极地钻井装备现状及发展趋势浅析.pdf

第 4 O卷第 6期 2 0 1 2年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 PE TR I EUM DRI I I JI NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 0 No ． 6 NO V．， 2 01 2 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 0 9 极地钻 井装备现状及发展 趋势浅析 孙 琦 ，纪国栋 ，汪海阁 ，王灵碧 ， 崔 猛 1 ． 中国地质大学 北京 工程技术学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中国石油钻井工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 1 9 5 摘要 为 了解极地钻 井装备 水平 以及 未来 的发 展趋 势 ， 跟踪 极地 钻 井发 展动 态 ， 促 进我 国极 地钻 井技术发 展 ， 调研 了极地钻 井装备现状及发展趋 势。为应 对北极地 区恶劣 的 自然环境挑 战 ， 全球 对极地 钻井技 术研 究的投 资不 断增加 ， 极地钻井装备水平也在不 断突破 ， 国外公 司先后开发 了多种适 用于北极 地 区超低 温、 多浮冰环境 的钻 井船、 钻井平台等钻井设备。基于国外极地油气钻井装备的快速发展 ， 浅析了极地钻井面，】告的挑战及 目前国外极 地钻 井装备 的发展 状况 ， 总结 了极地钻 井装备 的发展 趋势 ， 并对 未来极地钻 井装备发展提 出了一些建议 。 关键 词 极地钻 井 钻 井船 钻 井平台 破 冰船 中图分 类号 T E 9 5 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 6 0 0 4 3 0 4 S t a t u s a nd De v e l o p me nt Tr e nd o f Ar c t i c Dr i l l i ng Equ i pme n t S u n Qi ， J i Gu o d o n g ， Wa n g Ha i g e Z ， Wa n g L i n g b i ， C u i Me n g z 1 ． S c h o o l o f En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s i c e n c e Be i j i n g ，B e i j i n g， 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a； 2 ． CNPCDr i l l i n g En gi n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g， 1 0 0 1 9 5 ， C h i n a Ab s t r a c t To l e a r n a b o u t t h e l e v e l a n d f u t u r e t r e n d o f Ar c t i c d r i l l i n g e q u i p me n t ， f o l l o w t h e Ar c t i c d r i l l i n g d y n a mi c s ， a n d p r o mo t e t h e d e v e l o p me n t o f Ar c t i c d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n o u r c o u n t r y， t h e s t a t u s q u o a n d r u t u r e t r e n d o f Ar c t i c d r i l l i n g we r e i n v e s t i g a t e d ． I n o r d e r t o c o p e wi t h t h e h a r s h e n v i r o n me n t i n Ar c t i c a r e a ， t h e i n v e s t me n t o n Ar c t i c d r i l l i n g t e c h n o l o g y g r o ws i n c r e a s i n g l y a n d Ar c t i c d r i l l i n g e q u i p me n t l e v e l ma k e s c o n t i n u o u s b r e a k t h r o u g h s ． Ov e r s e a s c o mp a n i e s h a v e d e v e l o p e d s e v e r a l k i n d s o f d r i l l s h i p s a n d d r i l l i n g u n i t s s u i t a b l e f o r t h e s u p e r l o w t e mp e r a t u r e a n d f l o a t i n g i c e c o n d i t i o n s i n Ar c t i c a r e a ． I n v i e w o f t h e r a p i d p r o g r e s s i n Ar c t i c d r i l l i n g e q u i p me n t a b r o a d， t h e p a p e r a n a l y s e s o n t h e c h a l l e n g e s i n Ar c t i c d r i l l i n g a n d t h e s t a t u s q u o o f Ar c t i c d r i l l i n g e q u i p me n t ， p o i n t s o u t t h e d e v e l o p me n t t r e n d o f Ar c t i c d r i l l i n g a n d p u t s f o r wa r d s o me s u g g e s t i o n s o n t h e f u t u r e d r i l l i n g e q u i p me n t d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s Ar c t i c d r i l l i n g； d r i l l s h i p ； d r i l l i n g u n i t ； i c e b r e a k e r 随着全球 油气 需求量 的递 增 ， 海洋 石油 开发 正迈 向环境更 加恶劣 的北极 海域 ， 北极 地 区温度 低且伴有大风 ， 最严 重 的是海浪 高并且 海 面上 浮 冰多Ⅲ。E x x o n Mo b i l 公 司总结 得 出， 在极 地地 区 钻井存在路途 遥远 、 生态 环境脆 弱 、 温度 超低 、 山、 极夜 、 浮冰 、 暴风 雨猛烈 、 永 久冻 土层 、 地 震 深水等挑战 。 美 国地质调查局 2 0 0 9年发布评估报告称 ， 北极 地 区未探明油气资源量 5 6 4 1 0 。 t 油 当量 ， 占全世 界未探明、 可获取油气资源的 2 2 ， 其中未探明石 油储量 1 8 4 1 0 。 t ， 天然气储量 4 7 1 0 M m。 ， 约 占世 界未 探 明 常 规 石 油 和 天 然 气 资 源 量 的 1 3 和 3 0 ％L 3 ] 。北极地区目前已发现各类油气 田近 1 0个 ， 如位于北极圈以北 2 5 0 n mi l e的阿拉斯加北部斜坡 的普拉德霍湾油 田 可采储量 1 3 l O 。 t ， 位 于俄罗 斯北 部 的 S h t o k ma n凝 析 气 田 可 采 储量 3 ． 8 1 0 M m。 ， 显示 出良好 的勘探 开发前景。许 多国家 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 1 3 ； 改回 日期 2 0 1 2 - i 0 0 8 。 作者简介 孙琦 1 9 8 1 ， 男， 山东淄博 人 ， 2 0 0 3年 毕业于 清华 大学外语专业， 2 0 0 4年获英国 L a n c a s t e r 大学管理 学硕士 学位 ， 在读 博士研究生 ， 主要从 事钻井新技术 、 破岩新方法方面的研究。 联系方式 0 1 0 8 4 6 3 9 0 7 3 ， g o t o s u n q i g ma i l ． C O H I 。 冰 和 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 2 年 1 1月 和石油公 司都对北极 的油气资源产生 了极大兴趣 ， 纷纷开始 投 资建 造适 合极 地 钻井 作 业 的钻 井 平 台L 4 ] 。但极地恶劣的 自然环境对平 台的抗寒能力、 抗风浪能力 、 载荷能力 、 保障人员安全等都提出了很 高的要求 ， 因此 ， 目前适合极地恶劣环境钻井作业的 钻井平台数量非常有限。为进一步了解极地钻井装 备现状及发展趋势 ， 跟踪国外极地钻井发展动态 ， 笔 者针对极地钻井装备 ， 从环境挑战 、 发展现状和发展 趋势等方面进行介绍 ， 以期为我 国研制极地钻井装 备提供借鉴 。 1 极地钻井技术挑战 1 ． 1 超低温、 浮冰带来的挑战 北极地区终年获得 的太 阳辐射 能量很少 ， 1月 份平均气温一2 0 ～一4 0℃ ， 而气温最高 的 8月， 平 均气温也 只有一8℃E 引。北冰洋海域的表层广泛覆 盖着海冰 ， 冬季海冰最大覆盖面积 占北冰洋 总面积 的3 ／ 4 ， 即使在暖季 ， 海冰最小覆盖面积也接近 1 ／ 2 。 另外 ， 北冰洋还分布着冰山、 冰岛。北极地区常年存 在 的超低温和多浮冰环境给极地钻井作业带来了严 峻挑战， 如海洋浮式装置的运营和维护困难 、 钻井设 备和工具机械性能降低 、 钻井管柱易发生脆性破坏 、 钻井液性能发生变化、 隔水管容易被浮冰破坏 、 作业 人员无法在露天环境下正常作业等。 1 ． 2 路途遥远带来的挑战 北极地区是世界上最偏远的地 区之一 ， 人迹罕 至， 物资供应极其困难 ， 难 以为石油钻探提供稳定可 靠 的后勤保障 。 1 ． 3 脆弱的生态环境带来的挑战 北极地 区生态环境脆弱， 钻井过程中一旦发生 井喷， 钻救援井 十分 困难 。如 出现漏油则极易对 当 地生态环境带来极大破坏。特别在 冬季 ， 该地 区缺 少光照 ， 气候 严寒 ， 对漏 油的吸收 降解 能力将 更加 困难 。 1 ． 4 风浪 带来 的挑 战 北极海域的风浪会 引起钻井船移位 ， 导致隔水 管发生变形和涡激振动 ， 因此对 隔水管抗疲劳强度 设计提 出了更高要求 。当环境载荷超 出隔水管作 业极 限载荷 时 ， 需 要断 开隔水管 系统和 水下 防喷 器的连接 。悬挂 隔水管 的动态压缩也 可能造成局 部失稳 ， 增大 隔水管 的弯 曲应 力和碰撞 月池 的可 能性 。 1 ． 5 暴风雨带来的挑战 强烈的海洋暴风雨对钻井平 台具有极大的破坏 作用 ， 因此 ， 极地钻井对海洋暴风雨的预测及钻井平 台快速撤离危险海域提出了更高要求 。 1 ． 6 冻土带来的挑战 在极地冻土层钻井过程中， 低温环境会改变钻 井液的流变性， 需要研究在低温下具有 较好抑制性 的钻井液体系 ， 尽量降低钻井液的凝固点。另外 ， 钻 头破岩过程 中产生的热量会使井底升温 ， 导致冻土 层软化， 造成井壁坍塌， 给钻井安全带来严重挑战。 2 极地钻井关键装 备发展现状 2 ． 1 俄罗斯北极气田生产装置 俄罗斯研发了配有 6 个 4导 口槽的平台底座 、 1 个破冰船型的浮式生产装置和 1 个 陆上液化天然气 处理终端 ， 准备用于 S h t o k ma n气 田的开发 ， 该生产 装置具有抵御大型浮冰的特点 ， 年处理能力达7 5 0 1 0 t ， 计划 2 0 1 6 年投产 。 2 ． 2 越洋钻探公司极地先锋号钻井平台 越洋钻探公司建造 了极地先锋号钻井平 台， 目 前正在挪威 巴伦支海域 S k r u g a r d油 田服务。该平 台的钻机组块和管汇采用低温碳钢建造 ， 所 有操作 都是全封闭的 ， 并配有加热系统 ， 便于在寒冷的北极 地区开展油气钻探活动E 。 2 ． 3 J B F北极圈号钻井平台 近北极 区的主要特点是冬季结冰很厚 ， 夏季风 大浪高 。针对这种特殊气候 ， 荷兰 Hu i s ma n设备公 司设计了一种适合近北极地区的半潜式钻井平台， 即 J B F北极 圈号钻井平 台 见 图 1 ， 其 作业水 深 6 0 --1 5 0 0 m， 采用锚泊定位 ， 其独特的结构能够承 受冬季厚冰 冰厚度可达 1 ． 5 ～2 ． 0 m 和夏季风浪 冲击 ， 便于在近北极地 区全年全天候作业 。该钻井 平 台可在 2种吃水深度下作业 在无冰水域 ， 可像普 通半潜式钻井平台一样进行作业或拖航 ； 在覆 冰水 石 油 钻 探 技 术 Ai v i q号北极破冰船 。该船长 1 1 0 m， 额定最低作业 温度--4 0℃ ， 可破碎 0 ． 9 m厚 的海冰 ， 是 目前世界 上最先进的非军用破冰船 。该船将被部署在阿拉斯 加极地海域从事油气钻探活动 ] 。 3 极 地钻井装备发展趋势 极地油气资源钻探面临的挑战主要是远离国土 海岸的后勤保障和极度恶劣的极地环境 。为了应对 这样的挑战 ， 给极地钻井装备建设提出了新的要求。 目前极地钻井装备 的发展趋势主要有 1 向适应低 温操作 的全封 闭式方 向发展。钻 井装备全封闭有利于减少热量的散发 ， 降低能耗 ， 使 有限的补给满足更长时间的钻井作业需要 。 2 钻井装备采用高镍基 的低温碳钢材料建造 ， 以适应极地寒冷的气候对材料抗冲击韧性的影响。 3 采用具有破冰能力的钻井船或辅助船 ， 以增 加在极地冰期作业 的活动能力 ， 应对 极地钻井船的 应急就位与撤离 。 4 钻井装备采用模块化设计 ， 以适应快速安装 和维护 ， 并便于直升机 吊运等。 5 船舱设计 容量大 ， 可储备 2口井的消耗品 ， 以备正常或应急使用。 6 钻机操作 采用 自动化设计 ， 以提高作业效 率 ， 减少操作人员 。钻 台操作采用新型 的连续起下 钻装置 ， 子母 双 井架 操作 等 ， 可大 大缩 短非 生产 时间。 7 随着钻井装备 自动化、 智能化技术 的不断发 展 ， 极地钻井装备也像海洋深水钻井装备一样 ， 朝水 下钻井装备方向发展 。为规避极地恶劣的气候条件 对水面钻井装备和生产设施 的影响和破 坏， 无人值 守的水下钻井装备也将成为极地钻井装备未来的发 展方 向。 北极地区是许多国家军事 和能源的战略要地 ， 油气资源丰富， 各 国都在积极研制极地钻井装备 ， 俄 罗斯、 美 国等邻近北极国家 已经涉足极地油气开发。 而我国极地钻井装备 目前还处于起 步阶段 ， 要想在 未来的北极油气开发 中占据一席之地 ， 必须加快极 地钻井生产支持基地建设 ， 增 大适应北极恶劣环境 极地钻井装备的研发力度 ， 特别是加大对钻井船、 钻 井平 台的科研投人 ， 加快极地特种探N／ 监测设备 、 超低温隔水管系统 、 水下作业机器人 、 动力定位系统 等关键设备的研发 。 4 结束语 极地钻井是一项 庞大的系统工程 ， 直接关 系到 北极地区的油气资源开发。随着油气勘探开发 向极 地进军 ， 北极地区恶劣 的环境条件 以及复杂 的地质 条件 ， 使极地钻井面临更大 的风险和挑战。世界各 大石油公司和技术服务公司都在努力研发新一代极 地钻井装备 ， 而我国极地钻井装备尚处于起步阶段 。 因此， 我国必须加强研发投入和研发 团队建设 ， 本着 引进、 消化、 吸收、 创新和运用的原则 ， 研发极地钻井 保温系统、 自动化系统、 动力定位 系统 、 超低温隔水 管系统等核心设备 ， 占领未来技术经济的制高点 ， 保 障国家的能源安全 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] Ra j i v Ag g a r wa l ， R i c h a r d D S o u z a ． De e p wa t e r a r c t i c t e c h n i c a l c h a l l e n ge s a n d s o l u t i o n s OTC Ar c t i c Te c h n o l o g y Co nf e r e n c e ， H o u s t o n ， F e b r u a r y 7 - 9 ， 2 o HE ． [ 2 ] Ke n n e d y J L ． De s p i t e o f f s h o r e d e l a y s ， a r c t i c p r o j e c t s a d v a n c e a n d n e w a r e a s a r e o p e n e d l J 2 ． Wo r l d Oi l ， 2 0 1 1 ， 2 3 2 8 8 4 8 6 ． r 3 ] Ga u t i e r D I ． Fir s t e v e r r e l e a s e o f 1 2 f S C - S o f f s h o r e a r c t i c r e s o u r c e a s s e s s me n t Al a s k a Pl a t f o r m ，S o u t h Ka r a S e a ha v e g r e a t e s t p o t e n t i a l l, J ] ． Of f s h o r e ， 2 0 0 9 ， 6 9 8 4 6 5 3 ． [ 4 ] 迟愚， 刘照伟， 史海东． 全球海洋钻井平台市场现状及发展趋势 l- J ] ． 国际石油经济 ， 2 0 0 9 ， 1 7 1 O 1 7 2 3 ． Ch i Yu ． Li u Zh a o we i 。 Sh i Ha i d o n g． Th e c u r r e n t g l o b a l ma r t f o r o f f s h o r e d r i l l i n g p l a t f o r m s a n d i t s f u t u r e t r e n d s [ J ] ． I n t e r n a t io n a l P e t r o l e u m Ec o n o my ， 2 0 0 9 ， 1 7 1 0 1 7 2 3 ． I- 5 ] 位梦华． 北极的海域、 气候和四季l_ J ] ． 大自然探索， 2 0 0 2 4 4 6 4 7 ． We i Me n g h u a Ar c t i c wa t e r s ， c l i ma t e a nd s e a s o n s [ J ] ． Di s c o v e r y o f Na t u r e ， 2 0 0 2 4 4 6 4 7 ． [ 6 ] 孙宝江 ， 曹式敬 ， 李吴 ， 等． 深水钻井技术 装备现 状及发展趋 势 l- j ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 8 - 1 5 ． S u n B a o j i a n g ， C a o S h i j i n g ， L i Ha o ， e t a 1 ． S t a t u s a n d d e v e l o p me ri t t r e n d o f d e e p wa t e r d r i l l i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t l, J ] ． Pe t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 1 1， 3 9 2 8 -1 5 ． E 7 ] S mi t h J ． N e e d d r i v e s a d v a n c e s l, J ] ． Wo r l d O i l ， 2 0 1 1 ， 2 3 2 5 46 5 0 ． [ 8 ] B e c k ma n J ． D r i l l s h i p a d a p t e d f o r y e a r r o u n d a r c t i c r e g i o n s e r v i c e [ J ． Of f s h o r e ， 2 0 1 1 ， 7 1 1 1 4 6 4 9 ． [ 9 ] 张王 句 ， 刘绪全． 新型极地钻井平台[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 3 ， 2 5 4 3 1 ． Z h a n g X u n ， L i u Xu q u a n ． T h e n e w p o l a r d r i l l i n g p l a t for ml, J ] ． Oi l Dr i l l i n g Pr o du c t i o n Te c h n o l o g y， 2 0 0 3， 2 5 4 3 1 ． 1, 1 o ] Re d d e n J ． S h r i mp b o a t s a n d i c e b r e a k e r s n o p l a c e b u t L o u i s i a n d J ] ． Wo r l dOi l ， 2 0 1 2 ， 2 3 3 3 1 7 1 8 ．