東方堪探1號
隨著科技進步和人類對海洋石油資源認知水平的不斷提高，海洋油氣已從常規(guī)水深(小于500m)向深水(500～1500m)和超深水(大于1500m)進軍，深水油氣田的開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點和世界科技創(chuàng)新的熱點。
鉆井作業(yè)時間主要受海洋氣象條件、鉆井設(shè)計和平臺動復(fù)員時間以及平臺作業(yè)能力等影響，主要包括基本鉆井時間，與水深相關(guān)的時間，地層有關(guān)的作業(yè)時間，各種風(fēng)險、不可預(yù)知的意外事故的處理時間與海洋氣象條件影響的非作業(yè)時間等。研究如何減少鉆井作業(yè)時間引起了深水鉆井技術(shù)與隔水管技術(shù)的巨大變革，并隨之產(chǎn)生了雙梯度鉆井技術(shù)和與之相應(yīng)的雙梯度專用鉆井隔水管系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)。
一、隔水管技術(shù)
當(dāng)前，海上鉆井使用的主要是單梯度鉆井技術(shù)。該技術(shù)在同尺寸的井眼中只有一個液柱梯度，即井底壓力由海面到井底的鉆井液柱壓力來產(chǎn)生，鉆井液柱壓力梯度均以海面為參考點。在深水鉆井中，由于海底疏松的沉積物和海水柱影響，地層壓力和破裂壓力之間的間隙很小，使得鉆井非常困難。國外20世紀(jì)90年代發(fā)展的雙梯度技術(shù)很好地解決了這個問題，雙梯度鉆井是一種控制壓力鉆井技術(shù)，其施工思路是：隔水管內(nèi)充滿海水，采用海底泵和小直徑回流管線旁路回輸鉆井液；或在隔水管中注入低密度介質(zhì)(空心微球、低密度流體、氣體)，降低隔水管環(huán)空內(nèi)返回流體的密度，使之與海水相當(dāng)，在整個鉆井液返回回路中保持雙密度鉆井液體系，有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力，克服深水鉆井中遇到的問題。
雙梯度鉆井泥漿返回海洋隔水管系統(tǒng)采用新的設(shè)計以充分利用雙梯度鉆井和欠平衡鉆井的優(yōu)點，且沒有失去作為傳統(tǒng)的鉆井隔水管系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)將大直徑泥漿返回線和隔水管隔離工具平穩(wěn)集成于鉆井隔水管系統(tǒng)，能夠同時滿足未來雙梯度鉆井和目前的傳統(tǒng)鉆井的需要。該系統(tǒng)的顯著優(yōu)點：更高的返回泥漿速度；振動篩上的持續(xù)流；減少鉆井泥漿的需求；減小隔水管的張力需求；隔水管中鉆井泥漿體積減小，減小了緊急脫離時鉆井泥漿對環(huán)境的影響。
二、夾式隔水管系統(tǒng)
在海洋深水鉆井作業(yè)中，鉆井隔水管長度增加，隔水管作業(yè)時間隨之增加，減少隔水管作業(yè)時間對于減少鉆井作業(yè)時間具有重要意義。隔水管連接方式及其效率是隔水管技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)的隔水管系統(tǒng)采用螺栓法蘭式連接，其優(yōu)點在于采用法蘭式連接，隔水管系統(tǒng)連接強度大，使得隔水管系統(tǒng)能夠滿足在惡劣海況和超深水海域進行鉆井作業(yè)的要求。但是由于它重量大，可能限制鉆井水深；螺栓法蘭連接使隔水管作業(yè)效率低，隔水管作業(yè)時間過長，增加了非生產(chǎn)時間。
夾式隔水管是一種卡口式快速連接鉆井隔水管技術(shù)。該技術(shù)采用炮栓型接頭實現(xiàn)隔水管的快速作業(yè)，它的簡易性和快速下放性能使得它成為深水鉆井的理想裝備。作業(yè)時，當(dāng)兩根隔水管單根對接完成后，壓入上部隔水管單根，旋轉(zhuǎn)炮栓接頭的載荷環(huán)/鎖緊環(huán)將兩個單根鎖定完成連接，作業(yè)中不需要螺栓、多線程或任何預(yù)加載荷。這項技術(shù)最大的優(yōu)點是顯著提高隔水管作業(yè)速度，其連接速度是法蘭連接的兩倍，可以每小時7到8根的速度組裝隔水管柱，一年可節(jié)省10～15天的作業(yè)時間。
三、自由站立隔水管技術(shù)
在深海區(qū)鉆探，鉆完井活動受到惡劣天氣條件的嚴(yán)重影響。隨著勘探水域水深的增加，在惡劣天氣到來之前需要花費數(shù)天時間才能將隔水管收回，深水中收回隔水管非常耗時。
國外石油公司正在研制一種FSDR設(shè)備，旨在減少鉆井隔水管下放與收回所需要的時間。安裝于隔水管上部單根的空氣罐保持FSDR處于張力狀態(tài)�？諝夤抟韵拢現(xiàn)SDR包含傳統(tǒng)的鉆井隔水管裝備。在隔水管的上部是一些隔水管單根(數(shù)量取決于水深)，采用改型的鉆井隔水管單根，外圍分布空氣罐以提供浮力�？諝夤薜撞块_口以吸入空氣。每個空氣罐能夠提供足夠的浮力。大約20個空氣罐可以支持處于脫離狀態(tài)的泥漿和鉆桿的獨立式隔水管。在隔水管的可收回部分采用4根改型的鉆井隔水管，對隔水管單根的唯一改進在于為空氣罐浮力塊增加的兩根空氣管線。上部4根隔水管單根不采用泡沫浮力塊。一個包含接口部件的上部海洋隔水管包將上部可撤回部分與下部的獨立式部分連接為一體。當(dāng)FSDR下放且固定于海底之后，注入空氣排開空氣罐中灌入的海水。當(dāng)有數(shù)量要求的空氣罐中的海水被排空后，隔水管將自由站立。
在風(fēng)暴到來前，F(xiàn)SDR在靠近海平面處脫離，剩余長的隔水管柱(包括防噴器)與海面以下保持安全和自由站立狀態(tài)以在風(fēng)暴中自存。FSDR的主要優(yōu)點是保證浮船安全撤離所需要的時間，也就潛在增加了或者最大化了鉆井時間。譬如在2300米水深情況下，撤回傳統(tǒng)隔水管需要3～5天時間，而FSDR僅需幾小時，給深水鉆井作業(yè)帶來巨大收益。風(fēng)暴結(jié)束后，一旦回歸到井位，隔水管再入時間縮短，鉆井作業(yè)可很快恢復(fù)。
四、非鋼質(zhì)鉆井隔水管技術(shù)
深水鉆井隔水管的材料，從本質(zhì)上講就是需要增加隔水管單根的強度/重量比，從而減小對浮力裝置的要求。
復(fù)合材料在鋼質(zhì)隔水管的節(jié)流和壓井管線的設(shè)計和實驗應(yīng)用上已經(jīng)取得了較大進展，將這一技術(shù)應(yīng)用于隔水管主管設(shè)計可形成復(fù)合材料鉆井隔水管。復(fù)合材料隔水管采用碳纖維與環(huán)氧硬脂酸酯等高分子化學(xué)成分制成，復(fù)合材料隔水管的重量僅為鋼質(zhì)隔水管重量的1/2。世界上第一個復(fù)合材料鉆井隔水管在位于北海的挪威國家石油公司一個張力腿平臺上進行作業(yè)并得到成功測試。碳纖維復(fù)合材料隔水管具有許多期望的屬性，如重量輕、抗腐蝕、抗疲勞、絕熱等。在900米深的水域，復(fù)合材料隔水管所需甲板重量與存儲空間比鋼質(zhì)隔水管減少39%，復(fù)合材料隔水管裸單根的重量是鋼質(zhì)隔水管的68%，配置浮力塊的復(fù)合材料隔水管單根的重量為鋼質(zhì)隔水管重量的84%，復(fù)合材料隔水管所需的浮力塊是鋼質(zhì)隔水管所需數(shù)量的72%。
鈦非常輕、堅固，抗腐蝕、抗疲勞與機加工性能均好。在極限條件下，鈦合金隔水管對于避免隔水管碰撞是必要的，并且不需要對已經(jīng)設(shè)計的甲板結(jié)構(gòu)進行較大修改。但成本問題一直是鈦隔水管使用的主要阻礙，另一不利因素是鈦的彈性模量較小(約為鋼的一半)，這可能導(dǎo)致懸掛模式下深水鈦合金鉆井隔水管出現(xiàn)較大的軸向動態(tài)響應(yīng)。
鋁合金具有鈦的許多特點，但價格便宜得多，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母羲苤圃觳牧稀?/p>
使用鋁合金隔水管能夠為現(xiàn)有鉆井船增加水深能力40%以上。由于無需進行結(jié)構(gòu)修改現(xiàn)有鉆井船就可以裝備重量輕成本低的隔水管系統(tǒng)，隨著水深性能的增加可以節(jié)約相當(dāng)可觀的時間與成本。
五、深水可控泥漿帽鉆井技術(shù)
可控泥漿帽鉆井技術(shù)結(jié)合在深水鉆井中應(yīng)用，有著減小海上鉆井平臺的負載，實施對井底壓力精確控制及減少套管層次等諸多優(yōu)勢�？煽啬酀{帽鉆井技術(shù)在深海中的應(yīng)用與隔水管及水下設(shè)備的發(fā)展密切相關(guān)。
深水鉆井的難點之一在于地層孔隙壓力和地層破裂壓力窗口狹窄。為達到順利安全鉆進的目的，必須對井底壓力進行實時控制。所謂壓力控制鉆井是指通過某種調(diào)節(jié)手段，始終保持井底壓力略大于地層孔隙壓力而遠小于地層破裂壓力，即在鉆進過程中地層流體始終不進入井筒，從而保證鉆井安全，但又不至于壓死可能的油層。它與傳統(tǒng)近平衡鉆井的區(qū)別在于其控制井底壓力更加準(zhǔn)確及時，可以根據(jù)地層的壓力隨時調(diào)節(jié)井底壓力，是一種動態(tài)的連續(xù)的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)井底壓力調(diào)節(jié)手段的不同，壓力控制鉆井分為傳統(tǒng)方式和可控泥漿帽方式。
傳統(tǒng)的壓力控制鉆井是指用節(jié)流管匯調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，從而實現(xiàn)對井底壓力的精確控制。但在深海中由于水較深使得節(jié)流管線較長，壓力損耗大，從而造成調(diào)節(jié)井底壓力范圍較小，使得調(diào)控壓力難度較大且操作復(fù)雜，這對于實時準(zhǔn)確調(diào)節(jié)井底壓力和井控非常不利�？煽啬酀{帽鉆井技術(shù)與傳統(tǒng)壓力控制鉆井相比調(diào)節(jié)壓力更加快捷便于操作。
南海現(xiàn)已被列為國家十大油氣戰(zhàn)略選區(qū)之一，南海約230～300億噸石油地質(zhì)儲量(占中國總資源量的1/3)亟待開發(fā)。但是，我國南海海域特有的強熱帶風(fēng)暴和內(nèi)波等災(zāi)害環(huán)境本身就是海洋石油領(lǐng)域的世界性難題。因此，一方面要學(xué)習(xí)、引進國外先進的深水鉆探技術(shù)，另一方面要加強自主創(chuàng)新，譬如研究和開發(fā)能有效消減波浪與海流能量的智能型鉆井隔水管，將系統(tǒng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)等智能技術(shù)方案引入新型鉆井隔水管等項技術(shù)，更好地滿足我國深海水域油氣資源、包括可燃冰等資源勘探、開發(fā)的需要。
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