盡管當前的經(jīng)濟衰退導致了全球范圍內(nèi)能源需求的下降，但是大家都認為這只是暫時的情況，長遠來說，能源需求還會持續(xù)增長。為了應對這種情況，如何高效地利用各種能源，也是一個緊迫的問題。
隨著容易開發(fā)的石油的數(shù)量的減少，人們不得不開始著手開發(fā)一些非傳統(tǒng)的資源，比如油砂，重油和油頁巖，或者進軍到惡劣的環(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)的開發(fā)和生產(chǎn)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進行確認和討論，并希望能提供技術(shù)解決方案，從而使這些地區(qū)的石油開發(fā)和生產(chǎn)具有持續(xù)的商業(yè)價值。
巨大的挑戰(zhàn)
全球來看，已經(jīng)有不少深水項目正在開發(fā)和生產(chǎn)中，而且占據(jù)了石油天然氣供應的不少份額。不過，未來的超深水項目的投資仍然面臨著如下的挑戰(zhàn)：
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水深超過3，000米
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位置偏遠，沒有支持
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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，可開采儲量變小
普遍認為北極地區(qū)含有大量的油氣資源，但是，相對于其他油氣產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)的開發(fā)還處于初級階段。迄今為止，北極地區(qū)的開發(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)。 未來面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
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超過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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堅硬的海底巖層
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應急反應
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設備的保溫，包括消防設備的設計
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人類活動對環(huán)境的影響
上面所提到的挑戰(zhàn)將在下面的文章里進行更詳細的說明，以便幫助我們確認技術(shù)上的難題，需要改進的地方和解決的方法。
深水苛刻環(huán)境
惡劣環(huán)境下的石油開發(fā)已經(jīng)存在，比如英國蘇格蘭北部，挪威等地。 在這些地方，浮式生產(chǎn)設施的應用是成功的，但并不是沒有一些技術(shù)難題，比如錨鏈的破損，立管的破壞，船體的破裂等。
對于FPSO來說，一個關(guān)鍵的問題是為錨泊系統(tǒng)的設計提供一個合適的環(huán)境參數(shù)，特別是海浪的大小和方向，以及風和海流與船向的關(guān)系。
對于深水區(qū)域惡劣海況的浮式設備，一些特殊的需開發(fā)的技術(shù)領域包括：
應用于FPSO的改進的和有效的設計工具必須設定以反應為基礎的設計條件，關(guān)鍵的反應類型有：錨鏈設計的最大余量， 最大的橫傾和縱傾，上部模塊的最大過載能力等。
需要更好的方法來模擬海浪和水深對甲板結(jié)構(gòu)的影響。
豎立式深水設施
超深水一般定義為水深超過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，水深達到2500米，是低壓油藏，需要人工舉井。
如果一個油藏比較集中，可以只利用一個鉆井中心，就可以達到各個富油區(qū)，生產(chǎn)系統(tǒng)一般采用豎立式（DVA）生產(chǎn)設施，這樣能降低費用，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（Spar）和深水半潛式平臺可以應用在這些地方（比如非洲西部和南中國海）。
將Spar平臺應用到更深海域的一個關(guān)鍵的制約是怎樣才能容納更多的立管。因為隨著立管重量的增加，需要更大浮力的浮筒，最終影響筒體的尺寸。
殼牌的Perdido Spar項目大量采用技術(shù)革新，比較有效的解決了立管問題和油藏低壓問題。 從幾個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Perdido Spar上還有一個鉆井立管，用來鉆井和完井作業(yè)。利用Spar來鉆井和修井將大大降低開發(fā)費用。
上面的技術(shù)革新提供了一個有效的完整的解決方案，來面對水深和低壓的雙重困難。并且大大降低鉆井費用。相信隨著這種技術(shù)的成熟，它將被應用到其他許多地方。
深水半潛式平臺
如果將吃水深度提高到10－15米，傳統(tǒng)的半潛式平臺的運動特性能夠得到提高，并且能保持半潛式平臺在近海區(qū)域的優(yōu)勢。因為這種增強的運動性能，鐵制懸鏈式立管可以應用在墨西哥灣和其他地區(qū)，而且這種性能也能使它應用在相對溫和的環(huán)境中，必要南中國海和非洲西海岸。然而，上部預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)提出來了，但是在應用之前需要額外的測試和認證。另外，立管張緊輪的硬度將會影響平臺的移動，應該建立一個關(guān)于船體，錨系和立管的整體解決方案。
水下生產(chǎn)系統(tǒng)
對于海上石油來說，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為一個明顯的趨勢。不需要浮式生產(chǎn)設施，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用。他們都是氣田，比較容易進行遠距離輸送。對于氣田開發(fā)，下一步將是實現(xiàn)水底壓縮，以滿足氣田的后期生產(chǎn)。一個試驗型的海底壓縮模塊正在建造，如果順利，將會實施安裝應用，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)是必須解決壓縮機的維護修理問題，配件更換問題，系統(tǒng)的可靠性，電力供應和轉(zhuǎn)換等等。
對于油田開發(fā)，可以利用水下分離技術(shù)，象上面提到的Perdido項目， 利用電潛泵來輸送液體。這些技術(shù)將會更成熟從而使液體能夠傳輸更遠的距離以實現(xiàn)從海底到海岸的開發(fā)模式。
北極挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展方向
對于北極地區(qū)的石油天然氣開采，挑戰(zhàn)主要來自兩個方面。首先，必須克服北極地區(qū)獨有的自然環(huán)境。其次，在應對自然環(huán)境的挑戰(zhàn)過程中，如何滿足法律法規(guī)的要求，滿足社會對環(huán)境保護的期望和實現(xiàn)贏利。
對于第一個挑戰(zhàn)，已經(jīng)取得了巨大的進步，制定了ISO19906國際標準草案，來強調(diào)在北極和寒冷地區(qū)進行石油天然氣開采時應該遵循的標準和規(guī)范，包括設計，建造，運輸，安裝和拆除海上設施等各個方面。對于北極地區(qū)開發(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：需要長期和可靠的數(shù)據(jù)來預測極限情況和意外情況作為設計基礎。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)應該進一步優(yōu)化和延伸以避免過于保守而不敢進入新的區(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測的可靠性。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。
- 冰層運動對結(jié)構(gòu)的影響：ISO 19906標準預測結(jié)構(gòu)的影響上比較保守，需要更好的來預測對結(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。
- 深海和嚴重結(jié)冰情況：設計如何來同時應對深海和嚴重結(jié)冰海況是一個關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。 采用水下設施是可能的，如果油藏信息正確，并有足夠長的無凍時間來進行鉆井，檢查，維護和修理。但挑戰(zhàn)依然存在，比如如何保證流體流動， 如何防護冰層和冰山的壓力，如何提高利用率，因為在冰封季節(jié)，無法對水下設施進行干預。
減少人類的影響
從法律法規(guī)的要求和社會期望來看，減少人類活動對環(huán)境的影響是一個重要內(nèi)容。從廣義來看，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發(fā)技術(shù)范圍之內(nèi)，但是，要想成功在北極進行開發(fā)，必須綜合考慮這些因素。
減少人類影響也是一個進行技術(shù)革新，開發(fā)采用新技術(shù)的驅(qū)動力。Shell正在進行一項技術(shù)努力來減少噪音污染。
結(jié)束語
未來的時代，對能源的需求會持續(xù)增長，而容易獲得的石油資源將會越來越少。深海水域和北極地區(qū)將會為未來的石油供應提供大量的機會。在這些地區(qū)進行石油天然氣開采將面臨許多技術(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。
對于深海開發(fā)，具體的技術(shù)解決方案包括：水下分離和電潛泵，浮筒式平臺設施， 海底到海岸開發(fā)模式，以及應用于氣田的水下壓縮模塊。
對于北極地區(qū)開發(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)改進方案， 冰層對水下結(jié)構(gòu)的影響，開發(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對環(huán)境的影響。
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