详解世界海洋油气勘探技术与装备-【zixun】

详解世界海洋油气勘探技术与装备

中国页岩气网讯：全球海洋油气资源丰富，近十年发现的大型油气田，海洋领域约占60%，世界新增储量的70%来自海洋，海洋油气勘探开发技术还处于初期阶段。海洋油气勘探技术按勘探阶段可分两类，第一类主要有海洋地球化学勘探、海洋拖缆地震勘探、四维勘探、可控源电磁勘探以及微生物勘探技术，第二类以勘察船为主的探井技术以及光学传感器技术;海洋油气开发技术以各种海上平台为主，包括浅海钻采的固定平台、自升式平台，深海钻采的半潜式平台、钻井船和FPSO，以及起重铺管船、定位系统、外输系统、水下设备和工程船舶技术等。海洋油气勘探开发技术向深海技术发展是必然趋势，发达国家的油气勘探开发技术日渐成熟。

深海概念 

1.浅海勘探技术及装备

油气目标地球化学探测。海洋油气目标地球化学探测技术主要应用于勘探目标区，其目的是识别目标区可能存在的海底油气渗漏，查明目标区的油气潜力，进而为钻探井位优选提供依据。

在对目标地球化学探测发现的海底油气渗漏异常进行分析的基础上，要进一步开展地质、地球物理和地球化学结果综合评价，把海底表面渗漏与深部含油气系统结合起来，从烃类生成、成熟、运移和演化入手，揭示含油气系统信息，在此基础上，对主要目标区和局部构造进行排序，选取最有利的位置，提出井位建议。

海洋拖缆地震技术。海洋地震勘探在水深大于3～5m时，采用地震工作船施工，激发系统采用多枪气枪激发，接收系统采用压电检波器，按不同需要固定在海上拖缆上，工作船引导拖缆按测线方向前进，形成边行驶，边激发，边接收的工作方法。海洋地震勘探需要精确的实时卫星定位系统，随时记录激发点和接收点的准确位置，包括海水流向造成的拖缆不同偏移方位。因此海洋地震勘探与陆地相比，其方法和装备都要复杂得多(见下图)。

海上拖缆地震勘探工作图 

海上地震拖缆模式主要应用在采集二维、三维以及四维地震数据上，由于其数据采集的高效性，海上拖缆地震采集模式被广泛使用，海上拖缆地震勘探模式不受水深的限制，在浅水水域和深水水域都可以进行地震数据采集。

海洋四维地震。因为海底电缆(OBC)技术的进步以及OBC采集得到广泛的支持，海上4D地震技术发展迅速。目前世界上油田的平均采收率只有35%左右，大部分为死油区。4D地震信息经测井和开发信息标定后，可识别出泄油模式和死油区的位置。据美国西方地球物理公司估计，在可以利用4D的地区，4D地震技术通常可使油田剩余可采储量的10%变为可采储量，而由此增加的费用不到1%。4D地震技术可使发现石油的几率提高到65%~75%。在世界上包括北海、东南亚和墨西哥湾等地区开展了四维地震工作。

海洋可控源电磁勘探。海洋可控源电磁勘探的工作方法与海洋地震的OBC工作方法类似，场源由位于船上的多频率信号发射机及位于海底的供电偶极拖曳系统构成，在海底测点上部署电磁信号采集站。一般工作流程为：首先按设计投放电磁采集站并测定实际坐标，开始自动记录;接着激发场源即海底的供电偶极拖曳系统按设计路线，以一定周期脉冲电流连续激发，沿采集站分布测线位置在海底上方30~50m/min匀速移动;最后释放采集站上的水泥重块，回收电磁采集站，搬迁至下一排列或测线。

深海发射源DASI及配套的拖缆绞盘系统 

海洋可控源电磁勘探的装备主要由三部分构成，船上电磁信号发射机、海底供电偶极拖曳系统、海底电磁信号接收站。上图为OHM公司研制的第四代电磁信号发射源，全称为深海活动式场源设备(DASIⅣ)。该套信号发射源对精确探测和地下电阻率精确成像起决定作用的离散发射频率、多档位输出功率、不同阶段工作的精确控制都进行了工业化标准设置。可以实现对每个频点信号进行现场诊断和质量控制的功能，确保了场源子波和重要安全因素的现场高保真监视。

2.深海勘探技术与装备

深水区油气资源的勘探开发，受恶劣复杂的环境和储藏特性限制，具有“四高”特点，即高新技术，高风险，高技人，高回报。尽管深水油气勘探开发是一项投资大、成本高，开发难度大、技术复杂，风险大、探索性极强的项目，但其丰富的油气资源和高投资回报，仍然吸引着世界石油公司。据《世界深水报告》资料，未来的44%油气储量在深水中，而现在仅占3%，可见其潜力之大。世界深水油气勘探成功率见下图。

图 全球深水油气勘探成功率 

海洋勘探钻井。海上的钻探比陆上复杂，要求在布置探井井位时必须十分慎重，充分利用已有的地质调查和地球物理勘探成果，深入地分析区域地质构造及油气聚集规律，选择最有利区域，确定必需的井数，最大限度地提高钻探效率，取全、取准第一手资料。

海上钻井需要使用平台和钻井船。自升式钻井平台，钻探水深一般小于180m ，移动性能好，造价低，拖航困难，平台定位操作复杂。半潜式钻井平台，水深60~2000m，最深达3100m，稳定性好，能适应恶劣海况，自航速度低，造价高。深水钻井船，水深300~6000m，移动性高，动力定位，受风浪影响大，甲板使用面积小。具体的钻井平台后面油气开发技术中将详细介绍。

深水工程勘察船类似钻井船，不同之处就是勘察船不具有钻探油井的功能，它的主要功能是进行钻探(一般井深不超过600米)作业的同时进行地层的取样勘察工作。

随着技术的进步，最近10年来，海洋油气勘探的水深已达到3051m，这是2003年美国Fransocean公司租用Discoverer Deep Seas号钻井船在美国墨西哥湾创造的。2005年12月，该公司又在墨西哥湾钻了一口10421m的超深水探井。相关作业纪录如表2。

表2  全球海上平台最大作业水深 

地质微生物油气探测技术。传统的地质微生物油气探测技术( 如MPOG，MOST)，建立在烃类微渗漏理论基础上，利用检测土壤或沉积物中氧化烃类气体细菌(HCO)方法识别微渗漏区。通过60多年的发展，有了成熟的理论和方法，如MPOG法有区分油渗漏或天然气渗漏的不同定量替代指标。其实质是对沉积物中氧化甲烷(天然气)和氧化二碳以上烃类(石油)微生物培养计数结果。有报道指出，这个方法即将用在我国水合物的勘探中。如Schumacher评论的那样，期待这个“古老技术”在水合物领域也得到新生(见下图)。

图 用微生物技术勘探识别的油气渗漏异常区和后来在该异常点布井钻探 

沉积物中微生物细胞丰度与甲烷浓度变化的关系密切。微生物计数法简易快速，在稍有条件的船只上就可进行，可以作为区域勘探的一个有效手段。但是，也需要通过较丰富的实践，摸索出类似“微生物油气勘探”法那样的定量替代指标。

全光学传感器精细显示储层油气。美国传感器系统公司(USSI)于近日宣布，他们已经开发出用于油田地震勘探和生产的一种极可靠的小型光纤地震检波器。该公司表示，新的传感器是对已经在石油工业中应用了近50年的传统电磁线圈检波器的重大技术超越。

这种全光学、全方位的传感器无须原位电子、铜导线或电能。该传感器可以对尚未开发的油、气田提供更清晰的地下成像，其设计能够满足永久四维地震监测的苛刻要求。并且该传感器还可用于陆上地震勘探或海洋地震勘探。相对于传统的电子检波器而言，它不仅性能更完善，而且可以通过对现有油气田提供可重复的、高分辨率图像，从而使生产者能够从已探明储层开采出更多的油气。

过去10多年里，美国能源部、各大石油公司及所有的油田服务公司，都在寻找一种小型、可靠、经济的，可用于地面及井下监测的传感器系统。USSI传感器的出现是一种好的解决办法。

海洋油气开发和陆地油气开发有很多不同之处，根据海深的方案设计、海上搬迁拖航技术、海底设备性能等都是重要考虑的。例如海上油田的井距一般为1,000米。北海油田的井距为700～1,300米。陆上油田的井距一般为400～500米，一些老油田还要小。

经济开发方案对海洋油气开发有很大作用。成功的资源开发取决于公司的发展能力，通过在一个地理区域内的规模经济和协同作用来降低整个周期的开发成本，以优化生产率，这就是经济资源开发的投资吸引力(如下图)。

油气经济开发技术图 

3.浅海油气钻采平台

海洋平台按功能划分主要分为钻井平台和生产平台两大类，在钻井平台上设有钻井设备，在生产平台上则设有采油设备。若按结构型式及特点来划分，海洋平台大致可分为三大类：

固定式平台、移动式平台和顺应式平台。

固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底，但由于这种平台的造价与工作水深呈指数关系增加，所以一般适于在浅水海域作业。

移动式平台能够从一个井位移到另一个井位，可用于海上石油的钻探和生产，自升式平台具有能垂直升降的桩腿，钻井时桩腿着底，平台则沿桩腿升离海面一定高度，移位时平台降至水面，桩腿升起，平台可由拖轮拖移到新的井位，但这种平台的桩腿长度有限，最大工作水深约为120～140米。

4.海上起重铺管船

海上起重铺管装备是典型的大型海洋工程装备，是海上油气田开采、输送管道铺设、海上平台支持、海上大件吊装、救助打捞等海事工程不可缺少的重大装备。

5.铺管设备

铺管设备是工程船舶专门用于连续铺设海底油气管道的工程作业装备，根据管子中心与入水面的几何关系，可分为两种，分别是S-Lay式、J-Lay式。

目前世界上铺管设备主要供应商共有3家，分别是荷兰SAS公司、意大利Remacut公司和美国Westech公司，其中以荷兰SAS公司实力最强，三家都能提供整条铺管线所需的硬件设备和软件系统。

6.锚绞车

锚绞车是一种抛锚机械装置，通过调节钢丝绳的负载来达到海上工程船舶移船或定位的目的，是浮式起重机、浅水铺管船等大型工程作业船舶和石油钻井平台在海上定位作业的关键设备。

通常把单索额定拉力大于80吨，容绳量大于1,500m的定位锚绞车称为重型锚绞车，一般工程船舶采用8～12台重型定位锚车协同作业。

随着深海工程船舶特别是浮式起重船和铺管船的吨位增大，定位锚绞车的拉力也在逐渐增大，额定单索拉力现已发展至200吨以上，最大单索拉力已达600吨，单筒容绳量可达到3,500米以上。

我国基本依赖进口，而世界上有生产能力的也仅仅几家;目前世界上主要厂商是Rolls-Royce(挪威)、Westech(挪威)、Plimsoll(新加坡)，这些厂家的主打产品为液压驱动，而ZPMC主打产品为电力驱动。

7.动力定位系统

动力定位系统是各种工程船舶进行海上作业的新型装备，其不受作业区域的限制，可对船舶位置进行精确定位。它是现代工程船和石油钻井平台在深海作业不可缺少的动力装备。

由于动力定位系统的起点很高，这一技术仅被少数几个国家垄断：挪威(k o n g s b e r g)、法国(Converteam)、美国(L3)以动力定位控制站产品为主;芬兰(Wartsila)、英国(Rolls-Royce)、瑞典(ABB)以推进器产品为主;我国虽然较早开始研究动力定位系统，到目前为止，尚未形成能被市场接受的产品。

8.波浪补偿系统

波浪补偿系统在国外的舰船及海洋平台上已被广泛使用，现已成为海工领域必不可少的一项关键技术，占有着非常重要的位置。恶劣海况下进行深海吊装作业时，船只上下起伏升沉，会造成吊载更大幅度的振荡，严重时会造成钢丝绳断裂。波浪补偿系统可以抵消波浪带来的船只振动，使吊载按照相对预定的速度上升或下降。

国外众多知名海工公司如ODIM、TTS、Dynacon、Gusto、Huisman等，都争相研发大功率的波浪补偿器和具有波浪补偿功能的绞车，其负载能力可达400吨，吊物的作业水深达到了3,000米以上。国内该领域的研究应用相对落后，只能起吊小吨位(20吨左右)和浅海作业，无法适应日趋广泛的深海勘探钻采任务。

9.油气酸化压裂技术

哈里伯顿公司酸化处理技术可归类为洗井、砂岩层除伤的基质酸化、碳酸岩层增产的基质酸化、碳酸岩层增产的压裂酸化。成功洗井的基本要求是井下阻碍物质可以被酸液溶解。如果井眼被可溶于酸液的碳酸盐积垢所堵塞，那么酸化可以有效地除垢，恢复油井产能。酸化还能有效清除铁性积垢，比如硫化铁等，但不能清除不溶于酸的石蜡积垢。

10.海底处理技术

在海洋开发技术的成长中，海底处理技术也在不断进步，优化海底处理技术，可以减少资本支出，例如干舷处理技术，管道技术，去瓶颈技术;可以通过加水或者出水以提高生产;能扩大生产领域，加大边缘油气的开发，适合深水开发技术的更新;可以和卫星技术搭配，实现更优化的操作，改善管理流程，减少对环境的影响(如下图)。

海底处理技术设施图 

11.井的调停技术

井的调停意味着对油井或气井的维护，可以从测井电缆中收集数据，也可以以增加流量的方式或者通过酸泵入井的方式清理井。因为所有的油井都将需要在其寿命期进行“维护”，研究表明，对油井频繁的调停预期可以增加25%的生产(如下图)。

海底井调停技术图 

12.钻井设备——WF系列泥浆泵

应用于海上的寿命长、重量最轻的泥浆泵，从5,000psi到7,500psi的液力端。特点:大排量以解决当前对高液压水马力的需求;泥浆泵液力端易损件通用性强;更高的曲轴和轴承负载能力;可作为钻井泵和压井灌注泵使用;7,500psi高压泵;所有的泥浆泵均经ABS认证，满足海上作业要求。

13.钻井设备——转盘

双重迷宫式密封，更有效防止泥浆污染润滑油，同时提供液压驱动和变频驱动。

14.钻井设备——钻井动力控制和驱动系统

全数字AC/VFD和DC/SCR钻机系统，可同时应用于海洋和陆地钻机，模块可以互换，拥有控制系统和升降系统。

15.钻井设备——滑移系统

TSC生产的悬臂梁滑移装置和钻台滑移装置，由包括横向液压缸，滑移和锁紧机构，滚轮机构和每侧负载大于1700KPSI的控制系统组成;当横移液压缸正在伸出或者缩回时，锁紧机构由液压顺序阀控制其承重销缩回。锁紧装置在沿着滑移轨道移动时，承重销在其滑移到既定销孔时伸出;每个滑移系统都是由自带的独立液压站供压。

普通水深的油气勘探开发技术、工艺与装备的发展，提供了向深水和超深水迈进必要的条件。随着电子技术、宇航技术、造船工业、机械工业等的飞速发展，促进了海洋石油钻采平台逐年从浅水向深水推移，相应配套装备如先进的深潜器、机器人和深海钻探船等带动了海洋油气勘探开发技术的迅速发展。

深水油气钻井关键技术包括动力定位技术、海上大型自升式钻井船技术、3000m水深半潜式钻井平台和深水浮式钻井船关键技术、钻井液和完井液以及水下施工技术等。深水油气开发技术包括深海采油技术、深水平台技术、浮式生产系统技术、深海油气田总体开发技术、深海海底管道、电缆设计技术、水下作业技术等等。所有这些都需要特别的高新技术和特殊手段进行应对，每向海底深入一米，对技术的要求就更高一层。

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