水下應(yīng)急封井裝置技術(shù)研究進(jìn)展與建議

蘇尚文，屈志明，侯國慶，耿艷東，吳占偉，王紅杰

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘062552）①

水下應(yīng)急封井裝置（Subsea Capping Stack）是一種結(jié)構(gòu)與功能類似于水下防噴器組的應(yīng)急搶險(xiǎn)設(shè)備，安裝在井口或水下防噴器上部，可以進(jìn)行關(guān)井、分流、壓井、分散劑注入、集油等操作，用于水下井控措施失敗后的搶險(xiǎn)救援，是海上鉆井發(fā)生漏油事故后進(jìn)行控油和搶險(xiǎn)的關(guān)鍵設(shè)備［1－2］。2010－07英國石油公司設(shè)計(jì)制造出世界上第1套水下應(yīng)急封井裝置，并成功應(yīng)用于墨西哥灣深水地平線鉆井平臺事故的搶險(xiǎn)救援。目前，全球已研制出或正在研制的水下應(yīng)急封井裝置約有16套［3］（如表1），分別由國際上幾大搶險(xiǎn)公司或鉆井公司配置在主要海洋石油開采區(qū)。2010年墨西哥灣漏油事故后，美國內(nèi)政部建議鉆井作業(yè)公司進(jìn)行海上鉆井作業(yè)前應(yīng)制定應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案，并配置水下應(yīng)急封井裝置或與就近的應(yīng)急搶險(xiǎn)公司制定應(yīng)急救援方案［4］。我國南海深水鉆井工況惡劣，國內(nèi)首套深水鉆井平臺“海洋石油981”已于2012－05正式在我國南海開鉆［5］，但國內(nèi)尚無針對水下井口應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的相關(guān)技術(shù)與裝備。為保護(hù)我國海洋環(huán)境及深水鉆井作業(yè)安全，應(yīng)系統(tǒng)研究深水井噴應(yīng)急技術(shù)及裝備，開展深水井噴應(yīng)急作業(yè)工藝研究，為水下井口應(yīng)急搶險(xiǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)及裝備支撐［6］。

表1 國際上主要水下應(yīng)急封井裝置

1 產(chǎn)品分類及技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)目前國際上已有或正在研制的水下應(yīng)急封井裝置，筆者將其結(jié)構(gòu)分為3類：

1） 閘板防噴器結(jié)構(gòu)水下應(yīng)急封井裝置。

2） 閥門結(jié)構(gòu)水下應(yīng)急封井裝置。

3） 分體式水下應(yīng)急封井裝置。

另外，水下應(yīng)急封井裝置還需配置不同的下放工具及轉(zhuǎn)換短節(jié)。根據(jù)用戶需要配置水下蓄能器組或水下動(dòng)力單元。

1.1 閘板防噴器結(jié)構(gòu)

第1套閘板防噴器結(jié)構(gòu)水下應(yīng)急封井裝置（如圖1）［7］由英國石油公司設(shè)計(jì)制造并成功進(jìn)行了應(yīng)用。主要由2FZ48－105雙閘板防噴器、FZ48－105單閘板防噴器、液壓連接器、水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicles，ROV）操作面板、事故閥、轉(zhuǎn)換短節(jié)等組成。轉(zhuǎn)換短節(jié)連接在水下防噴器組隔水管轉(zhuǎn)換器上，通過液壓連接器實(shí)現(xiàn)水下應(yīng)急封井裝置與水下防噴器組的對接；閘板防噴器配置全封剪切閘板，可以剪切鉆桿并封閉井口，阻止井內(nèi)流體外泄，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急搶險(xiǎn)救援；ROV操作面板配置相應(yīng)的熱線插口，由ROV攜帶液控管線實(shí)現(xiàn)液控功能的操作；通過安裝在側(cè)出口上的事故閥進(jìn)行壓井、節(jié)流、分散劑注入、集油等操作，實(shí)現(xiàn)事故救援工作；側(cè)出口上安裝有深水溫度壓力探測總成，通過ROV將實(shí)時(shí)測量的井口溫度和壓力數(shù)據(jù)傳遞到水面應(yīng)急指揮中心。

圖1 墨西哥灣搶險(xiǎn)用水下應(yīng)急封井裝置

TRENDSETTER ENGINEERING INC 是世界上 主 要 的 水 下 應(yīng) 急 封 井 裝 置 制 造 商［2，3］，為MWCC、HWCG、Shell Oil及SWRP等應(yīng)急搶險(xiǎn)公司或鉆井公司設(shè)計(jì)和制造了類似閘板防噴器結(jié)構(gòu)的水下應(yīng)急封井裝置（如圖2）［8］。分別采用了單閘板防噴器、雙閘板防噴器和三閘板防噴器結(jié)構(gòu)，有69 MPa（10 000psi）和103.5MPa（15 000psi）兩個(gè)壓力等級，有476.3mm（18英寸）及 179.4mm（7英寸）兩種通徑，功能基本上與第1套水下應(yīng)急封井裝置類似。個(gè)別裝置采用聲納系統(tǒng)傳遞井口實(shí)時(shí)檢測的壓力和溫度。有的還配備了水下蓄能器組或水下動(dòng)力單元，為防噴器及側(cè)出口連接的閥門、液壓連接器提供液壓動(dòng)力。

圖2 TRENDSETTER ENGINEERING INC生產(chǎn)的水下應(yīng)急封井裝置

1.2 閥門結(jié)構(gòu)

閥門結(jié)構(gòu)的水下應(yīng)急封井裝置由閥門替代閘板防噴器進(jìn)行水下應(yīng)急封井作業(yè)。質(zhì)量較輕，方便使用波音747運(yùn)輸機(jī)空中運(yùn)輸。目前主要有179.4 mm（7英寸）和130.2mm（5英寸）2種通徑。

179.4 mm（7英寸）水下應(yīng)急封井裝置（如圖3）［9］由 TRENDSETTER ENGINEERING INC 生產(chǎn)，壓力等級69MPa（10 000psi）。主通徑裝配1個(gè)雙聯(lián)事故閘閥，通過ROV操作可以封閉井口；下部四通上裝配通徑為130.2mm（5英寸）的雙聯(lián)事故閘閥，外接節(jié)流閥及管線連接器，可進(jìn)行節(jié)流、壓井、分散劑注入、集油等應(yīng)急救援作業(yè)；ROV操作面板配置相應(yīng)的熱線插口，實(shí)現(xiàn)既定功能的操作；安裝有深水溫度壓力探測總成，通過聲納系統(tǒng)將實(shí)時(shí)測量的井口溫度和壓力數(shù)據(jù)傳遞到水面應(yīng)急指揮中心。

圖3 179.4mm通徑水下應(yīng)急封井裝置

OSPRAG擁有一臺通徑130.2mm（5英寸）水下應(yīng)急封井裝置（如圖4）［10］，壓力等級103.5 MPa（15 000psi）。主通徑及四通側(cè)出口均裝配通徑130.2mm（5英寸）的閥門；溫度等級121℃；日收集原油1.192 5×107L（75 000桶）；模塊化設(shè)計(jì)，質(zhì)量約40t；最大工作水深3 048m（10 000ft）。主通徑閥門可封閉井口；每個(gè)側(cè)出口上各裝配有2個(gè)閥門，可進(jìn)行節(jié)流、分散劑注入、集油等應(yīng)急救援作業(yè)。

圖4 130.2mm通徑水下應(yīng)急封井裝置

1.3 分體結(jié)構(gòu)

英國石油公司在墨西哥灣漏油事故后，為方便運(yùn)輸設(shè)計(jì)制造了一個(gè)分體式水下應(yīng)急封井裝置，如圖5［11］。上半部分由2個(gè)通徑130.2mm （5英寸）閘閥組成，可以封閉井口，質(zhì)量約37t。下半部分由臥式采油樹改造而成，配有ROV操作面板，實(shí)現(xiàn)節(jié)流、壓井、分散劑注入、集油等應(yīng)急救援作業(yè)，質(zhì)量約70t。

圖5 分體式應(yīng)急封井裝置

1.4 配套機(jī)具

為完成水下井口的搶險(xiǎn)作業(yè)，需將水下封井應(yīng)急裝備下放安裝在水下防噴器組上或井口上。一般有繩索下放和鉆桿下放2種下放方式。受水下海流的影響，水下應(yīng)急封井裝置容易漂移，與水下防噴器組對接較困難。使用繩索下放時(shí)，繩索連接在水下應(yīng)急裝備框架或?qū)Ｓ玫南路殴ぞ呱稀ｃ@桿下放需要專用的下放工具，下放工具下部為液壓連接器結(jié)構(gòu)，將下放工具鎖緊在水下井口應(yīng)急裝備的芯軸上，與水下防噴器組或井口對接后，通過ROV解鎖液壓連接器，將下放工具提出水面。

水下封井應(yīng)急裝置安裝在LMRP（Lower Marine Riser Package）上部隔水管轉(zhuǎn)換器上時(shí)，隔水管轉(zhuǎn)換器上應(yīng)連接轉(zhuǎn)換短節(jié)和連接器芯軸。為方便水下井口應(yīng)急封井裝置與水下防噴器組對接，轉(zhuǎn)換短節(jié)配置有與螺孔對接的定位銷及和井口對接的喇叭口。不同規(guī)格的隔水管轉(zhuǎn)換器應(yīng)配置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換短節(jié)。

水下封井應(yīng)急裝置上部安裝類似盲板的裝置，可實(shí)現(xiàn)冗余關(guān)閉井口，主要有液壓盲連接器或盲法蘭。

2 功能簡介

現(xiàn)有的水下應(yīng)急封井裝置一般由閘板防噴器、閥門組成。按功能可分為3種。第1種僅可以實(shí)現(xiàn)封井功能，僅有閘板防噴器或閥門組成，通過ROV操作液控系統(tǒng)關(guān)閉閘板防噴器或ROV手動(dòng)關(guān)閉閥門。第2種可實(shí)現(xiàn)封井、壓井、分散劑注入功能，由閘板防噴器或閥門組成，下裝四通或六通，外接高壓管線和閥門。第3種結(jié)構(gòu)和第2種類似，除可實(shí)現(xiàn)封井、壓井、分散劑注入等功能外，還可以進(jìn)行節(jié)流和集油作業(yè)。

從平臺或水下其他裝置連接的分流、集油、壓井、分散劑管線采用快速連接結(jié)構(gòu)。井口安裝有壓力和溫度傳感器，可通過ROV或聲納系統(tǒng)將實(shí)時(shí)檢測的溫度壓力傳遞到水面應(yīng)急指揮中心，實(shí)時(shí)掌握事故井壓力和溫度變化。水下應(yīng)急封井裝置所有水下操作采用ROV液控或手動(dòng)操作。若配置水下蓄能器組或地面水下蓄能器組，蓄能器組可排出的液量應(yīng)滿足水下應(yīng)急封井裝置所有液控部件開關(guān)1次所有液量，并有50%的富余量。水下應(yīng)急封井裝置一般采用冗余設(shè)計(jì)，多采用雙閘板防噴器或雙閥門結(jié)構(gòu)，側(cè)出口外接高壓管線至少有2條。在該套裝置關(guān)井或壓井等搶險(xiǎn)功能失敗后，利用上部的連接芯軸，可再連接其他的應(yīng)急封井裝置進(jìn)行救援作業(yè)。

3 下放安裝及回收工藝

水下應(yīng)急封井裝置及配套機(jī)具不同，下放及安裝工藝也不盡相同。結(jié)合英國石油公司研制出的第1套水下應(yīng)急封井裝置及其現(xiàn)場使用過程，分析水下應(yīng)急封井裝置的下放安裝工藝：

1） 深水鉆井井控措施失效后，隔水管斷裂彎曲到海底，首先使用水下液壓剪等工具將靠近海床附近的彎曲的隔水管剪斷，然后再將下隔水總成隔水管轉(zhuǎn)換接頭上部隔水管及隔水管中的鉆桿剪斷。

2） 使用ROV及專用工具將隔水管連接螺栓及剩余的隔水管法蘭短節(jié)移除，清理隔水管轉(zhuǎn)換接頭上的污物和雜質(zhì)。

3） 將轉(zhuǎn)換短節(jié)及液壓連接器芯軸連接在一起，安裝好下放工具后，將轉(zhuǎn)換短節(jié)下放到水下防噴器組上方，利用轉(zhuǎn)換短節(jié)的喇叭口找正與井口的位置，利用轉(zhuǎn)換短節(jié)的定位銷定位螺孔位置。定位完成后，使用ROV及專用工具安裝隔水管連接螺栓，將轉(zhuǎn)換短節(jié)安裝在水下防噴器組上部。

4） 安裝水下應(yīng)急封井裝置下放工具，將應(yīng)急封井裝置下放到轉(zhuǎn)換接頭上方，利用液壓連接器喇叭口，將液壓連接器連接在轉(zhuǎn)換接頭的芯軸上，通過ROV鎖緊液壓連接器。水下井口應(yīng)急封井裝置安裝完成。

5） 使用ROV攜帶液控臍帶纜，對水下應(yīng)急封井裝置進(jìn)行功能試驗(yàn)和井筒壓力測試。試驗(yàn)合格后配合其他的水面及水下應(yīng)急搶險(xiǎn)船只和設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的分流、壓井、分散劑注入、集油等作業(yè)。

6） 搶險(xiǎn)作業(yè)完成后，利用下放工具分別將水下應(yīng)急封井裝置及轉(zhuǎn)換短節(jié)收回，維修保養(yǎng)后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

水下封井裝置下放安裝過程中應(yīng)充分考慮海流對下放對中的影響，可考慮利用水下防噴器組導(dǎo)向繩或在封井裝置上安裝導(dǎo)向繩與其他救援船只一起完成下放安裝作業(yè)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2010－07－12—09－02，第1臺水下應(yīng)急封井裝置成功用于墨西哥 MC252井的搶險(xiǎn)救援工作［12－13］。按本文第3節(jié)中的下放工藝將水下應(yīng)急裝置安裝在水下防噴器組下的隔水管轉(zhuǎn)換器上。如圖6。鉆桿或隔水管及水下應(yīng)急封井裝置上的集油管線連接到水面的集油船上，收集從井中溢出的原油。水下應(yīng)急封井裝置進(jìn)行應(yīng)急封井作業(yè)。注射抗凝劑可避免溢出的碳水化合物在低溫下冷凝影響液壓連接器的鎖緊與解鎖。轉(zhuǎn)換短節(jié)連接液壓連接器芯軸及下部隔水管總成。陸續(xù)關(guān)閉閘板防噴器和側(cè)出口閥門，進(jìn)行水下應(yīng)急封井裝置功能測試，測試時(shí)曾發(fā)現(xiàn)1處節(jié)流管線泄漏，處理后再次進(jìn)行了試驗(yàn)。利用該套裝置進(jìn)行了48h井完整性測試，每6h觀察井壓的變化情況，如果井壓保持恒定，證明井筒完整，不存在漏點(diǎn)；如果井壓降低證明井筒存在漏點(diǎn)，需采取進(jìn)一步措施——例如不能封閉井口，避免情況惡化，或進(jìn)行壓井作業(yè)，降低井筒崩潰風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行集油作業(yè)，避免溢出的原油污染環(huán)境，影響海洋生態(tài)環(huán)境；實(shí)時(shí)監(jiān)控井口壓力和溫度，為壓井作業(yè)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。封閉井口時(shí)充分考慮封井過程中遇到的各種突發(fā)情況并制定應(yīng)急預(yù)案。水下應(yīng)急封井裝置進(jìn)行搶險(xiǎn)作業(yè)時(shí)，還綜合采用了控油罩、救援井、地震測試、聲納控制及其他的減少井噴危害的措施，為救援井搶險(xiǎn)爭取了時(shí)間。

圖6 水下應(yīng)急封井裝置應(yīng)用

2012－07，MWCC聯(lián)合殼牌公司在墨西哥灣進(jìn)行了水下應(yīng)急封井裝置水下試驗(yàn)［14］。該裝置由單閘板防噴器組成，9 144mm（30英尺）高，4 267mm（14英尺）寬，質(zhì)量100t。由繩索下放到水下2 103m（6 900英尺）的試驗(yàn)井上，進(jìn)行了功能測試和壓力試驗(yàn)及下放回收布置等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明該裝置可以安全地進(jìn)行井口作業(yè)，下放工具可以進(jìn)行下放和回收作業(yè)，水下應(yīng)急封井裝置及附屬工具布置、功能試驗(yàn)和壓力測試均達(dá)到了預(yù)期目的。

5 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用建議

目前使用的水下應(yīng)急封井裝置還沒有統(tǒng)一的技術(shù)和規(guī)范要求，形狀和配置不盡相同，功能要求及技術(shù)參數(shù)千差萬別，試驗(yàn)和應(yīng)用也較少。同時(shí)水下應(yīng)急封井裝置對水下應(yīng)急救援可靠性和安全性要求較高，要求布置及下放安裝迅速。為保障我國深水鉆井作業(yè)和海洋環(huán)境安全，縮短事故井救援時(shí)間，加快我國水下應(yīng)急裝備的研究進(jìn)展，應(yīng)加強(qiáng)水下應(yīng)急封井裝置標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、技術(shù)及作業(yè)工藝等方面的研究。

1） 緊跟國際水下應(yīng)急封井裝置的研究現(xiàn)狀，吸收國際海上應(yīng)急搶險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以及美國內(nèi)政部及美國石油學(xué)會(huì)針對水下井口應(yīng)急搶險(xiǎn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，盡快制定國內(nèi)水下應(yīng)急封井裝置設(shè)計(jì)、制造、測試、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)規(guī)范和要求，并上升為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)。

2） 水下應(yīng)急封井裝置是一套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集多項(xiàng)功能與一體的重型搶險(xiǎn)救援裝置。為便于海上、陸地及空中快速運(yùn)輸，水下應(yīng)急封井裝置應(yīng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和制造，既可以縮短運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，也可以根據(jù)搶險(xiǎn)井口的實(shí)際情況，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)改造，縮短設(shè)計(jì)及制造時(shí)間，為井口搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間。

3） 應(yīng)加大國內(nèi)對水下應(yīng)急封井裝置的系統(tǒng)集成技術(shù)、安裝工藝技術(shù)、水下控制技術(shù)、水下測試技術(shù)、水下作業(yè)技術(shù)的研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下應(yīng)急封井裝置，提升國內(nèi)應(yīng)急搶險(xiǎn)裝備的配套能力，為我國深海油氣勘探開發(fā)技術(shù)的跨越式發(fā)展和應(yīng)急搶險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。

4） 為盡可能縮短應(yīng)急搶險(xiǎn)的時(shí)間，應(yīng)事先針對目標(biāo)水深井口進(jìn)行水下井口應(yīng)急封井搶險(xiǎn)演練和試驗(yàn)。進(jìn)行下放工藝研究，縮短水下應(yīng)急封井裝置下放時(shí)間；進(jìn)行配套工具研究，配置完善的救援工具；進(jìn)行水下應(yīng)急救援作業(yè)工藝研究，掌握水下突發(fā)情況的處理方法。

6 結(jié)論

1） 調(diào)研了國外已研制出或正在研制的水下應(yīng)急封井裝置的技術(shù)與裝備，對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析。按結(jié)構(gòu)可分為閘板防噴器式、閘閥式、分體式3種。其功能分為3類，第1類僅實(shí)現(xiàn)關(guān)井作業(yè)；第2類可實(shí)現(xiàn)關(guān)井、壓井、分散劑注入、集油等作業(yè)；第3類實(shí)現(xiàn)關(guān)井、壓井、分散劑注入、集油外還可進(jìn)行節(jié)流作業(yè)。隨著水下應(yīng)急封井裝置技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的推廣，可能還會(huì)有新的結(jié)構(gòu)型式并實(shí)現(xiàn)新的功能。

2） 下放和安裝回收工藝是依據(jù)墨西哥灣漏油事故現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行的分析，不能作為一種通用的下放和安裝回收工藝。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對特定的井況和可能預(yù)計(jì)發(fā)生的災(zāi)情制定多樣化的下放和安裝回收工藝預(yù)案，確保海上鉆井作業(yè)安全。

3） 為盡快跟上國際先進(jìn)技術(shù)步伐，早日實(shí)現(xiàn)海洋水下應(yīng)急封井裝置國產(chǎn)化，建議加強(qiáng)水下應(yīng)急封井裝置標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、技術(shù)及作業(yè)工藝等方面的研究與應(yīng)用，提高我國海洋油氣裝備整體水平，保障我國海洋油氣能夠科學(xué)、安全、高效的開發(fā)。

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［12］Lea Winerman.BP Set to Begin Test on New Well Cap［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／www.pbs.org／newshour／rundown／2010／07／bp－set－to－begin－test－ofnew－well－cap.htm.

［13］Capping Stack［EB／OL］.［2013－04－20］http：／／www.oilspillcommission. gov／media／response／stemmingthe－flow－capping－stack.html.

［14］John Donovan..Shell demonstration of capping stack successfully completed in Gulf of Mexico［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／royaldutchshellplc.com／2012／07／31／shell－demonstration－of－capping－stack－successfully－completed－in－gulf－of－mexico／.