【海洋开发及环境保护】9海洋石油资源勘探开发技术

【海洋开发及环境保护】9海洋石油资源勘探开发技术2011年第一页，共69页。2010年4月20深水地平线近海钻井平台起火第二页，共69页。第三页，共69页。并最终于2010年4月24日沉入墨西哥湾第四页，共69页。泄漏1.2亿加仑的原油（约40万吨）清污费用1000万美圆/天累计损失400亿美圆第五页，共69页。关于海洋石油一些基本了解石油被称为现代工业的血液①化工原料：产品达5000多种，如塑料、合成橡胶、电影胶片、合成纤维、化肥、合成洗涤剂、润滑油等。②能源：石油在世界能源消耗中也占有重要的地位，目前人类所需要的能源，几乎有一半以上要依赖石油和天然气，其中，工业发达国家大约要占75%。世界海洋石油：1991年9.66亿吨2008占世界石油产量（日消费8570万桶）35%。

第六页，共69页。海洋石油开发历程：从近岸沼泽、湖泊河流的入海口、海湾、逐步发展到大陆架海域。由于发展海洋石油开采设施更加复杂，所以采油作业的水深能力总是落后于钻探水平。海洋石油经济地位：海洋石油占海洋产业产值60%以上，加上天然气达70%。投入产出比>1:2。储量排名：波斯湾探明储量达120亿吨，占全世界海洋石油探明储量50%以上；欧洲北海第二；墨西哥湾列第三；中国南海潜力也很大。龙头作用：海洋石油开发产业由于高收益、高风险，所以各种高新技术会得到迅速的应用，从而拉动诸如机械、造船、通讯、海运、海洋环境监测预报等等相关产业的发展（10亿联想笔记本发送到月亮）。

第七页，共69页。典型例证：挪威，二战前一个穷国，2010年人均国民收入58810美元，世界最幸福国家。20世纪60年代北海油田使挪威成为石油出口国；2001产量达到17800万吨，2010年降到11470万吨，石油天然气出口占国家出口的50%，GDP22%，政府收入27%。北海石油雇用的工人就有30多万，拉动的行业就业的人员，已占挪威全国就业人数的1／3。海洋石油工业的迅速发展了机械、造船工业、为石油工业设备服务。我国历程：1959年开始勘探，到1978年，年产量16.9万吨；1991年年产已达239万吨；2010年中国海洋石油产量为5000万吨（大部分是外资），目前在海洋地质勘探、钻井技术和设备的某些技术方面已达国际先进水平，拥有现代化的装备和设施。

第八页，共69页。一、海洋石油开发的特点

资金密集

(在渤海浅海区一般一口探井3000—5000万元)表现在：1.投资大①海上调查勘探或开发的装备条件投资是陆地油田3倍，几千万一口探井，中心采油平台上亿美元，寻找1亿吨的石油储量需要约2.5亿美元。②随水深的增加投资成倍增加：而在水深300m处油气投资是水深180m的两倍。水深180m的是水深20m两倍，例如：杜邦公司1989年用于开发墨西哥湾深海石油生产平台，预算4亿美元。2.再者，海上的实施、维持费用也很大。

第九页，共69页。风险大

主要表现在：1.判断失误比率高：勘察投资大且可能查不清、使后续投资无效；一夜暴富、一夜破产；2.周期长(5-10年)：资金积压、追加投资、不可预见，使回收投资难度增大；3.海洋自然条件风险：影响正常生产作业、恶性事故，“渤海二号沉没事件”；4.环境风险：溢油赔偿。技术密集主要表现在1.应用技术本身就非常复杂：上天容易入地难，涉及数据传输、自动化、自动定位、数控成像、水下遥控等；2.技术更新快：由于高的经济收益和高风险，使更新技术的投资显得微不足道，从而海洋石油开发行业大大拉动相应技术群的发展。

第十页，共69页。渤海2号钻井平台(沉于风浪)老渤海2号固定平台倒于海冰第十一页，共69页。

1979年11月25日：渤海2号钻井船72人遇难。1983年10月25日爪哇海”号钻井船81人中方35外方46人，遭台风倾覆，未找到尸体和幸存者。2010年4月20日，深水地平线爆炸倾覆11人遇难，损失超过400亿美元2011年4月20日，周年祭，“深水地平线”钻井平台爆炸时罹难的11名英国石油公司工人的家属，20日在钻井平台所有者——瑞士越洋钻探公司的组织下，乘直升机在“深水地平线”原址上空盘旋，向逝去的亲人表达哀思。人类从来不是因危险而驻足。最危险的行业是开车，我国车祸死亡人数每年超10万。第十二页，共69页。二、海洋石油勘探方法

海洋上石油勘探就是寻找那些既有生油地层和储油地层，又有很好的盖层保护的储油构造区。1.地质调查(第一阶段)：在沿岸地质构造调查分析的基础上，用回声测深仪(或用航空拍照的资料)来研究海底地形的特点和采集岩样，确定可以形成或储油构造的海区，地质调查的主要方式为路线调查和面积调查(是按任务规定的成图比例尺，在调查海区布设一定间距的测网或测线而进行的调查)。

第十三页，共69页。2.地球物理勘探(第二阶段)对重点地区进行海上石油地球物理勘探，以圈出沉积盆地的范围，了解地层、岩性和构造状况。海上石油勘探，地震勘探方法最重要，最深入。①地震勘探：反射地震勘探是最基本、最重要的方法。由于海底地层的物质组成和构造不同，对同一地震波产生的反射不同。地震波在地下不同介质中以不同速度传播，遇到不同的地层分界面，会产生反射和折射而返回地面。反射地震勘探是用专门仪器记录这些返回地面的反射波，分析其传播时间、振动波形等特点，再借用计算机和仪器进行处理，就能测定界面的深度和形态，判断地层的岩性和含油气构造。

第十四页，共69页。在海水中用炸药爆炸，或用压缩空气、电火花等瞬时释放大量的能量，都能产生人工地震波。压缩空气又称“气枪法”(用气枪将高压空气迅速压入水中，形成气泡，借气泡在水中胀缩交替振荡产生震波)。电火花震源为用电容器将储藏的电能加到放置于水中的电极上，由于放电效应产生火花而造成振动。地震波传到海底遇到不同物质（石油、天然气与岩盐等）、不同地层（砂岩层与页岩层）、不同的构造（背斜构造与向斜构造），而产生各种类型的反射波。通过拖在调查船后一定距离装有接收换能器的组合电缆接收和记录不断反射回来的各种信号。根据信号绘出各种复杂的地质构造图。第十五页，共69页。下图所示为装有6个接收器的反射地震测量，而实际工作中接收器的数目远大于此。海上二维地震费用：10万/平方公里；三维（接收信号线多几到十几倍）：30万/平方公里(2000年中国浅海价格)。

第十六页，共69页。第十七页，共69页。②重力勘探：

为利用重力仪和“扭称”等精密重力测量仪器，地壳中各种岩体和矿体密度差异引起的重力变化。可用重力测量仪器找出埋藏深度比较小的勘探地质体的重力异常。不同地方由于组成岩石密度、埋藏深浅、地质构造不同，重力也不相同。重力仪就像一杆“秤”，它非常灵敏，能测出10-5cm/s2这样微小的重力变化。近年来，由于卫星测高技术的发展，利用卫星测高数据反算重力测量精度可达百万分之一。重力勘探就是通过在海上精确的重力测量，得到所测海区海底沉积岩的性质、厚度和埋藏的深浅，了解测区的构造情况，结合地球物理勘探资料圈定石油的远景区。第十八页，共69页。③磁力勘探它是通过在调查船后或飞机后拖着的磁力仪来进行测量的，分航空磁测和海洋磁测。地球磁场所以出现异常，是由于地球局部地区的岩石和矿石具有不同的磁性，能产生各不相同的磁场，这样通过磁力测量，就能确定磁性基底的位置和沉积岩的厚度，并了解海底的地质构造。以上三种石油地球物理勘探方法均已获得广泛应用。由于每种方法都有其局限性，因而在实际测量中三种方法总是互相配合，取长补短，但在实际生产工作中以地震勘探为主。

第十九页，共69页。3.钻探(第三阶段)“地质指路，物探先行，钻探验证”。地球物理勘探的结果只能说明海底有没有储油构造（有油的必要条件），要知道究竟有没有石油，最直接的方法是钻探。在海上打多口探井，通过每口井中所取岩心样品的分析，来搞清海底地层的岩性、油层的分布和厚度等情况，就能通过各种方法计算出海底石油的储量来（控制储量至少需要一口井、探明储量需要几口井、可采储量需要对油品地层等进行深入研究）。“微轻子(10-15电子伏特)”理论，“微轻子挥发出盖层”，实证科学能够检验到10-5微粒电子伏特。

第二十页，共69页。第二十一页，共69页。三、海洋石油钻井装置海洋石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产(采油)平台两大类。在钻井平台上设有钻井设备，在生产平台上设有采油设备。1.固定式钻井平台该类型钻井平台为最早使用的钻井和采油装置，用于海湾浅滩、风浪平静的区域，由于成本高、又不能移动再次使用，一旦钻井没有工业油流，就等于报废了，目前基本不再使用。2.移动式钻井平台移动式钻井平台也称活动性钻井平台，分为四种类型：第二十二页，共69页。①座底式钻井平台早期在浅水区域作业的一种移动式钻井平台。平台分本体与下体，由若干支柱连接平台本体与下体，平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等。钻井前在下体中灌入压载水使之沉底，下体在座底时支撑平台的全部重量，而平台本体仍需高出于水面之上，不受波浪冲击。在移动时，将下体排水上浮，提供平台所需的全部浮力。座底式的工作水深约为10—25m。“胜利三号”就是座底式钻井平台，优点是对海床工程地质条件适应性很强，缺点海底表层有较厚的淤泥时，容易滑移导致生产事故，用抛沙袋、打防滑桩等手段预防。

第二十三页，共69页。座底式钻井平台示意图

第二十四页，共69页。第二十五页，共69页。②自升式钻井平台自行升降，由平台甲板和桩腿组成；在甲板与桩腿之间有升降机构使两者相对的升降。钻井时，桩腿下降支撑于海底（的持力层上），平台甲板沿桩腿上升，被托到水面以上，不受波浪侵袭；移动时，平台甲板下降浮于水面，桩腿拔起并尽量上升以减小移水的阻力。一般不能自航，由于桩腿长度有限，其最大工作水深一般约100m。桩腿数三或四条。桩腿下端设有桩靴或沉垫，以加大其支撑面积而减小插入海底土中的深度。平台一般分上下两层甲板，作为布置钻井设备钻井器材和生活舱室等用。第二十六页，共69页。

优点：自升式钻井平台需钢材少，造价低，在各种海况下，几乎都能维持工作。缺点：移动时桩腿要升得很高，造成重心高、稳性差、抗风能力差；到新井位时，平台在水面因风浪导致摇荡，使桩腿下降触底时，有可能弄坏桩腿；海底工程地质条件不好时，易导致刺穿事故；当大风暴（中国海域灾害性天气主要为南风北冰）来临时，因急需拔腿移位，有可能产生拔不出桩腿的危险。

目前海上移动式钻井平台中自升式钻井平台仍占45%左右。第二十七页，共69页。自升式钻井平台示意图

第二十八页，共69页。第二十九页，共69页。③半潜式钻井平台大部分浮体沉于水面以下的一种的钻井平台。由平台甲板、立柱和下体（或沉箱）所组成。平台甲板供钻井工作用，上面设有钻井设备、钻井器材和人员舱室等。下体提供主要浮力，深沉于水面之下，以减小波浪对平台的扰动力。浅水区，平台也可兼作座底式平台使用；深水区，将浮室沉降至海面以下适当深度，平台较大部分处于波浪有效作用深度以下，再依靠多个锚泊或动力定位装置，使平台保持稳定，进行钻井。钻井结束，排出压载水，“浮室”上升，浮至水面进入拖航或自航状态。依靠底部抛锚固定的半潜式平台可以在水深30－300m处作业；而依靠动力定位装置稳定的半潜式平台能在600m的海域作业。第三十页，共69页。半潜式钻井平台

第三十一页，共69页。第三十二页，共69页。

④钻井船钻井船：设有钻井设备、能在水面上钻井和移位专用船；采用双体船、中心抛锚式和舷外浮体等型式提高稳定性。移动很方便、机动性最好、作业水深大，一般可在水深大于600m的海域钻探，但也需有相应的动力定位设施。20世纪60年代开始在钻井船上安装了动力定位装置，利用安装在钻井船底部的检波器来接受海底声纳信标发射的信号，通过船上安装的电子计算机，自动指令船的推进器工作，调整船只的偏移，使钻井船始终保持在井口上方允许钻井作业的范围内。海洋钻井平台的费用很高（2000年价格），一座自升式平台一般需5500－5600万美元，而建一座半潜式平台则需1.0—1.25亿美元，钻井船的成本会更高。

第三十三页，共69页。第三十四页，共69页。四、钻井技术

1.钻井方法为了证实海底是否有石油就必须在海上打探井。打井时：①先在海底井口处安置套管，以防井口塌方；②钻杆下端接（伸缩钻杆和防偏钻杆）钻井用的钻头；③钻杆（一种空心的钢管柱）经套管打入海底；④上端连接传动钻杆；⑤传动钻杆的截面为方形，穿过转盘内的方孔使传动钻杆在方孔中上下滑动，又能随转台旋转，使钻杆与钻头转动。第三十五页，共69页。⑥当钻头向下钻深时，传动钻杆即由转盘上的孔下滑，当它滑到尽头时，将传动钻杆和钻杆间的连接螺纹脱开，中间加上另一节钻杆，使它与原来的钻杆顶部相接。⑦新接的钻杆的上端则与传动钻杆的下端相接，如此循环进行钻井。⑧当需要退出钻杆或需要调换新钻头时，则反序进行，即把钻杆一节一节地退下来并放置在钻井平台的管架上。第三十六页，共69页。⑨钻杆重量由井架上的游动滑车组吊住。当平台风浪产生垂荡时，伸缩钻杆可使钻头不受影响，而防偏钻杆又可使钻头能经常保持一定的钻压。在海浪中钻井时，必须考虑因风浪产生的位移，因为平台与海底井口之间的采油导管和钻杆不能承受很大的弯曲变形和拉压变形。超指标时，就必须停钻。钻井平台遇到风暴撤走，回来时还有对孔。第三十七页，共69页。第三十八页，共69页。第三十九页，共69页。第四十页，共69页。

钻杆空心让泥浆通过：泥浆由泥浆泵加压传到钻头，冷却钻头并带走钻屑，并由钻杆与井壁之间和钻杆与隔水管（套在钻杆外层的水下管系）间的环形空间向上返回到平台上，除去天然气、砂屑(地质取样)后导入泥浆池，再循环使用。泥浆的作用是：润滑和冷却钻头；将钻屑由井下带；静压力平衡井底的压力；粘附于井壁对井壁起保护作用。泥浆密度对于钻井作业非常关键。钻井泥浆密度小容易井喷，但是保护油层。第四十一页，共69页。2.定向钻井建造一座固定式采油平台耗资巨大，因此，在一座平台上打了一口直井以外，还要打几十口斜井。以开采海底下更大范围的石油。此外，采用方向井还有其它各种原因：①由于油田上方有某种建筑设施或由于某种地质上的原因而不便直接下钻；②因钻井中发生卡钻、断钻等事故而不能继续只好改道为定向井；③发生井喷起火，在远离火区的地方打定向井，使油气能从定向井喷出。打定向井需借助特殊工具，钻头偏斜，同时要有测斜仪器，及时准确地了解井的方向（斜度和方位）的变化，以便采取措施控制和调整，使其达到目的。

第四十二页，共69页。第四十三页，共69页。定向钻井的直井和斜井示意图

第四十四页，共69页。目前，定向钻井倾角不断增大，水平钻井迅速发展，水平井目前最大倾斜角为150.5°，不仅能达到与钻井平台垂直的90°，而且还能超过60.5°。钻这样大角度的井是为了开采更大范围的海底油藏。3.水平钻井水平钻井开发海上油气藏效果十分明显，水平钻井不仅能从垂直方向作引90°的延伸钻进，而且能横穿油层并使之与层面平行产生一条油路延伸通道。要达到这一目的，往往需要在油层中水平钻井。因为运用这一技术，可以从多个油层中采油，能够经济地开采直井所无法采出的仍留在油藏中的大部分石油。

第四十五页，共69页。第四十六页，共69页。五、采油平台与采油工艺1.采油平台采油平台又称生产平台，从事海上油气等生产性的开采、处理、贮藏、监控、测量等作业的平台。多个平台用引桥相连，组成生产基地。①固定式采油平台是目前开采海洋石油最常用的采油装置，又分为桩基式与重力式两种。钢导管架桩基平台是用钢铁焊接而成的平台。它的下部插入海底一定深度，使平台固定于海底。优点：是重量轻、建造速度快，但是造价较高(水深为10－20m的固定式平台仅钢材要消耗上千吨)和需要处理钢材的腐蚀问题，所以一般都用于开采大中型海洋油田。第四十七页，共69页。钢筋混凝土重力平台：比钢导管架平台重10倍也不节省投资。优点：更加稳定，适用于风浪大、水流急、产油量高的海域。如果把重力平台把底座建成油库，经济上较合算。例如：世界上最大的钢导管架桩基平台建在美国路易斯安那州墨西哥湾水深312m的地方，整个平台高368m，比纽约的摩天大楼还高出4.5m，总重量达59000t，建造费为2.75亿美元；目前世界上最大的混凝土平台是北海的“斯塔福德-B”平台，耗混凝土13万立方米、钢筋3.3万吨，贮油罐容量33万立方米，平台总重量36.7万吨，甲板面积116m×50m，总高度271m，耗资约20亿美元。第四十八页，共69页。典型生产平台示意图

第四十九页，共69页。第五十页，共69页。第五十一页，共69页。

②张力腿平台适宜深海水域作业，为克服锚泊定位系统中半潜式平台向深水发展的障碍而发展起来的，与一般半潜式平台不同，其所用的锚索是绷紧成直线的，用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚）或锚（重块）等。张力腿平台的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿，而且此拉力大于由波浪产生的力，使锚索上起着绷紧平台的作用。实践证明这种平台稳定性较好，张力腿平台向着作业水深加大的方向发展。张力腿平台自1954年提出设想以来；1989年9月张力腿平台“乔利埃特”号在墨西哥湾中部水深587m处就位，11月开始生产。目前，张力腿平台向着作业水深加大的方向发展。

第五十二页，共69页。张力腿平台示意图

第五十三页，共69页。第五十四页，共69页。③拉索塔平台又称“绷绳塔架”。特征在于拉索塔，是一座高高耸立于海底的铁塔式平台，周围靠缆绳将其固定。垂直的塔形结构支撑于海底，顶端的工作平台被托出于水面以上。它的下部桩腿固定在海底，横截面很小，因而节省钢材。工作水深在457－610m之间，可钻生产井25－40口。由于它的横截面积小，所以在安装和建造中，刚度要求远远大于其它平台。已经在美国墨西哥湾水深610m安装成功。

第五十五页，共69页。拉索塔平台示意图第五十六页，共69页。

④浮式采油系统（FPSO

）使用浮于水面的船或半潜式平台以代替固定式平台的采油方式。这种方式可以节省设计、建造和安装固定式采油平台所需的大量时间而提早采油和提早回收投资。它由井口装置、采油分离装置、隔水管、采油平台和系泊系统等组成，具有可移动，并适宜深海区开发的优点，应用于海上油田的早期开发最为经济，近年来这种采油装置发展较快。最深的浮式采油系统由壳牌石油公司应用在的“傅里叶”油田，水深达2120m。

第五十七页，共69页。第五十八页，共69页。⑤海底采油装置随着自动控制技术的发展和潜水器的应用，已出现了把整个海底采油系统、油气分离装置、贮油装置完全置于水下的海底采油装置。这种装置可以避免风浪对石油生产作业带来的影响，而且建造成本低、完井时间短，适用于开发边缘油田、深水油田。这种装置于1960年由美国最早研制成功，它通过采油装置和许多汇集石油的管道把海底多口油井开采出来的石油集中到贮油系统（海底储油罐、采油平台或系泊船）中；陆地建造、拖至海底安装，石油开采则由陆上或船上的人遥控进行。第五十九页，共69页。⑥人工岛人工岛是在海中填砂石、泥土、废料等建成的岛屿，岛与海岸通过堤坝或栈桥相连，钻井装置安在岛上便可进行钻井采油，这种方法与陆上钻井采油完全相同。在岛上建有贮集石油和输送石油的泵站，通过海底管道或栈桥上的油管把石油输送到岸上。最大的优点是稳定性能好，但一般只适用于离海岸不远、水深小的近岸油田开采。中国石油天然气总公司在开发滩海区域的油田时多采用这种方式。未来的平台结构和工艺流程，将更趋向于简化、轻小型、移动式，并实现遥控