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挑战北极极端环境 油田开发从海底钻井底盘做起

首图
本文介绍在北极这样的环境下,油田开发所面临的问题,并分析了如何选择海底整体式底盘(ITSs),同时也对一些正在进行的油气开发项目进行了分析。这项工作中的一个重要部分就是根据海底整体式底盘的要求制定相关的标准。另外还考虑了海底生产组块的主要部分,包括它们独特的性质和组成部分。

一般海底钻井底盘都设计为若干平行并排,每一井排上布置若干个井槽,这些井槽均按照一定的井距紧凑地布置在底盘构架中。

插图1▲海底钻井的整体式底盘

整体式底盘主要用于油藏特性和开发井网的井数已知情况下的作业,特别适合于钻井数较多的区域。整体式底盘上的井槽数取决于开发井的井数。

引言

位于纽芬兰浅滩上的Terra Nova和White Rose油田已经在进行开发,其它海上项目也在积极筹备中,例如挪威北部的Goliat和Skrugard项目。这些项目被视为北极地区油气田开发的奠基石。

北极恶劣的环境条件(低温、结冰、下雪、大雾和极夜等)限制了油气田的开发,因此防冻问题急需解决,同时,在后勤保障、紧急疏散和组织救援上也存在巨大困难。

插图2
恶劣的气候条件使得北极地区海上油气田开发和海底作业更具挑战性。影响海上生产、海底施工和油气田开发的气象因素有很多,主要包括风、浪、环流和极地低压(北极海上冷空气变化时出现的低压气象)等,其他的气象因素将在后文进行概述,操作标准的制定也详细参考了这些气象参数。

北极/亚北极区域的技术要求

北极地区的钻完井作业需要巨大的经济支持,或者说,钻井和完井的成本都非常高。在北极地区,完井需要远程驱动井下流体控制设备、化学剂注入汇管和井下测量仪。这些工作会增加工程的复杂程度,同时也降低了工程的可靠性。

目前,业界和监管机构也逐渐意识到多相长管流会降低井口回压、流动速度以及采收率,这一情况也会给北极和亚北极地区的海底设备带来技术和操作上的挑战。

Barents Sea油田的整体式底盘费用/收益分析

负责人将Shtokman项目作为一个例子进行了评价。在2012年Shtokman项目的前期工程设计(FEED)中,计划通过使用6个四井槽的整体式底盘进行天然气开采。

油田开发第一阶段计划钻20口井,项目负责人对此进行了分析,对比了油气开发过程中使用2个、3个、4个和6个ITSs海底生产系统的四种不同方案:

(1)A4:六个4井槽的整体式底盘(生产方提出的方案);

(2)A6:四个6井槽的整体式底盘;


(3)A8:三个8井槽整体式底盘;


(4)A12:两个12井槽整体式底盘。

插图3▲海底钻井整体式底盘的安装过程

无论在空气中还是在浪溅带上,整体式底盘组块的安装都极具挑战性。通常情况下,底盘的整个使用期限内所受到的最大的力就在安装过程中。根据天气和季节的限制,底盘组块的安装最好在夏天进行(5月到8月或者9月)。

众所周知,有几种类型的船可以进行这种底盘的安装操作。由于需要进行重型机械运输以及重型升降操作,因此对船体在波浪中的稳定性和灵活性要求较高,安装之前必须确认船体是否达标。

整体式底盘安装成本/收益分析

尽管Shtokman油田在海上结构设计、建造和安装上面临着巨大的挑战,但是这些也能够带来可观的投资回报。本文只讨论了海上油田开发的方案和降低成本的方法,降低成本主要通过以下措施来实现:

(1)尽量利用本行业的能力和先进技术;

(2)使用最新编制的规范标准;


(3)着重满足所需要的功能要求

(4)缩短项目完成的时间。

每一个底盘组块的安装作业至少需要一只供给船和一只潜水支撑船。整体式底盘的运输还需要运货驳船。可以进行起重作业的起重机船有:单体船、半潜式起重船(SSCVs)、起重船、湿拖船。

对于A8和A12两个方案,由于起重船从移动港口出发去海上目的地的移动速度很低,所以导致底盘组块的安装时间较长。但是,预留的时间却又非常的严格和精确。

在安装过程中,对费用预算影响最大的一个因素就是设备的租金,其中起重船的成本是最高的。尽管方案A6和A4安装的成本几乎是一样的,但是最经济有效的方案是A4:6个4井槽的整体式底盘。

众所周知,海上的运输费用通常很高。若要保证后勤保障的连续性,就需要进行详细的计划。同时,缩短起重船将A8和A4底盘运到海上指定位置的时间也是非常重要的。

A12和A8的运输费用则相对较高,主要是因为它们的运输速度很慢,而起重船每天的租金又比较昂贵。尽管A12和A8的井槽较多,并且所需的整体式底盘的数量也较少,但是这些意义并不大,因为它们的建造时间与A6和A4几乎是相同的。

整体式底盘组建费用/收益分析

插图4▲整体式底盘建造费用(费用-油井数量)。底盘的建造费用可以通过不同井槽组块的倾斜角大小来进行判断。并且,如果预先知道底盘的数目,可以很容易的计算出底盘的建造费用,井槽数多的组块的总体建造成本较低。

上图呈现了除钻井费用以外的所有整体式底盘的费用。我们可以根据上图中简单的相关性关系对底盘的费用进行计算,由此就可以确定项目的总用费。

一个油田的费用随所钻井数的增加而增加,所以,对项目各个阶段进行充分的了解和掌握是非常重要的。

插图5(表1)▲表1 Shtokman项目油田开发第一阶段整体式底盘费用

Shtokman油田开发第一阶段的底盘组建费用已经在上图进行了计算(见表1)。从表1可见,12井槽的底盘建造费用是最少的,但是,值得注意的是,由于井的水平井段很长,所以底盘建造之后的钻井的费用将会大幅度提高。

整体式底盘费用/收益分析(包括钻井)

由于钻井费用是影响油田开发的重要因素,因此在最终的分析报告中需要建立另外一个涵盖所有开销的费用模型。

在写这篇分析报告时,我们采用了一个油田开发费用评估(FDE)程序。通过将Shtokman项目的数据和FDE程序进行结合,我们得出了一个结论,详见表2。

插图6(表2)▲表2 FDE程序的输出结果

我们可以看出,根据FDE程序输出的数据,在经济效益上面,方案A4(采用六个4井槽的底盘)是最优的,当然,其中的钻井费用还需要进一步进行准确计算。此外,方案A6(采用四个6井槽的底盘)在经济上同样具有吸引力,在Shtokman项目的I、 II和 III阶段中也可以选择A6。

整体式底盘安装过程风险评估

此外,我们采用了风险矩阵的方法,对整体式底盘安装过程中的风险进行了分析和评估,得出的结论为:12井槽整体式底盘的安装过程中风险最大,8井槽整体式底盘次之,6井槽和4井槽整体式底盘的安装过程中风险最小。

结论

以上我们主要对海底钻井底盘的安装进行了费用/收益分析,当然,安装费用的计算值只是一个近似值,并随着市场需求、价格波动和时间的变化而变化。

此外,不同的整体式底盘的运输时间也是不同的。对于A8和A12来说,运输的时间会更长一些,这是因为半潜式起重船的运输速度较低。起重船运输A8和A12的时间算作平台的停工时间,其产生的费用包含在了运输费用中。

最后,我们得出的结论是,这几种方案中最经济有效的就是A4和A6,即采用六个4井槽和四个6井槽的整体式底盘,并且这两种方案的安装费用是差不多的。

尽管12井槽和8井槽的整体式底盘具有更多的井槽,需要整体式底盘数量也更少(分别是两个和三个),但是这些意义并不大,因为它们的建造时间与A6和A4是几乎相同的。

另外还有一个值得注意的问题,就是我们低估了底盘的建造费用。由于北极地区油气田开采所需的生产井数量非常多,如果采用4井槽的组块来建造底盘,那么底盘的建设费用可能会很高。

上文中我们提出了整体式底盘建造费用/收益的分析模型,通过分析图中的简单数据关系,这个模型就可以对整体式底盘的建造费用进行计算。

如果利用油田开发费用评估(field-development-costevaluation,FDE)程序计算建造费用,就需要输入与Shtokman项目有关的所有数据,FDE程序最终会给出一个可以采纳的结论,这有助于我们了解北极地区油田的总体开发费用。我们可以通过对建设费用估算情况和FDE程序得出的结论进行对比,选择一个最经济有效的方式建造北极地区海底钻井底盘。

而且油田开发费用评估(field-development-costevaluation)程序也估算了北极地区油气开发中的一个重要经济因素——钻井费用。在前期的工程设计阶段(front-end-engineering-design),就应该对钻井费用进行详细计算,因此,在海底油气资源开发的研究过程中,与钻井部门进行沟通交流也是非常重要的。

对于海底基础设施建设来说,使用8井槽的海底钻井整体式底盘是一个很好的方案,而且这也已经成为很多海底油田开发的主要设计方案。

但是采用8井槽的整体式底盘时,会出现一些问题,比如,8井槽的整体式底盘的安装过程中存在很高的潜在风险,而且,由于油井的水平段很长,所以必须考虑高昂的钻井费用。12井槽的方案由于风险较大、井口和井底距离过大、钻井费用过高以及关井灵活性低等原因,因此我们一般不予采用。

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