應對深水井噴的簡易防噴器應急技術研究

孟會行， 陳國明， 朱 淵， 劉秀全， 鞠少棟

(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580)

應對深水井噴的簡易防噴器應急技術研究

孟會行， 陳國明， 朱 淵， 劉秀全， 鞠少棟

(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580)

為有效解決深水井噴失控問題，研究了簡易防噴器應急技術。采用預先危險性分析方法評估了簡易防噴器作業(yè)風險，建立了隔水管-簡易防噴器-導管耦合系統(tǒng)力學模型，研究了簡易防噴器組合類型和配置方案的確定方法。以南海深水某油井為例，研究了頂張力、鉆井船偏移、海流和關井壓力對簡易防噴器作業(yè)性能的影響，并基于極差分析和方差分析方法確定了影響簡易防噴器作業(yè)性能的主要因素。研究表明，簡易防噴器閘板數(shù)量對導管應力影響較小，為提高簡易防噴器系統(tǒng)的可靠性，可選取五閘板簡易防噴器；影響導管最大等效應力的因素依次為鉆井船偏移、關井壓力、海流流速和頂張力。根據(jù)簡易防噴器應急技術研究結果進行應急預案制訂和現(xiàn)場作業(yè)設計，可保障深水井噴應急作業(yè)的安全開展。

深水 井噴 簡易防噴器 力學模型 配置方案 敏感性分析

深水井噴是深水油氣勘探開發(fā)中最嚴重的事故，深水井噴失控將嚴重破壞油氣資源，并造成爆炸或火災[1-4]。盡管深水油氣勘探開發(fā)風險高、投入大，但高回報仍對石油公司有著巨大的吸引力[5]。隨著南海深水油氣成為我國石油工業(yè)開發(fā)的熱點，迫切需要研究深水井噴應急技術，保障南海油氣的安全開發(fā)。

2010年發(fā)生的墨西哥灣“深水地平線”事故中，救援時采用了多種深水井噴應急技術[6-7]，其中的簡易防噴器(small blowout preventer或 capping stack)應急技術是唯一快速控制井噴的方法[8]。該次事故發(fā)生之后，國外成立了各種井控聯(lián)盟和應急網(wǎng)絡[9-10]，并開展了簡易防噴器工業(yè)現(xiàn)場試驗[11-12]。美國石油學會于2014年發(fā)布簡易防噴器行業(yè)標準，對簡易防噴器的設計、生產(chǎn)和使用提出推薦做法[13]。L.M.Smith也給出了簡易防噴器設計需要考慮的因素[14]。然而,各方均未給出簡易防噴器作業(yè)理論指導。

該技術應對井噴快速有效，有必要詳細分析其作業(yè)過程，以推廣應用該技術。為此，筆者針對深水油氣安全開發(fā)的迫切需要，在力學分析基礎上，評估了簡易防噴器作業(yè)風險，提出了簡易防噴器配置方案，并進行了簡易防噴器作業(yè)影響因素的敏感性分析，形成了一套針對海上井噴的簡易防噴器作業(yè)技術，為南海深水井噴應急救援提供技術參考。

1 簡易防噴器作業(yè)風險分析

簡易防噴器是一種具有關井和分流無控制流體功能的水下機械屏障[13]，由閘板防噴器、井口連接器、法蘭轉換短管和撓性接頭法蘭等組成，通過建立新的井控設備(通常含1～3個閘板防噴器)，關閉閘板防噴器以控制井噴[7]。作業(yè)時，首先用遠程操縱潛水器把隔水管殘端與防噴器組之間的螺栓卸開，或卸下隔水管底部總成(lower marine riser package，LMRP)，再把簡易防噴器安裝在原防噴器組上部，關閉全封式閘板防噴器，以控制井噴。

預先危險性分析(preliminary hazard analysis，PHA)可在應急方案設計初期辨識其中的風險，根據(jù)風險分析結果提出預防、改正或補救措施，以保證應急作業(yè)的安全進行[15]。簡易防噴器作業(yè)的預先危險性分析見表1。

由表1可知，關井階段簡易防噴器坍塌的風險等級最高，主要是由于關井階段隔水管-簡易防噴器-導管組合成一個耦合系統(tǒng)，隔水管把鉆井平臺偏移、頂張力、波流載荷等引入到隔水管底部總成、防噴器、井口和導管，受力比較復雜，容易導致導管強度失效，應重點研究[16]。

2 簡易防噴器力學分析

隔水管-簡易防噴器-導管耦合系統(tǒng)力學分析模型如圖1所示。

由圖1可知，隔水管受到頂張力、自身重力、海流和波浪載荷的影響，隔水管分析微分方程為[17]：

(1)

(2)

式中：Fc(x)為單位長度隔水管受到的波流聯(lián)合作用力，N；E為彈性模量，Pa；I為截面慣性矩，m4；T(x)為隔水管受到的軸向力，N；W為單位長度隔水管的重力，N/m；x為沿隔水管軸向的垂直距離，m；Ttop為隔水管受到的頂張力，N；L為隔水管全長，m。

一般采用修正形式的Morison方程近似計算Fc(x)，其表達式為：

式中：ρ為海水密度，kg/m3；cD為拖曳力系數(shù)；d為隔水管外直徑，m；vw為波浪引起的水質點速度，m/s；vc為海流引起的水質點速度，m/s；cM為慣性力系數(shù)；aw為波浪引起的水質點加速度，m/s2。

導管受到的作用力主要包括隔水管底部撓性接頭處的豎向和橫向反力、防噴器組與井口浮重、作用于防噴器組及井口的橫向波流力、海底土層對導管的側向摩擦力和橫向土反力等，因此導管處是較為危險的部位，其靜力分析微分方程為[17-18]：

dc(x)p(x,y)=q(x)

(4)

式中：dc(x)為導管外徑，m；p(x，y)為單位面積上的水平地基壓力，Pa；q(x)為單位長度上的外載荷，N；EIc(x)為導管、水泥環(huán)、表層套管組成的組合管柱的抗彎剛度，N·m2；N(x)為組合管柱受到的軸向力，N。

簡易防噴器關井壓力過大,將增大導管失效的風險，考慮關井壓力得到導管軸向力的計算公式:

(5)

式中：Tb為隔水管底部殘余軸向張力，N；dsbop為簡易防噴器內(nèi)直徑，m；pshut為關井壓力，Pa；w(x)為單位長度導管段的濕重，N/m；l和l1分別為導管段兩端的深度，m；fm為單位面積的側摩阻力，N/m2。

通過導管靜力分析得到導管的最大等效應力，確保簡易防噴器作業(yè)中導管的最大等效應力小于導管的許用應力，即

σmax<[σ]

(6)

式中：σmax為分析得到的導管最大等效應力，Pa；[σ]為導管的許用應力，Pa。

3 簡易防噴器配置方案

3.1 簡易防噴器組合類型

依據(jù)通行標準合理選擇簡易防噴器，可保證所選閘板組合滿足防噴性能，從而能在事故應急中快速進行簡易防噴器配置。考慮最惡劣的工況，也就是安全系數(shù)最大的選擇，選取額定工作壓力為103.5 MPa (15 000 psi)的防噴器組，根據(jù)API標準給出該額定工作壓力下的防噴器組合為三閘板、四閘板防噴器與1個環(huán)形防噴器、2個環(huán)形防噴器等4種組合[19]。

安裝簡易防噴器前已清理井口，井內(nèi)已無鉆柱。此時環(huán)形防噴器不起作用，4種組合去掉環(huán)形防噴器后，剩下三閘板和四閘板防噴器2種；為提高系統(tǒng)可靠性，增加五閘板的簡易防噴器，得到3種簡易防噴器組合類型(見圖2)。

參照“深水地平線”事故救援中用到的三閘板簡易防噴器，得到3種類型的簡易防噴器組合基本參數(shù)，見表2。

3.2 簡易防噴器配置方案確定流程

為了保證簡易防噴器的可靠性，在滿足導管強度和穩(wěn)定性要求的前提下，可選擇閘板數(shù)量多的簡易防噴器?？紤]到土壤約束下導管穩(wěn)定性能較好，在簡易防噴器作用下一般不會發(fā)生穩(wěn)定性失效，因此僅考慮導管強度問題進行簡易防噴器配置方案設計。

深水井噴應急救援現(xiàn)場作業(yè)條件惡劣，首先考慮最嚴峻的工況，選用可靠性高的五閘板簡易防噴器進行建模分析(即初始閘板數(shù)i0=5)。若導管強度滿足強度準則，則可從3種組合中任選一種進行作業(yè)，優(yōu)先選用五閘板簡易防噴器。若五閘板簡易防噴器不滿足強度準則，則換為四閘板簡易防噴器。依次類推，若三閘板簡易防噴器仍不能滿足強度準則，則需調整作業(yè)參數(shù)，確定簡易防噴器的配置方案，其流程如圖3所示。

4 南海深水油井實例分析

“深水地平線”事故井的初始關井壓力為45.5 MPa，API RP53中推薦水下防噴器的額定工作壓力為13.8～103.5 MPa，參考上述兩值，取關井壓力30.0～90.0 MPa，對南海深水某井進行簡易防噴器配置方案的確定。該井水深為1 260 m，原防噴器長度為7.8 m，原防噴器重量為1 806.4 kN，隔水管底部總成長度為3.9 m，隔水管底部總成重量為537.7 kN。導管長度為92.7 m，導管壁厚為38.1 mm，導管外徑為914.4 mm，導管材料為X56鋼，安全系數(shù)取1.50，其許用應力為257.3 MPa。

建立該井的力學分析模型，僅考慮鉆井船偏移的情況，初步估算后選定鉆井船偏移80，85，90和95 m等4種工況進行分析。首先，計算得到在不同偏移量下導管的最大等效應力；然后，根據(jù)導管的許用應力，經(jīng)線性插值計算得到3種簡易防噴器情況下鉆井船的最大允許偏移分別為90.90，88.04和83.70 m。由此可得該井的簡易防噴器配置方案，見表3。

結果表明，鉆井船偏移距離小于83.70 m的一般工況下，3種簡易防噴器均可選用，但為增強可靠性，優(yōu)先選用五閘板簡易防噴器；鉆井船偏移距離大于83.70 m的惡劣工況下，需要根據(jù)配置方案選擇簡易防噴器。

5 作業(yè)影響因素敏感性分析

進行作業(yè)影響因素敏感性分析時，研究頂張力、鉆井船偏移、海流流速和關井壓力對導管應力的影響程度，基于正交試驗對試驗結果進行極差和方差分析。

5.1 極差分析

深水井噴事故應急時，考慮較為惡劣的工況，將影響導管應力的上述4個參數(shù)范圍各取4個水平，構建L16(45)正交表，根據(jù)正交表進行導管最大應力極差分析，分析結果見表4。由表4可知，影響導管最大等效應力的因素依次為鉆井船偏移、關井壓力、海流流速和頂張力。

5.2 方差分析

極差分析判斷因素效應的精度低，不能給出試驗誤差大小的估計，在試驗誤差較大時往往可能造成誤判。方差分析能充分利用試驗得到的信息，估計試驗誤差，判斷因素影響的精度高[20]。導管最大等效應力的方差分析結果見表5。經(jīng)計算，頂張力和海流流速的偏差平方和對指標的影響較小，把它們歸入誤差項。

基于正交試驗的導管影響參數(shù)方差分析表明，在0.01顯著性水平下，鉆井船偏移距離對最大等效應力的影響高度顯著。在0.05顯著性水平下，關井壓力的影響顯著。由于鉆井船的偏移距離是可調作業(yè)參數(shù)，在進行簡易防噴器作業(yè)時，應重點控制鉆井船的偏移，同時密切監(jiān)測關井壓力。

6 結 論

1) 簡易防噴器坍塌是簡易防噴器作業(yè)最危險的工況，以導管強度為校核準則，得到隔水管-簡易防噴器-導管耦合系統(tǒng)力學模型。

2) 南海深水某油井的簡易防噴器系統(tǒng)配置方案表明，三閘板、四閘板和五閘板簡易防噴器對應的鉆井船最大允許偏移量分別為90.90，88.04和83.70 m；閘板數(shù)量對鉆井船最大允許偏移影響較小，為提高簡易防噴器系統(tǒng)的可靠性，建議選取五閘板簡易防噴器。

3) 簡易防噴器作業(yè)影響因素的敏感性分析表明，進行簡易防噴器作業(yè)時，應重點控制鉆井船的偏移，密切監(jiān)測關井壓力變化。

4) 本文的研究主要考慮鉆井作業(yè)工況，后續(xù)將開展簡易防噴器技術在深水油氣井全生命周期的適用性分析和應急方案研究。

5) 建議結合API標準，形成我國在簡易防噴器技術領域的統(tǒng)一規(guī)范，便于應急情況下的多方協(xié)同作業(yè)。

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[編輯 滕春鳴]

貝克休斯MultiNodeTM全電動智能井系統(tǒng)

貝克休斯公司研制了MultiNodeTM全電動智能井系統(tǒng)，可遠程監(jiān)視和精確控制產(chǎn)層，管理水和天然氣的突破，對高含水和高含氣產(chǎn)層進行節(jié)流以改變油藏條件，平衡水平井段的生產(chǎn)，提高最終采收率。

地層水或氣體的突破或錐進，會顯著降低油氣最終采收率，要解決該問題成本高且復雜。被動流入控制設備(ICDs)可以幫助沿水平井橫向平衡生產(chǎn)。但是，長期開采后，流體性質和儲層條件發(fā)生變化，而被動ICDs的作用保持不變，使曾經(jīng)達到最佳配置的效果變差。被動ICDs在特定的時間間隔后，沿井筒發(fā)生水和氣的突破，含水率變高，導致其開采效果變差。液壓智能井系統(tǒng)的控制適應生產(chǎn)需求，但是需要在每段套筒上裝配多套，因而在單個生產(chǎn)管柱上能裝配的數(shù)量受到很大限制。滑套也可用于防止水和天然氣的突破，但只是依靠打開和關閉滑套來進行控制，控制力有限，因此效果也不理想。

MultiNodeTM全電動智能井系統(tǒng)是遠程控制的電力系統(tǒng)，可以監(jiān)視和精確控制更大區(qū)域的生產(chǎn)，所有功能較之其他解決方案，成本都更低。該系統(tǒng)的特點是：1)沿橫向平衡生產(chǎn)，可以控制水或氣的突破，提高最終采收率；2)可以進行實時遠程監(jiān)測和通過控制主動優(yōu)化生產(chǎn)；3)可以通過阻斷或關閉高含水和高含氣區(qū)域，適應不斷變化的井筒條件；4)可以通過單根電線控制多個區(qū)域，增大作用范圍，提高可靠性。

MultiNodeTM全電動智能井系統(tǒng)包括單一油管包封的導體(TEC)、通過井下電纜由電制動的主動式流動控制裝置(AFCD)和連接到表面控制單元(SCU)。AFCD閥門可安裝在套管和裸井眼之間，從而控制生產(chǎn)。每個AFCD包括6個可定制的節(jié)流裝置，有打開、關閉2個位置，用以控制不同區(qū)域的流體流動。MultiNodeTM的表面控制單元可以精確控制井下AFCD閥。SCU設有一個直觀顯示界面，允許操作者通過簡單的點擊實時開啟AFCD閥。靈活的SCADA接口可用于遠程監(jiān)視和從任何地方控制MultiNodeTM系統(tǒng)。

[供稿 令文學]

Emergency Techniques for a Simple Blowout Preventer in the Case of a Deepwater Blowout

Meng Huixing, Chen Guoming, Zhu Yuan, Liu Xiuquan, Ju Shaodong

(CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao，Shandong，266580，China)

To effectively resolve the problem of out-of-control blowouts in deepwater wells,the research was conducted on the emergency technique of a simple blowout preventer for deepwater blowouts.The preliminary hazard analysis (PHA) was used for evaluating operation risks of the simple BOP and a mechanical analysis model was built for riser pipe-simple BOP-conductor coupling system to research a method for determining combination form and configuration scheme of the simple BOP.Some oil wells in the South China Sea were taken as examples to research the effects of top tension,drilling ship deviation,ocean current and shut-in pressure on operation performance of the simple BOP.Then,the goal was to determine important factors affecting operation performance of the simple BOP based on range and variance analysis.Research results showed that the ram quantity of the simple BOP had a small effect in conductor stress and five-ram simple BOP could be selected to improve system reliability of the simple BOP.The factors affecting maximum equivalent stress of the conductor were drilling vessel deviation,shut-in pressure,ocean current velocity and top tension.The research on emergency technique of simple blowout preventer could be carried out for emergency plan preparation and site operation design to ensure the safe implementation of emergency operations for deepwater blowouts.

deepwater；blowout；simple blowout preventer；mechanical model；configuration scheme；sensitivity analysis

2014-12-05；改回日期：2015-03-05。

孟會行(1988—)，男，河南寶豐人，2011年畢業(yè)于中國石油大學(華東)安全工程專業(yè)，2014年獲中國石油大學(華東)安全技術及工程碩士學位，在讀博士研究生，主要從事油氣安全工程方面的研究。

陳國明，offshore@126.com。

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2012年安全科技“四個一批”項目(編號:2012-507)及長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目“海洋油氣井鉆完井理論與工程”(編號:IRT_14R58)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503015

TE58

A

1001-0890(2015)03-0076-06

聯(lián)系方式：(0532)86983393,safecup@126.com。