深水與超深水海洋石油平臺(tái)的發(fā)展

深水和超深水海上石油平臺(tái)及其相應(yīng)的鉆井和勘探設(shè)備是進(jìn)行深水和超深水海上勘探和勘探的兩種最重要設(shè)備。它的主要前提是石油平臺(tái)，它是深水和超深水石油開發(fā)的主要主題。12000-2005年是國外深水和超深水開采的高峰1.1深水和超深水油氣勘探發(fā)展概況世界海洋油氣開發(fā)必然向深水和超深水邁進(jìn)的五大因素是:(1)深水和超深水占了海洋面積的絕大部分。地球的表面積為5.11億km2,其中海洋表面積為3.62億km2,占了人類活動(dòng)面積與空間的三分之二以上;全球水深在1000～3000m占海洋面積的12.88%;水深3000～6000m占了海洋面積的絕大部分,達(dá)73.83%。因此,深水海域海底資源的開發(fā),當(dāng)然就成為人類十分關(guān)注的重點(diǎn)。(2)普通水深的油氣開采已接近飽和,而深水和超深水海洋具有令人鼓舞的油氣儲(chǔ)藏。在20世紀(jì)50～90年代,世界油氣開發(fā)主要集中在400m以內(nèi)常規(guī)水深范圍內(nèi),每年投入300～700艘平臺(tái),年鉆井口數(shù)以千計(jì)。歷時(shí)約半個(gè)世紀(jì)的采油,常規(guī)水深的油氣資源,已被大部分發(fā)現(xiàn)和開采。據(jù)《深水原油生產(chǎn)的增長》(E&P2003年7月號(hào),p.72)報(bào)道預(yù)測(cè),在1000ft以內(nèi)淺水水深,在2003～2007年時(shí)期內(nèi),原油下降保持穩(wěn)定在67.1萬bbl/d(10.67萬m3/d);而2000～2005年深水和超深水海洋具有令人鼓舞的油氣儲(chǔ)藏發(fā)現(xiàn),深水原油生產(chǎn)保持了明顯增長。(3)普通水深的油氣開發(fā)技術(shù)、工藝與裝備的發(fā)展,提供了向深水和超深水采油必要的條件。隨著電子技術(shù)、宇航技術(shù)、造船工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等的飛速發(fā)展,帶動(dòng)了海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展。海洋石油鉆采平臺(tái)和相應(yīng)配套裝備,逐年從淺水向深水推移。1970年,最深勘探鉆井水深為456m,1979年接近1500m(為1486.2m),1987年,鉆井工作水深突破7500ft,實(shí)際達(dá)到7520ft(2292.4m)。2000年末,海洋石油鉆井工作水深達(dá)2695m(8835ft);2003年2月中旬,鉆井工作水深突破3000m,達(dá)10011ft,即3052m(詳見《E&P》2004年3月號(hào)P.91)。海底完井采油工作水深歷年紀(jì)錄為:1979年4月為189m;1985年4月達(dá)383m;1991年3月達(dá)721m;1999年達(dá)1853m;2002年,Shell公司在墨西哥灣的大白油田(GreatWhite)AlaminosCanyan857區(qū)塊,水深為2441m(8009ft)進(jìn)行采油。(4)深水和超深水采油成本由于高的采油量而不再高攀。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新技術(shù)新材料的不斷開發(fā)應(yīng)用,勘探開發(fā)的成本逐年減低,由十多年前的當(dāng)量桶油成本6美元下降為2002年不足4美元。油田建設(shè)周期也不斷縮短,由十多年前的8年下降為5～6年,建設(shè)周期的縮短,使得項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高,又進(jìn)一步促進(jìn)了深海石油開發(fā)的發(fā)展。(5)高的油價(jià)更驅(qū)使深水和超深水油氣田開發(fā)。1950～1970年,由于石油鉆采技術(shù)的迅速發(fā)展,陸地和近海的大量勘探,石油產(chǎn)量劇增,油價(jià)低達(dá)每桶約2美元,工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛棄煤用油,加上汽車工業(yè)特別是家用汽車迅猛發(fā)展,大量耗油促使產(chǎn)油和煉油大增,至1971～1980年,由于中東戰(zhàn)爭等因素,油價(jià)攀升至每桶約32美元,驅(qū)使海洋石油工業(yè)大發(fā)展,海洋石油鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造從1975年的304艘,至1985年增至772艘。由于油價(jià)從1981年開始下跌的延后效應(yīng),海洋石油鉆井采油不景氣,投入海上勘探開發(fā)鉆井逐年減少,海上鉆井平臺(tái)從1985年的772艘,至1996年減少至567艘,各石油設(shè)備制造廠商也大幅度萎縮或合并,海上新平臺(tái)建造也較少,多數(shù)采用舊平臺(tái)更新改造的方法,以適應(yīng)鉆井水深和鉆井深度向深部推進(jìn)的需求。1997～2004年,由于世界各國政治經(jīng)濟(jì)的諸多因素、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及中東伊拉克對(duì)科威特戰(zhàn)爭和相隨而至的兩次美伊戰(zhàn)事等原因,油價(jià)又逐漸上升,至2004年初上升至每桶約35美元,2005年,最高達(dá)70美元。海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)從1996年的567艘至2002年增加至635艘。為適應(yīng)向深水和深井找油的需求,近年運(yùn)用綜合高科技,設(shè)計(jì)建造了工作水深超過10000ft、鉆井深度達(dá)到37500ft、鉆機(jī)絞車功率增至7200hp的海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)。可見由于油價(jià)暴漲,深水和超深水采油更加有利可圖。1.22地層原油儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)情況據(jù)美國《Offshore》2005年1月《美國墨西哥灣深水發(fā)現(xiàn)》一文列表的統(tǒng)計(jì),美國墨西哥灣(以下簡稱GoM)從1982年開始至2004年的13年間,在GoM深水共發(fā)現(xiàn)并采油(或準(zhǔn)備采油)的油田118個(gè)。又據(jù)《Offshore》2003年10月《深水勘探與開發(fā)報(bào)告-美國墨西哥灣領(lǐng)導(dǎo)深水發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)》一文的報(bào)道稱:全世界2002年至2003年8月期間,共發(fā)現(xiàn)深水油田69處(2002年44處,2003年1～8月25處)。其中,GoM在這20個(gè)月中發(fā)現(xiàn)深水油田28處,特別是由Anadarko作業(yè)公司在Atlas油田L(fēng)loydRidge50區(qū)塊水深9000ft地塊,發(fā)現(xiàn)3200萬bbl(508.8萬m3)原油儲(chǔ)量;雪佛龍德士古石油公司在GoM的Tahiti油田綠色峽谷640和596區(qū)塊、水深4615ft,發(fā)現(xiàn)50200萬bbl(7981.3萬m3)原油儲(chǔ)量;特別令人鼓舞的是美國埃克森美孚石油公司在澳大利亞WA-18-R區(qū)塊水深4265ft地塊,發(fā)現(xiàn)36億bbl(57236.4萬m3)原油儲(chǔ)量。又據(jù)筆者統(tǒng)計(jì),在2002年至2003年8月期間,在發(fā)現(xiàn)的深水油田69處中,共有原油當(dāng)量儲(chǔ)量146.62億bbl,約折合23.31億m3,可獲日產(chǎn)原油423108m3,約折合年產(chǎn)增原油1.54億m3。1.3油氣產(chǎn)出增長情況據(jù)題為《深水原油生產(chǎn)的增長》(E&P2003年7月號(hào),p.72)報(bào)道:2003年5月休斯敦OTC會(huì)議上,美國礦業(yè)管理服務(wù)(MMS)機(jī)構(gòu)墨西哥灣外陸架地區(qū)區(qū)首ChrisOynes稱,在墨西哥灣水深超過305m海域的原油產(chǎn)出繼續(xù)保持較大的增長,而天然氣生產(chǎn)卻連續(xù)下降。在過去的4年里,原油產(chǎn)出每年均在增長。據(jù)最近研究,最新發(fā)布的數(shù)據(jù),海洋油氣生產(chǎn)低的預(yù)測(cè)是:原油從2003年153萬bbl/d(24.33萬m3/d),到2007年增長將達(dá)到158萬bbl/d(25.12萬m3/d,2006年后期高峰產(chǎn)量將達(dá)180萬bbl/d(28.62萬m3/d);高的預(yù)測(cè)是:原油產(chǎn)出增長將從2006年的171萬bbl/d(27.19萬m3/d)到2007年將達(dá)193萬bbl/d(30.69萬m3/d),2006年后期高峰產(chǎn)量將達(dá)214萬bbl/d(34.02萬m3/d)。天然氣(包括伴生氣)卻不斷下降,從2003年的11.98Bcf/d(33920萬m3/d)下降到2007年的9.86Bcf/d(27920萬m3/d)。水深超過305m的深水油氣田,原油增長情況是:低的預(yù)測(cè):從2003年90萬bbl/d(14.31萬m3/d)到2007年將達(dá)109萬bbl/d(17.33萬m3/d),在淺水區(qū)相同的時(shí)期內(nèi),原油將從63萬bbl/d(10.01萬m3/d)下降到49萬bbl/d(7.79萬m3/d);高的預(yù)測(cè)是:從2003年104萬bbl/d(16.54萬m3/d)到2007年將增長到125萬bbl/d(19.87萬m3/d),在淺水區(qū)相同的時(shí)期內(nèi),原油保持穩(wěn)定在67.1萬bbl/d(10.67萬m3/d)。深水提供的天然氣支持卻減少,低的預(yù)測(cè)是:天然氣從2003年的3.27Bcf/d(9259.6萬m3/d)下滑到2007年的2.82Bcf/d(7985萬m3/d),在2005年后期高峰產(chǎn)量達(dá)3.67Bcf/d(10392萬m3/d),在淺水相同的時(shí)期內(nèi),天然氣將從8.71Bcf/d(24664萬m3/d)下降到7.04Bcf/d(19935萬m3/d);高的預(yù)測(cè)是:天然氣從2003年的3.83Bcf/d(10845萬m3/d)到2007年下降到3.32Bcf/d(9401萬m3/d),在淺水相同的時(shí)期內(nèi),將基本保持9.19Bcf/d(26023萬m3/d)的水平(1Bcf=2831.68萬m3)。2浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油系統(tǒng)據(jù)《WorldOil》2003年12月號(hào)報(bào)道:在被統(tǒng)計(jì)的2000年及以后新建移動(dòng)式鉆井平臺(tái)24艘中,全部均為深水或超深水鉆井平臺(tái),其中僅有2艘工作水深分別為500m和1000m。工作水深超過1700m者達(dá)22艘,占91.7%(其中工作水深為3048m(10,000ft)者共11艘,占新建移動(dòng)式平臺(tái)24艘中的45.8%)。據(jù)《E&P》2003年7月號(hào)(p.72)報(bào)道:從2003～2007年的5年間,在墨西哥灣、西非近海等海域,全世界將有浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油系統(tǒng)(FPSO)共116艘投入工作,其中浮船式FPSO77艘,TLP16艘,Spar13艘,半潛式采油平臺(tái)10艘。花費(fèi)在FPSO的投資將達(dá)到210億美元(總采油設(shè)施投資320億美元),其中西非117億美元,北美墨西哥灣已計(jì)劃花費(fèi)74億美元,其余分別花費(fèi)在拉丁美洲、亞洲、澳洲和西歐。2.1國外深水和超深水開采平臺(tái)的選擇和特點(diǎn)2.1.1深水和超深開挖平臺(tái)船深水和超深水鉆井平臺(tái)主要選用適應(yīng)深水和超深水鉆井的半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船兩類。(1)深水、超深水鉆井平臺(tái)半潛式鉆井平臺(tái)是用于深水和超深水較多的鉆井平臺(tái)。它分為自航式、非自航式和自航兼動(dòng)力定位等幾種。具有可移性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、工作水深范圍廣、甲板空間大、儲(chǔ)存能力大、可變載荷高等一系列優(yōu)點(diǎn)。可用它先進(jìn)行勘探鉆井,一當(dāng)發(fā)現(xiàn)可采油氣后即可立即進(jìn)行水下完井作業(yè),甚至可進(jìn)行采油(在半潛式鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)上增加平臺(tái)的油、氣、水生產(chǎn)處理裝置以及相適應(yīng)的立管系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)及生產(chǎn)控制中心等)。它除具有鉆井、修井能力外,還有適應(yīng)多海底井和衛(wèi)星井的采油和儲(chǔ)油能力。典型的深水和超深水鉆井平臺(tái)如圖1所示。它通常具有簡浩的四柱式和兩個(gè)下沉墊結(jié)構(gòu);具有能安裝雙套鉆機(jī)的雙井架結(jié)構(gòu)和雙旋轉(zhuǎn)吊機(jī);泊位采用動(dòng)力定位或鏈纜組合的錨泊定位。(2)深水強(qiáng)，實(shí)踐強(qiáng)鉆井船的主要特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好;適應(yīng)工作水深很強(qiáng);甲板空間大、存儲(chǔ)能力大、可變載荷高、自持力強(qiáng)。缺點(diǎn)是鉆井工作時(shí)的搖擺、升沉比半潛式大。典型的深水和超深水鉆井船如圖2所示。2.1.2深水和超深水采平臺(tái)(1)甲景質(zhì)低效空間流態(tài)技術(shù)半潛式采油平臺(tái)(圖3)的船體型式和總體結(jié)構(gòu)與半潛式鉆井平臺(tái)基本相同,也分為自航式、非自航式和自航兼動(dòng)力定位等幾種。具有可移性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、工作水深范圍廣、甲板空間大、儲(chǔ)存能力大、可變載荷高等一系列優(yōu)點(diǎn)。它是在半潛式鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)上增加平臺(tái)的油、氣、水生產(chǎn)處理裝置以及相適應(yīng)的立管系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)及生產(chǎn)控制中心等。除具有鉆井、修井能力外,還有適應(yīng)多海底井和衛(wèi)星井的采油和儲(chǔ)油能力。其發(fā)展僅次于浮船式FPSO。(2)fpso的運(yùn)行浮(船)式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(圖4),簡稱FPSO,早期的FPSO,多用舊油輪改裝,在其上安裝油氣水分離處理裝置和大型輸油泵,并裝設(shè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。隨后即專門設(shè)計(jì)建造發(fā)展了多種型式的FPSO。至2003年為止,全世界建成的共有67艘(尚不包括FSO或FSU)。它的主要特點(diǎn)是,機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好;適應(yīng)工作水深很強(qiáng);甲板空間大、存儲(chǔ)能力大、可變載荷高、自持力強(qiáng);具有適應(yīng)深水采油(與海底完井系統(tǒng)組合)的能力;在深水域中有較大的抗風(fēng)浪能力;具有大產(chǎn)量的油、氣、水生產(chǎn)處理能力和大的原油儲(chǔ)存能力。(3)tlp平臺(tái)體系組成張力腿平臺(tái)(簡稱TLP)適用于較深水域(300～1500m)、且可采油氣儲(chǔ)量較大的油田。TLP一般由上部模塊(Topside)、甲板、船體(下沉箱)、張力鋼索及錨系、底基等幾部分組成(如圖5所示)。其船體(下沉箱)可以是三、四或多組沉箱,下設(shè)3～6組或多組張力鋼索,垂直與海底錨定。平臺(tái)及其下部沉箱受海水浮力,使張力鋼索始終處于張緊狀態(tài),故在鉆井或采油作業(yè)時(shí),TLP幾乎沒有升沉運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)。其微小的升沉和平移運(yùn)動(dòng)(平移運(yùn)動(dòng)僅為水深的1.5%～2%),在鉆井和完井時(shí)主要由水中和井內(nèi)相對(duì)細(xì)長的鉆具及專用短行程補(bǔ)償器補(bǔ)償。鑒于TLP始終處于錨定的固定狀態(tài),故APIRP2A將它定義其為固定平臺(tái)。(4)sar平臺(tái)的第三代結(jié)構(gòu)Spar平臺(tái)可稱為單柱浮體平臺(tái)。第一座Spar平臺(tái)1972年在北海投入使用,它是在柱形浮標(biāo)和張力腿平臺(tái)概念的基礎(chǔ)上研制出的一種用于深水的生產(chǎn)平臺(tái)。這種平臺(tái)的上部由一座單柱直徑約數(shù)十米、長約100m甚至更長的圓筒形柱體結(jié)構(gòu)支撐,柱體下方用垂向的或斜向向外圓周幅射狀張力索系泊定位。它與TLP平臺(tái)相似,具有很好的穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)性能。平臺(tái)工作水深從1996年的588m,至2004年,Spar平臺(tái)在墨西哥灣水深已達(dá)1710m。Spar平臺(tái)迄今發(fā)展了三代,第一代為傳統(tǒng)的筒柱形(Classic)Spar;第二代為桁架型(Truss)Spar;第三代分筒集束型(Cell)Spar)和濕樹(WetTree)型Spar,見圖6。Spar頂部為甲板及上部鉆采模塊,系泊拉索則沿中心主干向外圓周幅射布置。系泊拉索尾端由重力錨或大抓力錨或吸力錨固定。Spar采油平臺(tái)發(fā)展的三代結(jié)構(gòu)示意如圖6所示;最新的Spar平臺(tái)見圖7。2.2簡單分析和巖石開采平臺(tái)向深水和超深水的移動(dòng)2.2.1簡單分析和挖掘平臺(tái)向深水和超深水的發(fā)展2.2.1.自12000年和將來，設(shè)計(jì)的大型深水采礦平臺(tái)規(guī)模簡單2000年及以后新建與在建的深水移動(dòng)式鉆井平臺(tái)包括半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井浮船兩類,其建造簡況分別列表統(tǒng)計(jì)見表1與表2。2.2.1.平臺(tái)及平臺(tái)均具有整體、局部的穩(wěn)定性(1)2000年及以后新建移動(dòng)式鉆井平臺(tái)的工作水深普遍超過1700m,最深達(dá)3048m。在被統(tǒng)計(jì)的18艘半潛式鉆井平臺(tái)中,有2艘分別為500m和1000m,僅占11.2%。超過1700m的占88.8%。其中5艘為1700～1829m,5艘為2286～2500m,其余6艘為3048m。在被統(tǒng)計(jì)的6艘鉆井浮船中,僅有1艘為2438m,其余5艘均為3048m。綜上所述在被統(tǒng)計(jì)的2000年及以后新建移動(dòng)式鉆井平臺(tái)24艘中,工作水深超過1700m者達(dá)22艘,占91.7%。工作水深為3048m者共11艘,占新建移動(dòng)式平臺(tái)24艘中的45.8%。(2)平臺(tái)的可變載荷最小為3500t,普遍在5800t以上,最高達(dá)2.6萬t。(3)鉆機(jī)的鉆深能力普遍超過9244m,最高達(dá)11430m。超過10668m者達(dá)10艘。(4)為了在鉆井試油發(fā)現(xiàn)可采儲(chǔ)量后,可以方便立即進(jìn)行完井作業(yè),在相當(dāng)數(shù)量的2000年及以后新建移動(dòng)式平臺(tái)(船)中,均設(shè)計(jì)配備了完井液。(5)為延長在大洋的自持能力,侖儲(chǔ)容積均較大。如飲用水大多超過1000m3,最高達(dá)5800m3(BelfordDolphin鉆井浮船);燃油儲(chǔ)備也很大,如全球圣達(dá)菲(GSF)JackRyan鉆井浮船為7155m3,BelfordDolphin鉆井浮船為5100m3,LEIVEIRIKSSON和EIRIKRAUDE半潛式鉆井平臺(tái)均為4156m3。(6)為適應(yīng)深水和超深水鉆井和完井,錨泊多為動(dòng)力定位系統(tǒng)(DPS-3),但在半潛式鉆井平臺(tái)中,也有用錨機(jī)-纜鏈系統(tǒng)的。從表1可見:2500m水深以內(nèi)采用錨機(jī)-纜鏈系統(tǒng)錨泊者已有新建(NewBulding)號(hào)、NobleClydeBoudreaux號(hào)、LEIVEIRIKSSON(Bingo-9000)號(hào)、EIRIKRAUDE(Bingo-9000)號(hào)、賽德柯快捷號(hào)(SEDCOEXPRESS)號(hào)、卡江快捷號(hào)(CAJUNEXPRESS)號(hào)和賽德柯能源號(hào)(SEDCOENERGY)號(hào)共7例。2.2.2初始安裝資料據(jù)美國《Offshore》2005年5月最新統(tǒng)計(jì),現(xiàn)將全世界半潛式采油平臺(tái)、船式FPSO、TLP平臺(tái)和Spar平臺(tái)新近待安裝、已安裝和正投入使用的、工作水深最深的資料列于表3～6。3向海底石油勘探開發(fā)的技術(shù)難題(1)國外深海石油勘探開發(fā)始于2