科技创新

深水钻完井如何面向AI时代?
发布日期:2017-11-24 浏览次数: 信息来源:中国海洋石油报 字号:[ ]
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编者按

随着油气资源的持续开采,油气开发难度越来越大。为了保障未来石油安全,越来越多的企业把目光投向占地球面积70%的海洋,油气开发重点也悄然从陆地转向海洋,并逐步挺进深海。

在挺进深海的过程中,深水钻完井是深水油气勘探开发领域的关键,如何认识深水钻完井作业风险,进一步提升中国海油在深水海域的油气钻探能力成为重中之重。

海水越深,危险系数越大?

◆技术人员证实,水深并不是决定深水钻完井难度和风险大小的唯一因素,只要越过了大陆架,典型的深水问题就会接踵而至。

深水钻完井的历史可以追溯到上世纪70年代,也是从那时起,业内人士认识到深水钻完井作业风险与陆地、浅水段不可同日而语。

然而,实际上石油行业并没有关于“深水”的预先定义。目前,对于深水钻完井水深的定义仍然是世界石油大会的行业约定。国际上一般将在水深超过500米海域的钻探定义为深水作业,超过1500米的则为超深水作业。随着科技进步和石油工业的发展,“深水”的定义也将随着时间、区域和专业领域不断变化。

在国际上,1976年法国道达尔菲纳-埃尔夫石油公司在阿尔及利亚近海钻了第一口水深925米的深水井,这是第一口真正意义上的深水井。进入上世纪80年代后期,深水钻完井技术突破1000米水深大关,21世纪初超过3000米水深。

随着中国经济的高速发展,能源供应与经济发展之间的矛盾不断加剧,加之浅海油气勘探开发逐渐饱和,国家把深水作为未来石油安全保障的重要方向之一。2006年发现的荔湾3-1气田,正式揭开了我国南海深水大开发的序幕。这个平均水深1500米的气田,是国内第一个真正意义上的深水油气田。自2012年起中国海油完全自主地完成了32口自营深水井的钻井作业,目前在南中国海钻探的油井水深均在500~2500米之间。

然而,根据美国提供的统计数据显示,在深水、超深水海域进行钻井作业,随着水深增加,会面临更复杂的技术和更恶劣的环境等挑战。也就是说,随着水深的不断增加,深水钻完井的风险系数会更高,也大大增加了事故的发生概率。

水深增加,环境温度降低,海底低温、高压等都会给钻井作业带来诸多问题。例如,在低温环境下,钻井液的黏度和切力大幅度上升,会出现显著的胶凝现象,增加了形成天然气水合物的可能性。在技术风险方面,深水环境下隔水管需要承受较大的张紧力和抵抗恶劣环境载荷的能力。此外,深水防喷器组及控制系统的功能和响应时间要求、系统的适应性监测要求等,都增加了深水钻完井的作业风险。

尽管国际上深水钻完井作业快速发展,作业水深也早已越过3000米大关,但是国际石油公司在深水钻井作业中都遭遇着与常规浅水钻井作业不一样的困难和挑战。

软硬兼修,苦练安全“内功”

◆不论是在设备、技术上还是管理上,深水钻完井都比陆地钻井的成本需求大大增加,特别是对于起步较晚的中国,在深水钻完井领域面临着更大的挑战。

“根据国内外石油公司提供的资料,对深水钻完井作业所面临的困难进行分析,确定这些因素对钻井作业的影响程度,得出目前深水钻完井作业存在三类主要问题。”通过多年深水钻完井安全技术研究,南海东部石油管理局教授级高级工程师刘伟安认为,目前国内深水钻完井主要面临着钻井装置、作业程序、人员与技术管理三个方面的挑战。

首先,从硬件上来看,要发展深水钻完井,必须加大相关的投入,引进定位系统等先进设备,制造一流的钻井装置。然而,在国际低油价大环境下,成本因素成为深水钻完井不得不考虑的问题,最终制约着钻完井设备的发展。

目前,我国在深水工程技术和装备领域等方面仍与国外存在一定的差距。深水装备数量相对较少、类型不全,核心技术仍主要掌握在国外公司手里。同时,装备还应具备应对南海深水海域特有的复杂油气特性、高温高压以及频繁台风等因素的能力。

要解决这些问题,必须大力推动我国海洋石油工程设备设施的产业化、国产化,不断提升深水油气工程开发建设的系统能力。当然,在这条道路上,中国海油取得的成绩是有目共睹的。目前,总公司已拥有7座深水半潜式钻井平台,大幅提升了中国海油深水装备和作业能力,打下了应对深水钻完井作业风险的硬件基础。

其次,诸如深水钻完井作业程序与标准的制订等“软件”,在国内同样面临着挑战。要完成浅水到深水,再到超深水的“通关”,必须走出国门,与国际接轨,广泛开展国际间的交流与合作。

2010年美国墨西哥湾原油泄漏事件,多个国家参与了后期污染处理,以应对这场全人类共同的灾难。这一灾难性教训也让业内开始意识到,开展深水领域的技术合作,形成统一的国际技术标准,才能提高海洋油气开发的技术水平。

最后,就人员与技术管理而言,国际上对于深水领域的技术标准、技术研究、行业规范仍处于不断摸索和改进的阶段。在中国海油,目前已基本建立了钻前研究的体系和方法,形成深水钻井设计的流程和标准,具备深水探井设计和作业安全管理的基本能力,大幅提高了深水钻完井作业效率。

梯队建设,培育未来型人才

◆未来深水钻完井必然走向人工智能的道路。AI时代更大的挑战是,国内深水钻完井技术人才的紧缺和专业人才培养。

随着南海油气开发不断向更深处延伸,总体来说未来的油气开采将面临更加不稳定的地质地貌,其钻完井施工难度和作业风险也会成倍增加。因此,持续加强钻完井关键技术的研究以及配套技术创新,才能应对未来深水钻完井的安全风险。

“装备技术的进步靠人,现场安全管理还是靠人!”南海深水工程技术中心总经理韦红术说。在他看来,“五型六舰”深水舰队的建成,实现了中国海油向油气开发深水时代的跨越,而操作这些深海舰队的,是身处深水钻完井领域科技前沿的专业技术人才,他们是走向深海的关键。

实际上,在世界范围内影响深水钻完井领域发展的主要障碍,除了高风险、高投入等,更主要还在于高科技顶尖人才的缺乏。“在国际石油行业一体化、AI(人工智能)大趋势下,未来的深水钻完井专业技术领域,也必然走向AI的道路。”在深水钻完井技术领域摸爬滚打多年的南海东部石油管理局深水技术中心技术支持经理张伟国如是说。

即将交付的第六代半潜式深水钻井平台“海洋石油982”,标志着中国深水油气田开发建设的人工智能化水平将越来越强。在人工智能化这条必经之路上,建设专业技术人才梯队,是应对未来深水钻完井风险的关键。

走向深海,我们才刚刚开始。这还是一个远未认知的世界,等待着石油人去探索。做好深海能源开发的探索者,需要一批面向未来、懂石油先进技术的人才,有了他们,才有抓住当下和未来历史机遇的可能。(特约记者 夏雪峰)

延伸阅读

南海深水钻完井的挑战有哪些?

南海深水钻完井面临着比国际同行更恶劣的海洋环境、浅层地质灾害和地层压力窗口狭窄等复杂技术挑战。同时,后勤支持困难、对设备可靠性要求高等,都给深水钻完井作业带来重重考验。

恶劣的海洋环境。南海自然环境恶劣,主要体现就是台风频繁。台风生成地点,决定了台风生成时可能距离深水井位更近,台风移动距离短,风力强劲,加上深水钻完井作业关井所需时间更长,大大增加了作业的难度。若来不及撤台,还会造成平台横向漂移、隔水管断裂、防喷器落海等重大险情,带来巨大的财产损失。

除了台风,深水钻完井还可能受到内波流、海底沉积物等因素的影响。内波流是一种潮汐作用下海洋内部不连续波浪,类似滚筒洗衣机中的水流,会在垂直方向上形成剪切力,给水下结构带来严重危害。

浅层地质灾害。在深水区域,浅层地质灾害对钻完井的影响主要发生在泥线以下1500米地层内,主要包括浅层气、浅层流、水合物及不稳定海床的影响。

我国南海浅层气主要分布于大陆架区。钻井作业中一旦钻到浅层气聚集层,可能造成井口基底冲垮、井喷,甚至发生井口塌陷、平台倾覆。水合物阻塞防喷器和压井管线,会导致井控失效。一旦井口头或立管内形成水合物,将给钻井作业带来卡钻、随钻工具卡管等问题,可能导致完井事故。

海底的沉积岩层形成时间较短,缺乏足够的上覆岩层,深水海床地质不稳定,其中包括斜坡滑塌、地质疏松等不利情况,易造成水下井口下沉,甚至井眼报废。

地层压力窗口狭窄。对于相同沉积厚度的地层来说,随着水深的增加,地层的破裂压力梯度在降低,致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄。也就是说,海底下的岩石随水深而更容易“碎裂”,容易从“裂缝”发生井漏等复杂情况。

水深增加,要求隔水管更长、钻井液容积更大以及设备压力等级更高。隔水管与防喷器的重量等均大幅增加,对甲板负荷和空间提出了更高要求。与浅水段相比,深水井所需的套管层数,比同样钻井深度的浅水井多。

中国海油经过多年的摸索,结合国内外研究实践,完成了台风早期预报与避台、孤立内波实时监测预警及应对、浅层地质灾害预测与控制、地层压力预测等技术对策,形成了完整的作业技术体系,以应对南海深水钻完井的技术挑战。





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深水钻完井如何面向AI时代?
发布日期:2017-11-24 信息来源:中国海洋石油报

编者按

随着油气资源的持续开采,油气开发难度越来越大。为了保障未来石油安全,越来越多的企业把目光投向占地球面积70%的海洋,油气开发重点也悄然从陆地转向海洋,并逐步挺进深海。

在挺进深海的过程中,深水钻完井是深水油气勘探开发领域的关键,如何认识深水钻完井作业风险,进一步提升中国海油在深水海域的油气钻探能力成为重中之重。

海水越深,危险系数越大?

◆技术人员证实,水深并不是决定深水钻完井难度和风险大小的唯一因素,只要越过了大陆架,典型的深水问题就会接踵而至。

深水钻完井的历史可以追溯到上世纪70年代,也是从那时起,业内人士认识到深水钻完井作业风险与陆地、浅水段不可同日而语。

然而,实际上石油行业并没有关于“深水”的预先定义。目前,对于深水钻完井水深的定义仍然是世界石油大会的行业约定。国际上一般将在水深超过500米海域的钻探定义为深水作业,超过1500米的则为超深水作业。随着科技进步和石油工业的发展,“深水”的定义也将随着时间、区域和专业领域不断变化。

在国际上,1976年法国道达尔菲纳-埃尔夫石油公司在阿尔及利亚近海钻了第一口水深925米的深水井,这是第一口真正意义上的深水井。进入上世纪80年代后期,深水钻完井技术突破1000米水深大关,21世纪初超过3000米水深。

随着中国经济的高速发展,能源供应与经济发展之间的矛盾不断加剧,加之浅海油气勘探开发逐渐饱和,国家把深水作为未来石油安全保障的重要方向之一。2006年发现的荔湾3-1气田,正式揭开了我国南海深水大开发的序幕。这个平均水深1500米的气田,是国内第一个真正意义上的深水油气田。自2012年起中国海油完全自主地完成了32口自营深水井的钻井作业,目前在南中国海钻探的油井水深均在500~2500米之间。

然而,根据美国提供的统计数据显示,在深水、超深水海域进行钻井作业,随着水深增加,会面临更复杂的技术和更恶劣的环境等挑战。也就是说,随着水深的不断增加,深水钻完井的风险系数会更高,也大大增加了事故的发生概率。

水深增加,环境温度降低,海底低温、高压等都会给钻井作业带来诸多问题。例如,在低温环境下,钻井液的黏度和切力大幅度上升,会出现显著的胶凝现象,增加了形成天然气水合物的可能性。在技术风险方面,深水环境下隔水管需要承受较大的张紧力和抵抗恶劣环境载荷的能力。此外,深水防喷器组及控制系统的功能和响应时间要求、系统的适应性监测要求等,都增加了深水钻完井的作业风险。

尽管国际上深水钻完井作业快速发展,作业水深也早已越过3000米大关,但是国际石油公司在深水钻井作业中都遭遇着与常规浅水钻井作业不一样的困难和挑战。

软硬兼修,苦练安全“内功”

◆不论是在设备、技术上还是管理上,深水钻完井都比陆地钻井的成本需求大大增加,特别是对于起步较晚的中国,在深水钻完井领域面临着更大的挑战。

“根据国内外石油公司提供的资料,对深水钻完井作业所面临的困难进行分析,确定这些因素对钻井作业的影响程度,得出目前深水钻完井作业存在三类主要问题。”通过多年深水钻完井安全技术研究,南海东部石油管理局教授级高级工程师刘伟安认为,目前国内深水钻完井主要面临着钻井装置、作业程序、人员与技术管理三个方面的挑战。

首先,从硬件上来看,要发展深水钻完井,必须加大相关的投入,引进定位系统等先进设备,制造一流的钻井装置。然而,在国际低油价大环境下,成本因素成为深水钻完井不得不考虑的问题,最终制约着钻完井设备的发展。

目前,我国在深水工程技术和装备领域等方面仍与国外存在一定的差距。深水装备数量相对较少、类型不全,核心技术仍主要掌握在国外公司手里。同时,装备还应具备应对南海深水海域特有的复杂油气特性、高温高压以及频繁台风等因素的能力。

要解决这些问题,必须大力推动我国海洋石油工程设备设施的产业化、国产化,不断提升深水油气工程开发建设的系统能力。当然,在这条道路上,中国海油取得的成绩是有目共睹的。目前,总公司已拥有7座深水半潜式钻井平台,大幅提升了中国海油深水装备和作业能力,打下了应对深水钻完井作业风险的硬件基础。

其次,诸如深水钻完井作业程序与标准的制订等“软件”,在国内同样面临着挑战。要完成浅水到深水,再到超深水的“通关”,必须走出国门,与国际接轨,广泛开展国际间的交流与合作。

2010年美国墨西哥湾原油泄漏事件,多个国家参与了后期污染处理,以应对这场全人类共同的灾难。这一灾难性教训也让业内开始意识到,开展深水领域的技术合作,形成统一的国际技术标准,才能提高海洋油气开发的技术水平。

最后,就人员与技术管理而言,国际上对于深水领域的技术标准、技术研究、行业规范仍处于不断摸索和改进的阶段。在中国海油,目前已基本建立了钻前研究的体系和方法,形成深水钻井设计的流程和标准,具备深水探井设计和作业安全管理的基本能力,大幅提高了深水钻完井作业效率。

梯队建设,培育未来型人才

◆未来深水钻完井必然走向人工智能的道路。AI时代更大的挑战是,国内深水钻完井技术人才的紧缺和专业人才培养。

随着南海油气开发不断向更深处延伸,总体来说未来的油气开采将面临更加不稳定的地质地貌,其钻完井施工难度和作业风险也会成倍增加。因此,持续加强钻完井关键技术的研究以及配套技术创新,才能应对未来深水钻完井的安全风险。

“装备技术的进步靠人,现场安全管理还是靠人!”南海深水工程技术中心总经理韦红术说。在他看来,“五型六舰”深水舰队的建成,实现了中国海油向油气开发深水时代的跨越,而操作这些深海舰队的,是身处深水钻完井领域科技前沿的专业技术人才,他们是走向深海的关键。

实际上,在世界范围内影响深水钻完井领域发展的主要障碍,除了高风险、高投入等,更主要还在于高科技顶尖人才的缺乏。“在国际石油行业一体化、AI(人工智能)大趋势下,未来的深水钻完井专业技术领域,也必然走向AI的道路。”在深水钻完井技术领域摸爬滚打多年的南海东部石油管理局深水技术中心技术支持经理张伟国如是说。

即将交付的第六代半潜式深水钻井平台“海洋石油982”,标志着中国深水油气田开发建设的人工智能化水平将越来越强。在人工智能化这条必经之路上,建设专业技术人才梯队,是应对未来深水钻完井风险的关键。

走向深海,我们才刚刚开始。这还是一个远未认知的世界,等待着石油人去探索。做好深海能源开发的探索者,需要一批面向未来、懂石油先进技术的人才,有了他们,才有抓住当下和未来历史机遇的可能。(特约记者 夏雪峰)

延伸阅读

南海深水钻完井的挑战有哪些?

南海深水钻完井面临着比国际同行更恶劣的海洋环境、浅层地质灾害和地层压力窗口狭窄等复杂技术挑战。同时,后勤支持困难、对设备可靠性要求高等,都给深水钻完井作业带来重重考验。

恶劣的海洋环境。南海自然环境恶劣,主要体现就是台风频繁。台风生成地点,决定了台风生成时可能距离深水井位更近,台风移动距离短,风力强劲,加上深水钻完井作业关井所需时间更长,大大增加了作业的难度。若来不及撤台,还会造成平台横向漂移、隔水管断裂、防喷器落海等重大险情,带来巨大的财产损失。

除了台风,深水钻完井还可能受到内波流、海底沉积物等因素的影响。内波流是一种潮汐作用下海洋内部不连续波浪,类似滚筒洗衣机中的水流,会在垂直方向上形成剪切力,给水下结构带来严重危害。

浅层地质灾害。在深水区域,浅层地质灾害对钻完井的影响主要发生在泥线以下1500米地层内,主要包括浅层气、浅层流、水合物及不稳定海床的影响。

我国南海浅层气主要分布于大陆架区。钻井作业中一旦钻到浅层气聚集层,可能造成井口基底冲垮、井喷,甚至发生井口塌陷、平台倾覆。水合物阻塞防喷器和压井管线,会导致井控失效。一旦井口头或立管内形成水合物,将给钻井作业带来卡钻、随钻工具卡管等问题,可能导致完井事故。

海底的沉积岩层形成时间较短,缺乏足够的上覆岩层,深水海床地质不稳定,其中包括斜坡滑塌、地质疏松等不利情况,易造成水下井口下沉,甚至井眼报废。

地层压力窗口狭窄。对于相同沉积厚度的地层来说,随着水深的增加,地层的破裂压力梯度在降低,致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄。也就是说,海底下的岩石随水深而更容易“碎裂”,容易从“裂缝”发生井漏等复杂情况。

水深增加,要求隔水管更长、钻井液容积更大以及设备压力等级更高。隔水管与防喷器的重量等均大幅增加,对甲板负荷和空间提出了更高要求。与浅水段相比,深水井所需的套管层数,比同样钻井深度的浅水井多。

中国海油经过多年的摸索,结合国内外研究实践,完成了台风早期预报与避台、孤立内波实时监测预警及应对、浅层地质灾害预测与控制、地层压力预测等技术对策,形成了完整的作业技术体系,以应对南海深水钻完井的技术挑战。


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