楊 進, 路保平

(1.中國石油大學(北京)海洋工程研究院，北京 102249；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

?專家視點?

極地冷海鉆井技術挑戰(zhàn)及關鍵技術

楊 進1, 路保平2

(1.中國石油大學(北京)海洋工程研究院，北京 102249；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

北極冷海地區(qū)油氣資源豐富，是目前國際石油公司關注的熱點，了解極地冷海鉆井技術挑戰(zhàn)和關鍵技術現(xiàn)狀，對推進極地冷海鉆井技術進步、實現(xiàn)極地冷海油氣資源的高效開發(fā)具有重要意義。為此，通過大量文獻調研和實地考察，分析了國內(nèi)外極地冷海鉆井裝備及關鍵技術的現(xiàn)狀和主要研究進展，得到了以下認識：惡劣的作業(yè)環(huán)境、長距離的后勤保障和苛刻的環(huán)保要求，是極地冷海油氣勘探開發(fā)面臨的首要難題；坐底式平臺、人工島、抗冰自升式平臺和浮式平臺等是目前極地冷海鉆井作業(yè)采用的關鍵裝備，低溫鉆機、全封閉抗冰平臺及耐低溫新型材料等是極地冷海鉆井亟待突破的關鍵裝備及材料。調研分析認為：凍土層鉆井技術、低溫鉆井液和固井技術、萬米大位移井鉆井技術、極地災害風險評價及控制技術和鉆井廢棄物環(huán)保排放技術是未來極地冷海鉆井技術的主要攻關方向，是實現(xiàn)極地冷海油氣資源高效開發(fā)的關鍵。

極地；冷海；低溫；凍土層；鉆井裝備；海上鉆井

北極地區(qū)海洋油氣資源開發(fā)潛力巨大，據(jù)統(tǒng)計,目前北極地區(qū)已探明的常規(guī)油氣儲量超過400×108m3(2 400億桶)[1-3]，主要分布于美國阿拉斯加和加拿大西北部的波弗特海(Beaufort Sea)，俄羅斯的巴倫支海(Barents Sea)、薩哈林島(Sakhalin Island)及格陵蘭(Greenland)等地區(qū)，其中超過一半的油氣資源分布于水深小于100 m的海域[4-5]。由于巨大的油氣資源和未來能源戰(zhàn)略的發(fā)展需求，極地冷海油氣資源已經(jīng)成為各大石油公司關注的熱點。中國石化在俄羅斯薩哈林油氣合作開發(fā)項目的基礎上，與俄羅斯石油公司簽訂了《共同開發(fā)魯斯科耶油氣田和尤魯勃切諾-托霍姆油氣田合作框架協(xié)議》，共同開發(fā)極地冷海區(qū)域的油氣資源[6]。目前，只有俄羅斯、美國和挪威等少數(shù)國家開展過極地冷海鉆井作業(yè)，其中俄羅斯是開展冷海鉆井技術研究與作業(yè)較多的國家，已在北極圈海上鉆探了100余口井，在低溫鉆井液、固井和工具等方面取得了一定進展，但技術成熟度還不夠[7]。我國在極地鉆井裝備及工具的研制中取得了一定的突破，研制了能夠適應環(huán)境溫度-50 ℃、鉆井深度5 000 m的低溫軌道鉆機，并成功應用于亞北極薩哈林冷海區(qū)域5口探井的鉆井作業(yè)中[8]。與國外冷海鉆井技術相比，國內(nèi)冷海鉆井關鍵技術研究仍處于起步階段。為此，筆者通過大量的文獻調研和實地考察，在總結極地冷海鉆井面臨的主要挑戰(zhàn)的基礎上，分析了目前極地冷海鉆井裝備和關鍵技術研究現(xiàn)狀，并對今后的技術發(fā)展趨勢進行了展望。

1 極地冷海鉆井主要挑戰(zhàn)

從國內(nèi)外極地冷海鉆井情況來看，極地冷海地區(qū)鉆井作業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是極度嚴寒、淺部的凍土層和惡劣的海洋環(huán)境，同時后勤保障和環(huán)保要求也是制約極地冷海鉆井作業(yè)的關鍵因素。

1.1作業(yè)環(huán)境惡劣

極度嚴寒、暴風雪及常年存在的海冰使極地冷海鉆井作業(yè)的環(huán)境極為惡劣。北極地區(qū)海面的年平均氣溫為-20～-50℃，如此低的溫度不僅威脅著作業(yè)人員的人身安全，也增加了鉆井作業(yè)的難度，并對材料和燃料的耐低溫性能也提出了極高的要求。北極海面上漂浮著大量的浮冰和冰山，且暴風雪頻發(fā)，這就要求鉆井平臺、鉆井船等鉆井裝備及隔水管、水下井口等水下設備具有很高的強度和穩(wěn)定性。在冬季北極海面基本被完全冰封，無法進行鉆井作業(yè)，即使在夏季也需要破冰船輔助破冰，極大地增加了作業(yè)成本，所以極地冷海地區(qū)往往使用非常堅固的坐底式平臺來進行鉆井作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，北極地區(qū)年平均作業(yè)周期不超過6個月，其中巴倫支海和波弗特海的年平均作業(yè)周期只有60～120d，嚴酷的自然環(huán)境和極短的作業(yè)周期對鉆井技術、裝備和井控設施的可靠性提出了更高的要求。例如，位于俄羅斯伯朝拉海(PechoraSea)的Prirazlomnoye鉆井平臺，當環(huán)境溫度低于-20℃時就要停止鉆井作業(yè)[9]，因為海底泥線處井筒溫度低至0℃以下，而井底儲層的溫度卻高達150℃，在低溫和大溫變的條件下，鉆井管柱容易發(fā)生脆性破壞，鉆井液和水泥漿的性能也面臨極大的挑戰(zhàn)，因此研究低溫和大溫變條件對鉆井管柱力學特性、井筒流體的流變性和穩(wěn)定性的影響十分重要。

1.2淺部地層復雜

北冰洋沿岸和海底的淺部地層廣泛分布著凍土層和天然氣水合物，受海水含鹽量等因素的影響，北冰洋許多海域海底的溫度在0℃ 以下，海底凍土層的厚度可達200m[10]。在鉆井作業(yè)過程中鉆頭的切削摩擦，鉆井液與周圍凍土、天然氣水合物地層之間發(fā)生熱交換，均可導致凍土的融化和天然氣水合物的分解，造成井壁失穩(wěn)或井口下沉。俄羅斯西西伯利亞Zapolyrnoye氣田一些井在鉆井過程中由于凍土層融化而導致井口出現(xiàn)下沉，最大下沉深度超3m[11]。因此淺部地層分布的凍土層和天然氣水合物是極地冷海鉆井作業(yè)安全的重要挑戰(zhàn)。

1.3后勤保障艱難

極地冷海地區(qū)人跡罕至，基礎設施薄弱，而基地距離遠，航線長，大型裝備運輸困難。由于北極地區(qū)沒有大型機場，所有物資的運輸主要依靠輪船。北極圈內(nèi)唯一的不凍港——摩爾曼斯克是北冰洋沿岸的最大城市，深入北極圈超過300km，是俄羅斯天然氣公司的技術服務基地和石油專用碼頭，所有俄羅斯北極油氣區(qū)塊的設備維修和運輸均在該基地完成[12]。摩爾曼斯克距離俄羅斯巴倫支海油田仍然超過1000km，補給船或破冰船往返一次的時間超過14d，在冬季或者海況惡劣的時候無法進行運輸，因此北極地區(qū)的后勤保障難度遠高于其他海洋，極易因后勤保障問題導致鉆井周期延長，甚至鉆井作業(yè)中斷。因此，極地冷海鉆井作業(yè)必須高度重視后勤保障，需要有可靠的補給基地作為依托，以保證鉆井作業(yè)的順利完成。

1.4環(huán)保要求苛刻

極地冷海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱，鉆井過程中如果出現(xiàn)原油泄露、工作液泄露及冰層與表層凍土融化導致下部地層天然氣水合物分解泄露，均會對生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞[13]。當?shù)胤煞ㄒ?guī)對極地鉆井作業(yè)的環(huán)保要求極為苛刻，鉆井作業(yè)過程中必須達到零排放的環(huán)保要求[14]，這也導致了鉆井施工難度的增大和作業(yè)成本的增加。因此，鉆井液無害化處理和鉆井液回收技術是解決鉆井液對極地海洋環(huán)境污染的關鍵。

2 極地冷海鉆井裝備現(xiàn)狀

2.1開發(fā)井鉆井裝備

考慮極地冷海地區(qū)惡劣的作業(yè)環(huán)境和高昂的作業(yè)成本，主要采用坐底式平臺或人工島模式來進行油氣開發(fā)。

2.1.1坐底式平臺

在水深30m以淺的海域，坐底式平臺是一種既安全又經(jīng)濟的油氣開發(fā)模式，其中最具代表性的是俄羅斯2013年投入使用的Prirazlomnoye坐底式平臺(見圖1)[15]。

圖1 Prirazlomnoye坐底式平臺Fig.1 Prirazlomnoye bottom-supported platform

Prirazlomnoye坐底式平臺所在的伯朝拉海油田于1989年勘探發(fā)現(xiàn)，可采儲量約7×107t。該平臺下部鋼制混凝土模塊由北德文斯克造船廠建造，上部模塊由挪威哈頓船廠建造，其他模塊均在俄羅斯建造，總用鋼量約5×107t，經(jīng)歷了10多年的設計與建造，于2013年正式投入使用，所在海域水深19～20m、冬季最低溫度達到-50℃、冰期約230d(11月到次年5月)、冰厚達1.70m、風力最高為40m/s[16]。

Prirazlomnoye平臺集鉆井完井、油氣處理和儲卸油為一體，包括井口區(qū)、油氣處理區(qū)、儲油區(qū)、卸油區(qū)和生活區(qū)；平臺自帶封閉式模塊鉆機，可以實現(xiàn)鉆井完井、修井及后期調整井鉆井作業(yè)，設有40個井槽，其中采油井19口，注水井16口，水源井1口，4個預留空井槽；井口區(qū)分為4個區(qū)域，每10口井為一個區(qū)域，全部采用保溫裝置，日產(chǎn)原油約20748m3[17-18]。

該平臺采用全封閉式模塊鉆機，提升能力為547t，絞車功率為1470kW(2000hp)。該平臺開發(fā)井采用四開井身結構，套管直徑660.4～244.5mm，應用水基鉆井液鉆進，因環(huán)保要求高，所有鉆井液與巖屑處理后全部回收，采用尾管完井或者裸眼完井，單井鉆井周期約2～3個月，完井周期約5～15d。

2.1.2人工島

在水深20m以淺且離岸距離在10km以內(nèi)的區(qū)塊通常采用人工島進行油氣田開發(fā)，如圖2所示。人工島通常采用礫石建造，各島之間可以通過礫石鋪設的通道相連，油氣通過海底管線進行運輸。人工島上一般使用全封閉低溫鉆機，該鉆機采用耐低溫鋼材制造，能夠在-20～-50℃的環(huán)境下工作，內(nèi)部配套供暖系統(tǒng)可保證人員安全和設備的正常運行。由于人工島屬于固定式平臺，通常采用大位移井進行油氣開發(fā)。人工島的優(yōu)勢在于基礎非常堅固，有效地解決了地基沉降等問題，并且能夠抵御惡劣海況的影響。建造人工島所需要的礫石等原材料大多為就地取材，大大減少了鋼材用量及設備的運輸量，適合在北極這樣后勤保障困難的海域建造。人工島的劣勢是其無法移動，而且修建及維護的成本高昂，建造周期長，通常需要一個夏季的時間進行建造，而進入冬季又無法進行鉆井作業(yè)，只能到第二年才能正式投入使用，所以人工島適用于大型油氣項目的開發(fā)[19]。

圖2 人工島Fig.2 Artificial island

2.2探井鉆井裝備

極地冷海地區(qū)的探井鉆井作業(yè)需要根據(jù)水深以及海況條件選擇合適的鉆井裝備，目前通常采用抗冰自升式平臺、耐低溫全封閉半潛式平臺及浮式平臺進行鉆井作業(yè)[20]。

2.2.1抗冰自升式平臺

當水深50～100m、離岸距離超過20km、夏季和海況條件適宜時，探井可以采用抗冰自升式平臺進行鉆井作業(yè)。但是必須考慮極端海況(尤其是海冰)的影響，根據(jù)海冰的參數(shù)(包括漂流速度、厚度、抗壓強度等)和平臺迎冰面的結構來確定作用于平臺上的冰載荷，同時需考慮低溫對平臺裝備的影響。MarathonEndeavour自升式平臺采用四樁腿結構(見圖3)，能夠有效抵御浮冰，并且選用全封閉式井架和耐低溫結構材料，能夠在-30℃條件下進行鉆井作業(yè)，最大作業(yè)水深110m[21]。該平臺曾在Chukchi海和Beaufort海進行過探井鉆井作業(yè)。

圖3 抗冰自升式平臺Fig.3 Ice resistant Jack-up platform

2.2.2全封閉半潛式平臺和浮式平臺

在水深超過100m、離岸距離超過20km時，探井鉆井作業(yè)主要使用能夠抵抗浮冰的全封閉半潛式平臺和浮式平臺。半潛式平臺的優(yōu)勢在于能夠在更深的水深條件下進行鉆井作業(yè)，采用全封閉結構也能夠有效保證作業(yè)人員的安全和設備的正常運行。但由于受到極地惡劣天氣的影響，一旦遭遇暴風雪平臺發(fā)生橫向漂移，隔水管和水下井口將產(chǎn)生很大的變形和渦激振動[6]，需要加強隔水管系統(tǒng)和水下井口的強度和穩(wěn)定性。由于受惡劣天氣的影響，浮式平臺能夠開展鉆井作業(yè)的時間非常有限，全年鉆井作業(yè)時間不超過120d，因此對作業(yè)效率的要求更高。

3 極地冷海鉆井關鍵技術

針對以上鉆井挑戰(zhàn)，需要突破低溫鉆井液和固井技術、凍土層鉆井技術、萬米大位移井鉆井技術、極地災害風險評價及控制技術、鉆井廢棄物環(huán)保排放技術等關鍵技術瓶頸，才能實現(xiàn)極地冷海地區(qū)的安全高效鉆井作業(yè)。

3.1低溫鉆井液和固井技術

極地冷海海底廣泛覆蓋著多年凍土層和天然氣水合物，鉆遇這些地層時為了保持地層的穩(wěn)定性，需要采用低溫鉆井液體系并控制鉆井液的熱交換，抑制地層中天然氣水合物的分解[22]。因此，一方面需要通過鉆井液冷卻系統(tǒng)使鉆井液保持較低的溫度，防止井壁發(fā)生熱融坍塌；另一方面需要研制能夠在0℃左右甚至0℃以下仍具有良好流變性和穩(wěn)定性的低溫鉆井液體系。

目前鉆井液冷卻系統(tǒng)已經(jīng)應用于天然氣水合物鉆探和取心作業(yè)中，其原理是使用乙二醇等載冷劑與井內(nèi)的鉆井液進行熱交換，動態(tài)控制井內(nèi)鉆井液的循環(huán)溫度穩(wěn)定在-5～5℃。該系統(tǒng)目前存在的主要問題是在起下鉆等需要停泵的作業(yè)過程中，井眼內(nèi)鉆井液停止循環(huán)后，換熱器仍然在持續(xù)制冷，容易造成換熱器中的鉆井液結冰而發(fā)生堵塞。鉆井液漏失量大或需要大排量鉆進時，由于該系統(tǒng)制冷能力有限，無法實現(xiàn)鉆井液的快速冷卻[23]。因此，需要提高鉆井液冷卻系統(tǒng)的換熱效率，增強制冷能力，保證在鉆井液漏失或大排量鉆進過程中實現(xiàn)鉆井液的快速冷卻，并能夠實時監(jiān)測和控制換熱器及井筒內(nèi)的鉆井液溫度，防止因為局部過冷而造成結冰堵塞。

低溫流變性和護壁性是反映低溫鉆井液體系性能的主要參數(shù)。根據(jù)俄羅斯北極地區(qū)的鉆井經(jīng)驗，低溫鉆井液體系的常用配方為無固相聚合物+耐低溫介質+無機鹽+水合物抑制劑+降濾失劑。該體系利用NaCl、KCl等無機鹽來降低鉆井液的結冰點，保持其良好的低溫流變性。試驗研究表明：NaCl的含量達到5%～10%時，低溫鉆井液的結冰點可達到-10℃，能夠滿足冷海鉆井作業(yè)需求。利用無固相聚合物(聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和羥基甲基纖維素等)來強化鉆井液的護壁性能，配合乙二醇等醇類抑制地層中天然氣水合物的分解，從而起到維持井壁穩(wěn)定的作用。該鉆井液體系在我國漠河低溫鉆井中取得了良好的效果[24]。為了更好地滿足極地冷海鉆井的需要，還需加強適用于0℃和0℃以下條件的低溫水基和油基鉆井液體系研究，并開展低溫泡沫、氣體等鉆井流體在極地凍土層的適應性研究[25]。

在北極冷海地區(qū)進行固井作業(yè)時，水泥漿凝固過程中因水化反應而釋放熱量，從而造成凍土層融化，如果凍土層中含有天然氣水合物，還將誘發(fā)天然氣水合物大量分解，導致井涌、井噴等鉆井風險。低溫會導致出現(xiàn)水泥漿凝固緩慢、強度降低等問題[26]，因此在設計水泥漿配方時，需要降低水泥漿固化時水化反應的放熱量，同時保證其在需要的時間內(nèi)膠結并達到足夠的強度。Schlumberger公司研發(fā)了ARCTICSET水泥漿體系，其自由水分離度低、滲透率低、耐溫性好，并且膠凝強度可以控制。該水泥漿體系中添加了防凍劑，確保在低溫下水泥發(fā)生水化反應之前混合水不會結冰，其適用范圍較廣。目前在深水油氣井固井中已經(jīng)廣泛應用低溫早強型水泥漿體系，但是應用地層溫度主要在4℃左右，而極地冷海地區(qū)的環(huán)境溫度常年在0℃以下，因此還需研究適用于0℃和0℃以下環(huán)境溫度的具有早期強度高、低水化放熱的環(huán)境友好型低溫水泥漿體系。

3.2凍土層鉆井技術

凍土層是極地冷海鉆井作業(yè)的關鍵難題。根據(jù)國內(nèi)外凍土層鉆井作業(yè)經(jīng)驗，凍土層鉆井常見的井下復雜情況包括[27]：1)井壁坍塌，產(chǎn)生原因是鉆頭切削和鉆井液循環(huán)造成凍土層孔隙水融化，使地層強度和穩(wěn)定性嚴重下降，從而引起井壁坍塌；2)鉆具凍結，因凍土層融化導致井眼發(fā)生熱融性縮徑、低溫造成鉆井液黏度增加，如果停鉆時間過長，容易造成鉆具凍結；3)氣侵、井涌，鉆井過程中凍土層因溫度升高而穩(wěn)定性變差，天然氣水合物分解產(chǎn)生的天然氣進入井筒造成氣侵，嚴重時可導致井涌或者井噴；4)鉆井液漏失，凍土層融化導致井壁失穩(wěn)和地層滲透率增加，容易引起鉆井液漏失；5)井斜，凍土層和天然氣水合物層具有軟硬交錯、傾角大的特性，在鉆進過程中容易出現(xiàn)井斜；6)井口失穩(wěn)下沉，鉆井過程中井下熱流體不斷循環(huán)導致上部凍土層融化并產(chǎn)生沉降，造成鉆機和井口地基下沉。

從以上分析可以看出，鉆井過程中產(chǎn)生的熱量導致凍土層融化是造成井下故障的主要原因。為解決凍土層融化的難題，除了需要研究鉆井液循環(huán)及鉆頭切削對凍土層溫度場的影響外，還需要探索鉆井新技術和新工藝。俄羅斯在西西伯利亞的凍土層鉆井中使用了套管鉆井(drillingwithcasing，DWC)技術，可以一趟鉆完成鉆進和下套管作業(yè)，不但提高了作業(yè)效率，而且能夠有效解決凍土層鉆井中的井壁失穩(wěn)問題。DWC技術在俄羅斯Bovanenkovskoe油田0～450m厚的凍土層鉆井中進行了應用，使用φ324.0mm表層導管配合φ393.7mm鉆頭直接進行一開鉆進，凍土層平均鉆井作業(yè)時間從4d減少到2d，單井鉆井成本降低7萬多美元[28]。但DWC技術還存在套管易損壞、環(huán)空間隙小、容易造成堵塞和卡鉆等問題，目前未能得到廣泛應用。也有國外公司在凍土層鉆井中應用了真空隔熱套管技術，套管外層選用隔熱材料，可將下部地層的高溫流體和凍土層隔絕開，有效阻止井筒中的鉆井液熱量傳遞給地層，實現(xiàn)在凍土層中快速安全鉆進。我國的凍土層鉆井技術尚處于起步階段，雖然在寒冷地區(qū)積累了一定的作業(yè)經(jīng)驗、有一定研究基礎，但是缺乏完整的理論體系和成熟的工藝，亟待研究建立包括凍土層鉆井井壁穩(wěn)定性評價、井身結構優(yōu)化設計和井筒壓力控制方法在內(nèi)的理論體系，研制適用于凍土層鉆井的鉆頭、鉆井液、固井水泥漿等系列產(chǎn)品，同時推進低溫氣體鉆井、套管鉆井和隔熱套管等特殊工藝和設備的研究。

3.3萬米大位移井鉆井技術

由于極地冷海地區(qū)惡劣的自然條件，開發(fā)井主要使用坐底式平臺或人工島進行作業(yè)，但是其建造成本高昂，為了擴大平臺或人工島的控制開采面積，需要采用大位移井進行油氣開發(fā)。目前世界上井深超過10km的大位移井大部分位于北極地區(qū)，萬米大位移井鉆井技術在極地冷海油氣開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，中國石化在俄羅斯薩哈林區(qū)塊的鉆井作業(yè)中積累了一定的萬米大位移井鉆井經(jīng)驗。為保證萬米大位移井的順利施工，還需要開展水平井眼延伸極限能力的制約因素研究，解決萬米大位移井的井眼軌道設計與軌跡控制、防磨減阻等技術難題[29]。同陸上大位移井相比，極地冷海地區(qū)的大位移井鉆井作業(yè)需要選用能夠適應低溫環(huán)境的全封閉低溫鉆機(見圖4)。該鉆機應用了耐低溫金屬和非金屬材料，可保證其結構強度和密封性能滿足-50℃的作業(yè)環(huán)境需求[9]。

3.4極地冷海災害風險評價及控制技術

極地冷海鉆井面臨惡劣天氣、浮冰、淺層地質災害等多種典型作業(yè)環(huán)境風險因素，如果處理不當，輕則造成井下故障，重則導致鉆井失敗、平臺報廢和人員傷亡。因此，在鉆前對這些風險因素進行準確識別，并對其產(chǎn)生的工程風險進行科學評價，形成一套行之有效的應對措施和處理方法，規(guī)避災害性鉆井事故的發(fā)生，是實現(xiàn)安全鉆井的前提和基礎。目前國內(nèi)外主要在淺水和深水淺部地層的淺層氣、淺水流和天然氣水合物等淺層地質災害預測和風險評價與控制方面取得了階段性成果[30-31]，但這些預測模型和評價方法很難應用于極低溫環(huán)境的極地冷海地區(qū)[32-33]。所以該技術的主要攻關方向為：研究區(qū)域浮冰周期分布規(guī)律、浮冰運動動態(tài)監(jiān)測，形成浮冰防治方案，解決極地冷海鉆井浮冰風險控制的問題；研究極地淺層地質災害預測和風險評價方法，解決淺層地質災害的準確預測問題，形成淺層鉆井作業(yè)風險安全控制方法，解決極地冷海鉆井作業(yè)風險控制難題。

圖4 全封閉低溫鉆機Fig.4 Fully enclosed drilling rig at low temperature

3.5鉆井廢棄物環(huán)保排放技術

國內(nèi)外主要從2個方面開展了海洋鉆井液環(huán)保排放研究工作：一是無污染的海水鉆井液技術，二是有污染的鉆井液回收技術。目前海洋淺層井段一般采用海水鉆井液開路循環(huán)鉆井方式，海水鉆井液及巖屑直接排入大海，這種方式既經(jīng)濟又環(huán)保。但極地冷海的苛刻低溫環(huán)境會使海水流變性變差，所以這種方式不能滿足極地冷海鉆井的技術要求。國外正在研發(fā)的無隔水管鉆井液回收(RMR)技術能夠有效解決鉆井液對于海洋環(huán)境的污染。RMR鉆井系統(tǒng)主要包括吸入模塊、海底泵與固相控制系統(tǒng)、動力控制裝置和回流管匯，通過廢棄鉆井液收集與處理系統(tǒng)、鉆屑收集與處理系統(tǒng)、生活污水收集與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆井液回收零排放，達到極地冷海地區(qū)的環(huán)保要求[34]，但處理后的大量廢棄物還需要運到陸地，需要高昂的運費和二次環(huán)保處理。所以極地冷海鉆井廢棄物環(huán)保排放技術研究需要突破的關鍵技術是鉆井廢棄物的無害化處理技術和環(huán)境友好型環(huán)保鉆井液技術，以實現(xiàn)鉆井廢棄物的就地處理與環(huán)保排放，做到既環(huán)保又經(jīng)濟。

4 結束語

極地冷海鉆井面臨低溫、海洋環(huán)境惡劣、地質條件復雜、后勤保障困難和環(huán)保要求高等一系列技術難題，我國通過薩哈林等油氣開發(fā)項目，開展了冷海鉆井技術研究與實踐，在極地冷海鉆井裝備及工具的研制中取得了一定的突破，但并未形成成熟的系列化極地冷海鉆井工藝和技術，還需要在充分借鑒國外低溫地區(qū)鉆井作業(yè)經(jīng)驗和技術的基礎上，開展針對性的技術攻關：1)加大低溫鉆機、全封閉抗冰平臺以及耐低溫新型材料等低溫鉆井關鍵裝備與材料的設計與研發(fā)力度，推進鉆井裝備的模塊化和智能化；2)加強低溫鉆井液和固井技術、萬米大位移井鉆井技術、凍土層鉆井技術、災害風險評價和控制技術、鉆井廢棄物環(huán)保排放技術等極地冷海鉆井關鍵技術研究，盡快形成具有自主知識產(chǎn)權的極地冷海鉆井技術；3)建立適用于極地冷海環(huán)境的物質供應與保障體系和應急救援系統(tǒng)，實現(xiàn)極地冷海地區(qū)的安全高效鉆井作業(yè)。

致謝：在本文撰寫過程中，俄羅斯國立古勃金石油天然氣大學的V.Kadet博士提供了俄羅斯極地鉆井完井的相關資料，在資料的搜集和整理過程中得到了中國石化石油工程技術研究院侯緒田、柯珂、王磊等同志及中國石油大學(北京)博士研究生李蒞臨的大力幫助，特此感謝。

References

[1] HAMILTON J M.The challenges of deep-water Arctic development[J].International Journal of Offshore and Polar Engineering,2011,21(4):241-247.

[2] 余本善,孫乃達.全球待發(fā)現(xiàn)油氣資源分布及啟示[J].中國礦業(yè),2015，24(增刊1):22-27.

YU Benshan,SUN Naida.The distribution of global undiscovered hydrocarbon resources and enlightenment[J].China Mining Magazine,2015，24(supplement1):22-27.

[3] 李浩武,童曉光.北極地區(qū)油氣資源及勘探潛力分析[J].中國石油勘探,2010,15(3):73-82.

LI Haowu,TONG Xiaoguang.Exploration potential analysis of oil and gas resource s in Arctic Regions[J].China Petroleum Exploration,2010,15(3):73-82.

[4] 朱凱.北極海上鉆井模式及發(fā)展趨勢[J].內(nèi)江科技,2016,37(2):71-73，75.

ZHU Kai.Arctic offshore drilling model and development trend[J].Neijiang Science & Technology,2016,37(2):71-73，75.

[5] 黨學博,李懷印.北極海洋工程模式及關鍵技術裝備進展[J].石油工程建設,2016,42(4):1-6.

DANG Xuebo,LI Huaiyin.Offshore engineering modes and key technologies in Arctic[J].Petroleum Engineering Construction,2016,42(4):1-6.

[6] 孫寶江.北極深水鉆井關鍵裝備及發(fā)展展望[J].石油鉆探技術,2013,41(3):7-12.

SUN Baojiang.Progress and prospect of key equipments for Arctic deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(3):7-12.

[7] 郭曉瓊.中俄經(jīng)貿(mào)合作新進展及未來發(fā)展趨勢[J].俄羅斯學刊,2016，6(3):10-18.

GUO Xiaoqiong.New progress in economic and trade cooperation between China and Russia and the future development trend[J].Academic Journal of Russian Studies,2016，6(3):10-18.

[8] 盧景美,邵滋軍,房殿勇,等.北極圈油氣資源潛力分析[J].資源與產(chǎn)業(yè),2010,12(4):29-33.

LU Jingmei,SHAO Zijun,FANG Dianyong.et al.Analysis of oil-gas resources potential in the Arctic Circle[J].Resources & Industries,2010,12(4):29-33.

[9] 李鴻濤,陶平安,王志忠,等.ZJ40/2250DBG低溫軌道鉆井裝備的研制[J].石油機械,2014,42(11):64-68.

LI Hongtao,TAO Ping’an,WANG Zhizhong,et al.Development of ZJ40/2250DBG low-temperature track drilling rig[J].China Petroleum Machinery,2014,42(11):64-68.

[10] SUBBOTIN E.Oil offloading solutions for the Pechora Sea exemplified by the Prirazlomnoye Field[D].Stavanger：University of Stavanger，2015.

[11] 張魯新.多年凍土,世界范圍內(nèi)的難題[J].中國計算機用戶,2005(43):21.

ZHANG Luxin.Permafrost,the world’s problems[J].China Computer Users,2005(43):21.

[12] YAKUSHEV V S.Permafrost impact on gas fields development in the Russian onshore Arctic (Yamal Peninsula)[R].OTC-25504-MS，2015.

[13] 劉稚亞.航向北極之不凍港摩爾曼斯克[J].經(jīng)濟,2014(10):78-84.

LIU Zhiya.Heading for the Arctic frozen port Murmansk[J].Economy,2014(10):78-84.

[14] WHITEMAN G,HOPE C,WADHAMS P.Vast costs of Arctic change[J].Nature,2013,499(7459):401-403.

[15] 趙瑋.北極資源的開發(fā)和環(huán)境保護[J].試題與研究,2013(21):43.

ZHAO Wei.Development and environmental protection of Arctic resources[J].Shiti yu Yanjiu,2013(21):43.

[16] 劉學,王雪梅,凌曉良,等.北極油氣勘探開發(fā)技術最新進展研究[J].海洋開發(fā)與管理,2014,31(1):37-41.

LIU Xue,WANG Xuemei,LING Xiaoliang,et al.Research on the latest development of Arctic oil and gas exploration and development technology[J].Ocean Development and Management,2014,31(1):37-41.

[17] 張琦.俄羅斯北極地區(qū)油氣田開發(fā)模式[J].油氣田地面工程,2013，32(7):18-19.

ZHANG Qi.Development model of oil and gas field in Russian Arctic Region[J].Oil-Gas Field Surface Engineering,2013,32(7):18-19.

[18] BASARYGIN M Y,KUZNETSOV V P,SIMONOV Y A,et al.Marine transport systems for oil export from the Prirazlomnoye Oil Field in the Barents Sea[C]// RAGNER C L.The21st Century:Turning Point for the Northern Sea Route.Berlin：Springer Netherlands,2000.

[19] MOHAMMED N,CHERNOV M,MAALAC-TR?AN E,et al.Focused risk-management brings a step-change improvement in drilling performance at Sakhalin’s Odoptu ERD development(Russia)[R].SPE-102818-RU，2006.

[20] 董智惠.深水鉆井船總體方案論證[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010.

DONG Zhihui.Research on the preliminary concept design of deepwater drillship[D].Harbin：Harbin Engineering University,2010.

[21] WASSINK A,van der LIST R.Development of solutions for Arctic offshore drilling[R].SPE166848，2013.

[22] 張凌,蔣國盛,蔡記華,等.低溫地層鉆進特點及其鉆井液技術現(xiàn)狀綜述[J].鉆井液與完井液,2006,23(4):69-72.

ZHANG Ling,JIANG Guosheng,CAI Jihua,et al.Overview of low temperature formation characteristics while drilling and available drilling fluid technology[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2006,23(4):69-72.

[23] 李寬,張永勤,王漢寶,等.凍土區(qū)天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)設計及關鍵參數(shù)計算[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014，41(7):45-48.

LI Kuan,ZHANG Yongqin,WANG Hanbao,et al.Design of cooling system for gas hydrate drilling mud in frozen soil region and the calculation of important factors[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2014，41(7):45-48.

[24] 賈瑞,孫友宏,郭威,等.東北凍土區(qū)天然氣水合物科學鉆探試驗及鉆進效率影響因素分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013，40(4):6-9.

JIA Rui,SUN Youhong,GUO Wei,et al.Northeast permafrost gas hydrate scientific drilling test and the analysis of factors influencing drilling efficiency[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2013，40(4):6-9.

[25] 劉華南.凍土層鉆探低溫泡沫沖洗液的研究[D].長春：吉林大學,2016.

LIU Huanan.Research on low temperature foam flushing fluid used in frozen soil layer drilling[D].Changchun：Jilin University,2016.

[26] 王建東,屈建省,高永會.國外深水固井水泥漿技術綜述[J].鉆井液與完井液,2005,22(6):54-56.

WANG Jiandong,QU Jiansheng,GAO Yonghui.The review of deep sea cementing slurry technology abroad[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2005,22(6):54-56.

[27] TORSTER M，CERASI P.Mud-weight control during Arctic drilling operations[R].OTC25481,2015.

[28] ANDREY B,GURBAN V,STANISLAV K,et al.Drilling with casing system continues successful drilling of permafrost sections in Arctic Circle of Western Siberia (Russian Federation)[R].OTC24617，2014.

[29] 高德利,朱旺喜,李軍,等.深水油氣工程科學問題與技術瓶頸：第147期雙清論壇學術綜述[J].中國基礎科學,2016,18(3)：1-6.

GAO Deli,ZHU Wangxi,LI Jun,et al.Scientific problems and technical bottlenecks in deepwater oil & gas engineering：Academic Review of the147th Shuangqing Forum[J].China Basic Science,2016,18(3)：1-6.

[30] 孫寶江,張振楠.南海深水鉆井完井主要挑戰(zhàn)與對策[J].石油鉆探技術，2015，43(4)：1-7.

SUN Baojiang，ZHANG Zhennan.Challenges and countermeasures for the drilling and completion of deepwater wells in the South China Sea[J].Petroleum Drilling Techniques，2015，43(4)：1-7.

[31] 徐鵬，孫寶江，董玉杰，等.用于處理深水淺層氣的動力壓井方法研究[J].石油鉆探技術，2010，38(1)：11-15.

XU Peng，SUN Baojiang，DONG Yujie，et al.Dynamic well kill method for shallow gas pockets in deep water[J].Petroleum Drilling Techniques,2010，38(1)：11-15.

[32] 葉志，樊洪海，張國斌，等.深水鉆井地質災害淺層水流問題研究[J].石油鉆探技術,2010,38(6):48-52.

YE Zhi，F(xiàn)AN Honghai，ZHANG Guobin，et al.Investigation of shallow water flow in deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(6):48-52.

[33] 周波,楊進,張百靈,等.海洋深水淺層地質災害預測與控制技術[J].海洋地質前沿,2012，28(1):51-54.

ZHOU Bo,YANG Jin,ZHANG Bailing,et al.Prediction and control technology of shallow geological hazards in deepwater area[J].Marine Geology Frontiers,2012，28(1):51-54.

[34] 高本金,陳國明,殷志明,等.深水無隔水管鉆井液回收鉆井技術[J].石油鉆采工藝,2009,31(2):44-47.

GAO Benjin,CHEN Guoming,YIN Zhiming,et al.Deepwater riserless mud recovery drilling technology[J].Oil Drilling & Production Technology,2009,31(2):44-47.

[編輯 陳會年]

TheChallengesandKeyTechnologiesofDrillingintheColdWaterAreaoftheArctic

YANGJin1,LUBaoping2

(1.InstituteofOceanEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

The cold water area of the Arctic is rich in oil and gas resources,which has been the focus of international oil petroleum companies presently.Understanding the challenges and key technologies of drilling in this area is of great importance for promoting the technological breakthroughs and making high efficient development of oil and gas resources.Through a large number of literature research and field investigation,Arctic cold water drilling equipment and key technologies as well as main research progress have been analyzed in domestic waters and abroad,and have arrived at the following conclusions:the primary challenges for oil and gas exploration and development in cold water area of the Arctic include harsh operating environment,long distance logistic support,stringent environmental requirements.The key equipment for drilling in the area includes bottom-supported platform,artificial island,ice resistant jack-up platforms and floating drilling rigs.Meanwhile,low-temperature drilling rigs,fully enclosed ice resistant platforms and new low temperature resistant materials are the key drilling equipment and materials urgently require a technical breakthrough urgently in the near future.The investigation results indicate that the main research directions for cold water area of the Arctic drilling should include permafrost drilling technology,low temperature drilling fluid and cementing technology,the extended reach drilling with displacement more than ten thousands of meters,the assessment and control of the disaster or risk,drilling waste emission,environmental protection,etc,which are the key technologies for the high efficiency development of oil and gas resources in cold water area of the Arctic.

Arctic;cold sea;low temperature;permafrost layer;drilling equipment;offshore drilling

TE521

A

1001-0890(2017)05-0001-07

10.11911/syztjs.201705001

2017-08-28。

楊進(1966—)，男，河南項城人，1989年畢業(yè)于石油大學(華東)鉆井工程專業(yè)，1996年獲石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學位，2004年獲中國礦業(yè)大學(北京)資源勘查工程專業(yè)博士學位，教授，博士生導師，主要從事海洋工程、海上鉆井完井技術的教學和研究工作。E-mail:yjin@cup.edu.cn。

國家重點研發(fā)計劃項目“極地冷海鉆井關鍵技術研究”(編號：2016YFSF010327)、國家自然科學基金項目“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”(編號：51434009)、國家自然科學創(chuàng)新研究群體項目“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究”(編號：51221003)、國家自然科學基金項目“深水油氣井導管全壽命周期承載力演化機理研究”(編號：51774301)聯(lián)合資助。