深海油气资源勘探新技术

随着科技进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高，海洋油气已从常规水深(小于500m)向深水(500～1500m)和超深水(大于1500m)进军，深水油气田的开发正在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的热点。

钻井作业时间主要受海洋气象条件、钻井设计和平台动复员时间以及平台作业能力等影响，主要包括基本钻井时间，与水深相关的时间，地层有关的作业时间，各种风险、不可预知的意外事故的处理时间与海洋气象条件影响的非作业时间等。研究如何减少钻井作业时间引起了深水钻井技术与隔水管技术的巨大变革，并随之产生了双梯度钻井技术和与之相应的双梯度专用钻井隔水管系统等创新技术。

一、隔水管技术

当前，海上钻井使用的主要是单梯度钻井技术。该技术在同尺寸的井眼中只有一个液柱梯度，即井底压力由海面到井底的钻井液柱压力来产生，钻井液柱压力梯度均以海面为参考点。在深水钻井中，由于海底疏松的沉积物和海水柱影响，地层压力和破裂压力之间的间隙很小，使得钻井非常困难。国外20世纪90年代发展的双梯度技术很好地解决了这个问题，双梯度钻井是一种控制压力钻井技术，其施工思路是：隔水管内充满海水，采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质(空心微球、低密度流体、气体)，降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的问题。

双梯度钻井泥浆返回海洋隔水管系统采用新的设计以充分利用双梯度钻井和欠平衡钻井的优点，且没有失去作为传统的钻井隔水管系统的功能。系统将大直径泥浆返回线和隔水管隔离工具平稳集成于钻井隔水管系统，能够同时满足未来双梯度钻井和目前的传统钻井的需要。该系统的显著优点：更高的返回泥浆速度；振动筛上的持续流；减少钻井泥浆的需求；减小隔水管的张力需求；隔水管中钻井泥浆体积减小，减小了紧急脱离时钻井泥浆对环境的影响。

二、夹式隔水管系统

在海洋深水钻井作业中，钻井隔水管长度增加，隔水管作业时间随之增加，减少隔水管作业时间对于减少钻井作业时间具有重要意义。隔水管连接方式及其效率是隔水管技术的重要组成部分。传统的隔水管系统采用螺栓法兰式连接，其优点在于采用法兰式连接，隔水管系统连接强度大，使得隔水管系统能够满足在恶劣海况和超深水海域进行钻井作业的要求。但是由于它重量大，可能限制钻井水深；螺栓法兰连接使隔水管作业效率低，隔水管作业时间过长，增加了非生产时间。

夹式隔水管是一种卡口式快速连接钻井隔水管技术。该技术采用炮栓型接头实现隔水管的快速作业，它的简易性和快速下放性能使得它成为深水钻井的理想装备。作业时，当两根隔水管单根对接完成后，压入上部隔水管单根，旋转炮栓接头的载荷环/锁紧环将两个单根锁定完成连接，作业中不需要螺栓、多线程或任何预加载荷。这项技术最大的优点是显著提高隔水管作业速度，其连接速度是法兰连接的两倍，可以每小时7到8根的速度组装隔水管柱，一年可节省10～15天的作业时间。

三、自由站立隔水管技术

在深海区钻探，钻完井活动受到恶劣天气条件的严重影响。随着勘探水域水深的增加，在恶劣天气到来之前需要花费数天时间才能将隔水管收回，深水中收回隔水管非常耗时。

国外石油公司正在研制一种FSDR设备，旨在减少钻井隔水管下放与收回所需要的时间。安装于隔水管上部单根的空气罐保持FSDR处于张力状态。空气罐以下，FSDR包含传统的钻井隔水管装备。在隔水管的上部是一些隔水管单根(数量取决于水深)，采用改型的钻井隔水管单根，外围分布空气罐以提供浮力。空气罐底部开口以吸入空气。每个空气罐能够提供足够的浮力。大约20个空气罐可以支持处于脱离状态的泥浆和钻杆的独立式隔水管。在隔水管的可收回部分采用4根改型的钻井隔水管，对隔水管单根的唯一改进在于为空气罐浮力块增加的两根空气管线。上部4根隔水管单根不采用泡沫浮力块。一个包含接口部件的上部海洋隔水管包将上部可撤回部分与下部的独立式部分连接为一体。当FSDR下放且固定于海底之后，注入空气排开空气罐中灌入的海水。当有数量要求的空气罐中的海水被排空后，隔水管将自由站立。

在风暴到来前，FSDR在靠近海平面处脱离，剩余长的隔水管柱(包括防喷器)与海面以下保持安全和自由站立状态以在风暴中自存。FSDR的主要优点是保证浮船安全撤离所需要的时间，也就潜在增加了或者最大化了钻井时间。譬如在2300米水深情况下，撤回传统隔水管需要3～5天时间，而FSDR仅需几小时，给深水钻井作业带来巨大收益。风暴结束后，一旦回归到井位，隔水管再入时间缩短，钻井作业可很快恢复。

四、非钢质钻井隔水管技术

深水钻井隔水管的材料，从本质上讲就是需要增加隔水管单根的强度/重量比，从而减小对浮力装置的要求。

复合材料在钢质隔水管的节流和压井管线的设计和实验应用上已经取得了较大进展，将这一技术应用于隔水管主管设计可形成复合材料钻井隔水管。复合材料隔水管采用碳纤维与环氧硬脂酸酯等高分子化学成分制成，复合材料隔水管的重量仅为钢质隔水管重量的1/2。世界上第一个复合材料钻井隔水管在位于北海的挪威国家石油公司一个张力腿平台上进行作业并得到成功测试。碳纤维复合材料隔水管具有许多期望的属性，如重量轻、抗腐蚀、抗疲劳、绝热等。在900米深的水域，复合材料隔水管所需甲板重量与存储空间比钢质隔水管减少39%，复合材料隔水管裸单根的重量是钢质隔水管的68%，配置浮力块的复合材料隔水管单根的重量为钢质隔水管重量的84%，复合材料隔水管所需的浮力块是钢质隔水管所需数量的72%。

钛非常轻、坚固，抗腐蚀、抗疲劳与机加工性能均好。在极限条件下，钛合金隔水管对于避免隔水管碰撞是必要的，并且不需要对已经设计的甲板结构进行较大修改。但成本问题一直是钛隔水管使用的主要阻碍，另一不利因素是钛的弹性模量较小(约为钢的一半)，这可能导致悬挂模式下深水钛合金钻井隔水管出现较大的轴向动态响应。

铝合金具有钛的许多特点，但价格便宜得多，是一种很有发展潜力的隔水管制造材料。

使用铝合金隔水管能够为现有钻井船增加水深能力40%以上。由于无需进行结构修改现有钻井船就可以装备重量轻成本低的隔水管系统，随着水深性能的增加可以节约相当可观的时间与成本。

五、深水可控泥浆帽钻井技术

可控泥浆帽钻井技术结合在深水钻井中应用，有着减小海上钻井平台的负载，实施对井底压力精确控制及减少套管层次等诸多优势。可控泥浆帽钻井技术在深海中的应用与隔水管及水下设备的发展密切相关。

深水钻井的难点之一在于地层孔隙压力和地层破裂压力窗口狭窄。为达到顺利安全钻进的目的，必须对井底压力进行实时控制。所谓压力控制钻井是指通过某种调节手段，始终保持井底压力略大于地层孔隙压力而远小于地层破裂压力，即在钻进过程中地层流体始终不进入井筒，从而保证钻井安全，但又不至于压死可能的油层。它与传统近平衡钻井的区别在于其控制井底压力更加准确及时，可以根据地层的压力随时调节井底压力，是一种动态的连续的调节方式。根据井底压力调节手段的不同，压力控制钻井分为传统方式和可控泥浆帽方式。

传统的压力控制钻井是指用节流管汇调节环空压力，从而实现对井底压力的精确控制。但在深海中由于水较深使得节流管线较长，压力损耗大，从而造成调节井底压力范围较小，使得调控压力难度较大且操作复杂，这对于实时准确调节井底压力和井控非常不利。可控泥浆帽钻井技术与传统压力控制钻井相比调节压力更加快捷便于操作。

南海现已被列为国家十大油气战略选区之一，南海约230～300亿吨石油地质储量(占中国总资源量的1/3)亟待开发。但是，我国南海海域特有的强热带风暴和内波等灾害环境本身就是海洋石油领域的世界性难题。因此，一方面要学习、引进国外先进的深水钻探技术，另一方面要加强自主创新，譬如研究和开发能有效消减波浪与海流能量的智能型钻井隔水管，将系统控制技术、传感技术和自适应技术等智能技术方案引入新型钻井隔水管等项技术，更好地满足我国深海水域油气资源、包括可燃冰等资源勘探、开发的需要。