深水井測試安全控制技術(shù)

何玉發(fā)　周建良　蔣世全　楊秀夫　金　顥（.中海油研究總院，北京　0008；.中國海洋石油總公司，北京　0000；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58000）

深水井測試安全控制技術(shù)

何玉發(fā)1周建良1蔣世全1楊秀夫2金顥3
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國海洋石油總公司，北京100010；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518000）

防止深水油氣井測試事故發(fā)生的關(guān)鍵之一，就是必須進(jìn)行安全評(píng)估與控制，提高測試工藝水平。我國南海深水海域有其特殊的區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)：油田離岸距離遠(yuǎn)、夏季臺(tái)風(fēng)頻繁、冬季季風(fēng)不斷、存在沙坡、沙脊和內(nèi)波流等，而且油氣藏特性復(fù)雜，給深水井測試帶來更多的挑戰(zhàn)。結(jié)合南海深水井測試實(shí)踐，對(duì)深水井測試的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析， 認(rèn)為存在測試管柱及工具失效、地面流程失效、天然氣水合物堵塞、儲(chǔ)層出砂、臺(tái)風(fēng)影響等風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提出了具體的防范措施。

油氣井測試；深水井；風(fēng)險(xiǎn)；安全控制

我國南海深水海域面積遼闊，蘊(yùn)含豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，被稱作“第二波斯灣”［1］。目前我國已在南海取得荔灣3-1、陵水34-2、陵水29-1等3個(gè)中國海域深水天然氣田重大發(fā)現(xiàn)。深水油氣井測試作為深水油氣資源勘探和開發(fā)的必須手段，也是深水油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，不僅為評(píng)價(jià)構(gòu)造和圈閉提供可靠的數(shù)據(jù)資源成果，而且為高效開采油氣藏提供了直接的依據(jù)。目前我國深水測試技術(shù)處于發(fā)展的初期，為滿足我國在南中國海及海外深水發(fā)展的戰(zhàn)略需求，開展了深水測試安全評(píng)估與控制技術(shù)研究。

1　深水油氣井測試技術(shù)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)

（1） 深水油氣井測試，必須使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。處于深海環(huán)境受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷影響的浮式鉆井平臺(tái)，會(huì)發(fā)生升沉和漂浮等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，加上海水段隔水管的約束作用，深水井測試管柱特別是泥線以上測試管柱力學(xué)行為異常復(fù)雜，給深水井測試管串設(shè)計(jì)及深水井測試管柱安全性控制帶來很大困難，而且隨著水深增加這一問題更加突出。

（2）深海海底泥面低溫環(huán)境及井下關(guān)井后壓力迅速減小是導(dǎo)致水合物生成的主要原因，水合物的形成不僅會(huì)造成測試失敗而且會(huì)大大增加井控風(fēng)險(xiǎn)，甚至帶來災(zāi)難性事故。

（3） 深水水下設(shè)備要足以應(yīng)對(duì)水深帶來的惡劣的作業(yè)條件，為整個(gè)測試提供更加安全的測試環(huán)境。另外深水平臺(tái)地面空間小、地層壓力窗口窄、高產(chǎn)高壓，這些都給深水井測試井控和深水井測試地面安全控制帶來挑戰(zhàn)。

（4） 由于使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行測試，在深水井測試作業(yè)時(shí)，平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)故障、水下暗流和惡劣天氣等因素可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)見性的突發(fā)性平臺(tái)偏移井位的情況出現(xiàn)，此時(shí)需要將泥線以上測試管柱與井下測試管柱進(jìn)行分離，防止惡性事故的發(fā)生。因此，快速實(shí)現(xiàn)水下測試管柱的應(yīng)急解脫以及危險(xiǎn)解除之后的回接問題是深水井測試的另一大挑戰(zhàn)。

2　深水油氣井測試的潛在風(fēng)險(xiǎn)和防范措施

2.1測試管柱及工具的失效及防范

在深水井測試過程中，測試管柱為地層流體采出地面提供了一種途徑。測試管柱由以下3個(gè)主要部件組成：井下測試工具、測試油管、水下設(shè)備。為了確保測試管柱操作安全，需合理選擇深水井測試工具，并通過詳細(xì)管柱力學(xué)分析，以優(yōu)質(zhì)安全為目標(biāo)進(jìn)行管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)。深水井測試管柱設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)測試功能和滿足最惡劣環(huán)境需要的同時(shí)，還必須考慮到使用的方便性、連接類型的適用性以及各種管材類型的經(jīng)濟(jì)性因素等。根據(jù)這個(gè)原則，確定深水井測試管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖1。

圖 1　深水井測試管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2.2地面流程失效與防范

典型的深水地面流程包括以下幾個(gè)方面：流動(dòng)頭、安全閥、緊急關(guān)斷閥、除砂器、油嘴組流管匯、蒸汽鍋爐及加熱器、三相分離器、計(jì)量罐、輸送泵、臨時(shí)輸液罐、燃燒臂及連接管線等。深水地面測試流程流動(dòng)距離短（從井口到燃燒壁僅幾十米）、流動(dòng)壓力大、流動(dòng)時(shí)間短（一般流動(dòng)1 d左右）、流動(dòng)相態(tài)變化復(fù)雜。測試過程中易發(fā)生地面冰堵等突發(fā)性事故，對(duì)測試施工和人身安全造成極大危害。因此深水井測試地面設(shè)備需配置較多的應(yīng)急關(guān)停裝置，任何一處都可進(jìn)行地面關(guān)井；對(duì)于可能的地層出砂情況，地面配備除砂器；井口采用大排量化學(xué)注入泵對(duì)井下/地面進(jìn)行甲醇注入，防止生成水合物。深水井測試所有壓力容器設(shè)備根據(jù)證書有效期取第三方證書（DNV，ABS或者Lioyd）。在完成地面設(shè)備選型之后，需對(duì)地面流程進(jìn)行工藝數(shù)值模擬，以校核計(jì)算地面流程中的溫度、壓力，設(shè)備處理能力等，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備及管線進(jìn)行優(yōu)化。

2.3天然氣水合物的形成預(yù)測與防治

天然氣水合物［2］（張亮等，2010）是由于天然氣的小分子氣體（如甲烷、乙烷）在較低溫度（0~10 ℃）和較高壓力（10 MPa以上）條件下和水作用生成的籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，類似冰屑或密實(shí)的雪，密度為880~900 kg/m3，俗稱可燃冰。含有自由水的天然氣一旦遭遇低溫、高壓環(huán)境極易形成天然氣水合物。目前，有很多確定天然氣水合物生成壓力-溫度的方法，大致可分為圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、平衡常數(shù)法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法4類。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法是當(dāng)前最準(zhǔn)確但也是計(jì)算最為繁瑣的方法。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法根據(jù)系統(tǒng)理論，將氣體水合物宏觀相態(tài)行為與其分子間的相互作用聯(lián)系起來，引入函數(shù)來描述氣體水合物生成條件，理論基礎(chǔ)嚴(yán)密，通用性強(qiáng)，便于運(yùn)用計(jì)算機(jī)在較寬的范圍內(nèi)對(duì)水合物生成的溫度、壓力條件進(jìn)行連續(xù)求解。

基于Vander Waals和Platteeuw提出的經(jīng)典吸附理論基礎(chǔ)模型，可以得到水合物相平衡條件［3］判斷出在給定的壓力、溫度以及氣液相條件時(shí)是否有固相水合物產(chǎn)生。對(duì)于油氣井測試而言，測試期間主要采用加熱和注化學(xué)劑的方法防止水合物生成。采用加熱法可以提高節(jié)流前天然氣的流動(dòng)溫度。在節(jié)流壓降不變的條件下，提高節(jié)流前天然氣的溫度也等于提高了節(jié)流后天然氣的溫度。如果節(jié)流后天然氣溫度提高到高于水合物生成溫度，預(yù)防節(jié)流后水合物生成的目的就可達(dá)到。

某些化學(xué)添加劑可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物的相平衡溫度；在一定壓力下，天然氣水合物相平衡的溫度隨著化學(xué)添加劑注入濃度的增加而降低［3］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)測試過程中天然氣水合物抑制劑作過大量的研究，討論了多種常用或者能夠使用的天然氣水合物抑制劑，甲醇和乙二醇是最常用于測試防止水合物形成的化學(xué)劑。甲醇被公認(rèn)為最有效的一種深水井測試天然氣水合物抑制劑，具有以下優(yōu)勢：（1）低黏度，易于注入和在系統(tǒng)中配給；（2）好的接觸效率，高的溶解度和揮發(fā)性使其易于與井筒中的水和流體接觸；（3）容易處理，容易在井場與采出氣一同燃燒［4］。但由于甲醇有毒（涉及到人員接觸和環(huán)境排放）和高度可燃，其安全性應(yīng)特別注意。在深水井測試過程中使用甲醇的程序，應(yīng)在包括HAZOP研究在內(nèi)的作業(yè)程序、測試公司程序以及承包商安全程序中予以明確。

產(chǎn)量對(duì)水合物形成影響很大，產(chǎn)量低時(shí)容易形成水合物。在海底泥面附近深度，由于海底低溫環(huán)境的影響，管柱內(nèi)天然氣溫度變化很大。產(chǎn)量為70×104m3/d時(shí)管柱內(nèi)不會(huì)生成水合物，產(chǎn)量低于55 ×104m3/d時(shí)管柱內(nèi)均會(huì)生成水合物。南海某井設(shè)置了3個(gè)水合物抑制劑注入點(diǎn)：泥面以下600 m處、泥面附近、井口及油嘴管匯。此外，油嘴管匯下游通過換熱器進(jìn)行加熱、采用一次開關(guān)井工作制度、鉆井期間避免使用水基鉆井液等措施以防止水合物生成。

2.4出砂風(fēng)險(xiǎn)與控制

深水油氣藏通常屬淺埋儲(chǔ)藏，且大段重的上覆巖石介質(zhì)被輕的海水取代，壓實(shí)程度降低，導(dǎo)致儲(chǔ)層疏松而容易出砂［5］。為了防止油井出砂，一方面要針對(duì)油層及油井的條件正確選擇固井、完井方法，指定合理的開采措施，提高管理水平；另一方面要根據(jù)油層及出砂情況采用防砂方法。深水勘探期評(píng)價(jià)油井出砂問題大多采用機(jī)械防砂作為井下第1道擋砂屏障。結(jié)合南海幾口井的深水井測試實(shí)踐，總結(jié)荔灣區(qū)塊深水井測試防砂措施。

（1）井全部下套管和固井，有利于進(jìn)行套管內(nèi)防砂。（2）DST/TCP 管柱上安裝Qty-2 Meshrite 井下篩管并下入到封隔器以下，地面?zhèn)溆袥_砂用途的連續(xù)油管和連續(xù)油管提升框架。（3）嚴(yán)格控制測試壓差，選擇合適射孔液，正加壓延時(shí)的負(fù)壓射孔，射孔時(shí)的負(fù)壓限制在2.76 MPa。（4）測試閥應(yīng)具有抗泥砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（5）地面在節(jié)流阻流管匯上游安裝1個(gè)出砂監(jiān)測裝置，在節(jié)流阻流管匯上游安裝地面除砂器，準(zhǔn)備1個(gè)裝砂的大油池。（6）在開井放噴及求產(chǎn)過程中，時(shí)刻注意生產(chǎn)壓差的變化。誘噴產(chǎn)量的調(diào)節(jié)由小到大，逐漸增加產(chǎn)量；控制井口流動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)在控制地層出砂的范圍內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)求產(chǎn)。（7）每隔15 min進(jìn)行1次分離器取樣，以監(jiān)測地層產(chǎn)出流體中的含砂量。

2.5臺(tái)風(fēng)預(yù)防措施

臺(tái)風(fēng)可能使平臺(tái)發(fā)生偏移，橫向位移對(duì)泥線以上測試管柱應(yīng)力響應(yīng)影響非常大。當(dāng)平臺(tái)偏移達(dá)到規(guī)范規(guī)定的極限值后，要立即解脫水下測試樹，以免發(fā)生管柱斷脫等危險(xiǎn)。根據(jù)水深及水下測試樹等設(shè)備要求，綜合考慮水下測試樹的響應(yīng)時(shí)間、BOP解脫響應(yīng)時(shí)間及平臺(tái)漂移分析，可以計(jì)算得出深水浮式平臺(tái)測試作業(yè)安全操作窗口。當(dāng)平臺(tái)偏移到一定極限值之后，要關(guān)閉井下閥門、解脫水下測試樹等。安全操作窗口用不同的顏色表示。綠色動(dòng)力定位系統(tǒng)工作正常，平臺(tái)上可以進(jìn)行正常的測試作業(yè)。藍(lán)綠色區(qū)域要停止作業(yè)，已經(jīng)接近水下測試樹的解脫極限，應(yīng)該關(guān)閉水下測試樹處閥門，加強(qiáng)監(jiān)測平臺(tái)偏移范圍，隨時(shí)準(zhǔn)備解脫泥線以上測試管柱。黃色區(qū)域表要立即采取措施從水下測試樹處解脫測試管柱。紅色區(qū)域DP系統(tǒng)完全失去定位能力，應(yīng)立即從BOP上斷開LMRP，防止井口裝置、防噴器組及隔水管受到損傷。

3　結(jié)論

深水海洋平臺(tái)的空間有限、設(shè)備和人員密集、自然條件惡劣、遠(yuǎn)離陸基保障，任何的安全事故都將帶來重大損失。在測試階段，地下油氣通過測試管柱被釋放出來，一旦因管柱泄漏等發(fā)生失控，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故，甚至造成船毀人亡的慘劇。防止事故發(fā)生的關(guān)鍵之一，就是必須對(duì)深水測試進(jìn)行安全評(píng)估與控制，提高測試工藝技術(shù)水平。在保障作業(yè)安全的前提下，確保測試資料的錄取。

［1］王震，陳船英，趙林.全球深水油氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)［J］.中外能源，2010，15（1）：46-48.

［2］張亮，馬認(rèn)琦，蘇杰，等.天然氣水合物形成機(jī)理及有效清除［J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：33-36.

［3］金澤亮，王榮仁，陳金先，等.氣井測試水合物的防治研究與應(yīng)用［J］. 油氣井測試， 2007， 16（4）： 54-56.

［4］CHEN Shingming, GONG Xiaowei, Geoff Antle. DST design for deepwater wells with potential gas hydrate problems［C］. the 2008 Offshore Technology Conference, Houston, Texas, U.S.A., 5-8 May, 2008.

［5］王躍曾，唐海雄，陳奉友.深水高產(chǎn)氣井測試實(shí)踐與工藝分析［J］. 石油天然氣學(xué)報(bào)，2009， 31（5）： 148-151.

〔編輯胡志強(qiáng)〕

Safety control technology of deepwater oil and gas well testing

HE Yufa1, ZHOU Jianliang1, JIANG Shiquan1, YANG Xiufu2, JIN Hao3
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. China National Offshore Oil Corporation Beijing 100010, China; 3. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518000, China）

Due to the high difficulties, high investment, and high risks in deepwater oil and gas well testing, major safety problems can occur easily. A key to prevent accidents is to conduct safety assessment and control on deepwater testing and to improve the testing technology. The deepwater of the South China Sea has some special environmental features: long distancce from offshore, frequent typhoons in summer and constant monsoons in winter, and the prsence of sandy slopes, sandy ridges and internal waves, which, coupled with the complex properties of oil and gas reserves, bring more challenges to deepwater well testing. In combination with deepwater well testing practice in the South China Sea, this paper analyzes the main potential risks in deepwater well testing and concludes that there are risks of failure in testing string and tools and ground processes, gas hydrate blockage, reservoir stratum sanding, and typhoon impacts. Specific precautions are also proposed in response to these risks in the paper.

oil and gas well testing; deep well; risk; safety control

TE53

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0163 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.042

中國海洋石油研究中心博士后課題“深水油氣井測試管柱力學(xué)行為及配套技術(shù)研究”部分研究成果；“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“深水鉆完井工程技術(shù)”課題(編號(hào): 2011ZX05026-001)資助。

何玉發(fā)，1980年生。2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與理論專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水測試、完井技術(shù)及油氣井管柱力學(xué)方面的研究工作，高級(jí)工程師。電話：010-84523631。E-mail：heyf@cnooc.com.cn, heyfs@163.com。

2014-11-30）

引用格式：何玉發(fā)，周建良，蔣世全，等. 深水井測試安全控制技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：163-165.