盡管當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)衰退導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)能源需求的下降，但是大家都認(rèn)為這只是暫時(shí)的情況，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，能源需求還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，如何高效地利用各種能源，也是一個(gè)緊迫的問(wèn)題。
隨著容易開(kāi)發(fā)的石油的數(shù)量的減少，人們不得不開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)一些非傳統(tǒng)的資源，比如油砂，重油和油頁(yè)巖，或者進(jìn)軍到惡劣的環(huán)境，尋找新的資源，比如超深海洋和北極等。本文將就石油天然氣的超深水和北極地區(qū)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行確認(rèn)和討論，并希望能提供技術(shù)解決方案，從而使這些地區(qū)的石油開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有持續(xù)的商業(yè)價(jià)值。
巨大的挑戰(zhàn)
全球來(lái)看，已經(jīng)有不少深水項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中，而且占據(jù)了石油天然氣供應(yīng)的不少份額。不過(guò)，未來(lái)的超深水項(xiàng)目的投資仍然面臨著如下的挑戰(zhàn)：
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水深超過(guò)3，000米
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位置偏遠(yuǎn)，沒(méi)有支持
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油藏壓力低，需人工舉井
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由于困難而面臨的不確定性
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隨著衰減，可開(kāi)采儲(chǔ)量變小
普遍認(rèn)為北極地區(qū)含有大量的油氣資源，但是，相對(duì)于其他油氣產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)的開(kāi)發(fā)還處于初級(jí)階段。迄今為止，北極地區(qū)的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)主要集中在中等冰層的淺水區(qū)域，大多采用人工島或重力沉降結(jié)構(gòu)（GBS）或可解脫的浮式系統(tǒng)。 未來(lái)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
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超過(guò)GBS事宜的水深和厚冰層地區(qū)
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浮冰和冰山的影響
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堅(jiān)硬的海底巖層
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應(yīng)急反應(yīng)
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設(shè)備的保溫，包括消防設(shè)備的設(shè)計(jì)
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人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響
上面所提到的挑戰(zhàn)將在下面的文章里進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，以便幫助我們確認(rèn)技術(shù)上的難題，需要改進(jìn)的地方和解決的方法。
深水苛刻環(huán)境
惡劣環(huán)境下的石油開(kāi)發(fā)已經(jīng)存在，比如英國(guó)蘇格蘭北部，挪威等地。 在這些地方，浮式生產(chǎn)設(shè)施的應(yīng)用是成功的，但并不是沒(méi)有一些技術(shù)難題，比如錨鏈的破損，立管的破壞，船體的破裂等。
對(duì)于FPSO來(lái)說(shuō)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是為錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)合適的環(huán)境參數(shù)，特別是海浪的大小和方向，以及風(fēng)和海流與船向的關(guān)系。
對(duì)于深水區(qū)域惡劣海況的浮式設(shè)備，一些特殊的需開(kāi)發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域包括：
應(yīng)用于FPSO的改進(jìn)的和有效的設(shè)計(jì)工具必須設(shè)定以反應(yīng)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)條件，關(guān)鍵的反應(yīng)類型有：錨鏈設(shè)計(jì)的最大余量， 最大的橫傾和縱傾，上部模塊的最大過(guò)載能力等。
需要更好的方法來(lái)模擬海浪和水深對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的影響。
豎立式深水設(shè)施
超深水一般定義為水深超過(guò)1500米的海域。比如墨西哥灣，巴西和非洲西部等地。在這些區(qū)域中，有些區(qū)塊是重油，比如巴西的BS4。 而有些，比如墨西哥灣的Perdido，水深達(dá)到2500米，是低壓油藏，需要人工舉井。
如果一個(gè)油藏比較集中，可以只利用一個(gè)鉆井中心，就可以達(dá)到各個(gè)富油區(qū)，生產(chǎn)系統(tǒng)一般采用豎立式（DVA）生產(chǎn)設(shè)施，這樣能降低費(fèi)用，鉆井和完井都可以在DVA上完成，不需要租賃資源緊缺的深海鉆船。深水浮筒平臺(tái)（Spar）和深水半潛式平臺(tái)可以應(yīng)用在這些地方（比如非洲西部和南中國(guó)海）。
將Spar平臺(tái)應(yīng)用到更深海域的一個(gè)關(guān)鍵的制約是怎樣才能容納更多的立管。因?yàn)殡S著立管重量的增加，需要更大浮力的浮筒，最終影響筒體的尺寸。
殼牌的Perdido Spar項(xiàng)目大量采用技術(shù)革新，比較有效的解決了立管問(wèn)題和油藏低壓?jiǎn)栴}。 從幾個(gè)井口流出的流體分流到位于Spar底部的沉箱式分離器，并在那里進(jìn)行油氣分離。然后液體利用電潛泵輸送到立管，以提供一定的水頭。
同時(shí)Perdido Spar上還有一個(gè)鉆井立管，用來(lái)鉆井和完井作業(yè)。利用Spar來(lái)鉆井和修井將大大降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。
上面的技術(shù)革新提供了一個(gè)有效的完整的解決方案，來(lái)面對(duì)水深和低壓的雙重困難。并且大大降低鉆井費(fèi)用。相信隨著這種技術(shù)的成熟，它將被應(yīng)用到其他許多地方。
深水半潛式平臺(tái)
如果將吃水深度提高到10－15米，傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性能夠得到提高，并且能保持半潛式平臺(tái)在近海區(qū)域的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@種增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)性能，鐵制懸鏈?zhǔn)搅⒐芸梢詰?yīng)用在墨西哥灣和其他地區(qū)，而且這種性能也能使它應(yīng)用在相對(duì)溫和的環(huán)境中，必要南中國(guó)海和非洲西海岸。然而，上部預(yù)緊的立管必須能夠承受大的沖擊。
大沖擊的張緊輪裝置的概念已經(jīng)提出來(lái)了，但是在應(yīng)用之前需要額外的測(cè)試和認(rèn)證。另外，立管張緊輪的硬度將會(huì)影響平臺(tái)的移動(dòng)，應(yīng)該建立一個(gè)關(guān)于船體，錨系和立管的整體解決方案。
水下生產(chǎn)系統(tǒng)
對(duì)于海上石油來(lái)說(shuō)，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為一個(gè)明顯的趨勢(shì)。不需要浮式生產(chǎn)設(shè)施，從海底到海岸的解決方案，已經(jīng)在挪威一些地方得到了應(yīng)用。他們都是氣田，比較容易進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。對(duì)于氣田開(kāi)發(fā)，下一步將是實(shí)現(xiàn)水底壓縮，以滿足氣田的后期生產(chǎn)。一個(gè)試驗(yàn)型的海底壓縮模塊正在建造，如果順利，將會(huì)實(shí)施安裝應(yīng)用，這樣就避免了使用浮式壓縮模塊。
利用海底壓縮模塊的挑戰(zhàn)是必須解決壓縮機(jī)的維護(hù)修理問(wèn)題，配件更換問(wèn)題，系統(tǒng)的可靠性，電力供應(yīng)和轉(zhuǎn)換等等。
對(duì)于油田開(kāi)發(fā)，可以利用水下分離技術(shù)，象上面提到的Perdido項(xiàng)目， 利用電潛泵來(lái)輸送液體。這些技術(shù)將會(huì)更成熟從而使液體能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離以實(shí)現(xiàn)從海底到海岸的開(kāi)發(fā)模式。
北極挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展方向
對(duì)于北極地區(qū)的石油天然氣開(kāi)采，挑戰(zhàn)主要來(lái)自兩個(gè)方面。首先，必須克服北極地區(qū)獨(dú)有的自然環(huán)境。其次，在應(yīng)對(duì)自然環(huán)境的挑戰(zhàn)過(guò)程中，如何滿足法律法規(guī)的要求，滿足社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的期望和實(shí)現(xiàn)贏利。
對(duì)于第一個(gè)挑戰(zhàn)，已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，制定了ISO19906國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，來(lái)強(qiáng)調(diào)在北極和寒冷地區(qū)進(jìn)行石油天然氣開(kāi)采時(shí)應(yīng)該遵循的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括設(shè)計(jì)，建造，運(yùn)輸，安裝和拆除海上設(shè)施等各個(gè)方面。對(duì)于北極地區(qū)開(kāi)發(fā)，尤其還需要關(guān)注以下方面：
- 冰層和冰山的數(shù)據(jù)記錄：需要長(zhǎng)期和可靠的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)極限情況和意外情況作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化和延伸以避免過(guò)于保守而不敢進(jìn)入新的區(qū)塊。而且，最近北極冰層冬夏季節(jié)性的變化也表明這種預(yù)測(cè)的可靠性。氣候變暖也將加速冰山的裂變，從而增加浮冰存在的區(qū)域。
- 冰層運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：ISO 19906標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的影響上比較保守，需要更好的來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，特別是輕型結(jié)構(gòu)容易受到冰層的影響。 最后，還要克服冰山的影響。
- 深海和嚴(yán)重結(jié)冰情況：設(shè)計(jì)如何來(lái)同時(shí)應(yīng)對(duì)深海和嚴(yán)重結(jié)冰海況是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。 采用水下設(shè)施是可能的，如果油藏信息正確，并有足夠長(zhǎng)的無(wú)凍時(shí)間來(lái)進(jìn)行鉆井，檢查，維護(hù)和修理。但挑戰(zhàn)依然存在，比如如何保證流體流動(dòng)， 如何防護(hù)冰層和冰山的壓力，如何提高利用率，因?yàn)樵诒饧竟?jié)，無(wú)法對(duì)水下設(shè)施進(jìn)行干預(yù)。
減少人類的影響
從法律法規(guī)的要求和社會(huì)期望來(lái)看，減少人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響是一個(gè)重要內(nèi)容。從廣義來(lái)看，人類影響包括物理侵占，廢氣排放，廢液排放，固體垃圾和噪音。盡管上面大多不是北極開(kāi)發(fā)技術(shù)范圍之內(nèi)，但是，要想成功在北極進(jìn)行開(kāi)發(fā)，必須綜合考慮這些因素。
減少人類影響也是一個(gè)進(jìn)行技術(shù)革新，開(kāi)發(fā)采用新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力。Shell正在進(jìn)行一項(xiàng)技術(shù)努力來(lái)減少噪音污染。
結(jié)束語(yǔ)
未來(lái)的時(shí)代，對(duì)能源的需求會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，而容易獲得的石油資源將會(huì)越來(lái)越少。深海水域和北極地區(qū)將會(huì)為未來(lái)的石油供應(yīng)提供大量的機(jī)會(huì)。在這些地區(qū)進(jìn)行石油天然氣開(kāi)采將面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。本文列出了這些技術(shù)難題并介紹了一些解決方法。
對(duì)于深海開(kāi)發(fā)，具體的技術(shù)解決方案包括：水下分離和電潛泵，浮筒式平臺(tái)設(shè)施， 海底到海岸開(kāi)發(fā)模式，以及應(yīng)用于氣田的水下壓縮模塊。
對(duì)于北極地區(qū)開(kāi)發(fā)，具體的技術(shù)解決方案包括：克服惡劣自然環(huán)境的持續(xù)改進(jìn)方案， 冰層對(duì)水下結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)發(fā)沉箱式結(jié)構(gòu)。 而且這些方案還必須考慮減少人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。
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