深水鉆井井噴失控水下應(yīng)急封井回收系統(tǒng)

李迅科，殷志明，劉 健，蔣世全，周建良

(中海油研究總院，北京 100027)

深水鉆井井噴失控水下應(yīng)急封井回收系統(tǒng)

李迅科，殷志明，劉 健，蔣世全，周建良

(中海油研究總院，北京 100027)

離岸遠(yuǎn)、海況復(fù)雜的深水油氣井井噴失控將會(huì)引起災(zāi)難性的事故。主要綜述了國(guó)外深水發(fā)生井噴失控造成平臺(tái)傾覆后的水下油井封井系統(tǒng)，包括系統(tǒng)功能和組成。給出了7家公司(機(jī)構(gòu))研制的水下應(yīng)急封井裝置(封井器)、結(jié)構(gòu)形式及目前的部署情況。對(duì)下一步研究深水應(yīng)急救援技術(shù)和建設(shè)應(yīng)急水下油井封井回收系統(tǒng)給出了建議。

深水鉆井； 井噴； 封井回收系統(tǒng)； 封井器

0 引 言

海上(尤其是離岸遠(yuǎn)、環(huán)境復(fù)雜的深水)油氣井井噴失控將會(huì)引起災(zāi)難性的事故。近幾年來(lái)，連續(xù)發(fā)生了2009年P(guān)TTEP澳大利亞平臺(tái)井噴事故、2010年BP墨西哥灣事故、2011年雪佛龍巴西漏油事故、2012年雪佛龍尼日利亞井噴平臺(tái)傾覆事故、2013年7月Walter油氣公司的平臺(tái)火災(zāi)事故等重大海上鉆井事故。BP墨西哥灣Macondo事故發(fā)生后公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)和井噴失控應(yīng)急響應(yīng)提出的要求也給行業(yè)和政府帶來(lái)很大的壓力。美國(guó)政府監(jiān)管部門(mén)在鉆修井許可申請(qǐng)和過(guò)程控制方面制定了嚴(yán)格的規(guī)定，要求作業(yè)者在申請(qǐng)海上鉆井、修井作業(yè)許可時(shí)必須證明其能夠控制海上井噴。

在深水鉆井中發(fā)生井噴失控的最?lèi)毫庸r，從發(fā)生井噴到最后平臺(tái)傾覆、大量油氣溢出，一般要經(jīng)歷幾個(gè)階段：(1)井筒發(fā)生溢流；(2)井噴失控，地層流體大量涌出到鉆臺(tái)；(3)平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)、爆炸；(4)平臺(tái)傾覆，海底發(fā)生大量溢油。本文主要介紹平臺(tái)傾覆、井口失控發(fā)生井噴后的應(yīng)急救援系統(tǒng)和其中的關(guān)鍵設(shè)備。

1 水下應(yīng)急封井回收系統(tǒng)

針對(duì)平臺(tái)翻沉后復(fù)雜的井下工況，目前行業(yè)已組建了3家應(yīng)急救援系統(tǒng)：MWCC公司的水下油井封井系統(tǒng)(Marine Well Containment System，MWCS)、Helix公司快速響應(yīng)系統(tǒng)(Helix Fast Response System，HFRS)和Wild井控(WWC)公司的油井封井回收系統(tǒng)[1]。與僅僅聚焦于井噴預(yù)防的裝備不同，油井應(yīng)急封井回收系統(tǒng)更側(cè)重于失控井的處置。一套典型的海上油井封井回收系統(tǒng)主要功能包括：封閉井口，輸送溢油分散劑和水合物抑制劑，油氣收集、傳輸、處理、儲(chǔ)存和卸載等。

1.1 MWCC公司水下應(yīng)急封井回收系統(tǒng)

MWCS系統(tǒng)是由埃克森美孚、雪佛龍、荷蘭皇家殼牌有限公司和康菲石油公司等組建的MWCC公司設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)的一套應(yīng)對(duì)水下井噴失控的快速反應(yīng)系統(tǒng)。

MWCC公司組建于2011年，墨西哥灣所有油氣作業(yè)者公司都有機(jī)會(huì)參加，系統(tǒng)向會(huì)員公司和非會(huì)員提供服務(wù)，會(huì)員公司在墨西哥灣都有深水鉆井作業(yè)項(xiàng)目，每個(gè)會(huì)員公司權(quán)利和義務(wù)相同，平均分?jǐn)偝^(guò)10億美元的費(fèi)用。非會(huì)員加入需要與MWCC簽署協(xié)議，MWCC按照鉆井?dāng)?shù)量收取用于支持系統(tǒng)發(fā)展和維護(hù)的費(fèi)用。

MWCS系統(tǒng)包括數(shù)艘油氣收集船只和一整套水下封井回收設(shè)備，類(lèi)似于英國(guó)石油公司在深水地平線(xiàn)鉆井平臺(tái)爆炸傾覆后三個(gè)月的反復(fù)試驗(yàn)中所開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集并控制海面以下3 000 m深處每日至多10萬(wàn)桶石油的泄漏。MWCS系統(tǒng)如圖1所示，設(shè)計(jì)一個(gè)封井器密封井噴井并收集從井噴井中流出的油氣，而不增加井口壓力，避免進(jìn)一步損壞井筒完整性。

圖1 MWCS系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Typical Marine Well Containment System

一套海上油井封井回收系統(tǒng)包括：海底系統(tǒng)，管線(xiàn)、立管、臍帶纜、管匯，模塊化收集船或收集船只，模塊化舷或干舷。其中海底系統(tǒng)又包括封井裝置、海底工具包(比如損毀設(shè)備切割和拆卸)、海底分散劑和水合物抑制劑傳輸系統(tǒng)、水下液壓動(dòng)力單元(HPU)以及海底部署/運(yùn)行工具。

海底井口附近溢油分散劑的應(yīng)用也是系統(tǒng)作業(yè)之一部分，為海面作業(yè)人員和溢油的加強(qiáng)降解創(chuàng)造一個(gè)安全的作業(yè)環(huán)境。海底溢油分散劑工具包包括分散劑的噴灑臂、相關(guān)的管匯和鵝頸管以及殘損清理設(shè)備(切割、抓鉤、拖拉工具)，已達(dá)到能與防噴器(BOP)連接。

如果油井不能被關(guān)閉，封蓋組塊能夠收集流體，并重新將流體通過(guò)隔水管和柔性跨接管輸送到海面工作船。海面工作船為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船(FPSO)、生產(chǎn)測(cè)試船或儲(chǔ)油輪。海面工作船通常提前預(yù)建處理模塊，有些設(shè)備在事故發(fā)生后由MWCC提供，快速部署安裝。

1.2 Helix公司的快速響應(yīng)系統(tǒng)

在處理BP Macondo事故的過(guò)程中，Helix公司參與了應(yīng)急救援的頂部壓井、應(yīng)急封井、溢油回收等作業(yè)。事故后Helix在此基礎(chǔ)上組建了一套全方位快速封井回收系統(tǒng)，如圖2所示。墨西哥灣的Anadarko、ENI、Statoil、Walter等24個(gè)深水能源公司與Helix公司簽訂了應(yīng)急救援服務(wù)合同。

圖2 HFRS系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Typical Helix Fast Response System

HFRS系統(tǒng)包括：(1) 海面支持船，即Q-4000平臺(tái)、生產(chǎn)儲(chǔ)油輪HP-1、存儲(chǔ)駁船[Hornbeck Offshore Services (HOS)公司]；(2) 水中回收管柱，是由6-5/8英寸(1英寸=2.54 cm) Q125套管組成的管柱；(3) 水下應(yīng)急封井裝置，由封井裝置和修井隔水管系統(tǒng)(IRS)組成。

Helix快速響應(yīng)系統(tǒng)的作業(yè)流程如下：

(1) 動(dòng)用飛機(jī)和水下機(jī)器人(ROV)船進(jìn)行井位和海底監(jiān)測(cè)，確定作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 動(dòng)用專(zhuān)用的船只用連續(xù)油管?chē)姙⒁缬头稚?/p>

(3) 動(dòng)員專(zhuān)門(mén)的救援船只和ROV進(jìn)行雜物清理；移除隔水管，確保能夠垂直操作隔水管下部總成(LMRP)。

(4) 動(dòng)員專(zhuān)用的應(yīng)急船只進(jìn)行井口控制系統(tǒng)修理(IWOCS)作業(yè)，包括安裝液壓站、回接裝置甲醇、移除破損管線(xiàn)和裝置以及連接海底電纜。

(5) 用Q-4000平臺(tái)進(jìn)行LMRP回收作業(yè)。

(6) 用Q-4000平臺(tái)進(jìn)行井口封蓋作業(yè)：用6-5/8英寸鉆柱下入水下應(yīng)急封井裝置，啟動(dòng)防噴器盲板。

(7) 用Q-4000平臺(tái)進(jìn)行壓井作業(yè)。

(8) 循環(huán)和收集作業(yè)，采用Q-4000平臺(tái)、生產(chǎn)儲(chǔ)油輪HP-1、存儲(chǔ)駁船HOS將從井筒返出的油氣處理回收，如圖3所示。

圖3 HFRS系統(tǒng)循環(huán)和收集作業(yè)Fig. 3 Flow and capture operation of HFRS system

與HFRS系統(tǒng)相比，MWCS系統(tǒng)更為復(fù)雜，處理能力更高。兩套系統(tǒng)的主要性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 HFRS與MWCS性能參數(shù)對(duì)比表

注：BPD即“桶每日”；MMcfd即“百萬(wàn)立方英尺每日”。

2 水下應(yīng)急封井裝置

水下應(yīng)急封井裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)“封井器”)作為水下油井封井回收系統(tǒng)中最核心的裝備，控制水下井口正常開(kāi)啟。其主要功能有：關(guān)井和作為井筒接口，將井筒的流體輸送到海面出口，通過(guò)海面作業(yè)船向井筒輸入流體，提供井筒干預(yù)手段。

封井器組件主要包括連接器、管柱、閥和BOP等。封井器被看做是水下采油樹(shù)和BOP的組合。因此，封井器是取得海上鉆井、修井作業(yè)許可證的必備條件。

各公司研發(fā)的封井器結(jié)構(gòu)形式都不大相同，典型封井器如圖4所示，主要元件包括井口連接器、閘閥、節(jié)流、閘板、再進(jìn)入連接器、面板、框架、 轉(zhuǎn)化接頭和連接管線(xiàn)。

圖4 封井器示意圖Fig. 4 Major components of capping stack

如表2所示[2-4]，目前行業(yè)有7家公司(組織)設(shè)計(jì)了至少14種16套系統(tǒng)。很明顯，封井裝置技術(shù)服務(wù)正在成長(zhǎng)為一個(gè)行業(yè)。目前封井裝置的主要制造商為T(mén)rendsetter Engineering 和 Cameron。

表2 各家公司/組織的設(shè)備型號(hào)及基本信息表

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 分析了在海洋深水鉆井中，油井從井噴失控到發(fā)生平臺(tái)傾覆的過(guò)程，總結(jié)了國(guó)際上現(xiàn)有的幾套水下油井封井回收系統(tǒng)以及系統(tǒng)中最核心的裝備——封井器的研發(fā)進(jìn)展，給出封井器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式以及目前的部署地點(diǎn)信息等，為制定應(yīng)急救援方案提供參考。

(2) 根據(jù)國(guó)外水下油井封井回收系統(tǒng)建設(shè)成功的經(jīng)驗(yàn)和成熟的運(yùn)營(yíng)模式，建議我國(guó)建設(shè)應(yīng)急救援水下油井封井回收系統(tǒng)分“三步走”：首先由油氣公司牽頭進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)；然后由專(zhuān)業(yè)的設(shè)備加工制造企業(yè)完成關(guān)鍵裝備研制；最后由專(zhuān)業(yè)的服務(wù)公司承擔(dān)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

(3) 當(dāng)前我國(guó)在深水應(yīng)急救援技術(shù)研究方面剛剛開(kāi)始，建議技術(shù)研發(fā)按照“頂層設(shè)計(jì)、總體規(guī)劃、分步實(shí)施”的策略進(jìn)行。從系統(tǒng)技術(shù)方案和關(guān)鍵作業(yè)技術(shù)入手，開(kāi)展系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備水下應(yīng)急封井裝置(封井器)研制，逐漸完善系統(tǒng)和配套技術(shù)，逐步形成我國(guó)的應(yīng)急救援工業(yè)技術(shù)體系，為我國(guó)海上深水油氣開(kāi)發(fā)提供安全保障。

[1] US Government Accountability Office. Oil and gas: interior has strengthened its oversight of subsea well containment, but should improve its documentation[OL]. http://www.gao.gov/products/GAO-12-244, 2012-02-29.

[2] Chen J, Li X, Xie W, et al. Capping stack: an industry in the making[J]. Engineering Sciences, 2013, 11(4): 17.

[3] Rassenfoss S. Deepwater spill control devices go global[J]. J Petroleum Technology, 2012, 64(7): 48.

[4] International Association of Oil & Gas Producers (OGP). Capping and containment: Global Industry Response Group recommendations[OL]. http://publications.ogp.org.uk/?committeeid=41, Report No. 464, 2011-05-01.

MarineWellContainmentSystemforSubseaBlowoutScenarioofDeepwaterDrilling

LI Xun-ke, YIN Zhi-ming, LIU Jian, JIANG Shi-quan, ZHOU Jian-liang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100027,China)

Deepwater drilling well blowout can cause serious damages and huge losses. In order to reduce the effects of accidents, the industry has developed several emergency response systems (marine well containment systems). We introduce the recent developments of such systems after BP Macondo subsea well blowout occurring on April 20, 2010 in Gulf of Mexico. The system functions, elements and arrangement of 14 kinds of capping stacks built by 7 companies(organizations) are reviewed. Capping stack, a hardware utilized to contain the blowout well at or near the wellhead, is the center piece of the system. Finally，we also give some recommendation for research on emergency response techniques for deepwater well blowout.

deepwater drilling; well blowout; containment system; capping stack

TE28

A

2095-7297(2014)01-0025-05

2014-02-21

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05026-001)、國(guó)家能源重大應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范專(zhuān)項(xiàng)

李迅科(1956—)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋石油鉆井工程裝備方面的研究。