東方堪探1號
隨著科技進(jìn)步和人類對海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高，海洋油氣已從常規(guī)水深(小于500m)向深水(500～1500m)和超深水(大于1500m)進(jìn)軍，深水油氣田的開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點(diǎn)和世界科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)。
鉆井作業(yè)時(shí)間主要受海洋氣象條件、鉆井設(shè)計(jì)和平臺(tái)動(dòng)復(fù)員時(shí)間以及平臺(tái)作業(yè)能力等影響，主要包括基本鉆井時(shí)間，與水深相關(guān)的時(shí)間，地層有關(guān)的作業(yè)時(shí)間，各種風(fēng)險(xiǎn)、不可預(yù)知的意外事故的處理時(shí)間與海洋氣象條件影響的非作業(yè)時(shí)間等。研究如何減少鉆井作業(yè)時(shí)間引起了深水鉆井技術(shù)與隔水管技術(shù)的巨大變革，并隨之產(chǎn)生了雙梯度鉆井技術(shù)和與之相應(yīng)的雙梯度專用鉆井隔水管系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)。
一、隔水管技術(shù)
當(dāng)前，海上鉆井使用的主要是單梯度鉆井技術(shù)。該技術(shù)在同尺寸的井眼中只有一個(gè)液柱梯度，即井底壓力由海面到井底的鉆井液柱壓力來產(chǎn)生，鉆井液柱壓力梯度均以海面為參考點(diǎn)。在深水鉆井中，由于海底疏松的沉積物和海水柱影響，地層壓力和破裂壓力之間的間隙很小，使得鉆井非常困難。國外20世紀(jì)90年代發(fā)展的雙梯度技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，雙梯度鉆井是一種控制壓力鉆井技術(shù)，其施工思路是：隔水管內(nèi)充滿海水，采用海底泵和小直徑回流管線旁路回輸鉆井液；或在隔水管中注入低密度介質(zhì)(空心微球、低密度流體、氣體)，降低隔水管環(huán)空內(nèi)返回流體的密度，使之與海水相當(dāng)，在整個(gè)鉆井液返回回路中保持雙密度鉆井液體系，有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力，克服深水鉆井中遇到的問題。
雙梯度鉆井泥漿返回海洋隔水管系統(tǒng)采用新的設(shè)計(jì)以充分利用雙梯度鉆井和欠平衡鉆井的優(yōu)點(diǎn)，且沒有失去作為傳統(tǒng)的鉆井隔水管系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)將大直徑泥漿返回線和隔水管隔離工具平穩(wěn)集成于鉆井隔水管系統(tǒng)，能夠同時(shí)滿足未來雙梯度鉆井和目前的傳統(tǒng)鉆井的需要。該系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)：更高的返回泥漿速度；振動(dòng)篩上的持續(xù)流；減少鉆井泥漿的需求；減小隔水管的張力需求；隔水管中鉆井泥漿體積減小，減小了緊急脫離時(shí)鉆井泥漿對環(huán)境的影響。
二、夾式隔水管系統(tǒng)
在海洋深水鉆井作業(yè)中，鉆井隔水管長度增加，隔水管作業(yè)時(shí)間隨之增加，減少隔水管作業(yè)時(shí)間對于減少鉆井作業(yè)時(shí)間具有重要意義。隔水管連接方式及其效率是隔水管技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)的隔水管系統(tǒng)采用螺栓法蘭式連接，其優(yōu)點(diǎn)在于采用法蘭式連接，隔水管系統(tǒng)連接強(qiáng)度大，使得隔水管系統(tǒng)能夠滿足在惡劣海況和超深水海域進(jìn)行鉆井作業(yè)的要求。但是由于它重量大，可能限制鉆井水深；螺栓法蘭連接使隔水管作業(yè)效率低，隔水管作業(yè)時(shí)間過長，增加了非生產(chǎn)時(shí)間。
夾式隔水管是一種卡口式快速連接鉆井隔水管技術(shù)。該技術(shù)采用炮栓型接頭實(shí)現(xiàn)隔水管的快速作業(yè)，它的簡易性和快速下放性能使得它成為深水鉆井的理想裝備。作業(yè)時(shí)，當(dāng)兩根隔水管單根對接完成后，壓入上部隔水管單根，旋轉(zhuǎn)炮栓接頭的載荷環(huán)/鎖緊環(huán)將兩個(gè)單根鎖定完成連接，作業(yè)中不需要螺栓、多線程或任何預(yù)加載荷。這項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是顯著提高隔水管作業(yè)速度，其連接速度是法蘭連接的兩倍，可以每小時(shí)7到8根的速度組裝隔水管柱，一年可節(jié)省10～15天的作業(yè)時(shí)間。
三、自由站立隔水管技術(shù)
在深海區(qū)鉆探，鉆完井活動(dòng)受到惡劣天氣條件的嚴(yán)重影響。隨著勘探水域水深的增加，在惡劣天氣到來之前需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)間才能將隔水管收回，深水中收回隔水管非常耗時(shí)。
國外石油公司正在研制一種FSDR設(shè)備，旨在減少鉆井隔水管下放與收回所需要的時(shí)間。安裝于隔水管上部單根的空氣罐保持FSDR處于張力狀態(tài)。空氣罐以下，F(xiàn)SDR包含傳統(tǒng)的鉆井隔水管裝備。在隔水管的上部是一些隔水管單根(數(shù)量取決于水深)，采用改型的鉆井隔水管單根，外圍分布空氣罐以提供浮力。空氣罐底部開口以吸入空氣。每個(gè)空氣罐能夠提供足夠的浮力。大約20個(gè)空氣罐可以支持處于脫離狀態(tài)的泥漿和鉆桿的獨(dú)立式隔水管。在隔水管的可收回部分采用4根改型的鉆井隔水管，對隔水管單根的唯一改進(jìn)在于為空氣罐浮力塊增加的兩根空氣管線。上部4根隔水管單根不采用泡沫浮力塊。一個(gè)包含接口部件的上部海洋隔水管包將上部可撤回部分與下部的獨(dú)立式部分連接為一體。當(dāng)FSDR下放且固定于海底之后，注入空氣排開空氣罐中灌入的海水。當(dāng)有數(shù)量要求的空氣罐中的海水被排空后，隔水管將自由站立。
在風(fēng)暴到來前，F(xiàn)SDR在靠近海平面處脫離，剩余長的隔水管柱(包括防噴器)與海面以下保持安全和自由站立狀態(tài)以在風(fēng)暴中自存。FSDR的主要優(yōu)點(diǎn)是保證浮船安全撤離所需要的時(shí)間，也就潛在增加了或者最大化了鉆井時(shí)間。譬如在2300米水深情況下，撤回傳統(tǒng)隔水管需要3～5天時(shí)間，而FSDR僅需幾小時(shí)，給深水鉆井作業(yè)帶來巨大收益。風(fēng)暴結(jié)束后，一旦回歸到井位，隔水管再入時(shí)間縮短，鉆井作業(yè)可很快恢復(fù)。
四、非鋼質(zhì)鉆井隔水管技術(shù)
深水鉆井隔水管的材料，從本質(zhì)上講就是需要增加隔水管單根的強(qiáng)度/重量比，從而減小對浮力裝置的要求。
復(fù)合材料在鋼質(zhì)隔水管的節(jié)流和壓井管線的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用上已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，將這一技術(shù)應(yīng)用于隔水管主管設(shè)計(jì)可形成復(fù)合材料鉆井隔水管。復(fù)合材料隔水管采用碳纖維與環(huán)氧硬脂酸酯等高分子化學(xué)成分制成，復(fù)合材料隔水管的重量僅為鋼質(zhì)隔水管重量的1/2。世界上第一個(gè)復(fù)合材料鉆井隔水管在位于北海的挪威國家石油公司一個(gè)張力腿平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)并得到成功測試。碳纖維復(fù)合材料隔水管具有許多期望的屬性，如重量輕、抗腐蝕、抗疲勞、絕熱等。在900米深的水域，復(fù)合材料隔水管所需甲板重量與存儲(chǔ)空間比鋼質(zhì)隔水管減少39%，復(fù)合材料隔水管裸單根的重量是鋼質(zhì)隔水管的68%，配置浮力塊的復(fù)合材料隔水管單根的重量為鋼質(zhì)隔水管重量的84%，復(fù)合材料隔水管所需的浮力塊是鋼質(zhì)隔水管所需數(shù)量的72%。
鈦非常輕、堅(jiān)固，抗腐蝕、抗疲勞與機(jī)加工性能均好。在極限條件下，鈦合金隔水管對于避免隔水管碰撞是必要的，并且不需要對已經(jīng)設(shè)計(jì)的甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大修改。但成本問題一直是鈦隔水管使用的主要阻礙，另一不利因素是鈦的彈性模量較小(約為鋼的一半)，這可能導(dǎo)致懸掛模式下深水鈦合金鉆井隔水管出現(xiàn)較大的軸向動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
鋁合金具有鈦的許多特點(diǎn)，但價(jià)格便宜得多，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母羲苤圃觳牧稀?/p>
使用鋁合金隔水管能夠?yàn)楝F(xiàn)有鉆井船增加水深能力40%以上。由于無需進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改現(xiàn)有鉆井船就可以裝備重量輕成本低的隔水管系統(tǒng)，隨著水深性能的增加可以節(jié)約相當(dāng)可觀的時(shí)間與成本。
五、深水可控泥漿帽鉆井技術(shù)
可控泥漿帽鉆井技術(shù)結(jié)合在深水鉆井中應(yīng)用，有著減小海上鉆井平臺(tái)的負(fù)載，實(shí)施對井底壓力精確控制及減少套管層次等諸多優(yōu)勢。可控泥漿帽鉆井技術(shù)在深海中的應(yīng)用與隔水管及水下設(shè)備的發(fā)展密切相關(guān)。
深水鉆井的難點(diǎn)之一在于地層孔隙壓力和地層破裂壓力窗口狹窄。為達(dá)到順利安全鉆進(jìn)的目的，必須對井底壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。所謂壓力控制鉆井是指通過某種調(diào)節(jié)手段，始終保持井底壓力略大于地層孔隙壓力而遠(yuǎn)小于地層破裂壓力，即在鉆進(jìn)過程中地層流體始終不進(jìn)入井筒，從而保證鉆井安全，但又不至于壓死可能的油層。它與傳統(tǒng)近平衡鉆井的區(qū)別在于其控制井底壓力更加準(zhǔn)確及時(shí)，可以根據(jù)地層的壓力隨時(shí)調(diào)節(jié)井底壓力，是一種動(dòng)態(tài)的連續(xù)的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)井底壓力調(diào)節(jié)手段的不同，壓力控制鉆井分為傳統(tǒng)方式和可控泥漿帽方式。
傳統(tǒng)的壓力控制鉆井是指用節(jié)流管匯調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，從而實(shí)現(xiàn)對井底壓力的精確控制。但在深海中由于水較深使得節(jié)流管線較長，壓力損耗大，從而造成調(diào)節(jié)井底壓力范圍較小，使得調(diào)控壓力難度較大且操作復(fù)雜，這對于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)井底壓力和井控非常不利。可控泥漿帽鉆井技術(shù)與傳統(tǒng)壓力控制鉆井相比調(diào)節(jié)壓力更加快捷便于操作。
南海現(xiàn)已被列為國家十大油氣戰(zhàn)略選區(qū)之一，南海約230～300億噸石油地質(zhì)儲(chǔ)量(占中國總資源量的1/3)亟待開發(fā)。但是，我國南海海域特有的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和內(nèi)波等災(zāi)害環(huán)境本身就是海洋石油領(lǐng)域的世界性難題。因此，一方面要學(xué)習(xí)、引進(jìn)國外先進(jìn)的深水鉆探技術(shù)，另一方面要加強(qiáng)自主創(chuàng)新，譬如研究和開發(fā)能有效消減波浪與海流能量的智能型鉆井隔水管，將系統(tǒng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)等智能技術(shù)方案引入新型鉆井隔水管等項(xiàng)技術(shù)，更好地滿足我國深海水域油氣資源、包括可燃冰等資源勘探、開發(fā)的需要。
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