深海天然氣工程亟待突破核心技術

■高德利

中國海洋石油天然氣資源十分豐富，但其大多數都埋藏於深水區，相應的油氣勘探開發工作面臨著「入地、下海」許多難題和工程技術挑戰。

歷經多年的探索與實踐，我國海洋深水鑽探工程已經實現了從淺水（水深300米以內）到超深水（水深超過1500米）的跨越，並在南海發現了豐富的天然氣及其水合物資源，亟待進行安全高效開發，因而對相應的開發工程模式及其技術支撐體系提出了重大需求。

深海油氣工程具有「四高」特點

隨著全球油氣需求量的持續增長與油氣科學技術的不斷進步，海洋油氣勘探開發正在從淺水區（水深小於300米）向次深水區（水深介於300～500米）、深水區（水深介於500～1500米）及超深水區（水深超過1500米）加速推進。

海洋深水區（以下簡稱深海）油氣資源勘探開發日趨活躍，如墨西哥灣、西非、巴西、北海、澳大利亞及中國南海等深水海域。近10年來，全球的重大油氣發現一多半都來自深海，深海將成為油氣資源的重要接替區之一。

同時，深海油氣勘探開發及其工程作業也面臨著「入地、下海」的雙重挑戰，具有高技術、高風險、高投入及高回報的「四高」特點，其中的「高回報」和巨大的附加效益（如船舶技術進步、信息技術綜合應用、海洋地質勘測、海防劃界、軍事情報獲取等），吸引了世界相關國家及公司進行持續高強度投入與大規模勘探開發活動。

由於深海油氣工程具有「四高」的基本特徵，出現任何作業事故都可能極大地增加作業時間和成本，嚴重時還會導致災難性的後果，因而必須對事關深海油氣勘探開發的安全高效作業模式及其技術支撐體系進行持續研究與實踐：一方面掌握其基本的科學規律與先進的勘探開發模式，另一方面力求不斷取得相關工程技術與裝備支撐體系的重大創新與突破。

中國南海油氣資源豐富，但其中的70%以上都埋藏於深水區，相應的油氣勘探開發及其工程作業因而面臨著許多技術難題和挑戰。歷經10多年的探索和實踐，我國海洋油氣鑽探的最大水深已超過2600米，實現了從淺水到超深水的跨越，同時也發現了豐富的深海天然氣及其水合物資源，亟待進行安全高效開發利用，需要通過創新驅動積極探索相適應的安全高效開發模式，不斷實現關鍵核心技術與裝備的重大突破。

深水鑽井技術創新是關鍵核心之一

較之於淺水或陸地，深海天然氣工程最大的特點就是需要浮式鑽採作業、水下井口及相適應的天然氣生產與集輸系統等。這不僅增加了工程作業的潛在風險及技術系統的複雜性，而且也大幅度增加了工程成本。

因此，在深海天然氣開發工程中應儘可能地減少水下井口及配套設施的數量，縮短浮式作業時間，並通過實施水平井或以水平井為基本特徵的複雜結構井工程，大幅度提高深海天然氣田的單井天然氣產量以及最終採收率。

為此，我國有必要圍繞深海天然氣田安全高效開發目標，優選比較適用的工程模式及其配套技術與裝備，同時積極探索更加先進適用的工程模式及其技術支撐體系。

深水鑽井技術就是深海油氣勘探開發不可或缺的關鍵核心技術之一，有關研究與實踐在國內外備受關注。深水鑽井作業主要包括深水導管安裝、表層套管井段鑽井、水下防噴器組及隔水管安裝、後續鑽井等4個主要作業環節。其中「後續鑽井」的技術難度取決於油氣藏特性與埋深、不同的井型技術要求（直井、水平井、複雜結構井等）及所鑽地層的複雜性。

綜合考慮深水鑽井的客觀約束條件和作業工藝特點，筆者團隊提出了適用於深水井身結構設計的不同作業安全係數選取方法及套管柱強度設計的推薦做法，並給出一套先進的深水井身結構優化設計流程。針對深水鑽井作業的特點，綜合考慮隔水管段井筒傳熱、鑽井液增注、套管及其環空溫壓效應等諸多因素的影響，建立了深水鑽井套管環空循環溫度預測計算模型，以及由溫度效應導致的環空增壓計算模型，闡明了相關因素的影響規律，提出了深水井筒完整性設計控制新方法。

此外，深水導管入泥深度設計與噴射安裝控制研究也不斷取得新進展。相關研究成果揭示了深水導管與海底土體相互作用的機理，通過採用不同的樁土接觸面模型，對深水鑽井導管的承載能力進行了計算分析，揭示了深水導管作為「循環通道」和「持力結構」兩大功能的動態力學特性，建立了深水導管噴射法安裝入泥深度預測模型。

考慮到深水鑽井隔水管安裝過程的特殊邊界條件，建立深水鑽井隔水管安裝過程中多種動力學行為分析模型及控制方程也至關重要。通過採用傳遞矩陣和譜分析方法，對深水鑽井隔水管的頂張力進行了優化分析，可得到不同作業參數下的頂張力最優值。

目前，筆者團隊已形成深水錶層導管入泥深度預測與控制方法，以及深水隔水管綜合力學分析與安全作業窗口預測方法，為深水鑽探工程安全高效作業提供了重要的技術支持。同時，建立了深海油氣工程科技創新與人才培養基地，自主研發了深水鑽井力學模擬實驗裝置，形成了「產、學、研、用」一體化的創新平臺條件，推動了海洋深水鑽探行業的科技進步。

深海天然氣工程科技創新的幾點建議

中國南海深水區天然氣及其水合物的安全高效開發面臨著許多技術挑戰，迫切需要建立相適應的工程模式及其技術支撐體系，尋求「地質—工程—市場」一體化的解決方案。

對於深海常規天然氣田，應積極試驗與建立「水平井或複雜結構井浮式鑽完井+水下鑽採系統+浮式生產、集輸與FLNG（浮式液化天然氣）處理系統+船運外輸」的開發模式及其技術支撐體系；而對於鄰近淺水區的深海天然氣田，則可以考慮採用大位移水平井開發模式，將「水下井口」轉移到淺水區固定鑽採平臺上來，從而大幅度提高其綜合開發效益。

以實現海域天然氣水合物商業化開發為目標，還應積極試驗與建立「水平井或複雜結構井浮式鑽完井+天然氣水合物原位分解開採+水下或浮式生產與集輸處理系統+管道或船運外輸」的開發模式及其技術支撐體系。

另外，由於天然氣水合物埋藏在海底以下的淺部（如中國南海某海域的水合物埋藏在泥線以下200～300米之間），難以實施水平井、U形水平井等複雜結構井工程，可考慮將井位選在水深較淺的海底，通過實施大位移井工程進行安全高效開發，或採用吸力錨技術與裝備建立水下井口。

未來，應通過持續的創新驅動，不斷提升深水鑽探、開採及儲運一體化技術體系的先進性與安全高效應用水平。同時，在深海天然氣工程中應高度重視安全環保問題，要特別注意防止發生井噴、洩漏等惡性事故。伴隨著信息、材料、人工智慧等相關學科領域的科技進步，深海天然氣工程必然朝著信息化與智能化的方向加速發展。

（作者系中國科學院院士、中國石油大學〈北京〉石油與天然氣工程國家重點學科負責人）