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深海里的油气怎么开采?西南石油大学铸造深海油气开发的“神兵利器”

日期:2021-06-23    来源:封面新闻  作者:刘皓洋

国际燃气网

2021
06/23
10:26
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关键词: 油气开发 油气勘探 可燃冰开采

石油被誉为“黑色的金子”、“工业的血液”。随着我国油气勘探从陆地向海洋延伸,油气发现从中深层向深层、超深层,从中浅水向深水、超深水拓展,资源开发从常规油气转向非常规油气,油气钻采技术及装备面临着新的挑战。

为了促进我国深部和深海油气资源的开发,1999年,西南石油大学(1999年还是西南石油学院;2005年更名为西南石油大学)成立了油气装备现代设计与仿真实验室(能源装备研究院前身)。20余年来,西南石油大学能源装备研究院立足国家能源安全和建设海洋强国的战略需求,围绕我国深层、深水及非常规油气高效开采对钻头和装备的特殊需求,构建了一套以系统动力学为基础,集理论研究、实验技术和产品研发应用为一体的石油钻采装备研发体系,研制出一系列具有世界先进水平的钻采装备。

300米到3000米 突破海洋石油勘探“瓶颈”

南海,富饶而美丽,油气田大约有180个,相当于全球储量的12%,约占中国石油总资源量的三分之一。然而,南海又是一片危机四伏的复杂之海,地处亚热带和热带地区,全年高温高湿,雨量丰沛,波浪大,台风频繁……且由于大部分油气资源位于深水区以及超深水区。在我国成功建造“海洋石油981”之前,国外深水钻井能力已经达到水深3000米,而国内却只能达到500米。

在水深3000米以下的海底钻探石油,隔水管是现有作业技术中必不可少的关键装备。隔水管系统是指连接海底井口与钻井平台之间的导管系统,主要功能包括隔绝海水、导入钻具和套管,以及构成泥浆循环的通道。2012年开始,能源装备研究院自主研发了“深水钻井隔水管力学性能实验测试装置”,并完成了大量室内测试试验,结合理论模型的建立和数值分析,发现了隔水管力学行为的诸多规律,比如隔水管最大变形通常发生在平台到海底三分之一的位置,被称为“三分之一”效应,为隔水管的安全控制提供了理论和实验基础。在此基础上,编制了深水钻井隔水管设计和操作手册,为我国“海洋石油981”等深水平台的安全钻井作业提供了强力的理论和技术支撑。

“海洋石油981”标志着中国具备了自主设计、建造第六代深水半潜式钻井平台的能力,其最大钻井深度达万米,最大作业水深达3000米,可抵御200年一遇的台风,打破了西方公司在这一领域的长期垄断。

研制可燃冰开采关键工具助力固态流化试采

2020年我国石油的对外依存度已超70%,严重威胁国家的能源安全。新的国际形势下寻找未来清洁替代能源迫在眉睫,天然气水合物被认为是21世纪理想的清洁替代能源之一,其资源量是煤炭石油和天然气总和的2倍,但高达76.5%以上都为非成岩水合物,且主要分布在深海的海底浅表层,其持续规模化开采面临装备、环境和地质三大风险的世界性难题,对此,美、日、俄和加拿大等发达国家已开展了近五十年的研究,至今仍未从根本上获得重大突破。因此,急需寻找新的变革性方法,推动水合物的开发技术突破瓶颈。基于此,我国科学家周守为院士创新提出了变不可控为可控的天然气水合物固态流化开采的科学思想,但是技术上能否实现仍是一个未解之谜?2012年开始,西南石油大学能源装备研究院勇于承担了其中工具研发的重任,并创新发明了基于双层管的海底浅层天然气水合物破碎、回收、分离、回填的一体化开采新工艺,为解决三大风险提供了新方向。在整个固态流化开采工艺中,最关键、最困难的环节就是研发适应水合物储层特性的高效射流破碎机具。为此,在试采时间紧和任务中的情况下,西南石油大学能源装备研究院逆流而上,主动承担起了该核心关键工具的研发任务。

在水合物射流破碎工具研制过程中,主要面临两个方面的关键问题:其一是破碎对象水合物的制备,若采用CH4气体和泥砂等原材料制备水合物,将面临周期长、成本高和风险高的“三高”难题,为此,团队基于水合物取样的实验数据,通过反复的讨论、思考和分析,王国荣院长带领团队探索了另一条“捷径”,制备水合物替代样品,其不仅与真实水合物具有相同的力学性能,又能在常温常压下不发生分解或分解非常缓慢,同时还能快速大规模制备出来,为高效射流破碎机具的研发提供了实验对象支撑。

另一个是如何在现有钻井施工的流量工艺参数限制下,设计出兼具安全性的高效采掘破碎工具。王国荣教授团队经过一次又一次的反复实验论证认为,如果这个流量供应的“紧箍咒”不取下来,无论如何在喷嘴结构上改进,也很难突破水合物射流破碎效率的瓶颈问题。经过上百次的替代样室内射流破碎实验论证,团队最终确定了喷嘴的个数、喷嘴在工具上的排布方式、倾斜角度等一系列关键参数,最后通过全尺寸射流破碎机具的实验数据表明,直射型喷嘴能够满足水合物试采对破碎效率和井壁稳定性的参数要求,最终完成了水合物高效射流破碎工具的的研发及配套工艺图版参数的制定。这一研究成果支撑了2017年我国神狐海域全球首次海洋天然气水合物固态流化试采的成功实施,验证了天然气水合物固态流化开采思想和原理的可行,开拓了天然气水合物开采技术研究的新方向,极大推动了世界天然气水合物开发技术的进步,对实施深海能源战略及建设海洋建国具有重要意义。

深海油气开发路还很长 “神兵利器”等你一起来造

我国海洋油气资源丰富,仅南海就占全国油气资源量的 1/3,其中 70%在深海。天然气水合物被认为是 21 世纪理想的清洁替代能源之一,其中非成岩水合物占 76.5%,主要分布在深水海底浅表层,埋深浅、弱胶结、无致密盖层,传统开采方法面临装备、环境和地质三大风险世界性难题。

“天然气水合物的开发开采应该说刚刚起步,现在还没有走向规模化,未来还有很长的路要走。”王国荣教授谈到。目前我国在深海钻井技术及水下装备领域与国外还有一定差距,要避免未来深海油气领域遭遇“卡脖子”,形成水合物安全高效规模化开采技术,亟待相关基础理论的突破。“我们欢迎更多对石油天然气机械工程领域有兴趣的同学们加入我们,一起为我国深海油气的开发打造更厉害的工具。”王国荣教授说。

“如果对相关领域感兴趣,需要具备物理、化学、数学等学科基础知识。”王国荣教授介绍到,在本科阶段主要学习石油天然气机械工程方面、现代仪器仪表设计制造以及计量测试与自动控制方面的基础知识。重点学习相关的自然科学基础知识以及“机械设计”、“机械制造控制”、“化工过程机械”、“测试计量技术与仪器”等学科。西南石油大学机电工程学院共有“机械工程”、“机械设计制造及自动化”、“过程装备与控制工程”、“测控技术与仪器”、“工业设计”五个本科专业。其中“机械工程”是国家级一流专业建设点,“机械工程”、“过程装备与控制工程”、“测控技术与仪器”为国家级特色专业。西南石油大学机电工程学院还先后承担国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、973、863、国家油气重大专项等纵向科研课题100余项。


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