引言
自1947年世界上第一口海上油井在美国艾利湖钻探成功以来(图1) ,随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高,海洋油气勘探开发已从浅海扩大到中深海域(100～500m) 、深海(500～1 500m) 、甚至超深海( 1500 m以上) 。在一次又一次刷新深水油气开发记录后,本世纪初,石油工业已经把目光投向蕴藏在3000m海底的油气藏。深水油气开发正在成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的前沿。
深水区域蕴藏着丰富的油气资源。全球范围内,海上油气资源有44%分布在300 m 以深的水域,已于深水区发现了33 个储量超过8 000 万m3的大型油气田;此外,深水区域具有丰富的天然气水合物资源,全球天然气水合物的资源总量(含碳量)相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等总含碳量的2倍,其中海洋天然气水合物的资源量是陆地冻土带的100倍以上。到2004年末,全世界已有124个地区直接或间接发现了天然气水合物,其中海洋有84处,通过海底钻探已成功地在20多处取得天然气水合物岩心;同时,在陆上天然气水合物试采已获得成功。
我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资源,石油地质储量约为230亿～300亿吨,占我国油气总资源量的三分之一,其中70%蕴藏于深海区域。在我国南海海域已经发现了天然气水合物存在的地球物理及生物等标志,但我国目前油气开发还主要集中在陆上和近海。随着全球能源消耗需求的增长,在加大现有资源开发力度的同时,开辟深海油气勘探开发领域以寻求新的资源是当前面临的主要任务。
1 世界海洋石油工业技术现状
随着海上油气开发的不断发展,海洋石油工程技术发生着日新月异的变化,在深水油气田开发中,传统的导管架平台和重力式平台正逐步被深水浮式平台和水下生产系统所代替(图2) ,各种类型深水平台的设计、建造技术不断完善。目前,全世界已有2 300多套水下生产设施、204座深水平台运行在全世界各大海域,最大工作水深张力腿平台( TLP)已达到1 434 m、SPAR为2 073 m、浮式生产储油装置( FPSO)为1 900 m、多功能半潜式平台达到1 920 m以上、水下作业机器人(ROV)超过3 000 m,采用水下生产技术开发的油气田最大水深为2 192 m,最大钻探水深为3 095 m。与此同时,深水钻井装备和铺管作业技术也得到迅速发展,全世界已有14艘在役钻探设施具备进行3000 m水深钻探作业能力,第5代、第6代深水半潜式钻井平台和钻井船已在建造中(图3) 。第6代深水钻井船的工作水深将达到3 658 m,钻井深度可达到11 000 m; 深水起重铺管船的起重能力达到14000吨,水下焊接深度为400 m,水下维修深度为2000 m,深水铺管长度达到12 000 km1) 。
2 我国海洋石油工业技术现状
若从1956年莺歌海油苗调查算起,我国海洋石油工业已经走过了近50 年的发展历程。特别是1982年中国海洋石油总公司成立后,我国海洋石油工业实现了从合作开发到自主开发的技术突破,已经具备了自主开发水深200 m以内海上油气田的技术能力,建成投产了45个海上油气田,建造了93座固定平台,共有13艘FPSO (其中8艘为自主研制) 、1艘FPS(浮式生产装置) 、4套水下生产设施,形成了3 900万吨的生产能力。
目前,中国海洋石油总公司已拥有15艘钻井装备和蓝疆号大型海上起重铺管船,其中3艘钻井装备作业水深在300 m以上,最大钻探水深达到505m,大型起重铺管装备的起重能力达到3 800吨。目前,中国海洋石油总公司正在启动深水钻井、铺管装备等方面的前期研究;我国的FPSO建造速度和建造质量已达到国际先进水平,平均建造周期为22个月/艘,远远低于发达国家36个月/艘的平均建造周期
通过合作开发,我国在深水油气田开发方面已实现了零的突破。1996年3月,利用一艘FPSO、一座半潜式平台、一套24井式水下生产系统成功开发了目前我国南海最大的油田LH 11O1 (图5) ,开发中使用了7项世界海洋石油开发工程领域的创新技术,如首次将电潜泵与水下井口生产系统结合进行油田开发,首次采用卧式采油树、跨接管测量预制、回收技术等; 1997年,与STATO IL公司合作,仅用一艘FPSO和一套5井式水下生产系统就实现了水深333 m的深水边际油田LF 22O1的经济开发,成为世界海洋石油开发领域的典范(图6) 。目前,我国已与越南、菲律宾等周边国家签署了联合开发南海相关海域的协议,开发南海水深1 500～3 000m海域的招标也将开始,有关深水钻探的计划正在酝酿中。在国家863计划的支持下,深水油气田开发公用技术平台正在建设中。
3 我国海洋深水油气开发面临的挑战
我国海洋深水区域具有丰富的油气资源,但深水区域特殊的自然环境和复杂的油气储藏条件决定了深水油气勘探开发具有高投入、高回报、高技术、高风险的特点。迄今为止,我国海洋石油工程自主开发能力和实践经验仅限于200 m水深之内,与国外深水海洋石油工程技术的飞速发展尚有很大距离,我们需要面对如下问题。
(1) 与国外先进技术存在很大差距 截至2004年底,国外深水钻探的最大水深为3 095 m,我国为505 m;国外已开发油气田的最大水深为2 192m,我国为333 m;国外铺管最大水深为2202 m,我国为330 m。技术上的巨大差距是我国深水油气田开发面临的最大挑战,因此实现深水技术的跨越发展是关键所在。
(2) 深水油气勘探技术 深水油气勘探是深水油气资源开发首先要面对的挑战,包括长缆地震信号测量和分析技术、多波场分析技术、深水大型储集识别技术及隐蔽油气藏识别技术等。
(3) 复杂的油气藏特性 我国海上油田原油多具高粘、易凝、高含蜡等特点,同时还存在高温、高压、高CO2 含量等问题,这给海上油气集输工艺设计和生产安全带来许多难题。当然,这不仅是我们所面临的问题,也是世界石油界面临的难题。
(4) 特殊的海洋环境条件 我国南海环境条件特殊,夏季有强热带风暴,冬季有季风,还有内波、海底沙脊沙坡等,使得深水油气开发工程设计、建造、施工面临更大的挑战。我国渤海冬季有海冰,如何防止海冰带来的危害也一直是困绕科研人员的难题。
(5) 深水海底管道及系统内流动安全保障深水海底为高静压、低温环境(通常4℃左右) ,这对海上和水下结构物提出了苛刻的要求,也对海底混输管道提出了更为严格的要求。来自油气田现场的应用实践表明,在深水油气混输管道中,由多相流自身组成(含水、含酸性物质等) 、海底地势起伏、运行操作等带来的问题,如段塞流、析蜡、水化物、腐蚀、固体颗粒冲蚀等,已经严重威胁到生产的正常进行和海底集输系统的安全运行,由此引起的险情频频发生。
(6) 经济高效的边际油气田开发技术 我国的油气田特别是边际油气田具有底水大、压力递减快、区块分散、储量小等特点,在开发过程中往往需要考虑采用人工举升系统,这使得许多国外边际油气田开发的常规技术(如水下生产技术等)面临着更多的挑战,意味着水下电潜泵、海底增压泵等创新技术将应用到我国边际油气田的开发中;同时也意味着,降低边际油气田的开发投资,使这些油气田得到经济、有效的开发,将面临更多的、更为复杂的技术难题。
4 结束语
海洋石油开发工程技术、特别是深水工程技术是当代石油开发工程技术方面的前沿性技术之一,有着广阔的应用前景,并且能带来显著的经济效益。随着我国海洋石油工业从浅海向中深海域发展,以及深水油气开发工程技术在LH 1O1、LF 22O1、HZ 32O5等油田的成功应用,相关技术在中深海域油气开发中的技术优势和可观的经济效益已经得到证实。
海洋深水油气勘探开发工程是一门跨学科、跨部门、多领域的技术创新工程,针对我国的实际情况,兼顾引进与创新,集国内外深水油气开发技术之优势,联合攻关、尽快缩短与国外先进技术之间的差距,使我们的深水油气勘探开发技术达到或超过国外同类技术水平,是我国海洋石油开发工程领域当务之急,也是海洋石油工业与相关工业面临的机遇与挑战。
