蔡黃河 彭振斌

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙410083）

1 海洋主權(quán)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(quán)受到威脅，海洋權(quán)益屢受侵犯，近年，中國的東海、南海局勢愈演愈烈。海上權(quán)益的一個關(guān)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(guān)鍵導(dǎo)火索，由不久前中國海上981鉆井平臺在南海的一系列經(jīng)歷便可見一斑。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全球已發(fā)現(xiàn)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(chǎn)量占全部油氣產(chǎn)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(jīng)成為世界油氣生產(chǎn)增長的主要來源。在我國強調(diào)樹立科學(xué)發(fā)展觀，力求可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境下，必須重視海洋資源的開發(fā)與利用。

2 海洋油氣鉆探技術(shù)簡介

2.1 海洋鉆探

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

為適應(yīng)不同水深，海洋鉆進設(shè)施可分為以下幾類：

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

（2）底座式固定平臺，適應(yīng)水深20-30m。

（3）自升式鉆井船（平臺）適應(yīng)水深20-110m。

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

（5）深海鉆井船，適應(yīng)水深300-6000m，一般為610m以內(nèi)。

海上鉆井設(shè)施的發(fā)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(shè)施；1953年建成桁架式鉆井設(shè)施；1954年出現(xiàn)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(jì)70年代初，底座式、自升式、半潛式、浮船式四類海洋鉆井設(shè)施已基本定型，目前發(fā)展趨勢是進一步完善局部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)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(huán)境的影響。海況總會引起鉆井船船體運動，且隨著風(fēng)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(wěn)定性，保證鉆井船有效作業(yè)，減弱船體運動是至關(guān)重要的。

在對海上船體運動進行分析之后，發(fā)現(xiàn)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(huán)境下安全作業(yè)和鉆探施工的順利進行。

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

（1）完整穩(wěn)定性——要求扶正力矩必須頂?shù)米娜魏畏较虼祦淼念A(yù)計風(fēng)速。

（2）破壞穩(wěn)定性——在任何主艙間被合理淹沒的情況下，船只還能頂?shù)米碜匀魏畏较虻囊欢ǖ娘L(fēng)負(fù)荷。

（3）動穩(wěn)定性——用風(fēng)傾覆力矩這個名詞來表示，它是傾斜角的函數(shù)。

為了保證船體穩(wěn)定性，海上鉆井船上需有錨定定位設(shè)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(jù)實際鉆探情況，選取錨泊系統(tǒng)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(qū)。

（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(fù)合纜（鋼繩與錨鏈）。

（4）超過550m，可單獨使用鋼絲繩。

（5）水靜止?fàn)顟B(tài)時的纜繩能力，應(yīng)如此確定：在特許作業(yè)環(huán)境下，能使船只保持在允許作業(yè)偏離距離以內(nèi)。

（6）一旦隔水管被卸開，船只方向可以變動以減少各種環(huán)境力對船只的影響。

在實際生產(chǎn)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(yè)，并受到重大損失。如2005年7月Dennis颶風(fēng)使美國墨西哥灣THUNDER HORSE平臺傾斜22°，經(jīng)昂貴的修復(fù)作業(yè)，才使平臺恢復(fù)生產(chǎn)?？梢?，海上油氣鉆探與開發(fā)存在著不可忽視的風(fēng)險，如何提高鉆探平臺的穩(wěn)定性是海洋油氣鉆探發(fā)展中的一項重點課題。

2.3 海上鉆井工程設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)

陸地上的油氣鉆探方法與技術(shù)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(huán)境和海水的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，許多鉆探方法與技術(shù)受到了限制。因此，海上鉆井工程設(shè)備的結(jié)構(gòu)要復(fù)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(shè)備結(jié)構(gòu)外，還有部分設(shè)備需要根據(jù)實際鉆探情況做適當(dāng)?shù)母倪M與調(diào)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(yīng)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(yè)并不相同，如：①下套管時，最后一節(jié)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(jīng)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(xù)到海面，用傳統(tǒng)的水泥頭即可進行注水作業(yè)?，F(xiàn)在多使用海下注水泥系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)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(tài)下關(guān)閉井口而設(shè)計的。為保持對井的連續(xù)控制，使流入井筒里的地層流體也能循環(huán)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(shù)。把幾臺防噴器組裝在一起稱為防噴器組。

防噴器設(shè)計工藝與技術(shù)以及陸上使用防噴器的經(jīng)驗，都借用于浮式鉆井，但是當(dāng)防噴器安置在海底時，需要對防噴器、控制系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(jié)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(huán)形防噴器；液壓連接器；以及另一臺環(huán)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(guān)封井筒。環(huán)形防噴器由特殊設(shè)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(yán)重?fù)p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(dǎo)進井眼，使泥漿循環(huán)到船面。隔水管的部件包括：隔水管短節(jié)；球接頭；滑動短節(jié)；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(shè)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?shù)暮x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?shù)姆绞接校罕粍酉到y(tǒng)；主動和半主動系統(tǒng)；緩沖短節(jié)。

2.3.4 水下設(shè)備

海洋鉆井的水下設(shè)備組成從下而上依次為：井口盤（臨時井口盤）——附電視導(dǎo)向繩、聲波裝置；永久導(dǎo)向架——附永久導(dǎo)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(huán)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(dǎo)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(jié)。

這些水下設(shè)備的主要功能為：

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

（2）由防噴器、壓井-放噴管對海底井口與井內(nèi)壓力實行控制。

（3）由球接頭、滑動短節(jié)、張緊系統(tǒng)的偏斜和伸縮，以適應(yīng)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(tǒng)之間，采用液壓連接器，在緊急狀況實現(xiàn)鉆井船與隔水管系統(tǒng)快速脫開。

2.4 海洋油氣鉆探技術(shù)特點

在海上，由于惡劣的自然環(huán)境和海水的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，很難進行在陸地上所能采用的地面地質(zhì)調(diào)查法，許多技術(shù)方法受到限制，各種勘探方法需轉(zhuǎn)到勘探船、鉆井平臺上進行，并且測量結(jié)果受海水深度和海水性質(zhì)的影響。正是為適應(yīng)這些因素，減弱其不良影響，海洋油氣鉆探技術(shù)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(biāo)高，主要體現(xiàn)在強度要求高、疲勞壽命要求高、建造工藝要求高、生產(chǎn)管理要求高。

（2）鉆井平臺為適應(yīng)不同海域、不同水深、不同方位的作業(yè)而呈多樣化，各種鉆探設(shè)備和方法也更為復(fù)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(zhǔn)第一手資料。

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

（5）學(xué)科多，技術(shù)復(fù)雜，海洋石油鉆井平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析涉及了海洋環(huán)境、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)、船舶技術(shù)等多門學(xué)科。

總之，海洋油氣鉆探技術(shù)總體呈現(xiàn)為普通技術(shù)、新技術(shù)和高技術(shù)相互吸收融合而形成的多技術(shù)結(jié)構(gòu)。

3 我國海洋油氣鉆探的發(fā)展展望

目前各種新型能源琳瑯滿目，使人應(yīng)接不暇，但真正能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)、儲存、利用的少之又少，何況在此基礎(chǔ)上還應(yīng)當(dāng)考慮能源成本的最優(yōu)化。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)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(guān)資料的分析，這些差距主要表現(xiàn)在：①深海鉆探技術(shù)不能滿足要求，適用于深水海域的水下鉆采設(shè)備短缺，深水海底管道及系統(tǒng)的動態(tài)安全性技術(shù)缺乏；②新型鉆井平臺的設(shè)計和建造技術(shù)落后，關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)的國產(chǎn)化率低；③后勤保障及配套設(shè)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(shù)突飛猛進，但依然存在一些尚未解決的關(guān)鍵技術(shù)，制約著我國海洋油氣的發(fā)展。隨著計算機技術(shù)、智能化技術(shù)等標(biāo)志性技術(shù)的出現(xiàn)和引入石油工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的鉆井工藝不斷發(fā)生著“革命性”的更新和突破，新技術(shù)、新工藝、新型鉆井液、新設(shè)備、新平臺先后研發(fā)并得到廣泛應(yīng)用，配合國家的經(jīng)濟發(fā)展和海洋能源開發(fā)的需要，結(jié)合國外經(jīng)驗，我國海洋油氣鉆探技術(shù)的發(fā)展將有以下趨向：

（1）圍繞鉆探和開發(fā)所遇到的問題有針對性地開發(fā)新技術(shù)。

（2）對現(xiàn)有的先進技術(shù)進行綜合利用。

（3）為實現(xiàn)鉆井自動化和智能化而積極開發(fā)新設(shè)備和新技術(shù)。

（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(shè)備穩(wěn)定可靠，施工作業(yè)“安全、高效、環(huán)?！?。

（6）快速鉆井，準(zhǔn)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(fā)展趨勢都將向深海發(fā)展，這就要求其技術(shù)設(shè)備要向浮動化、大型化方向發(fā)展，要求增強設(shè)備的抗波、抗冰能力、耐久性以及穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

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

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