第四章 海洋石油工程概述幻燈片.ppt

1、海洋石油工程概論，主講人：許，第1章緒論第2章海洋資源第3章海洋災(zāi)害與防治第4章海洋鉆井設(shè)備概述第5章海洋石油生產(chǎn)設(shè)備概述第6章波動(dòng)理論第7章海洋環(huán)境與環(huán)境載荷第8章海洋石油鉆井與生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)第9章海洋石油鉆井與生產(chǎn)設(shè)備的強(qiáng)度，基本內(nèi)容：海洋石油是一個(gè)高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的行業(yè)，決策和操作失誤會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。與世界石油產(chǎn)業(yè)一樣，中國海洋油氣產(chǎn)業(yè)面臨油氣田開發(fā)困難、投資額度和風(fēng)險(xiǎn)度增加、油氣儲(chǔ)量增長緩慢、環(huán)保成本增加、國際油價(jià)波動(dòng)等問題。針對(duì)這些問題，有必要在油氣田勘探開發(fā)過程中優(yōu)化作業(yè)流程；有效利用各種人力、技術(shù)和財(cái)政資源；促進(jìn)地質(zhì)油藏、鉆完井、工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的全面

2、協(xié)調(diào)；進(jìn)行觀念創(chuàng)新、科技創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和制度創(chuàng)新，以最小的投資成本和運(yùn)營成本獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1887年，美國人通過棧橋在距離海岸200多米的加利福尼亞鉆了第一口海上油井，標(biāo)志著海上石油工業(yè)的誕生。第一個(gè)專門為海上石油鉆探設(shè)計(jì)的平臺(tái)于20世紀(jì)40年代成功建造。這標(biāo)志著海上石油工業(yè)和陸上石油工業(yè)一樣，已經(jīng)開始了明確的分工，即海上石油公司和專業(yè)服務(wù)公司之間的分工。20世紀(jì)50年代以后，研制成功移動(dòng)鉆井平臺(tái)系統(tǒng)地形成了海洋石油產(chǎn)業(yè)體系，通過嚴(yán)格的社會(huì)分工體系，多學(xué)科公司合作開展海洋石油開發(fā)工作。1976年，有超過350個(gè)浮動(dòng)石油平臺(tái)。海洋石油勘探已經(jīng)成為各石油公司可持續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志。2

3、0世紀(jì)80年代中期，近海石油產(chǎn)量占世界石油產(chǎn)量的三分之一。海洋石油勘探和開發(fā)已經(jīng)成為國際關(guān)系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。絕大多數(shù)近海油氣資源存在于大陸架上，豐富的油氣資源隱藏在海洋中。據(jù)1995年估計(jì)，世界近海石油資源探明儲(chǔ)量為379億噸，天然氣儲(chǔ)量為39萬億立方米。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，海底油氣儲(chǔ)量約占全球油氣儲(chǔ)量的1/3。目前，海底油氣開發(fā)已從淺海大陸架延伸到水深達(dá)千米的海域。全球石油資源的可采儲(chǔ)量為3000億噸。海洋石油儲(chǔ)量占45%，可采儲(chǔ)量為1350億噸。為什么大多數(shù)近海石油資源都在大陸架上？根據(jù)石油和海洋生物理論，河流出口處有大量的海洋生物，容易形成原生動(dòng)物，大陸架往往是河流出口處的主要沉積區(qū)。海洋油

4、氣資源、深海油氣產(chǎn)量在陸地和海洋產(chǎn)量中的比例顯著增加，1990年參與深海油氣生產(chǎn)；2005年，深海的近海油氣產(chǎn)量幾乎占陸地和海洋總量的50%；其中，深海油氣產(chǎn)量占近海油氣產(chǎn)量的30%以上。海上油氣資源中，深水油氣產(chǎn)量的比重在2006-2010年中，最大且最先推離歐洲海岸(尤其是西非的安哥拉和尼日利亞)，占40%；其次是北美近海(尤其是墨西哥灣)，占25%；第三是拉丁美洲(尤其是巴西沿海)，占20%；亞洲占10%；西歐占3%；澳大利亞占2%；其他的只有1%。2010年，石油產(chǎn)量相當(dāng)于世界七大深水油氣生產(chǎn)國(2000-2010年前七大深水生產(chǎn)國)，中國石油資源的平均探明率為38.9%，而世界深水油

5、氣資源的平均探明率為38.9%中國海洋石油開發(fā)現(xiàn)狀、中國海洋油氣總儲(chǔ)量中國海洋油氣勘探主要集中在渤海、黃海、東海和南海北部大陸架。預(yù)測石油資源量為2753.108萬噸(2753億噸)，天然氣資源量為106.1012萬立方米(106億立方米)，總石油當(dāng)量約為375億噸，占2007年中國已探明石油當(dāng)量儲(chǔ)量的46.19億立方米。目前，原油發(fā)現(xiàn)率僅為18.5%，天然氣發(fā)現(xiàn)率僅為9.2%，勘探開發(fā)潛力巨大。20世紀(jì)50年代末，中國的海洋石油工業(yè)開始起步。從1967年到1979年，中國海洋石油十年累計(jì)產(chǎn)量僅63萬多噸。20世紀(jì)70年代末，中國的海洋石油首次對(duì)外開放。截至2000年底，累計(jì)對(duì)外合作探明石油地

6、質(zhì)儲(chǔ)量8.5億噸，自營探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量5.7億噸，年產(chǎn)原油近2000萬噸，天然氣近43億立方米。1.中國海洋石油總公司的整體技術(shù)能力已達(dá)到國際水平?！捌呶濉逼陂g含油氣盆地資源評(píng)價(jià)和勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)；海上地震的采集、處理和解釋、水平井、大斜度井和復(fù)雜地層的鉆探、海上油氣田的完井和延伸測試、數(shù)控測井以及數(shù)據(jù)分析和處理；油氣田和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬，以及復(fù)雜海上油氣田的開采；海上油氣田的工程設(shè)計(jì)、建造和安裝；海上油氣管道鋪設(shè)；海洋石油環(huán)境條件的調(diào)查與預(yù)測?！鞍宋濉逼陂g，中海油整體技術(shù)能力達(dá)到國際水平?！熬盼濉逼陂g，中國海洋石油總公司計(jì)劃增加油氣儲(chǔ)量4.6億噸和3，000億立方米。2005年，南海原油年產(chǎn)量

7、將穩(wěn)定在1000萬噸，渤海1000萬噸，整個(gè)海域1000萬噸石油當(dāng)量，主要在南海西部。2.中國石油天然氣集團(tuán)公司投資開發(fā)了最大的對(duì)外合作項(xiàng)目趙東油田，該項(xiàng)目于2001年3月開始開發(fā)建設(shè)，2003年8月4日投產(chǎn)。趙東合作區(qū)發(fā)現(xiàn)并探明了一個(gè)規(guī)模達(dá)6000萬噸的自給自足的高產(chǎn)油田。該油田具有豐度高、埋藏淺、儲(chǔ)層物性好、產(chǎn)量高的特點(diǎn)。2004年，它生產(chǎn)了96.5萬噸原油。2005年前三個(gè)月，原油日產(chǎn)量始終保持在3000噸的高位線，并走上了年產(chǎn)100萬噸的道路，呈現(xiàn)出高效發(fā)展趨勢(shì)。中國的海洋石油工業(yè)始于20世紀(jì)50年代末，比世界海洋石油的發(fā)展晚了約70年。當(dāng)它在20世紀(jì)60年代正式?jīng)Q定出海時(shí)，它遵循了在

8、陸地上發(fā)現(xiàn)石油的想法。最初的想法很簡單。在海中尋找石油意味著“給陸地增加水”，思考如何將陸地鉆井經(jīng)驗(yàn)和方法轉(zhuǎn)移到海上，這就是所謂的“陸地推?！?。1965年冬天，一個(gè)50多人的鉆井隊(duì)聚集在渤海，選擇了渤海的一個(gè)沙島曹妃甸作為井場建設(shè)中海上鉆井的起點(diǎn)。出人意料的是，它遭遇了一場突如其來的海嘯，吞沒了整個(gè)沙島和一個(gè)多月辛苦修建的井場。所有的工作人員都躲進(jìn)了一個(gè)臨時(shí)搭建在燈塔燈架上的避難所，并幸免于難。這一事件讓走向大海的第一代中國石油人贊賞不已。由于海洋環(huán)境的特殊性，海上油氣田開發(fā)與陸上油氣田開發(fā)有很大的區(qū)別，對(duì)專業(yè)技術(shù)的要求也大相徑庭，這主要是由完全不同的客觀環(huán)境決定的。它主要有以下十個(gè)顯著特點(diǎn)：

9、一是自然環(huán)境惡劣；第二平臺(tái)的工作空間是有限的；三油氣田施工設(shè)備和工具復(fù)雜，科技含量高；4.投資大、涉及面廣、管理難、未知領(lǐng)域多；第五，采用l戰(zhàn)略(1)自然環(huán)境惡劣，既受天氣的影響，又受海洋特殊環(huán)境的影響。海浪、海冰、臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)的共同作用會(huì)給油氣田的生產(chǎn)設(shè)施帶來巨大的破壞力，從而影響海上的正常作業(yè)和油氣井的正常生產(chǎn)。海上颶風(fēng)被稱為海上氣象惡魔，嚴(yán)重威脅著海上平臺(tái)的安全。1979年11月25日，“渤海2號(hào)”鉆井平臺(tái)在井位遷移過程中傾覆，1983年12月25日，美國阿科公司租用的“爪哇?！便@井船在臺(tái)風(fēng)襲擊下在南海傾覆。兩起事故都造成了嚴(yán)重的人員傷亡。經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們認(rèn)識(shí)到海上颶風(fēng)仍然是不可阻

10、擋的，他們只能要求加強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，做好預(yù)防工作。根據(jù)海上颶風(fēng)在被颶風(fēng)吹倒的平臺(tái)上的臺(tái)風(fēng)云圖，由于海洋自然環(huán)境與陸地完全不同，掌握海上石油開發(fā)的海況尤為重要。根據(jù)國際通用分類方法，我們一般將海況分為海冰、波浪、潮汐、海流和熱帶氣旋，它們是可能導(dǎo)致海洋石油開發(fā)失敗或不安全事故的自然主導(dǎo)因素。例如，海冰推下平臺(tái)和波浪結(jié)構(gòu)的疲勞破壞降低了結(jié)構(gòu)的使用壽命，潮汐鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕嚴(yán)重影響了海流的輸送、海底管道的彎曲和熱帶氣旋人工島的大規(guī)模流入。1980年8月，墨西哥灣的四個(gè)鉆井平臺(tái)被大風(fēng)大浪摧毀，1989年11月，美國“海浪峰”鉆井船被巨浪掀翻。根據(jù)1989年的統(tǒng)計(jì)，全世界有50多艘近海鉆井船被海浪吞沒。

11、到目前為止，海浪也是不可抗拒的，這只能加強(qiáng)預(yù)測和預(yù)防。我們將重點(diǎn)關(guān)注海洋自然環(huán)境中的風(fēng)、浪、流和海冰對(duì)海洋石油開發(fā)的影響。海冰對(duì)海上設(shè)施的影響主要表現(xiàn)在冰增加了設(shè)施需要承受的負(fù)荷，主要有以下幾種形式：一是在風(fēng)和潮流的作用下，大規(guī)模的冰運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆井和生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生擠壓壓力；在第二次冰流過程中，大小冰塊對(duì)鉆采設(shè)備的沖擊力以及冰蓋對(duì)鉆采設(shè)備的磨損作用；漲潮和落潮時(shí)，如果超過平臺(tái)底甲板的高度，就會(huì)產(chǎn)生上拔力；在四次冰蓋形成和冬季氣溫急劇變化引起的冰層擴(kuò)張引起的靜壓。憑直覺，冰變成了具有巨大動(dòng)能的固體，這給設(shè)施施加了強(qiáng)大的力。渤海歷史上曾發(fā)生過由海水結(jié)冰引起的災(zāi)難性事故，其中最典型的是1969年和1977年

12、海2井和海4井的烽火臺(tái)分別被海冰推倒，造成兩起重大海洋結(jié)構(gòu)物破壞事故。以下是對(duì)海2井坍塌事故相關(guān)情況的簡要介紹。海2井是中國自行設(shè)計(jì)、制造和安裝的海上石油鉆采平臺(tái)，為鋼樁基礎(chǔ)固定平臺(tái)；1969年立春后，渤海歷史上形成了罕見的冰封。海冰堆積在平臺(tái)導(dǎo)管架下方和平臺(tái)周圍，一些部件因強(qiáng)度不足而被冰壓碎并破裂。從預(yù)測到第一站失敗到平臺(tái)倒塌只花了十個(gè)小時(shí)。海冰狀況、破冰船、尼羅河冰狀、事故原因分析，通過詳細(xì)的事故原因分析，主要有以下五個(gè)因素：一是設(shè)計(jì)中不考慮冰荷載，僅采用波浪作為設(shè)計(jì)控制荷載；第二個(gè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，樁細(xì)長(樁長41m，外徑650-836mm，壁厚12-18mm)，整體穩(wěn)定性差，平臺(tái)

13、振動(dòng)嚴(yán)重，出現(xiàn)自激振動(dòng)；三個(gè)平臺(tái)總體布局不合理，冰區(qū)面積最大；4.施工粗糙，焊接質(zhì)量差；靜強(qiáng)度僅由材料力學(xué)計(jì)算。海浪主要是由風(fēng)、熱帶氣旋、臺(tái)風(fēng)和從設(shè)計(jì)角度來看，海浪的沖擊還應(yīng)考慮其往復(fù)力加劇結(jié)構(gòu)的疲勞，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。特征颶風(fēng)和大浪拍擊，潮汐和潮汐是由月亮和太陽相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)引起的，表現(xiàn)為海水的周期性波動(dòng)。海水在白天上升稱為潮汐，在晚上上升稱為汐。海上鉆井和生產(chǎn)的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)考慮潮位差和潮流的影響。在一個(gè)潮汐周期中，相鄰高潮位和低潮位之間的差異也稱為潮汐振幅。潮差的大小受潮汐力、地形和其他條件的影響，并隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化。應(yīng)充分考慮人工島建設(shè)和海上原油運(yùn)輸對(duì)潮汐的影響，以避免洪水和擱淺事

14、故。潮汐后的泥灘，潮汐進(jìn)入海灣，船只擱淺，洋流是海水按照一定方向和路線的連續(xù)流動(dòng)。一般來說，海流分為洋流、風(fēng)生流和潮流，其中風(fēng)生流和潮流對(duì)海上油氣鉆井和生產(chǎn)裝置的作用力最大。其受力的影響主要體現(xiàn)在海流產(chǎn)生的水動(dòng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊和結(jié)構(gòu)在長期往復(fù)作用下的疲勞效應(yīng)。通過近百年來在海洋工程領(lǐng)域的研究和實(shí)踐，已經(jīng)掌握并量化了海流影響海洋工程的基本規(guī)律?，F(xiàn)在我們已經(jīng)能夠使用相應(yīng)的公式來計(jì)算作用在海上油氣鉆井和生產(chǎn)設(shè)備上的當(dāng)前載荷，從而在設(shè)計(jì)中確保設(shè)施的本質(zhì)安全。海船沿著水流移動(dòng)，水流作用在海冰上，海上的石油泄漏被逆流收集。熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)，熱帶氣旋是指發(fā)生在熱帶海洋中的強(qiáng)風(fēng)暴；熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)對(duì)中國南部海域的海

15、洋石油開發(fā)有很大影響，是影響各種海洋石油作業(yè)的重大災(zāi)害性氣候。雖然渤海很少有臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋，但今年的麥莎給我們帶來了很大的影響，例如，黃驊海的局地臺(tái)風(fēng)曾造成人工島堤岸的破壞。因此，為防止當(dāng)?shù)責(zé)釒庑惋L(fēng)暴潮的影響，設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。臺(tái)風(fēng)云圖、風(fēng)暴潮破壞了人工島護(hù)堤、破壞了井場，以及結(jié)構(gòu)可靠性保證的一般做法。通過各種事故和海洋環(huán)境影響的教訓(xùn)，海洋石油工程界在設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)過程中借鑒了國際規(guī)范和慣例，采取了以下措施：首先，根據(jù)美國石油學(xué)會(huì)RP 2A的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)工程的許用應(yīng)力進(jìn)行了校核，從設(shè)計(jì)開始就考慮了影響結(jié)構(gòu)安全的各種潛在因素，并考慮了平臺(tái)安裝過程中的應(yīng)力情況。2.通過第三方認(rèn)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)

16、嚴(yán)格執(zhí)行平臺(tái)制造質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；3.定期檢查設(shè)施結(jié)構(gòu)，評(píng)估使用壽命，確保設(shè)施正常運(yùn)行。檢查平臺(tái)結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的基本思路是利用定量的專用有限元軟件系統(tǒng)模擬風(fēng)、海浪、波流等各種自然力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并考慮設(shè)計(jì)是否能滿足各種自然條件的影響和長期效應(yīng)。二是平臺(tái)工作空間有限，鉆井采油活動(dòng)空間狹小。所有設(shè)備都集中在一個(gè)或幾個(gè)平臺(tái)上。每個(gè)平臺(tái)一般有23層甲板，每層甲板的最大面積只有30米67.5米。在如此有限的空間內(nèi)開發(fā)幾十平方公里的油氣田，無論是開發(fā)方案還是工程設(shè)計(jì)都不同于陸上。如生產(chǎn)井口高度集中，最大井口距離為2.5m2.5m，最小井口距離為1.5m1.8m，只能是定向井和水平井；開發(fā)過程中調(diào)整井的數(shù)量受預(yù)留井槽的限制；油井作業(yè)非常困難；工程設(shè)施小而全由于空間小，設(shè)備布局緊湊，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，有時(shí)