中国海洋深水油气工程技术与装备创新需求预见及风险分析

 着眼于中国南海油气工程技术与装备创新发展问题,通过专家咨询调研,梳理了深水油气工程技术与装备发展现状,并将其分成深水油气勘探技术与装备、深水油气田高效开发工程模式、深水钻完井关键技术与装备、深水油气生产与输送关键技术与装备4个领域,构建了相应的4级层次评价模型,运用德尔菲法和权值因子判断法对深水油气工程技术与装备进行了量化分析和重要性排序,并对相应的关键装备系统进行了风险分析。研究结果表明,在深水油气工程中比较重要的技术与装备内容包括：深水油气勘探技术、油气田开发先进井型技术、浮式钻井平台/钻井船总体结构设计制造技术、深水钻井隔水管安装与作业控制技术、水下井口系统设计制造技术及其安全高效安装技术、深水钻完井安全高效作业技术、浮式生产平台总体结构设计制造技术、水下采油树系统设计制造技术及其安全控制技术以及电液复合式控制系统设计制造技术等;深水油气工程装备组成复杂,海洋环境和作业工况恶劣,导致泥浆循环、深水钻井隔水管、水下井口与采油树、油气处理、水下管汇及水下生产控制等系统出现失效的风险较高,可通过优化设计控制降低装备失效概率。     

深水测试管柱-隔水管耦合涡激疲劳分析

在深水钻完井测试作业过程中,由于海流作用隔水管易发生涡激振动引起疲劳损伤,由隔水管涡激振动引起测试管柱疲劳损伤问题不容忽略。针对深水高压气井测试作业特点,考虑测试管柱和隔水管之间相互作用,建立测试管柱-隔水管耦合涡激振动模型,提出测试管柱-隔水管涡激疲劳分析方法。结合南海某深水高压气井,研究测试管柱-隔水管耦合系统涡激振动机理、疲劳损伤规律及影响因素。研究结果表明:测试管柱-隔水管耦合系统高流速下更易于发生多模态涡激振动,疲劳损伤沿水深方向呈现波动变化,顶部和下挠性接头附近疲劳损伤最为严重,其中测试管柱疲劳损伤约为0.2~0.25倍隔水管疲劳损伤,适当增大隔水管顶张力和测试管柱提升力可有效改善测试管柱-隔水管耦合系统涡激疲劳性能。     

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析

深水隔水管是深海石油钻采作业中的一项关键装备,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,国内尚无国产化产品成功应用的案例。在工程现场应用过程中,涡激振动是导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏严重的主要原因之一。采用有限元分析方法,模拟深水隔水管在深海环境下的工作状态,结合控制变量法,应用模态分析和涡激振动理论,分析了涡激振动对深水隔水管强度和疲劳寿命的影响,并且从理论上给出了降低隔水管疲劳破坏的方法和建议。     

深水钻井隔水管时域随机波激疲劳分析

确定深水钻井隔水管时域随机动态分析和疲劳计算方法,采用第三代波浪模式WAVEWATCH计算中国南海波浪谱,并与相应的P-M谱、JONSWAP谱进行比较;开展不同边界条件下的隔水管波激疲劳分析,研究边界条件对隔水管波激疲劳寿命的影响;计算不同边界条件下隔水管疲劳损伤变异系数与分析时长的关系,确定不同边界条件下隔水管波激疲劳分析的最低时长;最后以中国南海某油井为例计算隔水管时域随机波激疲劳寿命。结果表明:南海海域波浪谱的谱峰值和谱形状都与JONSWAP谱较接近,建议选用JONSWAP谱;边界条件对隔水管波激疲劳寿命影响较大,疲劳分析时应考虑钻井船的慢漂运动;随着分析时长的增大,隔水管疲劳损伤变异系数呈指数式减小,考虑钻井船的慢漂运动后大大增加了分析时长。     

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers, BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。     

海洋水下井口控压钻井系统装备配置方案探讨

控制压力钻井技术是解决窄密度窗口地层钻井井控问题的有效技术保障，在全球陆地、浅海和深水都得到了成功运用。深水是我国油气勘探开发的重要接替区，我国南海油气资源丰富，但是面临高温高压、窄密度作业窗口等难点，井筒压力控制难度较大，给安全高效作业带来了较大困扰。在当前深水控压钻井设备、工艺几乎被国外垄断和深水钻井作业量加大、钻井风险等级升高的背景下，拥有我国自主的深水控压技术及装备是必然的选择。由于水上、水下井口控压钻井技术和装备体系存在较大差异，现有水上井口控压钻井技术无法直接移植到深水。因此，基于我国深水钻井作业现状，提出海洋水下井口控压钻井关键装备自主化配套建设探讨方案。将环空背压的控压钻井系统作为自主化建设的主线，对水上井口的控压系统进行工艺适应性移植，通过综合比较分析，推荐水下井口控压钻井系统ATR配置方案。     

深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究

目前,对隔水管的振动研究鲜有涉及深水钻井工况对其横向振动特性的影响。为此,采用牛顿法建立了隔水管横向振动流固耦合模型,利用微分变换法（DTM）对模型进行求解,分析了钻井液排量与密度、张力比、钻柱结构等因素对隔水管横向振动固有频率的影响规律。结果表明,钻井液的存在会减小深水隔水管横向振动固有频率;隔水管横向振动固有频率随钻井液密度的增加而降低,随张力比的增加而增大;钻井液排量和钻柱尺寸对隔水管的横向振动固有频率影响不大。该研究可用于指导深水钻井作业,优化深水钻井工艺参数。     

基于涡激抑制的隔水管浮力块分布方案优化

浮力块是深水钻井隔水管系统的重要组成部分,其主要作用是降低隔水管湿重,以减少对钻机的张力需求.涡激振动(VIV)是引起隔水管屈服失效与疲劳失效的主要因素,也是隔水管设计过程中需要考虑的主要问题.基于SHEAR7程序对隔水管系统进行VIV分析,通过研究不同浮力块分布形式对隔水管系统涡激振动疲劳特性的影响,对浮力块分布方案进行优化.从抑制VIV疲劳损伤角度出发,对隔水管系统配置浮力块时,应尽量促使系统响应频率由浮力块与隔水管共同控制,以避免发生涡激共振.还可在避开高流速区域的前提下,促使系统激励频率由浮力块控制,这样既避免来流通过浮力块为系统输入较多的能量,同时又能降低系统的响应模态阶次.     

深水钻井隔水管下放试压单元智能优化

深水钻井隔水管下放过程中须对周边辅助管线进行试压以保证系统的密封性能。为保证隔水管下放试压的安全高效性,基于深水钻井隔水管下放试压工艺建立深水钻井隔水管下放试压时效评估模型与风险计算模型,采用蜂群算法形成深水钻井隔水管下放试压智能优化方法。结果表明:隔水管下放试压智能优化方法具有较好的全局搜索能力和探索能力;依据优化结果开展试压作业有望节约可观的钻井成本;隔水管下放试压安全效益曲线随可靠度的增加呈现先减小后增大趋势;单根密封可靠性是确定试压单元单根数目的关键因素,作业水深对试压次数与安全效益的影响较大,但对试压单元单根数目的影响较小。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

Characteristics of hydrocarbon accumulation and exploration potential of the northern South China Sea deepwater basins

Although the huge potential of the northern South China Sea deepwater basins has been proven by a series of discoveries that followed the exploration breakthrough of well LW 3-1-1, recent drilling and other studies have demonstrated the uniqueness and complicated nature of hydrocarbon accumulations of the deepwater basins there. Based on a review of previous work and the latest exploration activities and studies, the purpose of this paper is to discuss the critical controls for hydrocarbon accumulations in the deepwater basins of the northern South China Sea. A terrestrial-marine transitional coal-bearing source rock is proposed to be the primary source rock for the deepwater basins. A marine source rock, which was first identified as contributing to hydro-carbon generation in this region, probably plays a significant role in the deep-and ultra-deep water basins south to the Pearl River Mouth and Qingdongnan basins. The shelf margin delta depositional systems in the Baiyun Sag, sourced from the Pearl River, are currently primary exploration targets in the deepwater part of the Pearl River Mouth Basin, whereas the western Red River delta-ic-submarine fan depositional systems, initially proven by drilling, are the possible major exploration reservoirs in the Qing-dongnan deepwater areas. Current deepwater exploration targets at the large-sized structural traps and deep and ultra-deep areas in the south of the Pearl River Mouth and Qingdongnan basins will be the future exploration focus. Deepwater exploration activities and relevant fundamental studies, supporting and promoting each other, are of great importance to the national energy supply of China, the basic regional studies of the South China Sea, advancements in technology, and development of related deepwater industries, and will safeguard national sovereignty and territorial integrity.     

环保型深水水基钻井液体系的研究

在深水作业时,低温高压的地质条件和狭窄的安全密度窗口给钻井工程带来了不小的困难。对于钻井液技术而言,更是面临着崭新的挑战,如低温高压下钻井液流变性增稠有可能导致增加井底压力控制的难度,钻遇地层气时容易形成水合物堵塞环空通道;特殊的地层压实条件要求钻井液体系具有更高的水化抑制能力以及大尺寸井眼和隔水管处的携砂问题等等。同时,海洋深水钻井对钻井液体系环境保护能力的要求更加严格。因此,在主要添加剂研究的基础上构建了一套环保型深水水基钻井液体系,通过性能评价,达到一定水深钻井作业的能力要求。     

海底管道SSIV设置研究

针对海底管道水下隔离阀系统（SSIV）设置成本过高而存在的设置必要性问题,建立基于定量后果分析的SSIV评估系统．基于历史数据库研究海洋立管和海底管道的泄漏频率,通过实验与经验模型进行对比确定气池直径的计算方法,并运用PHAST软件计算火灾事故后果,用自主开发软件定量计算水下油气泄漏扩散后果;在此基础上对火灾爆炸事故后果升级问题进行研究,实现对设置SSIV带来收益的准确评估．该方法已成功运用到南海深水油气勘探开发示范工程某气田的SSIV设置研究中,可供其他工程借鉴参考．     

温度和压力对深水钻井油基钻井液液柱压力的影响

根据不同温度和压力下油基钻井液密度的测量结果 ,建立了温度、压力影响下的油基钻井液密度计算模型。在模型中引入了热膨胀系数和弹性压缩系数 ,利用该模型计算了不同温度和压力下的钻井液密度值。模型计算的密度与实测值之间的最大相对误差小于 0 .3% ,平均相对误差为 0 .11%。利用该模型对深水钻井时不同条件下井眼内钻井液密度和液柱压力变化进行了计算和分析。结果表明 ,在深水钻井中 ,井眼内的钻井液密度通常大于井口钻井液密度 ;最大钻井液密度出现在海底泥线处 ;井眼内钻井液液柱压力的当量密度大于井口的钻井液密度。采用无隔水管钻井时的环空钻井液密度小于隔水管钻井时的钻井液密度。     

基于Longuet-Higgins分布的深水立管疲劳分析

利用Longuet-Higgins分布将表征长期海况的波浪散布图分解为单个规则波的散布图,以此进行深水立管的疲劳分析,并与雨流法的计算结果进行了比较.结果表明：波浪散布图的离散应充分考虑系统响应的影响;若将波浪散布图离散得较为理想,则采用该方法计算得到的疲劳寿命将和雨流法的结果非常接近,且离散的越精细,其结果也和雨流法的越接近.该方法计算速度快、占用硬盘空间少,可用于实际工程中深水立管的疲劳分析.