張來(lái)斌，謝仁軍,3，殷啟帥

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）,北京 102249；2.應(yīng)急管理部油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028）

南海油氣資源量高達(dá)700×108t，其中70%蘊(yùn)藏在深水，深水油氣的勘探開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)能源的重要接替區(qū)和增長(zhǎng)級(jí)[1]，但周邊國(guó)家盜采嚴(yán)重，已形成了超6300×104t/a 的產(chǎn)能?？梢?jiàn)，開(kāi)發(fā)深水油氣勢(shì)在必行，也是保障國(guó)家能源安全、維護(hù)我國(guó)南海海洋權(quán)益和建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的迫切需要。

深水開(kāi)采具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高技術(shù)、高收益（“四高”）的特點(diǎn)，安全是深水油氣開(kāi)采的生命線[2]。2010 年，美國(guó)墨西哥“深水地平線”井噴爆炸事故導(dǎo)致“船毀人亡”，11 人失蹤，并引發(fā)生態(tài)災(zāi)難，沿岸1609.344 km 濕地和海灘被毀，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)700 億美元，給世界深水油氣開(kāi)采敲響警鐘。我國(guó)通過(guò)跟蹤學(xué)習(xí)、合作引進(jìn)和自主創(chuàng)新3 個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了從淺水到深水、從深水到超深水、從深水勘探到深水開(kāi)發(fā)的重大跨越[3–4]。經(jīng)過(guò)多年持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，相繼攻克了一批深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)防控關(guān)鍵技術(shù)，有力支撐了我國(guó)南海深水鉆探的安全高效實(shí)施。但隨著勘探不斷深入，內(nèi)波流、土臺(tái)風(fēng)等海洋環(huán)境更加惡劣，超深水、井底高溫高壓、深層花崗巖等鉆探條件更加復(fù)雜，導(dǎo)致深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)不斷升高[5–6]。筆者系統(tǒng)總結(jié)了南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全控制的前期研究進(jìn)展及應(yīng)用效果，并針對(duì)南海超深水、深水高溫高壓、深水深層、深遠(yuǎn)海等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的開(kāi)采難題，在持續(xù)追求本質(zhì)安全、推進(jìn)核心裝備國(guó)產(chǎn)化替代、增強(qiáng)高效風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力、智能化轉(zhuǎn)型等方面提出了發(fā)展建議，以進(jìn)一步推動(dòng)深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)南海深水油氣安全、高效、自主、可控開(kāi)發(fā)。

1 南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全控制主要技術(shù)難點(diǎn)

我國(guó)南海地處三大板塊交匯處[7–8]，地層條件復(fù)雜，面臨深水與區(qū)域高溫高壓、深層花崗巖等多重挑戰(zhàn)[9]。南海深水油氣開(kāi)采面臨海洋環(huán)境、淺層災(zāi)害、深層地質(zhì)、氣井開(kāi)采等四大挑戰(zhàn)，致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極高。

1.1 深水海洋環(huán)境更惡劣

南海每年發(fā)生10 余次臺(tái)風(fēng)與極端波浪，內(nèi)波流和洋流疊加后流速達(dá)5 節(jié)以上，綜合環(huán)境條件極為惡劣。南海深水油氣開(kāi)采具有水深、離岸遠(yuǎn)、臺(tái)風(fēng)多（尤其土臺(tái)風(fēng)）和內(nèi)波強(qiáng)等特點(diǎn)，浪大流急、內(nèi)波季風(fēng)頻發(fā)（見(jiàn)表1），對(duì)深水鉆井平臺(tái)產(chǎn)生諸多影響[10–12]，并且目前深水海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比較缺乏。南海臺(tái)風(fēng)季節(jié)長(zhǎng)、頻次高、強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、避臺(tái)周期長(zhǎng)達(dá)10～15 d；季風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，物資保障難度大；南海海域內(nèi)波流發(fā)育，且難以預(yù)測(cè)，流速最快可達(dá)2 m/s，威力巨大。

表1 不同地區(qū)的海洋環(huán)境因素對(duì)比Table 1 Comparison of marine environmental conditions in different areas

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外深水鉆井平臺(tái)在南海作業(yè)期間遭遇多起臺(tái)風(fēng)及內(nèi)波流事故，導(dǎo)致鉆井平臺(tái)漂移、應(yīng)急解脫、鉆具剪切、隔水管解鎖、隔水管內(nèi)鉆井液排海、鉆井平臺(tái)走錨、張力繩斷裂和伸縮節(jié)傾斜等復(fù)雜情況，損失慘重。

1.2 淺層地質(zhì)災(zāi)害更復(fù)雜

深水淺層建井面臨淺層氣、淺水流、天然氣水合物（“三淺”）等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)[13]。2019 年，南海某井鉆井作業(yè)過(guò)程中淺層氣從地層噴涌而出，通過(guò)在該井四周鉆領(lǐng)眼，才解決了該井淺層氣的風(fēng)險(xiǎn)。此外，南海油氣區(qū)的淺部未成巖、弱固結(jié)地層常伴有天然氣水合物分布，主要賦存于泥質(zhì)粉砂等細(xì)粒沉積物中，與淺層氣、下伏氣和游離氣耦合共生。南海的陵水、永樂(lè)等區(qū)塊有多口深水井在鉆探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了厚度幾米至數(shù)十米的天然氣水合物層，某深水井鉆井作業(yè)過(guò)程中，ROV（水下機(jī)器人）觀測(cè)到表層導(dǎo)管與泥線界面處發(fā)生了嚴(yán)重氣竄，發(fā)現(xiàn)井口附近地層發(fā)生了不均勻沉降和開(kāi)裂，表層導(dǎo)管出現(xiàn)傾斜并在基盤(pán)處形成了新的天然氣水合物，嚴(yán)重影響了后續(xù)作業(yè)安全。

深水淺層土質(zhì)松軟，海床不穩(wěn)定，井口易失穩(wěn)下沉。2012 年，流花油氣田某井（水深754 m）井口下沉2.50 m，導(dǎo)致井眼報(bào)廢、更換井位，損失超過(guò)5000 萬(wàn)元。2014 年，西非某井固?508.0 mm 套管前循環(huán)時(shí)井口下沉2.00 m，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。

南海深水海底構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育海山、海丘、海槽、海溝、海谷和陡坡等地貌類(lèi)型，地形起伏大，海底陡峭，最大傾角高達(dá)30°，存在較大邊坡滑塌風(fēng)險(xiǎn)，鉆井工程安全面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。復(fù)雜海底地貌環(huán)境下的建井作業(yè)越來(lái)越頻繁，地質(zhì)勘探有時(shí)將井位選在不穩(wěn)定海床區(qū)域，由于缺乏不穩(wěn)定海床噴射建井的安全性評(píng)估方法，鉆井施工通常采用將井位更換至平坦區(qū)域的方式來(lái)規(guī)避斜坡海床，甚至與設(shè)計(jì)井位偏移較大距離，造成地質(zhì)勘探效果欠佳。

1.3 深層地質(zhì)條件更具挑戰(zhàn)

南海地處歐亞、太平洋和印澳板塊交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造斷裂交匯影響，高壓成因復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。南海是深水和高溫高壓兩大因素主控的盆地，給鉆井作業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。海水代替上覆巖石壓力，破裂壓力低，安全密度窗口極窄，如南海某口深水高溫高壓井安全密度窗口僅0.03 kg/L，鉆井過(guò)程中氣侵溢流事故頻發(fā)[14]。南海深水地層年代新，沉積速率快，成巖性差，承壓能力弱，易井漏，井控風(fēng)險(xiǎn)高，處理難度大。深水海況惡劣，浮式鉆井平臺(tái)升沉搖擺幅度大，受呼吸效應(yīng)干擾，難以監(jiān)測(cè)早期溢流。海底溫度低，造成鉆井液流變性變差，導(dǎo)致壓力難以傳遞，關(guān)井求壓困難。井底侵入流體一旦越過(guò)水下防噴器組，將造成災(zāi)害性后果。壓井阻流管匯長(zhǎng)，管線摩阻大，壓力窗口窄，易壓漏地層。2015 年，南海某井?311.1 mm 井段鉆進(jìn)中鉆速突增，鉆壓驟降，1 min 后早期井涌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，鉆井液計(jì)量罐液面快速升高，判斷發(fā)生溢流，緊急關(guān)井、關(guān)防噴器，套壓迅速升高，隨后驟降，然后逐漸趨于穩(wěn)定，判斷地層發(fā)生漏失，最終井眼報(bào)廢。

1.4 深水油氣開(kāi)采工況更苛刻

深水油氣開(kāi)采環(huán)境惡劣，開(kāi)采設(shè)施安全及完整性檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝備面臨巨大挑戰(zhàn)。深水油氣開(kāi)采設(shè)施長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)變化的工程地質(zhì)環(huán)境中，更加容易受到各種因素的破壞和干擾。由于承受復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境的作用及周?chē)Ｉ匣顒?dòng)造成的外力損傷等，深水油氣開(kāi)采設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)條件具有高度時(shí)空變化及不可預(yù)見(jiàn)性，在物理、化學(xué)、機(jī)械等因素的影響下，將會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕、損傷、變形、沖刷、偏移和懸跨等缺陷，導(dǎo)致?lián)p傷累積，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)滲漏、穿孔、破裂和斷裂，引發(fā)溢油事故[15]。深水油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏具有不可見(jiàn)、節(jié)點(diǎn)廣、形式復(fù)雜、檢測(cè)難和信號(hào)易受環(huán)境干擾等特點(diǎn)，陸上泄漏的檢測(cè)方法大多不適用于深水油氣開(kāi)采設(shè)施，深水油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏的早期實(shí)時(shí)、在線和全面監(jiān)測(cè)是一個(gè)難題，國(guó)內(nèi)外尚未取得重大突破。

井筒泄漏是困擾氣井安全開(kāi)發(fā)的重要難題，在油氣田開(kāi)發(fā)中后期井筒發(fā)生泄漏的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。井筒泄漏，不僅使CO2和H2S 等腐蝕性氣體進(jìn)入油套環(huán)空腐蝕油管外壁及套管內(nèi)壁，而且會(huì)導(dǎo)致套管長(zhǎng)時(shí)間承受高壓，即出現(xiàn)環(huán)空帶壓。環(huán)空帶壓將嚴(yán)重威脅油氣井安全生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)存在天然氣竄漏至地層、泄漏至井口的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。

海洋結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期在海水中服役，由于腐蝕、生物附著、復(fù)雜應(yīng)力、外力破壞和風(fēng)暴等原因，結(jié)構(gòu)物表面容易產(chǎn)生裂紋、腐蝕等缺陷，且缺陷種類(lèi)繁多、形貌復(fù)雜，導(dǎo)致原來(lái)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)方法不適用于檢測(cè)上述缺陷，加上水下附著物的干擾，給水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。

海洋油氣開(kāi)采設(shè)施的關(guān)鍵構(gòu)件如隔水管等，受復(fù)雜工況和海洋環(huán)境的影響，承受惡劣動(dòng)載作用易于產(chǎn)生疲勞，一旦突發(fā)斷裂將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。然而，受早期損傷信號(hào)微弱難以辨識(shí)、設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水上水下及井筒作業(yè)條件惡劣等因素的制約，隔水管疲勞的早期診斷難度極大。國(guó)外開(kāi)發(fā)的隔水管內(nèi)外檢測(cè)探傷裝置以檢測(cè)腐蝕和壁厚為主，并不具備診斷早期疲勞的能力，作業(yè)水深局限于200 m；國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的隔水管疲勞在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局限于工況監(jiān)測(cè)，無(wú)法反映隔水管的實(shí)際損傷狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)中主要采用常規(guī)探傷手段，在陸基碼頭檢測(cè)處于拆卸狀態(tài)的隔水管，不但需要支付鉆井平臺(tái)至碼頭的高額轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用，還存在著探傷周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、效率低、人工成本高和無(wú)法反映早期疲勞等問(wèn)題。

2 南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全控制技術(shù)進(jìn)展

為滿足南海深水油氣安全高效開(kāi)采需求，針對(duì)南海深水油氣開(kāi)采特點(diǎn)，通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同攻關(guān)，初步形成了具有南海特色的深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別基礎(chǔ)理論，探索了適用于南海深水開(kāi)采的安全控制技術(shù)體系，有力支撐了我國(guó)南海深水油氣開(kāi)采的安全高效實(shí)施[16]。

2.1 深水海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)

針對(duì)南海臺(tái)風(fēng)、內(nèi)波頻發(fā)等挑戰(zhàn)，形成了深水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)深水油氣安全開(kāi)采提供了重要前提和可靠手段。

2.1.1 深水作業(yè)防臺(tái)安全控制關(guān)鍵技術(shù)

基于南海近70 年臺(tái)風(fēng)規(guī)律，形成了海氣耦合模式，預(yù)報(bào)南海地區(qū)季風(fēng)槽內(nèi)的熱帶氣旋生成、發(fā)展和移動(dòng)趨勢(shì)，降低了初始條件和模式不確定性對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，具有預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)（1～10 d）、高分辨率和多源四維資料同化的優(yōu)勢(shì)，可以有效消除系統(tǒng)性和非系統(tǒng)性誤差（觀測(cè)誤差）。

基于臺(tái)風(fēng)規(guī)律和早期預(yù)報(bào)結(jié)果，采用劃分警戒區(qū)和T-time（臺(tái)風(fēng)準(zhǔn)備時(shí)間，指將井底鉆具組合起出井筒，完成鉆井平臺(tái)和井口脫離、回收隔水管，做好平臺(tái)撤離準(zhǔn)備所需要的時(shí)間）相結(jié)合的方法，形成了綜合考慮錨泊定位和動(dòng)力定位模式的深水鉆井防臺(tái)策略[10,17]，明確了防臺(tái)警戒區(qū)（見(jiàn)圖1），其包括綠色警戒區(qū)（準(zhǔn)備區(qū)）、黃色警戒區(qū)（行動(dòng)區(qū)）和紅色警戒區(qū)（撤離區(qū)）。處于綠色警戒區(qū)（準(zhǔn)備區(qū)）時(shí)，保持正常作業(yè)，做好防臺(tái)風(fēng)動(dòng)員，落實(shí)防臺(tái)物資。處于黃色警戒區(qū)（行動(dòng)區(qū)）時(shí)，按照作業(yè)者代表的指令，停止鉆井作業(yè)，進(jìn)行井眼保護(hù)和作業(yè)人員撤離的工作。處于紅色警戒區(qū)（撤離區(qū)）時(shí)，錨泊定位模式下，人員全部撤離完畢；動(dòng)力定位模式下，留下必要的操船人員和設(shè)備維護(hù)人員，開(kāi)動(dòng)平臺(tái)，駛離臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域。

圖1 深水鉆井防臺(tái)警戒區(qū)Fig. 1 Typhoon warning area in deep-water drilling

2.1.2 南海內(nèi)波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全控制技術(shù)

在內(nèi)波傳播路徑上布放1～2 套內(nèi)波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警浮標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)波的傳播速度、方向、強(qiáng)度，以及同步預(yù)報(bào)內(nèi)波襲擊平臺(tái)的時(shí)間和方位[18]，并通過(guò)通訊衛(wèi)星，將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳送至海洋石油鉆井平臺(tái)?；诼晫W(xué)多普勒流速剖面儀的直接監(jiān)測(cè)與基于合成孔徑雷達(dá)的間接監(jiān)測(cè)結(jié)合，能提前2～8 h預(yù)報(bào)內(nèi)波流經(jīng)過(guò)的方向及強(qiáng)度，并能監(jiān)測(cè)內(nèi)波，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果制定深水鉆井內(nèi)波應(yīng)對(duì)策略（見(jiàn)表2），實(shí)現(xiàn)了內(nèi)波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警（平臺(tái)–水體–岸基三位一體），有效應(yīng)對(duì)了數(shù)百次內(nèi)波的侵襲，保障了作業(yè)安全[19]。

表2 深水鉆井內(nèi)波應(yīng)對(duì)策略Table 2 Internal wave response strategy during deep-water drilling

接收內(nèi)波預(yù)警后，及時(shí)將鉆井平臺(tái)艏向?qū)?zhǔn)內(nèi)波流方向，根據(jù)流速調(diào)節(jié)推進(jìn)器功率，完成各項(xiàng)安全部署，有效保障了海上作業(yè)安全。使用孤立內(nèi)波監(jiān)測(cè)早期預(yù)警系統(tǒng)，保持8 臺(tái)推進(jìn)器24 h 在線運(yùn)行，增加動(dòng)力定位警報(bào)測(cè)試頻次，進(jìn)行平臺(tái)定位失控應(yīng)急解脫演習(xí)，守護(hù)船提前待命觀測(cè)孤立內(nèi)波強(qiáng)度，開(kāi)啟X 波段雷達(dá)作為輔助手段?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方面，鉆井平臺(tái)上的人員提高內(nèi)波流危害的警惕性，在鉆井平臺(tái)作業(yè)區(qū)域附近投放監(jiān)控信標(biāo)，制定防范內(nèi)波流應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)演習(xí)和演練，通知守護(hù)船在內(nèi)波流來(lái)向進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 深水淺層鉆井風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與安全控制技術(shù)

深水鉆井工程實(shí)踐表明，60% 的鉆井事故緣于海底以下幾百米淺部地層，淺層鉆井順利相當(dāng)于深水鉆井成功了一大半，因此，亟需開(kāi)展深水淺層鉆井風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別研究，解決淺層鉆井設(shè)計(jì)與安全控制的關(guān)鍵難題[20]。

2.2.1 深水淺層地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別與安全控制技術(shù)

深水淺層鉆井中普遍存在“三淺”地質(zhì)災(zāi)害，需要識(shí)別其賦存區(qū)域及規(guī)模，針對(duì)潛在的工程危害提出針對(duì)性的防控措施。

“淺層氣”地質(zhì)災(zāi)害控制方面，基于對(duì)淺層氣噴發(fā)速度、噴發(fā)高度、噴發(fā)時(shí)間與其壓力、體積的變化規(guī)律[21–22]，建立了無(wú)隔水管鉆井井筒壓力精確預(yù)測(cè)方法[23–24]，形成了“無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，連續(xù)鉆進(jìn)”“低風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)壓井”“中風(fēng)險(xiǎn)，鉆領(lǐng)眼”“高風(fēng)險(xiǎn)，鉆導(dǎo)眼”和“極高風(fēng)險(xiǎn)，定向井”的淺層氣風(fēng)險(xiǎn)五級(jí)防控技術(shù)（見(jiàn)圖2）[25–29]。2015 年荔灣某井采用鉆領(lǐng)眼技術(shù)、2019 年永樂(lè)某井采用鉆導(dǎo)眼技術(shù)，都成功防控了淺層氣地質(zhì)災(zāi)害，確保了深水淺層鉆井作業(yè)的安全。

圖2 淺層氣風(fēng)險(xiǎn)五級(jí)防控技術(shù)Fig. 2 Five-level control technology for gas hazards in shallow formations

“淺水流”地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面，基于遺傳算法的疊前全波形反演預(yù)測(cè)縱橫波速度和泊松比，識(shí)別淺水流超壓，形成了預(yù)測(cè)淺水流的基于遺傳算法的疊前全波形反演方法[30]，建立了基于縱橫波速度比的淺水流砂體超壓定量預(yù)測(cè)方法，定量評(píng)估淺水流砂體災(zāi)害效應(yīng)，量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[31]?！皽\水流”地質(zhì)災(zāi)害控制方面，對(duì)“低、中、高”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采取分級(jí)防控措施：低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行防控，將套管下深設(shè)計(jì)在高壓淺水流層位之上。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通過(guò)鉆領(lǐng)眼進(jìn)行控制，即先使用小直徑鉆頭鉆領(lǐng)眼至設(shè)計(jì)表層套管下深，確定淺水流的埋深和流量，再離開(kāi)原井位重新進(jìn)行導(dǎo)管安裝作業(yè)；如無(wú)淺水流或其流量極小，可正常下導(dǎo)管和表層套管；若淺水流有一定危害程度，應(yīng)先下導(dǎo)管固井，再安裝隔水管和防噴器，采用領(lǐng)眼鉆具組合鉆導(dǎo)眼，再進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，如有需要采用動(dòng)態(tài)壓井法進(jìn)行壓井作業(yè)。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，直接更換井位，避開(kāi)淺水流地層進(jìn)行深水鉆井作業(yè)。

“天然氣水合物”地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面，將海底地震儀橫波信息與常規(guī)反演方法相結(jié)合，創(chuàng)新提出了三維地震天然氣水合物識(shí)別與刻畫(huà)方法，提高了砂巖型天然氣水合物的預(yù)測(cè)精度，了解了南海天然氣水合物的形成條件和分布情況。通過(guò)數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，得知海流速度小于0.35 m/s 的區(qū)域易生成天然氣水合物，而泥線附近的水下井口在該區(qū)域，因此其為防范天然氣水合物的重點(diǎn)區(qū)域。建立了天然氣水合物分解致災(zāi)定量評(píng)估方法，定量評(píng)估了不同鉆井工況下天然氣水合物分解致災(zāi)情況，制定了針對(duì)性防范措施，并設(shè)計(jì)了防控裝備[32]?！疤烊粴馑衔铩钡刭|(zhì)災(zāi)害控制方面，淺層建井階段在井口加裝防天然氣水合物導(dǎo)流罩，更換井口連接器鎖緊塊下部密封圈，以確保密封效果；提高水下防噴器控制液中乙二醇的含量，確?？刂埔翰粫?huì)因?yàn)楣芫€外部覆蓋天然氣水合物而凍結(jié)；水下機(jī)器人持續(xù)進(jìn)行水下觀察，確認(rèn)氣體的量是否有增大趨勢(shì)，同時(shí)觀察連接器喇叭口處是否有天然氣水合物；如果發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，水下機(jī)器人采用機(jī)械臂進(jìn)行清理。安裝隔水管和閉路循環(huán)階段，采用水基恒流變鉆井液。

2.2.2 噴射法安裝表層導(dǎo)管技術(shù)

針對(duì)深水表層作業(yè)面臨的淺層土質(zhì)疏松、破裂壓力低和海底溫度低等難題，形成了集原理、設(shè)計(jì)方法、作業(yè)控制及軟硬件于一體的噴射法安裝表層導(dǎo)管技術(shù)體系[33–38]，其包括表層導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)方法，噴射鉆頭與表層導(dǎo)管的尺寸配合，噴射導(dǎo)管下入后靜止時(shí)間的確定，導(dǎo)管下入過(guò)程中合理鉆壓參數(shù)確定、導(dǎo)管強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性分析?；趯?duì)區(qū)域地層強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)，優(yōu)化鉆頭伸出量和噴射參數(shù)，荔灣22-1-1 井的鉆頭伸出量由120.7 mm 優(yōu)化為149.2 mm、排量由4100 L/min 優(yōu)化為5000 L/min，大幅度提高了導(dǎo)管?chē)娚湎氯氲男?，有力保障了高效建井。該井?chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄[39]：西太平洋鉆探作業(yè)水深最大（2619.35 m），西太平洋深水表層導(dǎo)管入泥深度最大（100.10 m），西太平洋深水表層導(dǎo)管安裝時(shí)間最短（2.25 h）。

2.2.3 不穩(wěn)定海床表層建井風(fēng)險(xiǎn)分析

基于南海深水區(qū)井場(chǎng)環(huán)境特征，根據(jù)噴射對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)程度，綜合考慮海床傾角、土質(zhì)黏聚力、土質(zhì)內(nèi)摩擦角和土質(zhì)分層的影響，建立了均質(zhì)單層、底部為硬土質(zhì)、含軟弱夾層的三層不穩(wěn)定海床地質(zhì)模型[40]?；诙S/三維地震快速識(shí)別、微地貌識(shí)別和井場(chǎng)海底滑坡精細(xì)預(yù)測(cè)等綜合地球物理技術(shù)，形成了深水海底滑坡災(zāi)害識(shí)別與預(yù)測(cè)技術(shù)[41]。利用該技術(shù)識(shí)別和刻畫(huà)了白云海底滑坡和華光海底滑坡，對(duì)南海北部海底滑坡進(jìn)行了全面識(shí)別與預(yù)測(cè)，指導(dǎo)了深水鉆井井場(chǎng)選址，完成了松濤、寶島、陵水等區(qū)塊深水鉆井井場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，保障了深水鉆井安全，深水作業(yè)最大允許坡度由3°拓展到6°[42]。

2.3 深水鉆井井控與應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)深水井控識(shí)別難度大、控制風(fēng)險(xiǎn)高等難題[43–44]，形成了集基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方案和國(guó)產(chǎn)化裝備于一體的深水鉆井井控與應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 深水鉆井氣侵溢流早期識(shí)別技術(shù)

研制了水下溢流早期監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)了深水水下溢流監(jiān)測(cè)裝置的安裝、通訊和供電系統(tǒng)，開(kāi)展了深水水下溢流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及信息挖掘，建立了早期溢流水下識(shí)別方法，并進(jìn)行了水下溢流早期監(jiān)測(cè)裝置原理樣機(jī)和工程樣機(jī)的試驗(yàn)。研制了基于“水上、水下、井下”多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合分析算法的深水鉆井井口安全監(jiān)控及井噴智能預(yù)警系統(tǒng)[45–48]，為深水油氣開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐和安全保障。

2.3.2 深水井噴失控場(chǎng)景構(gòu)建

針對(duì)深水油氣開(kāi)發(fā)環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜性及鉆井作業(yè)過(guò)程中可能遇到的災(zāi)難事故，將海上浮式鉆井船鉆井可能發(fā)生的井噴事故歸納為7 種情景：情景1，淺層氣失控；情景2，平臺(tái)失位情況下的井噴；情景3，井噴失控——防噴器失效平臺(tái)未著火；情景4，井噴失控——平臺(tái)著火；情景5，平臺(tái)爆炸著火傾覆；情景6，特殊井噴失控——隔水管內(nèi)溢流，旋轉(zhuǎn)防噴器失效；情景7，特殊井噴失控——井噴失控，管外竄流?；谏钏@井井噴失控情景構(gòu)建，采用理論分析、邏輯推理等方法，對(duì)深水鉆井井噴失控風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)急救援能力和技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)急救援方案，提高井噴失控應(yīng)急處置能力，形成深水井噴失控應(yīng)急技術(shù)方案[49]。

2.3.3 深水救援井設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)深水救援井的特點(diǎn)和南海自然作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行救援井井位優(yōu)選、救援井井眼軌道設(shè)計(jì)、管柱設(shè)計(jì)和對(duì)接技術(shù)研究，形成了我國(guó)深水領(lǐng)域救援井技術(shù)[50–54]。綜合考慮海況、海底構(gòu)造、地質(zhì)危害、井噴流出物、氣體散布、熱輻射、煙、海洋氣象、救援井鉆井難度、地應(yīng)力方位和鉆井平臺(tái)作業(yè)能力等因素優(yōu)選救援井井位；采用Bypass——救援井井眼軌道設(shè)計(jì)方法，在連通前的鉆進(jìn)過(guò)程中先找到并“路過(guò)”被救援井的井眼軌跡，以消除誤差橢圓順利連通；鉆進(jìn)過(guò)程使用主動(dòng)探測(cè)定位系統(tǒng)的同時(shí)，使用被動(dòng)探測(cè)定位系統(tǒng)（PMR 軟件），增大測(cè)距定位測(cè)量密度，提高探測(cè)準(zhǔn)確度；根據(jù)壓井模擬計(jì)算結(jié)果，開(kāi)展井身結(jié)構(gòu)及套管程序設(shè)計(jì)，選擇合適的套管進(jìn)行壓井作業(yè)，選擇合適的套管壁厚，以滿足壓井作業(yè)中的壓力要求；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井需求，充分考慮被救援井的地質(zhì)特征、壓力、溫度和工程實(shí)際，設(shè)計(jì)鉆井液與壓井液；綜合考慮攔截深度、救援井位置約束條件、位置不確定性、救援井井眼軌跡、套管設(shè)計(jì)、鉆井程序和壓井程序，選擇連通點(diǎn)，優(yōu)選連通方案；基于壓井連通點(diǎn)位置、壓井液密度、壓井液體積、壓力限制、水力連通方法、管柱設(shè)計(jì)和壓井設(shè)備，制定救援井動(dòng)態(tài)壓井方案；最后完成鉆井、壓井等設(shè)備優(yōu)選。

2.3.4 深水水下應(yīng)急封井裝置國(guó)產(chǎn)化

水下應(yīng)急封井裝置是目前世界海洋石油工業(yè)處理井噴的終極手段，也是一個(gè)國(guó)家海洋應(yīng)急裝備研制能力的集中體現(xiàn)。水下應(yīng)急封井裝置是集機(jī)械制造、液壓控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、信息傳輸和水下機(jī)器人（ROV）干預(yù)等技術(shù)于一體的重大海洋井控裝備，具有關(guān)井、分流、壓井、分散劑注入和圈閉氣體釋放等功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性要求高。應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)、海洋環(huán)境載荷等分析技術(shù)[55–57]，完成了我國(guó)首套水下應(yīng)急封井裝置設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造和工廠測(cè)試，在南海深水海域試驗(yàn)成功，填補(bǔ)了我國(guó)在深水油氣應(yīng)急裝備研制領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國(guó)海洋石油裝備制造水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列[58–60]。

2.4 深水油氣開(kāi)采設(shè)施安全檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)南海深水油氣開(kāi)采環(huán)境惡劣的情況，研發(fā)了新一代數(shù)字化、智能化海洋油氣開(kāi)采設(shè)施安全及完整性檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝備。

2.4.1 深水油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏應(yīng)力波智能監(jiān)測(cè)方法

首先，進(jìn)行了閥門(mén)、管道等簡(jiǎn)單構(gòu)件以及防噴器、采油樹(shù)等復(fù)雜設(shè)備泄漏應(yīng)力波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究了傳感器布設(shè)和監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置方法。其次，研究應(yīng)力波信號(hào)處理方法，通過(guò)信號(hào)去噪和信號(hào)重構(gòu)，提取信號(hào)特征，為有效判斷深水油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏提供了可靠的數(shù)據(jù)；進(jìn)一步開(kāi)展了泄漏狀態(tài)識(shí)別研究，利用深度學(xué)習(xí)提取良好特征、強(qiáng)大模式的識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了泄漏應(yīng)力波信號(hào)的識(shí)別。最后，研究了閥門(mén)內(nèi)漏速率的反演模型，建立了管道、防噴器、采油樹(shù)等設(shè)施泄漏的定位方法，研發(fā)了深水油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏應(yīng)力波監(jiān)測(cè)及智能化預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)水下環(huán)境的油氣開(kāi)采設(shè)施泄漏監(jiān)測(cè)、狀態(tài)識(shí)別和事故預(yù)警等功能[61]。

2.4.2 井筒泄漏監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)及智能系統(tǒng)

針對(duì)深水氣井油套管泄漏風(fēng)險(xiǎn)高等難題，研究了泄漏檢測(cè)方法和快速檢測(cè)技術(shù)等系列技術(shù)，形成了深水油套管泄漏診斷與預(yù)警技術(shù)[62–65]。通過(guò)研究分析泄漏聲波產(chǎn)生及其在環(huán)空中的傳播機(jī)制、不同泄漏條件對(duì)井口環(huán)空聲波信號(hào)的影響[62]，為井下泄漏狀態(tài)的聲學(xué)診斷提供了基礎(chǔ)依據(jù)。提出了融合泄漏聲波信號(hào)自相關(guān)分析與環(huán)空介質(zhì)變聲速求解的井下油套管漏點(diǎn)定位方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下油套管單點(diǎn)和多點(diǎn)泄漏位置的準(zhǔn)確判斷。建立了磁–聲復(fù)合的油套管接頭密封性檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了密封面真實(shí)接觸狀況的超聲相控陣成像探測(cè)，為在井口快速確定油套管氣密封可靠性提供了便捷手段。建立了基于氦氣示蹤劑檢測(cè)的漏點(diǎn)量化分析方法，揭示了注入壓力、油管流量、泄漏孔徑及泄漏位置對(duì)返出氦氣濃度分布的影響機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了井下油套管漏點(diǎn)大小的地面診斷。

2.4.3 水下結(jié)構(gòu)物缺陷交流電磁場(chǎng)智能可視化檢測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)水下結(jié)構(gòu)物缺陷，開(kāi)展了交流電磁場(chǎng)檢測(cè)智能識(shí)別方法及系統(tǒng)研究，構(gòu)建了海水環(huán)境電磁場(chǎng)檢測(cè)理論及數(shù)值仿真模型，分析了不同類(lèi)型缺陷周?chē)冸姶艌?chǎng)的分布規(guī)律，重點(diǎn)針對(duì)水下結(jié)構(gòu)物缺陷的可視化評(píng)估和智能識(shí)別分類(lèi)等關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)開(kāi)展了研究，提出了水下結(jié)構(gòu)物缺陷的智能識(shí)別與可視化評(píng)估方法，研發(fā)了水下結(jié)構(gòu)物缺陷電磁場(chǎng)檢測(cè)智能系統(tǒng)[66]，實(shí)現(xiàn)了水下結(jié)構(gòu)物缺陷的智能識(shí)別與可視化評(píng)估，獲取了缺陷形貌豐富和準(zhǔn)確的信息，為水下結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)、安全評(píng)估及維修決策提供了技術(shù)支撐，保障了裝備安全服役。

2.4.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞損傷檢測(cè)技術(shù)

隔水管是連接海底井口和鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵部件，基于磁記憶檢測(cè)技術(shù)，研制了隔水管主管、邊管專(zhuān)用檢測(cè)裝置[67]，并開(kāi)發(fā)了主管、邊管檢測(cè)軟件，形成了隔水管檢測(cè)技術(shù)。藍(lán)鯨1 號(hào)、海洋石油982、981 深水鉆井平臺(tái)先后利用該技術(shù)進(jìn)行了隔水管檢測(cè)試驗(yàn)[68]，試驗(yàn)結(jié)果充分體現(xiàn)了該檢測(cè)技術(shù)快速、高效的特點(diǎn)。利用該檢測(cè)技術(shù)的可視化分析功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隔水管內(nèi)壁磨損、外擦傷、腐蝕的有效辨識(shí)，檢測(cè)裝置表現(xiàn)出良好的性能，其中立式主管內(nèi)檢測(cè)裝置適用于海洋鉆井平臺(tái)，可以在不影響海洋鉆井平臺(tái)正常作業(yè)的情況下，在平臺(tái)的有限空間內(nèi)直接對(duì)立式/臥式擺放的隔水管進(jìn)行檢測(cè)，突破了常規(guī)檢測(cè)手段僅能在基地按照預(yù)定周期對(duì)分批次運(yùn)回隔水管進(jìn)行檢測(cè)的局限性，可以節(jié)省高額的隔水管轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)，并縮短了隔水管檢測(cè)周期，為深水鉆井平臺(tái)預(yù)防隔水管疲勞斷裂提供了技術(shù)手段。

3 南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全控制技術(shù)發(fā)展建議

全球深水油氣勘探開(kāi)發(fā)熱度依然高漲，我國(guó)將加大進(jìn)軍深水步伐，未來(lái)我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)需求依然迫切。南海深水油氣開(kāi)采面臨超深水、深水高溫高壓、深水深層和深遠(yuǎn)海等諸多新的技術(shù)挑戰(zhàn)，我國(guó)在深水油氣開(kāi)采、關(guān)鍵工具裝備自主供給、安全應(yīng)急救援能力等方面差距依然明顯[69–71]。因此，需持續(xù)進(jìn)行科技攻關(guān)，開(kāi)展系列深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全控制技術(shù)攻關(guān)，保障南海深水油氣安全、高效、自主、可控開(kāi)發(fā)。

3.1 持續(xù)追求深水油氣開(kāi)采本質(zhì)安全

以陵水25-1 氣田為代表的深水高溫高壓大位移復(fù)雜開(kāi)發(fā)井、以白云凹陷為代表的深水深層（埋深大于5000 m，儲(chǔ)層溫度超過(guò)230 ℃）勘探開(kāi)發(fā)、以永樂(lè)氣田為代表的深水復(fù)雜地層高效鉆井等復(fù)雜深水井、超深水井日趨增多，現(xiàn)有技術(shù)尚無(wú)法完全滿足開(kāi)發(fā)要求，事故多發(fā)，復(fù)雜開(kāi)發(fā)井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)為零，亟需攻克深水復(fù)雜地層鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，持續(xù)追求本質(zhì)安全。

3.2 推進(jìn)深水油氣開(kāi)采裝備及工程軟件國(guó)產(chǎn)化

目前使用的國(guó)外深水鉆完井工具及裝備價(jià)格居高不下，裝備采購(gòu)、到貨周期長(zhǎng)，敏感區(qū)域不提供技術(shù)服務(wù)，不利于開(kāi)采工作實(shí)時(shí)開(kāi)展，且易遭受?chē)?guó)外技術(shù)封鎖，極大地影響著深水勘探開(kāi)發(fā)，亟需開(kāi)展深水水下防噴器、隔水管系統(tǒng)、智能完井工具、自動(dòng)化智能化鉆井裝備、特殊環(huán)境鉆井液體系等關(guān)鍵裝備和材料的國(guó)產(chǎn)化。此外，目前國(guó)內(nèi)深水鉆井設(shè)計(jì)主要依賴(lài)Landmark 和Drillbench 等國(guó)外公司的軟件，國(guó)產(chǎn)工程軟件不但缺少部分模塊，而且有待完善和工程化。國(guó)內(nèi)在鉆井工程數(shù)據(jù)資源管理、分析、共享和應(yīng)用方面相比國(guó)外嚴(yán)重滯后，亟需推進(jìn)關(guān)鍵核心工具裝備和工程軟件的國(guó)產(chǎn)化。

3.3 增強(qiáng)深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力

井控應(yīng)急保障能力是確保深水鉆探安全的基礎(chǔ)，也是我國(guó)石油行業(yè)高質(zhì)量安全發(fā)展的“壓艙石”。深水作業(yè)環(huán)境嚴(yán)苛，安全應(yīng)急挑戰(zhàn)異常嚴(yán)峻，需進(jìn)一步研究井噴事故情景構(gòu)建、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)急封堵、滅火救援等關(guān)鍵技術(shù)，形成自主全海域、全水深、全工況的井控應(yīng)急安全保障技術(shù)體系，增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力，杜絕深水安全環(huán)保事故。

3.4 力促智能化保障深水油氣開(kāi)采安全

鉆完井是勘探開(kāi)發(fā)一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建深水“探井–開(kāi)發(fā)井”一體化鉆井設(shè)計(jì)及井筒安全評(píng)估技術(shù)體系，可進(jìn)一步支撐深水勘探開(kāi)發(fā)一體化。智能化技術(shù)是深水油氣開(kāi)發(fā)控制成本、提高采收率和延長(zhǎng)油井壽命的有效手段[72–73]，實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測(cè)、測(cè)試、控制等功能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提前制定措施，達(dá)到數(shù)字智能化轉(zhuǎn)型、科技保安全和提質(zhì)增效的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

南海深水油氣資源是我國(guó)能源的主力勘探新區(qū)和重要接替區(qū)，通過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)與實(shí)踐，在深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全控制技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，初步形成了以深水海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制、深水淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與控制、深水鉆井井控與應(yīng)急救援、深水油氣開(kāi)采設(shè)施安全檢測(cè)及監(jiān)測(cè)等為核心的南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全控制技術(shù)體系，為實(shí)現(xiàn)南海深水油氣安全、高效、自主、可控開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。隨著勘探向超深水、深水高溫高壓、深水深層、深遠(yuǎn)海等領(lǐng)域推進(jìn)，需要明確發(fā)展方向，持續(xù)攻關(guān)和完善本質(zhì)安全、關(guān)鍵裝備、材料和工程軟件的國(guó)產(chǎn)化、高效風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力、智能診斷與預(yù)警等技術(shù)，以進(jìn)一步推動(dòng)深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。