等深水海域,。近10年來(lái)，全球的重大油氣發(fā)現(xiàn)一多半都來(lái)自深海,，深海將成為油氣資源的重要接替區(qū)之一,。
同時(shí)，深海油氣勘探開發(fā)及其工程作業(yè)也面臨著“入地,、下?！钡碾p重挑戰(zhàn)，具有高技術(shù),、高風(fēng)險(xiǎn),、高投入及高回報(bào)的“四高”特點(diǎn)，其中的“高回報(bào)”和巨大的附加效益（如船舶技術(shù)進(jìn)步,、信息技術(shù)綜合應(yīng)用,、海洋地質(zhì)勘測(cè)、海防劃界,、軍事情報(bào)獲取等）,，吸引了世界相關(guān)國(guó)家及公司進(jìn)行持續(xù)高強(qiáng)度投入與大規(guī)模勘探開發(fā)活動(dòng),。
由于深海油氣工程具有“四高”的基本特征,，出現(xiàn)任何作業(yè)事故都可能極大地增加作業(yè)時(shí)間和成本，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果,，因而必須對(duì)事關(guān)深海油氣勘探開發(fā)的安全高效作業(yè)模式及其技術(shù)支撐體系進(jìn)行持續(xù)研究與實(shí)踐：一方面掌握其基本的科學(xué)規(guī)律與先進(jìn)的勘探開發(fā)模式,，另一方面力求不斷取得相關(guān)工程技術(shù)與裝備支撐體系的重大創(chuàng)新與突破。
中國(guó)南海油氣資源豐富,，但其中的70%以上都埋藏于深水區(qū),，相應(yīng)的油氣勘探開發(fā)及其工程作業(yè)因而面臨著許多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。歷經(jīng)10多年的探索和實(shí)踐,，我國(guó)海洋油氣鉆探的最大水深已超過(guò)2600米,，實(shí)現(xiàn)了從淺水到超深水的跨越，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了豐富的深海天然氣及其水合物資源,，亟待進(jìn)行安全高效開發(fā)利用,，需要通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)積極探索相適應(yīng)的安全高效開發(fā)模式，不斷實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備的重大突破,。
深水鉆井技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵核心之一
較之于淺水或陸地,，深海天然氣工程最大的特點(diǎn)就是需要浮式鉆采作業(yè)、水下井口及相適應(yīng)的天然氣生產(chǎn)與集輸系統(tǒng)等,。這不僅增加了工程作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性,，而且也大幅度增加了工程成本,。
因此，在深海天然氣開發(fā)工程中應(yīng)盡可能地減少水下井口及配套設(shè)施的數(shù)量,，縮短浮式作業(yè)時(shí)間,，并通過(guò)實(shí)施水平井或以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，大幅度提高深海天然氣田的單井天然氣產(chǎn)量以及最終采收率,。
為此,，我國(guó)有必要圍繞深海天然氣田安全高效開發(fā)目標(biāo)，優(yōu)選比較適用的工程模式及其配套技術(shù)與裝備,，同時(shí)積極探索更加先進(jìn)適用的工程模式及其技術(shù)支撐體系,。
深水鉆井技術(shù)就是深海油氣勘探開發(fā)不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，有關(guān)研究與實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注,。深水鉆井作業(yè)主要包括深水導(dǎo)管安裝,、表層套管井段鉆井、水下防噴器組及隔水管安裝,、后續(xù)鉆井等4個(gè)主要作業(yè)環(huán)節(jié),。其中“后續(xù)鉆井”的技術(shù)難度取決于油氣藏特性與埋深、不同的井型技術(shù)要求（直井,、水平井,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等）及所鉆地層的復(fù)雜性。
綜合考慮深水鉆井的客觀約束條件和作業(yè)工藝特點(diǎn),，筆者團(tuán)隊(duì)提出了適用于深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同作業(yè)安全系數(shù)選取方法及套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的推薦做法,，并給出一套先進(jìn)的深水井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。針對(duì)深水鉆井作業(yè)的特點(diǎn),，綜合考慮隔水管段井筒傳熱,、鉆井液增注、套管及其環(huán)空溫壓效應(yīng)等諸多因素的影響,，建立了深水鉆井套管環(huán)空循環(huán)溫度預(yù)測(cè)計(jì)算模型,，以及由溫度效應(yīng)導(dǎo)致的環(huán)空增壓計(jì)算模型，闡明了相關(guān)因素的影響規(guī)律,，提出了深水井筒完整性設(shè)計(jì)控制新方法,。
此外，深水導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)與噴射安裝控制研究也不斷取得新進(jìn)展,。相關(guān)研究成果揭示了深水導(dǎo)管與海底土體相互作用的機(jī)理,，通過(guò)采用不同的樁土接觸面模型，對(duì)深水鉆井導(dǎo)管的承載能力進(jìn)行了計(jì)算分析,，揭示了深水導(dǎo)管作為“循環(huán)通道”和“持力結(jié)構(gòu)”兩大功能的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，建立了深水導(dǎo)管噴射法安裝入泥深度預(yù)測(cè)模型,。
考慮到深水鉆井隔水管安裝過(guò)程的特殊邊界條件,，建立深水鉆井隔水管安裝過(guò)程中多種動(dòng)力學(xué)行為分析模型及控制方程也至關(guān)重要,。通過(guò)采用傳遞矩陣和譜分析方法，對(duì)深水鉆井隔水管的頂張力進(jìn)行了優(yōu)化分析,，可得到不同作業(yè)參數(shù)下的頂張力最優(yōu)值,。
目前，筆者團(tuán)隊(duì)已形成深水表層導(dǎo)管入泥深度預(yù)測(cè)與控制方法,，以及深水隔水管綜合力學(xué)分析與安全作業(yè)窗口預(yù)測(cè)方法,，為深水鉆探工程安全高效作業(yè)提供了重要的技術(shù)支持。同時(shí),，建立了深海油氣工程科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)基地,，自主研發(fā)了深水鉆井力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，形成了“產(chǎn),、學(xué),、研、用”一體化的創(chuàng)新平臺(tái)條件,，推動(dòng)了海洋深水鉆探行業(yè)的科技進(jìn)步,。
深海天然氣工程科技創(chuàng)新的幾點(diǎn)建議
中國(guó)南海深水區(qū)天然氣及其水合物的安全高效開發(fā)面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要建立相適應(yīng)的工程模式及其技術(shù)支撐體系,，尋求“地質(zhì)—工程—市場(chǎng)”一體化的解決方案,。
對(duì)于深海常規(guī)天然氣田，應(yīng)積極試驗(yàn)與建立“水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井浮式鉆完井+水下鉆采系統(tǒng)+浮式生產(chǎn),、集輸與FLNG（浮式液化天然氣）處理系統(tǒng)+船運(yùn)外輸”的開發(fā)模式及其技術(shù)支撐體系,；而對(duì)于鄰近淺水區(qū)的深海天然氣田，則可以考慮采用大位移水平井開發(fā)模式,，將“水下井口”轉(zhuǎn)移到淺水區(qū)固定鉆采平臺(tái)上來(lái),，從而大幅度提高其綜合開發(fā)效益。
以實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開發(fā)為目標(biāo),，還應(yīng)積極試驗(yàn)與建立“水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井浮式鉆完井+天然氣水合物原位分解開采+水下或浮式生產(chǎn)與集輸處理系統(tǒng)+管道或船運(yùn)外輸”的開發(fā)模式及其技術(shù)支撐體系,。
另外，由于天然氣水合物埋藏在海底以下的淺部（如中國(guó)南海某海域的水合物埋藏在泥線以下200～300米之間）,，難以實(shí)施水平井,、U形水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，可考慮將井位選在水深較淺的海底,，通過(guò)實(shí)施大位移井工程進(jìn)行安全高效開發(fā),，或采用吸力錨技術(shù)與裝備建立水下井口。
未來(lái),，應(yīng)通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),，不斷提升深水鉆探、開采及儲(chǔ)運(yùn)一體化技術(shù)體系的先進(jìn)性與安全高效應(yīng)用水平,。同時(shí),，在深海天然氣工程中應(yīng)高度重視安全環(huán)保問題,，要特別注意防止發(fā)生井噴、泄漏等惡性事故,。伴隨著信息,、材料、人工智能等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的科技進(jìn)步,，深海天然氣工程必然朝著信息化與智能化的方向加速發(fā)展,。
（作者系中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉石油與天然氣工程國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科負(fù)責(zé)人）
詳情見鏈接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/9/358051.shtm
（編輯 劉曉玉）
