【摘 要】海洋中蕴藏着极为丰富的固体、液体、气体资源，现代技术的发展促使人类勘察与开发海洋资源。进入21世纪，“谁拥有海洋，谁就拥有未来”已成为世界各国的共识。为此，海洋资源特别是海洋油气资源开发利用越来越受到世界各国的重视。本文针对海洋油气钻探的相关应用技术，参考国内外有关研究，做出综述性总结，并提出未来发展之展望。
【关键词】海洋资源;油气钻探;发展展望
The Development and Prospect of Offshore Oil and Gas Exploration and Related Application Technology
CAI Huang-he PENG Zhen-bin
（School of Geosciences and Info-Physics，Central South University， Changsha Hunan 410083， China）
【Abstract】There are abundant solid， liquid， gas resources in ocean. The development of modern technology is promoting human to exploit marine resources. In the 21st century， “Who owns the oceans， will have a bright future” has become the consensus of the world. To this end， marine resources， especially offshore oil and gas resources development and utilization are attracting more and more attention around the world. This article aimed at application technology of the offshore oil and gas exploration， referred to relevant research at home and abroad and made a review of summary with the future development.
【Key words】Marine Resources; Oil and gas exploration; Prospect
1 海洋主权及海洋资源
由于历史原因，“960万平方公里”的国土观念根深蒂固。殊不知，我国还有约300万平方公里的海洋国土。国民海洋意识薄弱，海洋主权受到威胁，海洋权益屡受侵犯，近年，中国的东海、南海局势愈演愈烈。海上权益的一个关键在于海洋资源问题，特别是海洋油气资源，更是引起海上冲突的关键导火索，由不久前中国海上981钻井平台在南海的一系列经历便可见一斑。
据不完全统计，全球已发现海洋油气田2000多个，海洋油气储量占全部油气储量的30-40%，海洋油气产量占全部油气产量的30%以上，且探明率在30%左右，尚处于勘探的早期阶段。目前，海洋油气已经成为世界油气生产增长的主要来源。在我国强调树立科学发展观，力求可持续发展的环境下，必须重视海洋资源的开发与利用。
2 海洋油气钻探技术简介
2.1 海洋钻探
海洋钻探包括：滨海、海底地质钻探;滨海（近海）石油与天然气钻探;大洋科学考察钻探。
为适应不同水深，海洋钻进设施可分为以下几类：
（1）人工岛、栈桥、珩架式构架——实质上是陆地钻探向浅海的延伸，适应水深5-20m。
（2）底座式固定平台，适应水深20-30m。
（3）自升式钻井船（平台）适应水深20-110m。
（4）半潜式钻井船（平台，高出水面18m），适应水深60-200m，最深达610m。
（5）深海钻井船，适应水深300-6000m，一般为610m以内。
海上钻井设施的发展过程是：1947年建成底座式钻井平台;1949年建成潜入式钻井设施;1953年建成桁架式钻井设施;1954年出现自行式钻井船（平台）;1961年建成深海钻井船;1962年建成半潜式钻井船（平台）;至20世纪70年代初，底座式、自升式、半潜式、浮船式四类海洋钻井设施已基本定型，目前发展趋势是进一步完善局部结构和实现大型化。
2.2 海洋油气勘探对钻探平台的要求
与陆地油气钻探相比，海洋油气钻探需要克服海洋环境的影响。海况总会引起钻井船船体运动，且随着风速的变化和海流速度的高低而加剧或减弱。尽可能地提高船体的稳定性，保证钻井船有效作业，减弱船体运动是至关重要的。
在对海上船体运动进行分析之后，发现在钻进船工作或锚定后，有六种运动：纵移，横移，升沉，横摇，纵摇，摇艏。任一船体运动必须考虑船上工作人员所能承受的水平，从而保证人员在特殊环境下安全作业和钻探施工的顺利进行。
船体稳定性是船抗倾覆的性能，它关系到船只的倾斜运动状态，对稳定性的要求如下：
（1）完整稳定性——要求扶正力矩必须顶得住从任何方向吹来的预计风速。
（2）破坏稳定性——在任何主舱间被合理淹没的情况下，船只还能顶得住来自任何方向的一定的风负荷。
（3）动稳定性——用风倾覆力矩这个名词来表示，它是倾斜角的函数。
为了保证船体稳定性，海上钻井船上需有锚定定位设备限制船只在水平面上的运动。这些运动包括纵移、横移与摇艏。根据实际钻探情况，选取锚泊系统有以下原则：
（1）深达152m的浅海要用一根加重缆绳，尤其在气候特别恶劣的地区。
（2）锚链能用于的水深约366m，但也不一定非建议采用不可。
（3）水深457m或达到610m则可用复合缆（钢绳与锚链）。
（4）超过550m，可单独使用钢丝绳。
（5）水静止状态时的缆绳能力，应如此确定：在特许作业环境下，能使船只保持在允许作业偏离距离以内。
（6）一旦隔水管被卸开，船只方向可以变动以减少各种环境力对船只的影响。
在实际生产过程中，总是存在人类不可抗的力量使得无法完成理想化的有效作业，并受到重大损失。如2005年7月Dennis飓风使美国墨西哥湾THUNDER HORSE平台倾斜22°，经昂贵的修复作业，才使平台恢复生产。可见，海上油气钻探与开发存在着不可忽视的风险，如何提高钻探平台的稳定性是海洋油气钻探发展中的一项重点课题。
2.3 海上钻井工程设备的主要结构
陆地上的油气钻探方法与技术在海洋油气钻探中都是适用的。但是，受恶劣的海洋自然地理环境和海水的物理化学性质的影响，许多钻探方法与技术受到了限制。因此，海上钻井工程设备的结构要复杂的多，海上钻井必须使用钻井平台。除与陆上相同的必须的钻井设备结构外，还有部分设备需要根据实际钻探情况做适当的改进与调整。
2.3.1 套管头与套管
水下套管头与陆地钻井的套管头很相似，其作用是：
（1）钻进中必须能支持防喷器组。
（2）注水泥固井时能悬挂套管。
（3）在钻进和开采中必须能将各层套管柱之间予以密封。
为适应海上钻探的需要，浮式钻井的套管挂、套管密封、水泥头与陆地或自升式钻井平台作业并不相同，如：①下套管时，最后一节接上一只套管挂，并在固井前永久性地悬挂在套管头处，泥浆回经套管挂上的凹槽返回;②水泥塞一般位于套管头上，用遥控开启;③套管密封件用遥控法下入安装;④备有特殊测试器具对套管密封进行遥测。
早年套管柱由海底套管头一直延续到海面，用传统的水泥头即可进行注水作业。现在多使用海下注水泥系统，这一系统的特殊结构使得近海用的水泥头比陆上用的要轻些，并易于掌握。
2.3.2 防喷器
防喷器是为承压状态下关闭井口而设计的。为保持对井的连续控制，使流入井筒里的地层流体也能循环出来，需要采用多种类型的防喷器。同时为了备用，同一类型的防喷器也要有两台或更多的台数。把几台防喷器组装在一起称为防喷器组。
防喷器设计工艺与技术以及陆上使用防喷器的经验，都借用于浮式钻井，但是当防喷器安置在海底时，需要对防喷器、控制系统、钻进工艺、使用方法等方面进行改进。主要变化是：①防喷器尺寸加大了;②结构设计需考虑海底的静水压力;③由于运送管线较长，压力降增高，大型的防喷器比陆上相应的需要更多的液体以操纵防喷器;④为防止回油管路的压力降，液压液体要往海里排气;⑤液压液体不能污染海水，具有防腐性、粘度低、润滑性好，并能与高矿化水混合的特性;⑥防喷器组的布置改变;⑦长节流管线中的压力降影响井控工艺改变。
防喷器组从下而上包括：一台套管头连接器;三台钻杆闸板防喷器;一台全封闭剪切闸板防喷器，一台环形防喷器;液压连接器;以及另一台环形防喷器。
其中，闸板防喷器的主要部件是块状钢闸板，带有橡胶密封，用液压控制关封井筒。环形防喷器由特殊设计的加强橡胶芯子组成，它能从四周封住通过防喷器的任何管状或近似管状物件，也能封住裸眼，钻杆接头能够通过而不会严重损伤密封芯子。
2.3.3 隔水管部件
隔水管是钻井船与海底套管头之间的交通连系通道。通过它，将钻具导进井眼，使泥浆循环到船面。隔水管的部件包括：隔水管短节;球接头;滑动短节;分流器;过渡管线;浮力轮。
在海上油气钻井平台上需要附加许多设备来补偿船体的运动，从而确保隔水管的正常工作。
运动补偿的含义是抵偿浮式钻井船的升沉运动，使钻井平台相对于海床保持其不受运动的影响，即在浮式钻井过程中，船受升沉作用的影响，而始终保持钻头压力恒定。进行运动补偿的方式有：被动系统;主动和半主动系统;缓冲短节。
2.3.4 水下设备
海洋钻井的水下设备组成从下而上依次为：井口盘（临时井口盘）——附电视导向绳、声波装置;永久导向架——附永久导向绳;套管头（组）;液压连接器;防喷器（组）——附四只双闸板防喷器、一只环形液压防喷器、压井-放喷阀与水下放喷管线、控制箱、隔水管系导向臂及电视摄像机;液压连接器——附球接头、卡箍、压井-放喷管线的过渡线;下球接头;隔水管;伸缩隔水管;隔水管张紧绳;上球接头;分流器;伸缩短节。
这些水下设备的主要功能为：
（1）从井口到钻台构成一个隔绝海水的通道。以供起下各种钻探工具，返回与导出钻井液。
（2）由防喷器、压井-放喷管对海底井口与井内压力实行控制。
（3）由球接头、滑动短节、张紧系统的偏斜和伸缩，以适应钻井船的升沉与摇动。
（4）在井口装置与防喷器组、防喷器组与隔水管系统之间，采用液压连接器，在紧急状况实现钻井船与隔水管系统快速脱开。
2.4 海洋油气钻探技术特点
在海上，由于恶劣的自然环境和海水的物理化学性质的影响，很难进行在陆地上所能采用的地面地质调查法，许多技术方法受到限制，各种勘探方法需转到勘探船、钻井平台上进行，并且测量结果受海水深度和海水性质的影响。正是为适应这些因素，减弱其不良影响，海洋油气钻探技术形成了不同于陆地的特点：
（1）钻井平台使用寿命长，可靠性指标高，主要体现在强度要求高、疲劳寿命要求高、建造工艺要求高、生产管理要求高。
（2）钻井平台为适应不同海域、不同水深、不同方位的作业而呈多样化，各种钻探设备和方法也更为复杂。
（3）海上的钻探在布置探井井位时必须十分慎重，确保最大限度地提高钻探效率，取全、取准第一手资料。
（4）由于海洋油气工程装置所产生的海损事故十分严重，所以对其安全性能要求大大提高，特别是对包括设计与要求、火灾与消防及环保设计等HSE的贯彻执行更加严格。
（5）学科多，技术复杂，海洋石油钻井平台的结构设计与分析涉及了海洋环境、流体动力学、结构力学、土力学、钢结构、船舶技术等多门学科。
总之，海洋油气钻探技术总体呈现为普通技术、新技术和高技术相互吸收融合而形成的多技术结构。
3 我国海洋油气钻探的发展展望
目前各种新型能源琳琅满目，使人应接不暇，但真正能够实现系统的开发、储存、利用的少之又少，何况在此基础上还应当考虑能源成本的最优化。在未来相当长的一段时间内，石油、天然气仍将占有最重要的地位。然而世界上已开采的油气大部分来自陆地，陆地油气的开采量远远大于自然增长量，其枯竭在所难免。我国拥有辽阔的海域，蕴含丰富的资源，海上油气钻探与开发是保证国家资源安全的重要法宝。
我国海洋油气钻探起步较晚，与世界先进水平存在不可忽视的差距。通过对各种相关资料的分析，这些差距主要表现在：①深海钻探技术不能满足要求，适用于深水海域的水下钻采设备短缺，深水海底管道及系统的动态安全性技术缺乏;②新型钻井平台的设计和建造技术落后，关键设备与技术的国产化率低;③后勤保障及配套设施落后。
近年来，海洋资源越来越受到重视，我国海洋油气钻探技术突飞猛进，但依然存在一些尚未解决的关键技术，制约着我国海洋油气的发展。随着计算机技术、智能化技术等标志性技术的出现和引入石油工业领域，传统的钻井工艺不断发生着“革命性”的更新和突破，新技术、新工艺、新型钻井液、新设备、新平台先后研发并得到广泛应用，配合国家的经济发展和海洋能源开发的需要，结合国外经验，我国海洋油气钻探技术的发展将有以下趋向：
（1）围绕钻探和开发所遇到的问题有针对性地开发新技术。
（2）对现有的先进技术进行综合利用。
（3）为实现钻井自动化和智能化而积极开发新设备和新技术。
（4）实时化、信息化、可视化，集成化、自动化、智能化。
（5）钻机及其配套设备稳定可靠，施工作业“安全、高效、环保”。
（6）快速钻井，准确定向，降低成本，保护油气层。
总的来看，无论是油气勘探，还是储量钻探，其发展趋势都将向深海发展，这就要求其技术设备要向浮动化、大型化方向发展，要求增强设备的抗波、抗冰能力、耐久性以及稳定性。
4 结语
随着世界经济的发展，能源需求不断增加，在市场需求压力和高油价的驱使下，未来全球海洋油气钻探开发的投资将不断增加，钻探开采作业海域和水深将不断扩大，海洋油气钻探从基础理论到设备、工具、工艺技术将会得到迅速的革新和发展。实际上，我国对海洋油气资源的钻探与开发尚处于早期，存有极大的发展空间。今后，我们在自行研制和积极引进国外技术和方法的过程中，更应当积极开拓填补我国深海油气钻探开发的技术空白，使我国的海洋油气产业及技术赶上甚至超过西方发达国家的水平，成为在海洋油气钻探技术上的领跑者。
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[责任编辑：汤静]
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