北極油氣勘探開發(fā)技術(shù)最新進(jìn)展研究*

劉 學(xué)，王雪梅，凌曉良，鄭軍衛(wèi)，王立偉

（1．中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 蘭州 730000；2．中國極地研究中心極地信息中心 上海 200136）

北極油氣勘探開發(fā)技術(shù)最新進(jìn)展研究*

劉 學(xué)1，王雪梅1，凌曉良2，鄭軍衛(wèi)1，王立偉1

（1．中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 蘭州 730000；2．中國極地研究中心極地信息中心 上海 200136）

文章總結(jié)了主要國際機(jī)構(gòu)對北極地區(qū)油氣資源儲(chǔ)量的評估，并探討了北極油氣資源開發(fā)面臨的惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)及其應(yīng)對技術(shù)。得出：隨著全球?qū)δ茉吹男枨笕找嬖鲩L，科技的不斷發(fā)展，全球的消費(fèi)者將來用上來自遙遠(yuǎn)北極的油氣產(chǎn)品指日可待。未來可能對北極油氣勘探開發(fā)起重要影響的技術(shù)有可控源電磁技術(shù)、拖纜地震采集技術(shù)、新型磁力斷層攝影檢測技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、適合極地的鉆井平臺、破冰油船、破冰LNG船等；但是目前這些技術(shù)主要由大型跨國油氣公司和油田技術(shù)公司掌控，并主要集中在環(huán)北極國家。迄今為止，我國尚未涉足勘探北極地區(qū)的油氣資源，并在相關(guān)科技能力和設(shè)施條件等方面與環(huán)北極國家相比還存在較大差距?；诖?，為我國相關(guān)機(jī)構(gòu)參與到北極油氣勘探開發(fā)提出相關(guān)建議。

北極；油氣資源；勘探開發(fā)

北極地區(qū)是指北極圈 （66°34′N）以北的區(qū)域，包括北冰洋和8個(gè)環(huán)北極國家 （加拿大、丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典、俄羅斯和美國）的北方領(lǐng)土。近年來，世界不同組織機(jī)構(gòu)對該地區(qū)的油氣資源進(jìn)行了如火如荼的調(diào)查評估，盡管評估都顯示北極油氣資源的儲(chǔ)量相當(dāng)可觀，但是要對北極油氣資源進(jìn)行規(guī)模開發(fā)，則會(huì)遇到眾多技術(shù)上的困難。本研究就當(dāng)前這些油氣資源評估和北極油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)與最新技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，并就此為我國提出一些相關(guān)建議。

1 北極油氣資源儲(chǔ)量評估

1.1 北極常規(guī)油氣資源評價(jià)

2008年7月23日，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）發(fā)布 《環(huán)北極資源評估報(bào)告》，公布了環(huán)北極資源評估項(xiàng)目的北極傳統(tǒng)油氣資源評價(jià)結(jié)果［1］。在評估的北極圈以北的33個(gè)地質(zhì)區(qū)中，25個(gè)地質(zhì)區(qū)給出了評價(jià)：待發(fā)現(xiàn)估計(jì)總量為石油900億桶，占世界待發(fā)現(xiàn)石油資源量的13%，天然氣1669萬億立方英尺（tcf），占世界待發(fā)現(xiàn)天然氣資源量的30%。

據(jù)IHS Energy公司的2009年全球勘探開發(fā)數(shù)據(jù)庫，北極地區(qū)已發(fā)現(xiàn)了約600多億桶的石油儲(chǔ)量、天然氣儲(chǔ)量1 136 tcf、凝析油儲(chǔ)量80億桶、總油氣當(dāng)量2 570億桶［2］。

2010年，來自俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院卓菲馬克石油地質(zhì)與地球物理研究所針對俄羅斯北極地區(qū)石油和天然氣潛能的評估表明，在21世紀(jì)的后半葉，北極石油超級盆地有可能提供與波斯灣或西西伯利亞盆地群相當(dāng)?shù)哪茉矗?］。

1.2 北極非常規(guī)油氣資源評價(jià)

2008年，USGS完成了阿拉斯加北坡天然氣水合物可采資源的首次評價(jià)［4］，該評價(jià)區(qū)域位于阿拉斯加北部，西起阿拉斯加國家石油儲(chǔ)備區(qū) （NPRA），東至北極國家野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)（ANWR），從布魯克斯山脈向北一直到距海岸線以北4．83 km的州和聯(lián)邦海上邊界，總面積約144 765 km2，該區(qū)域內(nèi)含有大約85 tcf未探明的技術(shù)可采天然氣資源。據(jù)美國能源部能源信息署 （EIA）估計(jì)，按照美國當(dāng)前的能源消費(fèi)率，這些資源足可滿足1億普通美國家庭10年的天然氣供熱需求。

綜上所述，北極油氣資源的儲(chǔ)量相當(dāng)可觀，在全球油氣資源日趨匱乏的今天，北極被看成是 “第二個(gè)中東”。截至2011年6月，北極地區(qū)石油累計(jì)產(chǎn)量僅為200億桶左右，天然氣累計(jì)產(chǎn)量也只有395．76 tcf［5］。目前，北極地區(qū)仍有近半數(shù)盆地未進(jìn)行油氣勘探，已發(fā)現(xiàn)的油氣田由于氣候、基礎(chǔ)設(shè)施以及技術(shù)等原因尚未投入開發(fā)。本研究試圖通過收集的資料，對北極油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與分析。

2 北極油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對技術(shù)

2.1 環(huán)境與后勤

嚴(yán)酷的天氣條件要求設(shè)備能夠承受極度低溫，惡劣的土壤條件有可能使設(shè)備和建筑物發(fā)生下沉，還有北極的環(huán)境極其脆弱，地震勘探作業(yè)的影響，如鉆機(jī)、震源車和記錄車等遺留下來的痕跡，可能會(huì)存在數(shù)十年。

斯倫貝謝在加拿大西北地區(qū)作業(yè)時(shí)，采用在臨近河流湖泊中的水澆在地面上，建造冰路，以支撐重型卡車和設(shè)備。西方奇科在阿拉斯加北坡引入了第一批橡膠履帶震源車。寬履帶和橡膠輪面結(jié)合使用，在脆弱的北極冰面上產(chǎn)生的壓力較低，損害較小。西方奇科還采取了其他措施來減小對環(huán)境的影響。例如，將油滴盤或者吸附材料置于停止卡車的下部，防止烴類物質(zhì)滴落和溢出從而污染積雪；指示炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位置時(shí)使用木樁而非塑料和金屬標(biāo)志［6］。

2.2 勘探挑戰(zhàn)

由于冰川的沖蝕和沉積，導(dǎo)致北極地區(qū)地貌特征極其復(fù)雜。地面凹凸不平和近地表的非均質(zhì)性會(huì)影響地震測量結(jié)果。使用常規(guī)技術(shù)在北極進(jìn)行勘探可能非常困難。

近幾年來，可控源電磁 （CSEM）技術(shù)在國外深水油氣勘探中發(fā)揮了巨大作用，有效降低了深水勘探的鉆探風(fēng)險(xiǎn)，能有效檢測出以往不易發(fā)現(xiàn)的薄油氣層及區(qū)分其中所含流體是油還是水。2008年，加拿大能源公司及其合資伙伴Nunaoil公司和Cairn能源公司在格陵蘭海上邊疆盆地兩個(gè)區(qū)塊進(jìn)行油氣勘探［7］，成功運(yùn)用CSEM技術(shù)確認(rèn)8個(gè)存在電阻率異常的遠(yuǎn)景區(qū)含油氣資源的概率僅為50%。在北極邊疆盆地進(jìn)行勘探仍然具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，但采用CSEM技術(shù)有助于降低鉆干井的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2012年12月3—5日，第二屆北極技術(shù)會(huì)議（Arctic Technology Conference 2012）在休斯敦召開，該大會(huì)的主題為 “今天的挑戰(zhàn)與明天的機(jī)遇”，與會(huì)者討論了在北極地區(qū)的石油和天然氣勘探和生產(chǎn)的最新技術(shù)和安全問題。會(huì)上還首次頒發(fā)了北極勘探開發(fā)技術(shù)最具創(chuàng)新獎(jiǎng)。來自美國ION公司的控制冰下的拖纜地震采集技術(shù)（Under－Ice Towed Marine Streamer）以及來自俄羅斯Transkor-K研究和發(fā)展中心與馬來西亞國家石油公司（Petronas）共同研發(fā)的對海底管道進(jìn)行檢測的新型磁力斷層攝影檢測技術(shù) （MTM）獲得該殊榮［8］。

2.3 鉆井作業(yè)

由于北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、溫度超低、暴風(fēng)雪猛烈，還有強(qiáng)海流、浮冰、冰山、永凍層，所有這些都增加了鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，目前適合極地惡劣環(huán)境鉆井作業(yè)的鉆井船和鉆井平臺數(shù)量非常有限。

韓國的造船綜合能力居世界領(lǐng)先地位，并且壟斷了能夠在極地海域進(jìn)行作業(yè)的冰區(qū)海洋工程船舶，自2007年11月韓國三星重工建成世界第一艘適合極地工作的鉆井船后，目前該船廠正在建造第五代深水極地鉆井船；現(xiàn)代重工將開發(fā)適合極地使用的LNG船的LNG-FPSO作為其長期發(fā)展戰(zhàn)略。另外，歐美公司壟斷著平臺裝備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，瑞士越洋鉆探公司（Transocean）建造了極地先鋒號鉆井平臺，目前正在挪威巴倫支海Skrugard油田服務(wù)。該平臺的鉆機(jī)組塊和管匯采用低溫碳鋼建造，所有操作都是全封閉的，并配有加熱系統(tǒng)，便于在寒冷的北極地區(qū)開展油氣鉆探活動(dòng)［9］。荷蘭Huisman設(shè)備公司設(shè)計(jì)了一種適合近北極地區(qū)的半潛式鉆井平臺，即JBF北極圈號鉆井平臺，其作業(yè)水深60～1 500 m，采用錨泊定位，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠承受冬季厚冰 （冰厚度可達(dá)1．5～2 m）和夏季風(fēng)浪沖擊，便于在近北極地區(qū)全年全天候作業(yè)［10］。

為了應(yīng)對極地惡劣環(huán)境，鉆井船、鉆井平臺以及水下設(shè)備必須極其堅(jiān)固。在淺水區(qū)，在由礫石或冰建造的人工島上進(jìn)行鉆井作業(yè)，是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。除了用各種材料建造人工島外，各種沉箱或擋水結(jié)構(gòu)也被用作鉆井設(shè)施。例如，埃克森美孚公司在北極作業(yè)中使用了礫石島、冰島、沉箱固定島 （CRI）、混凝土島鉆井系統(tǒng)（CIDS）以及Molikpaq和單個(gè)鋼制鉆井沉箱（SSDC）系統(tǒng)。

目前，可利用套管鉆井 （CWD）技術(shù)來改善在北極環(huán)境中的鉆井作業(yè)。該技術(shù)可使作業(yè)者一趟完成鉆井和下套管作業(yè)，對鉆井液的排量要求相對較低，從而避免引起井眼擴(kuò)大。由于排量較低，因此可以使用更小、更輕便的鉆機(jī)設(shè)備，降低了搬運(yùn)鉆機(jī)時(shí)對冰層最小厚度的要求，從而延長了北極的冬季作業(yè)時(shí)間。

2.4 固井與增產(chǎn)作業(yè)

北極地區(qū)的固井作業(yè)面臨極大的挑戰(zhàn)。水泥凝固過程中通常伴隨水泥成分發(fā)生水化反應(yīng)而釋放熱量。其他地區(qū)的固井作業(yè)可忽略這種放熱性，但在北極這一特性卻很重要，因?yàn)獒尫懦龅臒崃繉?dǎo)致永凍層融化。井筒周圍產(chǎn)生液態(tài)水，導(dǎo)致之前堅(jiān)硬穩(wěn)定的地層變得疏松、不穩(wěn)定。針對這一問題，斯倫貝謝研發(fā)了一種新的解決方案——ARCTICSET水泥，這種水泥是針對低溫永凍層專門設(shè)計(jì)的。水泥的組分經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，水泥固化時(shí)水化反應(yīng)的放熱量達(dá)到最低。ARCTICSET水泥不會(huì)凍結(jié)，但在環(huán)境溫度低至-9℃ （16°F）時(shí)能夠固化并形成足夠的強(qiáng)度［6］。

惡劣寒冷的氣候同樣給增產(chǎn)作業(yè)帶來困難。水力壓裂和基質(zhì)酸化面臨同樣的后勤和環(huán)境安全挑戰(zhàn)，但在供應(yīng)物資尤其是化學(xué)品的處理和儲(chǔ)存方面，各自面臨不同困難。水力壓裂是一項(xiàng)復(fù)雜的油田服務(wù)，它需要設(shè)備來運(yùn)輸、儲(chǔ)存水和化學(xué)品，配制壓裂液，混合支撐劑與壓裂液，泵送壓裂液至井下并對壓裂過程進(jìn)行監(jiān)測。為了提高這些環(huán)境條件下的作業(yè)效率，斯倫貝謝的工程師針對西西伯利亞地區(qū) （包括北極地區(qū)）的作業(yè)設(shè)計(jì)出了專用壓裂車。道達(dá)爾公司選擇了VDA黏彈性轉(zhuǎn)向酸來均勻泵入處理液，選擇了DAD動(dòng)態(tài)酸分散體系來進(jìn)行酸化增產(chǎn)作業(yè)。

2.5 油氣運(yùn)輸

雖然未來北極夏季具備航運(yùn)條件，但時(shí)間也很短，冬季航道還會(huì)結(jié)冰。因此，要將石油運(yùn)輸出去，必須解決好相應(yīng)的航運(yùn)技術(shù)和破冰技術(shù)難題。從主要國家目前擁有的極地破冰船數(shù)量來看［11］，俄羅斯優(yōu)勢明顯 （表1），占總數(shù)的1／3以上，并且獨(dú)有核動(dòng)力破冰船7艘，而芬蘭、瑞典、加拿大、荷蘭和美國等也都擁有一支強(qiáng)大的破冰船隊(duì)。但是總體而言，這些極地破冰船老化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，目前各國還在相繼建造新的破冰船，中國正在自主建造第一艘極地考察破冰船，有望在2014年服役；俄羅斯交通部表示，俄將在2020年前建成3艘新的核動(dòng)力破冰船，以便完全保障北部航道的通行，此外還將建造6艘常規(guī)動(dòng)力破冰船。

目前，俄羅斯石油公司在極地海域開發(fā)生產(chǎn)的石油用兩種方法向外輸送：一是鋪設(shè)海底輸油管道，將油輸送到不凍港，再用油船往外運(yùn)輸。但在深海海域，鋪設(shè)油氣管道投資成本很高 （橫貫阿拉斯加的管道體系建于1974年，耗資近百億美元，每天將200萬桶原油從普魯度灣運(yùn)到1 300 km外的不凍港——坐落在威廉王子灣的瓦爾迪茲港。俄羅斯西伯利亞的天然氣管道耗資180億美元，是目前建成的唯一能把西伯利亞油氣輸往西歐的管道體系）。二是用核動(dòng)力破冰船開道，油船緊隨其后緩慢前進(jìn)，但運(yùn)輸成本大大增加，且速度慢，效率低 （俄羅斯目前利用北海航線搞商業(yè)運(yùn)輸。該航線從摩爾曼斯克到符拉迪沃斯托克，沿俄羅斯的北極海岸綿延9 800 km，借助于核動(dòng)力破冰船，每年可航行150 d以上）。

由于在北極地區(qū)鋪設(shè)油氣管道和用于開道的極地破冰船的投資成本太大，石油公司和造船企業(yè)開始探索將專用破冰船的破冰功能嫁接到油船和LNG船上，建造出破冰油船和破冰LNG船等新概念船型。有報(bào)道稱2012年俄羅斯北極Yamal LNG項(xiàng)目計(jì)劃新造并包租12－16艘破冰LNG船。

2.6 小結(jié)

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，未來可能對北極油氣勘探開發(fā)起重要影響的技術(shù)如下：可控源電磁技術(shù)、拖纜地震采集技術(shù)、新型磁力斷層攝影檢測技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、適合極地的鉆井平臺、LNG－FPSO、破冰油船和破冰LNG船等；但是目前這些技術(shù)主要由大型跨國油氣公司和油田技術(shù)公司掌控，并集中在主要環(huán)北極國家。

英國著名能源分析研究機(jī)構(gòu)Infield System公司在第二屆北極技術(shù)會(huì)議上公布了其最新研究成果 《至2018年北極近海油氣資源市場報(bào)告》（Offshore Arctic Oil＆Gas Market Report To 2018），該研究顯示，2012—2018年，在北極地區(qū)的總資本支出中，超過一半是用于管道，另有31%是用于平臺。

盡管技術(shù)、氣候和環(huán)境等因素會(huì)對北極地區(qū)的油氣生產(chǎn)產(chǎn)生影響，但最終決定因素是盈利能力。據(jù)估計(jì)，在假定勘探開發(fā)和運(yùn)輸都不成問題的情況下，開采北極原油的成本最少在30美元／桶［12］，即只有在高油價(jià)的條件下，北極油氣的生產(chǎn)才能具有商業(yè)價(jià)值，隨著全球?qū)δ茉吹男枨笕找嬖鲩L，科技的不斷發(fā)展，全球的消費(fèi)者將來用上來自遙遠(yuǎn)北極的油氣產(chǎn)品也是指日可待。

3 對中國的啟示

由于全球變暖和冰川逐漸消融，將導(dǎo)致北極地區(qū)成為一個(gè)新的資源和能源產(chǎn)地，使其越來越成為世界各國爭奪的 “熱土”。迄今為止，我國尚未涉足勘探北極地區(qū)的油氣資源，尤其是在相關(guān)科技能力和設(shè)施條件等方面與環(huán)北極國家相比還存在較大差距。對此，筆者提出如下建議。

（1）中國作為一個(gè)近北極國家，將把北極地區(qū)作為一個(gè)新的油氣進(jìn)口目標(biāo)地區(qū)。應(yīng)加大對北極考察的投入，以掌握北極地區(qū)的油氣資源、航道等情況，增強(qiáng)在國際事務(wù)中的發(fā)言權(quán)。特別是應(yīng)加強(qiáng)抗冰船舶的設(shè)計(jì)和研究，組建現(xiàn)代化的破冰船隊(duì)，為北極油氣運(yùn)輸做準(zhǔn)備。

（2）中國應(yīng)密切關(guān)注北極地區(qū)的區(qū)塊招標(biāo)活動(dòng)和油氣開發(fā)利用技術(shù)，鼓勵(lì)和支持國內(nèi)企業(yè)與他國油氣企業(yè)聯(lián)合投標(biāo)和共同開發(fā)等商業(yè)活動(dòng)，或者通過政府注資、技術(shù)入股、設(shè)備出口等方式積極參與到北極油氣資源的開發(fā)過程。

［1］ USGS．Circum-Arctic Resource Appraisal：Estimates of Undiscovered Oil and Gas North of the Arctic Circle［R］．2008．

［2］ 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)，2010．8，12（4）：29－33．

［3］ KONTOROVICH A E，EPOV M I，BURSHTEIN L M，et al．Geology and hydrocarbon resources of the continental shelf in Russian Arctic seas and the prospects of their development［J］．Russian Geology and Geophysics，2010，51：3－11．

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［6］ BISHOP A，BREMNER C，LAAKE A，et al．北極油氣資源潛力：挑戰(zhàn)與解決方案［J］．油田新技術(shù)，2010，22（4）：36－49．

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［8］ TAYLOR M，MURPHY P．Arctic Technology Conference 2012 Post-Show Report［R］．2012

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［10］SMITH J．Need drives advances［J］．World Oil，2011，232（5）：46－50．

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中國極地研究中心 “極地油氣資源勘探與開發(fā)技術(shù)文獻(xiàn)檢索、整理與分析”項(xiàng)目資助．