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挑戰北極極端環境 油田開發從海底鉆井底盤做起

首圖
本文介紹在北極這樣的環境下,油田開發所面臨的問題,并分析了如何選擇海底整體式底盤(ITSs),同時也對一些正在進行的油氣開發項目進行了分析。這項工作中的一個重要部分就是根據海底整體式底盤的要求制定相關的標準。另外還考慮了海底生產組塊的主要部分,包括它們獨特的性質和組成部分。

一般海底鉆井底盤都設計為若干平行并排,每一井排上布置若干個井槽,這些井槽均按照一定的井距緊湊地布置在底盤構架中。

插圖1▲海底鉆井的整體式底盤

整體式底盤主要用于油藏特性和開發井網的井數已知情況下的作業,特別適合于鉆井數較多的區域。整體式底盤上的井槽數取決于開發井的井數。

引言

位于紐芬蘭淺灘上的Terra Nova和White Rose油田已經在進行開發,其它海上項目也在積極籌備中,例如挪威北部的Goliat和Skrugard項目。這些項目被視為北極地區油氣田開發的奠基石。

北極惡劣的環境條件(低溫、結冰、下雪、大霧和極夜等)限制了油氣田的開發,因此防凍問題急需解決,同時,在后勤保障、緊急疏散和組織救援上也存在巨大困難。

插圖2
惡劣的氣候條件使得北極地區海上油氣田開發和海底作業更具挑戰性。影響海上生產、海底施工和油氣田開發的氣象因素有很多,主要包括風、浪、環流和極地低壓(北極海上冷空氣變化時出現的低壓氣象)等,其他的氣象因素將在后文進行概述,操作標準的制定也詳細參考了這些氣象參數。

北極/亞北極區域的技術要求

北極地區的鉆完井作業需要巨大的經濟支持,或者說,鉆井和完井的成本都非常高。在北極地區,完井需要遠程驅動井下流體控制設備、化學劑注入匯管和井下測量儀。這些工作會增加工程的復雜程度,同時也降低了工程的可靠性。

目前,業界和監管機構也逐漸意識到多相長管流會降低井口回壓、流動速度以及采收率,這一情況也會給北極和亞北極地區的海底設備帶來技術和操作上的挑戰。

Barents Sea油田的整體式底盤費用/收益分析

負責人將Shtokman項目作為一個例子進行了評價。在2012年Shtokman項目的前期工程設計(FEED)中,計劃通過使用6個四井槽的整體式底盤進行天然氣開采。

油田開發第一階段計劃鉆20口井,項目負責人對此進行了分析,對比了油氣開發過程中使用2個、3個、4個和6個ITSs海底生產系統的四種不同方案:

(1)A4:六個4井槽的整體式底盤(生產方提出的方案);

(2)A6:四個6井槽的整體式底盤;


(3)A8:三個8井槽整體式底盤;


(4)A12:兩個12井槽整體式底盤。

插圖3▲海底鉆井整體式底盤的安裝過程

無論在空氣中還是在浪濺帶上,整體式底盤組塊的安裝都極具挑戰性。通常情況下,底盤的整個使用期限內所受到的最大的力就在安裝過程中。根據天氣和季節的限制,底盤組塊的安裝最好在夏天進行(5月到8月或者9月)。

眾所周知,有幾種類型的船可以進行這種底盤的安裝操作。由于需要進行重型機械運輸以及重型升降操作,因此對船體在波浪中的穩定性和靈活性要求較高,安裝之前必須確認船體是否達標。

整體式底盤安裝成本/收益分析

盡管Shtokman油田在海上結構設計、建造和安裝上面臨著巨大的挑戰,但是這些也能夠帶來可觀的投資回報。本文只討論了海上油田開發的方案和降低成本的方法,降低成本主要通過以下措施來實現:

(1)盡量利用本行業的能力和先進技術;

(2)使用最新編制的規范標準;


(3)著重滿足所需要的功能要求

(4)縮短項目完成的時間。

每一個底盤組塊的安裝作業至少需要一只供給船和一只潛水支撐船。整體式底盤的運輸還需要運貨駁船??梢赃M行起重作業的起重機船有:單體船、半潛式起重船(SSCVs)、起重船、濕拖船。

對于A8和A12兩個方案,由于起重船從移動港口出發去海上目的地的移動速度很低,所以導致底盤組塊的安裝時間較長。但是,預留的時間卻又非常的嚴格和精確。

在安裝過程中,對費用預算影響最大的一個因素就是設備的租金,其中起重船的成本是最高的。盡管方案A6和A4安裝的成本幾乎是一樣的,但是最經濟有效的方案是A4:6個4井槽的整體式底盤。

眾所周知,海上的運輸費用通常很高。若要保證后勤保障的連續性,就需要進行詳細的計劃。同時,縮短起重船將A8和A4底盤運到海上指定位置的時間也是非常重要的。

A12和A8的運輸費用則相對較高,主要是因為它們的運輸速度很慢,而起重船每天的租金又比較昂貴。盡管A12和A8的井槽較多,并且所需的整體式底盤的數量也較少,但是這些意義并不大,因為它們的建造時間與A6和A4幾乎是相同的。

整體式底盤組建費用/收益分析

插圖4▲整體式底盤建造費用(費用-油井數量)。底盤的建造費用可以通過不同井槽組塊的傾斜角大小來進行判斷。并且,如果預先知道底盤的數目,可以很容易的計算出底盤的建造費用,井槽數多的組塊的總體建造成本較低。

上圖呈現了除鉆井費用以外的所有整體式底盤的費用。我們可以根據上圖中簡單的相關性關系對底盤的費用進行計算,由此就可以確定項目的總用費。

一個油田的費用隨所鉆井數的增加而增加,所以,對項目各個階段進行充分的了解和掌握是非常重要的。

插圖5(表1)▲表1 Shtokman項目油田開發第一階段整體式底盤費用

Shtokman油田開發第一階段的底盤組建費用已經在上圖進行了計算(見表1)。從表1可見,12井槽的底盤建造費用是最少的,但是,值得注意的是,由于井的水平井段很長,所以底盤建造之后的鉆井的費用將會大幅度提高。

整體式底盤費用/收益分析(包括鉆井)

由于鉆井費用是影響油田開發的重要因素,因此在最終的分析報告中需要建立另外一個涵蓋所有開銷的費用模型。

在寫這篇分析報告時,我們采用了一個油田開發費用評估(FDE)程序。通過將Shtokman項目的數據和FDE程序進行結合,我們得出了一個結論,詳見表2。

插圖6(表2)▲表2 FDE程序的輸出結果

我們可以看出,根據FDE程序輸出的數據,在經濟效益上面,方案A4(采用六個4井槽的底盤)是最優的,當然,其中的鉆井費用還需要進一步進行準確計算。此外,方案A6(采用四個6井槽的底盤)在經濟上同樣具有吸引力,在Shtokman項目的I、 II和 III階段中也可以選擇A6。

整體式底盤安裝過程風險評估

此外,我們采用了風險矩陣的方法,對整體式底盤安裝過程中的風險進行了分析和評估,得出的結論為:12井槽整體式底盤的安裝過程中風險最大,8井槽整體式底盤次之,6井槽和4井槽整體式底盤的安裝過程中風險最小。

結論

以上我們主要對海底鉆井底盤的安裝進行了費用/收益分析,當然,安裝費用的計算值只是一個近似值,并隨著市場需求、價格波動和時間的變化而變化。

此外,不同的整體式底盤的運輸時間也是不同的。對于A8和A12來說,運輸的時間會更長一些,這是因為半潛式起重船的運輸速度較低。起重船運輸A8和A12的時間算作平臺的停工時間,其產生的費用包含在了運輸費用中。

最后,我們得出的結論是,這幾種方案中最經濟有效的就是A4和A6,即采用六個4井槽和四個6井槽的整體式底盤,并且這兩種方案的安裝費用是差不多的。

盡管12井槽和8井槽的整體式底盤具有更多的井槽,需要整體式底盤數量也更少(分別是兩個和三個),但是這些意義并不大,因為它們的建造時間與A6和A4是幾乎相同的。

另外還有一個值得注意的問題,就是我們低估了底盤的建造費用。由于北極地區油氣田開采所需的生產井數量非常多,如果采用4井槽的組塊來建造底盤,那么底盤的建設費用可能會很高。

上文中我們提出了整體式底盤建造費用/收益的分析模型,通過分析圖中的簡單數據關系,這個模型就可以對整體式底盤的建造費用進行計算。

如果利用油田開發費用評估(field-development-costevaluation,FDE)程序計算建造費用,就需要輸入與Shtokman項目有關的所有數據,FDE程序最終會給出一個可以采納的結論,這有助于我們了解北極地區油田的總體開發費用。我們可以通過對建設費用估算情況和FDE程序得出的結論進行對比,選擇一個最經濟有效的方式建造北極地區海底鉆井底盤。

而且油田開發費用評估(field-development-costevaluation)程序也估算了北極地區油氣開發中的一個重要經濟因素——鉆井費用。在前期的工程設計階段(front-end-engineering-design),就應該對鉆井費用進行詳細計算,因此,在海底油氣資源開發的研究過程中,與鉆井部門進行溝通交流也是非常重要的。

對于海底基礎設施建設來說,使用8井槽的海底鉆井整體式底盤是一個很好的方案,而且這也已經成為很多海底油田開發的主要設計方案。

但是采用8井槽的整體式底盤時,會出現一些問題,比如,8井槽的整體式底盤的安裝過程中存在很高的潛在風險,而且,由于油井的水平段很長,所以必須考慮高昂的鉆井費用。12井槽的方案由于風險較大、井口和井底距離過大、鉆井費用過高以及關井靈活性低等原因,因此我們一般不予采用。

英文原文 (展開/收縮)

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