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深水钻井技术装备现状及发展趋势

随着水深的不断加深,海洋环境及海底地质条件更为复杂,深水钻井工程面临着越来越多的挑战。为了应对挑战,全球对水深钻井技术研究的投资不断增加,技术装备水平也在不断突破,深水钻井技术装备在石油工业中的地位越来越重要。本次推送文章通过跟踪调研国内外深水油气钻井技术及装备的发展,为大家分析阐述深水钻井技术面临的挑战及目前国外该技术和关键装备的发展状况。

深水钻井技术六挑战

【藏经阁】深水钻井技术装备现状及发展趋势

水深带来的挑战

随着水深的增加,钻具、钻井液、隔水管用量和海洋环境复杂性都相应增加,这对平台承载能力、钻井载荷、甲板空间等提出了更高的要求。另外,随着水深的增加,隔水管需要具备更大的抗挤压能力,对钻井液、完井液的流变性也提出了新的要求,同时,海底的所有装备也要承受更低的温度和更高的压力。

 

风浪流带来的挑战

深水环境的风浪流会引起钻井船的移位,导致隔水管发生变形和涡激振动,因此对其疲劳强度设计提出了更高的要求,强烈的海洋风暴对钻井平台具有灾难性的破坏作用。

低温带来的挑战

海水温度随水深增加而降低,海底温度(即使在热带)一般为4摄氏度左右。海水的低温可以影响到海底泥线以下约数百米的岩层。低温带来的问题主要包括:海水低温环境使隔水管中的钻井液流变性发生变化,可使钻井液的粘度和密度增大,导致凝胶效应,增大套管鞋处地层被压开的风险。

 

水合物带来的挑战

钻井过程中水合物的形成会带来以下影响:阻塞节流、压井管汇和钻井液(气)分离器,无法进行循环作业;在防喷器中部或下部造成阻塞,妨碍油井压力监测,阻塞物在井眼环空中形成,妨碍钻杆旋转和移动。

窄钻井液安全密度窗口带来的挑战

深水造成的欠压实,使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄。窄密度窗口地区钻井事故频繁,容易发生井漏、井涌、井塌、卡钻、涌漏同层等井下故障;窄钻井液安全密度窗口导致套管层数增加,甚至无法钻至目的层。

 

深水钻井地质灾害

海底浅层流冲刷可能造成水下井口、防喷器组和导管塌陷。浅层气流中的气体进入海水后,海水密度降低,钻井平台所受浮力减小,容易造成平台倾覆、火灾等事故。海床泥水分界面以下的地层大部分是易坍塌的疏松泥岩和页岩,易发生井壁坍塌,导致钻井故障或事故。

深水钻井关键装备发展现状

【藏经阁】深水钻井技术装备现状及发展趋势

 

钻井船、半潜式钻井平台

深水钻井中,钻井装备应能承受风浪流的反复冲击、特殊海区海冰的作用、强热带风暴的作用及海洋环境对设备的腐蚀破坏,因此,深水钻井装置面临的最大挑战是保证平台在恶劣海况下的安全性和可靠性。目前发展出了两种比较成熟的适合于深水钻井的设备:一类是深水钻井船;一类是深水半潜式钻井平台。

 深水钻机系统

为了适应深水超深水钻井的需要,传统石油钻机在向大功率变流变频方向发展。除了向大功率发展,带有主动钻柱运动补偿功能的数控变频驱动钻机绞车也逐渐得到发展。此外,为了进一步降低深水钻井成本,套管钻井石油钻机在深水的应用前景也十分巨大。

 动力定位系统

船舶动力定位是深海开发的关键技术之一,随着海上油气生产向深海发展,动力定位系统越来越广泛地应用于海上深水作业船舶、海上平台、水下潜器等。动力定位系统的核心是控制技术,至今已历经三代,具有不受水深限制、投入撤离迅速、定位准确、机动性强等优点。

 隔水管系统

在深水钻井中,传统隔水管通过法兰进行连接,为了减小隔水管自身质量对钻井船所造成的负荷,在隔水管外部还装有浮力块。随着水深从百米以内逐渐递增到几千米,传统的钢制隔水管随着长度的增加,质量不断增大,钻井船已经不能负载,为了满足深水钻井的要求,未来深水钻井隔水管必须:采用轻质高强度合金材料,降低隔水管质量;采用快速连接方式,减少下隔水管的作业时间;增加单根隔水管长度;安装抑制天然气水合物形成的装置。

水下井口和防喷器组合

目前常用的水下井口包括5个主要部分,从上到下依次为井口防腐帽、高压井口头、导管头、永久导向基座、临时导向基座。深水条件下选择水下井口时要分析海况条件下井口可能成熟的隔水管、防喷器组上部质量以及可能的轴向力和弯矩。深水水下防喷器组控制系统主要包括地面控制和水下控制两个部分。采用液压控制系统或电控系统实现闸板的开关和锁紧。

我国深水钻井技术装备的主要进展

我国是海洋大国,而南海作为我国重要的深水油气开发区域,对我国能源接替起着决定性的作用。为此,我国已经积极制定了自己的深水油气开发规划,将一系列深水油气装备和关键技术列为国家级重大攻关项目,并已经取得了一些成绩:

 

【藏经阁】深水钻井技术装备现状及发展趋势

2004年,中国石油天然气集团公司成立了海洋工程有限公司,该公司下属的钻井事业部和海洋工程事业部为海洋石油开发做好了准备

2008年,COSL收购了挪威的AwilcoOffshore,成为世界上第8大船队

2009年,COSL在南海大陆坡实施的浮筒式人工海底深水钻井(ASDD)试验井的成功,宣告中国已进入深水领域

2010年,中国海油第六代海洋钻井平台“海洋石油981“顺利出坞,该年中国海油海上产能已经超过5000X104t, 完成了建设”海上大庆“的目标。LW3-3-1井的成功钻探标志着中国海油打破了400m浅海钻探的历史

2010年8月,”大连开拓者”号顺利开工,打破了由少数国家垄断全球深水钻井船市场的局面

深水油气开发是一项庞大的系统工程,深海油气钻井技术和装备直接决定着海洋油气资源开发水平,是成功开发我国南海深水油气资源的关键。目前,我国深海油气钻井技术与装备与国际先进水平相比存在很大差距,如何在较短时间内突破国外相关技术垄断,形成具有我国自主知识产权的技术装备体系,是我国石油行业亟待解决的难题。

文章来源:《石油钻探技术》深水钻井技术专题 1001-0890(2011)02-0008-08

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