深水油气勘探开发技术发展现状与趋势

原创 暗潮  2018-05-08 12:28:05  阅读 103 次 评论 0 条
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3、深水油气勘探开发技术发展现状

深水油气勘探开发涉及船舶及海洋结构设计、海洋环境保护、海洋钻井、海洋探测等多个技术领域,集信息技术、新材料技术、新能源技术及多学科于一体,是一项多领域、多学科、复杂的系统工程。深水领域的技术创新十分活跃,总的来说正朝着以下4个方向发展。

3.1 自动化

深水作业日费高昂,半潜式钻井船平均日费高达40万$/d。因此,通过自动化提高作业效率是必然选择。目前的深水钻井和开发平台基本都配备了高度自动化的设备,铁钻工、自动排管系统、自动送钻系统、电子司钻等基本成为标配。同时,双作业钻机的应用也是深水钻井装备提升自动化程度的代表。

3.1.1 钻井自动化装备

钻井自动化设备主要包括多参数测量仪或综合录井仪、顶部驱动装置、自动排管设备、井口自动化设备、自动送钻设备、一体化司钻控制室、管具自动传送装置等。目前的第6代钻井平台上几乎都配备了高度自动化的钻井装备,使深水钻井的效率和安全性大幅提升。比如2009年,Maersk公司推出的MAERSKDEVELOPER号半潜式钻井平台就属于第6代半潜式钻井平台,额定作业水深3048m,钻深能力9144m,配备有NOV公司的双作业钻机及自动化设备,自动化程度很高(图2),无需钻台工和井架工,操作人员只需在一体化司钻控制室即可完成相关作业。

近年来,基于信息技术的远程决策中心在海上也逐渐获得推广应用。壳牌国际油公司、哈里伯顿、贝克休斯等大服务公司都建立了覆盖全球的远程实时作业中心,以充分发挥多学科专家团队的作用,进行远程实时分析和钻井决策支持。远程作业中心集成了一体化共享地学平台、实时地质建模、油井三维可视化、实时水力模拟、随钻测量、井眼轨迹控制、旋转地质导向等地质方法和工程技术,借助虚拟容错计算机主机服务器、IP通讯技术、视频监测和分析技术以及图形化桌面共享等先进的信息技术,实现了远程实时井场支持。

3.1.2 双作业钻机

双作业钻机可以大幅提升深水钻井效率,通过2部井架的设计,使钻井和组装、拆卸隔水管柱等辅助作业可以同时进行。1995年Transocean公司获得了双作业钻井方法的专利。此后,双作业钻机迅速在新建半潜式平台和深水钻井船上得到推广。目前,双作业钻机主要有3种类型:离线钻机、双井架双作业钻机、多功能箱式钻塔。

离线钻机又称“一个半井架钻机”,有主、辅2个井架:主井架较高,用于钻井作业;辅井架较低,用于钻井辅助作业是脱离开主井架的,又称为一个半井架双作业钻机。辅井架的作业是脱离开主井架的,称为“脱机”作业或“离线”作业。中海油的“海洋石油981号”深水半潜式钻井平台配备的就是挪威AkerSolutions公司的一个半井架钻机。

双井架双作业钻机的“双井架”并不是指在平台甲板上安装2个独立的井架,而是将二者融为一体,一个用作主井架,另一个用作辅井架,各有一套提升系统、顶部驱动装置、管子操作系统;“双作业”是指在进行正常钻进的同时,可以并行完成组装、拆卸钻柱,下放隔水管柱、套管柱,以及下放与回收水下器具等脱机作业。到目前为止,国外已有Transocean公司、挪威AkerSolutions公司、美国国民油井华高公司(NOV)、新加坡Keppel集团公司和SembCorp海洋公司等推出了双井架双作业钻机(图3)。

荷兰Huisman设备公司为深水浮式钻井装置(半潜式钻井平台和钻井船)设计的多功能箱式钻塔如图4所示,是一种交流变频电驱动钻机,额定钻深能力为12190m(水面以下)。钻塔左右两侧各有1个回转式管架和1套提升能力为11118kN的提升系统:前侧为主提升系统,用于钻进;后侧为辅提升系统,用于在钻表层井眼期间完成防喷器和隔水管的安装,还可用于在钻井作业期间将钻杆单根连接成钻杆立柱,以及用于安装大型水下设备,比如水下采油树等。塔架内装有两台绞车,绞车配备主动式升沉补偿系统和被动式升沉补偿系统,主绞车的功率为4600kW,辅绞车的功率为2300kW,顶驱功率为860kW。钻塔4个角各配备1台排管机,用于操作钻杆立柱。钻塔消除了V形门的限制,钻杆立柱和其他设备可以无障碍地进出钻台,改变了防喷器和水下采油树的安装方法,大大降低了钻塔底座的高度(钻台距主甲板的高度仅4.9m)。从而可降低浮式钻井装置的重心,增强其稳定性,减小其尺寸,提高承重/排水比。 深水油气勘探开发技术发展现状与趋势第6张-暗潮天空 BlueSky

经过十多年的发展,双作业钻机在深水半潜式钻井平台和钻井船上得到推广应用,目前已成为第6代深水浮式钻井装置的主流配置,在建和拟建的深水浮式钻井装置配置的几乎都是双作业钻机。中海油“海洋石油981”深水半潜式钻井平台是国内首次配备了双作业钻机的海上钻井平台。与普通海洋钻机相比,双作业钻机可提高钻井效率20%,降低钻井成本20%以上。

3.2 海底化

将作业或生产设施布设在海底可以消除风、浪、流、冰等恶劣海洋环境对钻井作业的影响,还能起到降低成本的作用。

3.2.1 海底地震

海底地震就是利用海面地震船的气枪震源在水中激发地震波,利用布设在海底的检波器采集地震信号(图5)。这种把检波器布设在海底的新方式与传统的拖缆地震采集相比,具有数据观测点位置准确、减少环境的干扰、采集的可重复性强、易于消除鬼波干扰等优点,尤其是可以在钻井平台密集或有其他障碍物的地方实施采集[9]。

海底地震采集的主要缺点是成本高,但是随着技术进步,其成本正在迅速降低。20世纪90年代海底采集成本是拖缆采集成本的5~10倍,而现在成本最低仅为拖缆采集的1.5~2.0倍,预计海底采集成本还会进一步降低。近年来,CGG、斯伦贝谢、壳牌、BP、道达尔、RXT等公司都非常看好海底地震勘探市场的前景,世界上越来越多的区块开始实行海底勘探,海底地震勘探装备供不应求,海底地震服务市场从2006年的2.2亿美元快速上升到2013年的9.1亿美元。

3.2.2 海底钻机

1997—1999年,壳牌公司曾组织开展过海底钻井的初步可行性研究和概念设计,提出了一种海底自升式钻井平台的设想。2003年4月,英国Maris国际公司完成了海底钻机的初步可行性研究,也提出了海底钻机的设想。2001—2007年,壳牌公司、BP公司和英国贸工部资助英国Pipistrelle公司开展了海底钻井的前期研究,主要研究了海底钻井的技术可行性,并提出了初步设计方案。2006年美国海底钻机公司提出了一种海底钻井舱设计方案。挪威机器人钻井系统公司计划基于开发中的机器人钻井系统开发海底钻机(图6)。

目前,为配合美国大洋钻探计划,美国GreggMarine公司已经推出了一种机器人海底取样钻机,其最大作业水深3000m,可钻取150m深的岩心。

3.2.3 海底工厂

在一些情况下,海底油气开采比陆上具有更大的经济优势,在深水中这种优势有时更加明显。除了比较成熟的水下生产系统外,海底增压、海底油气水分离、水下油气处理等工艺也逐渐成熟,海上油气开采正在向着海底化发展,甚至有公司提出了抛弃海上平台的“全海底模式”。 深水油气勘探开发技术发展现状与趋势第9张-暗潮天空 BlueSky

2012年,挪威国家石油公司提出“海底工厂”的概念是用于开采天然气的全海底生产模式(图7),计划2020年安装在北海的Asgard油田。“海底工厂”概念主要包括海底增压系统、海底气体压缩系统、海底分离与产出水回注系统、未净化海水输送系统4部分。海底压缩是整个系统的关键,压缩气体的作用有2个:一是通过气体压缩,补充气体向海面运送的能量;二是通过气体压缩形成生产压差,有利于提高采收率。压缩机安装在海底,不但成本比安装在平台上低,而且效果更好。海底增压技术是将海底采出油气泵送到海上平台。海底分离系统是在海底实现气液分离。产出水回注和未净化海水输送系统则是为严格的海洋环保要求而研制的。[10-11]

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