深水油气开采风险评估及安全控制技术进展与发展建议.pdf
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1、doi:10.11911/syztjs.2023036引用格式:张来斌,谢仁军,殷启帅.深水油气开采风险评估及安全控制技术进展与发展建议 J.石油钻探技术,2023,51(4):55-65.ZHANGLaibin,XIERenjun,YINQishuai.Technicalprogressanddevelopmentsuggestionsforriskassessmentandsafetycontrolofdeep-wateroilandgasexploitationJ.PetroleumDrillingTechniques,2023,51(4):55-65.深水油气开采风险评估及安全控制技术
2、进展与发展建议张来斌1,2,谢仁军1,2,3,殷启帅1,2(1.中国石油大学(北京),北京102249;2.应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室,北京102249;3.中海油研究总院有限责任公司,北京100028)摘要:深水油气资源是国际油气勘探开发的主战场和技术争夺的制高点,南海深水油气资源丰富,但面临更恶劣的深水海洋环境、更复杂的浅层地质灾害、更具挑战的深层地质条件和更苛刻的深水油气开采工况,致灾机理复杂,作业风险极高,探索适用于南海深水油气开采的风险评估及安全控制技术体系,是确保深水油气安全高效开采的关键。针对深水油气开采面临的海洋环境、浅层灾害、深层地质、气井开采等四大挑战,通过
3、技术攻关与工程实践,形成了具有南海特色的深水油气开采风险评估基础理论及关键技术体系,包括深水海洋环境风险评估与控制、深水浅层地质灾害预测与控制、深水钻井井控与应急救援、深水油气开采设施安全检测及监测等关键技术,指出超深水、深水深层、深远海等待勘探领域亟需解决复杂井作业风险高、关键核心装备和工程软件依赖进口、深水安全环保要求极高、数字智能化转型迫切等重大问题,提出了持续追求本质安全、推进关键装备和工程软件的国产化、增强高效风险防控与应急能力、智能化保安全等发展建议,以进一步推动深水油气开采风险评估及安全控制技术的发展与进步,实现南海深水油气安全、高效、自主、可控开发。关键词:深水油气开采;风险评
4、估;安全控制;海洋环境;浅层建井;深水井控;结构监测中图分类号:TE58文献标志码:A文章编号:10010890(2023)04005511Technical Progress and Development Suggestions for Risk Assessment and SafetyControl of Deep-Water Oil and Gas ExploitationZHANG Laibin1,2,XIE Renjun1,2,3,YIN Qishuai1,2(1.China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,Chin
5、a;2.Key Laboratory of Oil and Gas Safety and EmergencyTechnology,Ministry of Emergency Management,Beijing,102249,China;3.CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing,100028,China)Abstract:Deep-wateristhemainbattlefieldofinternationaloilandgasexplorationanddevelopmentandthepinnacle of technological comp
6、etition.Although the deep-water oil and gas resources in the South China Sea areabundant,theyconfrontaharshermarineenvironment,morecomplexshallowgeologicaldisasters,morechallengingdeepgeologicalregimes,andmoredemandingexploitationconditions.Inaddition,thedisaster-triggeringmechanismsarecomplicated,a
7、ndtheoperationalriskishigh.Hence,atechnicalsystemforriskassessmentandsafetycontrolofoilandgasexploitationintheSouthChinaSeaisthekeytoensuringthesafeandefficientdevelopmentofdeep-wateroilandgas.Inthispaper,asystemforthebasictheoryandkeytechnologiestoassesstherisksofdeep-wateroilandgasexploitationinth
8、eSouthChinaSeawasestablishedonthebasisoftechnicalbreakthroughsandengineeringpractice.Aimingtotacklethechallengesofthemarineenvironment,shallow-formationhazards,deep-formationgeology,andgaswellexploitationrisksconfronted,thissystemincorporatedkeytechnologiesregardingtheriskassessmentandcontrolofthede
9、epmarineenvironment,deep-watershallowgeologicaldisasterpredictionandcontrol,deep-waterwell收稿日期:2023-01-28;改回日期:2023-02-09。作者简介:张来斌(1961),男,安徽铜陵人,1982 年毕业于华东石油学院石油矿场机械专业,1985 年获华东石油学院北京研究生部石油机械专业硕士学位,1991 年获石油大学(北京)机械工程专业博士学位,教授,中国工程院院士,主要从事油气生产安全研究。系本刊编委。E-mail:。基金项目:中国工程院咨询研究重点项目“油气工程技术 2035 发展战略研究
10、”课题 5“油气生产安全与保障技术发展战略研究”(编号:2018-XZ-09-05)、国家自然科学基金项目“深水钻井气侵运移规律与气侵速率表征研究”(编号:52101340)联合资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023controlandemergencyrescue,safetydetectionandmonitoringprotocolsforexploitationfacilitiesindeep-wateroilandgasoperations,etc.Moreover,majorprob
11、lemsseekingurgentsolutionswerepointedoutforsuchto-be-exploredareasasultra-deepwater,deepformationsindeepwater,andtheopensea.Theseproblemsincludedhighoperationalrisksofcomplex wells,dependence on the import of key and core equipment and engineering software,demandingrequirements for deep-water safety
12、 and environmental protection,and an urgent need for digital and intelligenttransformation,etc.Onthisbasis,thefollowingdevelopmentsuggestionswereputforward:continuouspursuitofintrinsicsafety,localizationofkeyequipmentandengineeringsoftware,strongerefficientriskpreventionandcontroland emergency respo
13、nse capabilities,and intelligent safety,etc.These suggestions are expected to promote thetechnical advance in risk assessment and safety control of deep-water oil and gas exploitation and achieve safe,efficient,independent,andcontrollableexploitationofdeep-wateroilandgasintheSouthChinaSea.Key words:
14、deep-wateroilandgasexploitation;riskassessment;safetycontrol;marineenvironment;wellconstructioninshallowformations;deep-waterwellcontrol;structuremonitoring南海油气资源量高达 700108t,其中 70%蕴藏在深水,深水油气的勘探开发已成为我国能源的重要接替区和增长级1,但周边国家盗采严重,已形成了超 6300104t/a 的产能。可见,开发深水油气势在必行,也是保障国家能源安全、维护我国南海海洋权益和建设海洋强国的迫切需要。深水开采具有高
15、风险、高投入、高技术、高收益(“四高”)的特点,安全是深水油气开采的生命线2。2010 年,美国墨西哥“深水地平线”井喷爆炸事故导致“船毁人亡”,11 人失踪,并引发生态灾难,沿岸 1609.344km 湿地和海滩被毁,经济损失超过700 亿美元,给世界深水油气开采敲响警钟。我国通过跟踪学习、合作引进和自主创新 3 个阶段,实现了从浅水到深水、从深水到超深水、从深水勘探到深水开发的重大跨越34。经过多年持续技术攻关,相继攻克了一批深水油气开采风险安全评估及风险防控关键技术,有力支撑了我国南海深水钻探的安全高效实施。但随着勘探不断深入,内波流、土台风等海洋环境更加恶劣,超深水、井底高温高压、深层
16、花岗岩等钻探条件更加复杂,导致深水油气开采风险不断升高56。笔者系统总结了南海深水油气开采风险识别及安全控制的前期研究进展及应用效果,并针对南海超深水、深水高温高压、深水深层、深远海等高风险区域的开采难题,在持续追求本质安全、推进核心装备国产化替代、增强高效风险防控与应急能力、智能化转型等方面提出了发展建议,以进一步推动深水油气开采风险识别及安全控制技术的发展与进步,实现南海深水油气安全、高效、自主、可控开发。1南海深水油气开采风险评估及安全控制主要技术难点我国南海地处三大板块交汇处78,地层条件复杂,面临深水与区域高温高压、深层花岗岩等多重挑战9。南海深水油气开采面临海洋环境、浅层灾害、深层
17、地质、气井开采等四大挑战,致灾机理复杂,作业风险极高。1.1 深水海洋环境更恶劣南海每年发生 10 余次台风与极端波浪,内波流和洋流叠加后流速达 5 节以上,综合环境条件极为恶劣。南海深水油气开采具有水深、离岸远、台风多(尤其土台风)和内波强等特点,浪大流急、内波季风频发(见表 1),对深水钻井平台产生诸多影响1012,并且目前深水海洋环境监测数据相对比较缺乏。南海台风季节长、频次高、强度大、危险性高、避台周期长达 1015d;季风持续时间长,物资保障难度大;南海海域内波流发育,且难以预测,流速最快可达2m/s,威力巨大。表 1 不同地区的海洋环境因素对比Table 1 Comparison
18、of marine environmental conditionsin different areas环境因素墨西哥湾北海西非南海台风/飓风冬季风涌浪(低频波)内孤立波近年来,国内外深水钻井平台在南海作业期间遭遇多起台风及内波流事故,导致钻井平台漂移、应急解脱、钻具剪切、隔水管解锁、隔水管内钻井液排海、钻井平台走锚、张力绳断裂和伸缩节倾斜等复杂情况,损失惨重。1.2 浅层地质灾害更复杂深水浅层建井面临浅层气、浅水流、天然气水合物(“三浅”)等地质风险挑战13。2019 年,南海某井钻井作业过程中浅层气从地层喷涌而出,通过56石油钻探技术2023年7月在该井四周钻领眼,才解决了该井浅层气的风险
19、。此外,南海油气区的浅部未成岩、弱固结地层常伴有天然气水合物分布,主要赋存于泥质粉砂等细粒沉积物中,与浅层气、下伏气和游离气耦合共生。南海的陵水、永乐等区块有多口深水井在钻探过程中发现了厚度几米至数十米的天然气水合物层,某深水井钻井作业过程中,ROV(水下机器人)观测到表层导管与泥线界面处发生了严重气窜,发现井口附近地层发生了不均匀沉降和开裂,表层导管出现倾斜并在基盘处形成了新的天然气水合物,严重影响了后续作业安全。深水浅层土质松软,海床不稳定,井口易失稳下沉。2012 年,流花油气田某井(水深 754m)井口下沉 2.50m,导致井眼报废、更换井位,损失超过 5000 万元。2014 年,西
20、非某井固 508.0mm 套管前循环时井口下沉 2.00m,严重影响了作业效率。南海深水海底构造复杂,发育海山、海丘、海槽、海沟、海谷和陡坡等地貌类型,地形起伏大,海底陡峭,最大倾角高达 30,存在较大边坡滑塌风险,钻井工程安全面临严峻的挑战。复杂海底地貌环境下的建井作业越来越频繁,地质勘探有时将井位选在不稳定海床区域,由于缺乏不稳定海床喷射建井的安全性评估方法,钻井施工通常采用将井位更换至平坦区域的方式来规避斜坡海床,甚至与设计井位偏移较大距离,造成地质勘探效果欠佳。1.3 深层地质条件更具挑战南海地处欧亚、太平洋和印澳板块交汇处,地质构造复杂,受地质构造断裂交汇影响,高压成因复杂,难以准确
21、预测。南海是深水和高温高压两大因素主控的盆地,给钻井作业带来巨大挑战。海水代替上覆岩石压力,破裂压力低,安全密度窗口极窄,如南海某口深水高温高压井安全密度窗口仅0.03kg/L,钻井过程中气侵溢流事故频发14。南海深水地层年代新,沉积速率快,成岩性差,承压能力弱,易井漏,井控风险高,处理难度大。深水海况恶劣,浮式钻井平台升沉摇摆幅度大,受呼吸效应干扰,难以监测早期溢流。海底温度低,造成钻井液流变性变差,导致压力难以传递,关井求压困难。井底侵入流体一旦越过水下防喷器组,将造成灾害性后果。压井阻流管汇长,管线摩阻大,压力窗口窄,易压漏地层。2015 年,南海某井 311.1mm 井段钻进中钻速突增
22、,钻压骤降,1min 后早期井涌监测系统报警,钻井液计量罐液面快速升高,判断发生溢流,紧急关井、关防喷器,套压迅速升高,随后骤降,然后逐渐趋于稳定,判断地层发生漏失,最终井眼报废。1.4 深水油气开采工况更苛刻深水油气开采环境恶劣,开采设施安全及完整性检测、监测技术及装备面临巨大挑战。深水油气开采设施长期处于动态变化的工程地质环境中,更加容易受到各种因素的破坏和干扰。由于承受复杂海洋动力环境的作用及周围海上活动造成的外力损伤等,深水油气开采设施的安全运营条件具有高度时空变化及不可预见性,在物理、化学、机械等因素的影响下,将会发生不同程度的腐蚀、损伤、变形、冲刷、偏移和悬跨等缺陷,导致损伤累积,
23、严重时出现渗漏、穿孔、破裂和断裂,引发溢油事故15。深水油气开采设施泄漏具有不可见、节点广、形式复杂、检测难和信号易受环境干扰等特点,陆上泄漏的检测方法大多不适用于深水油气开采设施,深水油气开采设施泄漏的早期实时、在线和全面监测是一个难题,国内外尚未取得重大突破。井筒泄漏是困扰气井安全开发的重要难题,在油气田开发中后期井筒发生泄漏的现象尤为严重。井筒泄漏,不仅使 CO2和 H2S 等腐蚀性气体进入油套环空腐蚀油管外壁及套管内壁,而且会导致套管长时间承受高压,即出现环空带压。环空带压将严重威胁油气井安全生产,严重时存在天然气窜漏至地层、泄漏至井口的风险,甚至引发灾难性事故。海洋结构物长期在海水中
24、服役,由于腐蚀、生物附着、复杂应力、外力破坏和风暴等原因,结构物表面容易产生裂纹、腐蚀等缺陷,且缺陷种类繁多、形貌复杂,导致原来的交流电磁场检测方法不适用于检测上述缺陷,加上水下附着物的干扰,给水下无损检测技术带来诸多挑战。海洋油气开采设施的关键构件如隔水管等,受复杂工况和海洋环境的影响,承受恶劣动载作用易于产生疲劳,一旦突发断裂将导致灾难性后果。然而,受早期损伤信号微弱难以辨识、设施结构复杂、水上水下及井筒作业条件恶劣等因素的制约,隔水管疲劳的早期诊断难度极大。国外开发的隔水管内外检测探伤装置以检测腐蚀和壁厚为主,并不具备诊断早期疲劳的能力,作业水深局限于 200m;国内开发的隔水管疲劳在线
25、监测系统局限于工况监测,无法反映隔水管的实际损伤状态,实际生产中主要采用常规探伤手段,在陆基码头检测处于拆卸状态的隔水管,不但需要支付钻井平台至码头的高额转运费用,还存在着探伤周期长、工艺复杂、效率低、第51卷第4期张来斌等.深水油气开采风险评估及安全控制技术进展与发展建议57人工成本高和无法反映早期疲劳等问题。2南海深水油气开采风险评估及安全控制技术进展为满足南海深水油气安全高效开采需求,针对南海深水油气开采特点,通过“产学研用”协同攻关,初步形成了具有南海特色的深水油气开采风险识别基础理论,探索了适用于南海深水开采的安全控制技术体系,有力支撑了我国南海深水油气开采的安全高效实施16。2.1
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