深水鉆井井噴事故情景構建及應急能力評估

殷志明　張紅生　周建良　李迅科（.中海油研究總院，北京　0008； .中海石油（中國）有限公司工程技術部，北京　0000）

深水鉆井井噴事故情景構建及應急能力評估

殷志明1張紅生2周建良1李迅科1
（1.中海油研究總院，北京100028；2 .中海石油（中國）有限公司工程技術部，北京100010）

深水油氣開發(fā)面臨著巨大的風險和挑戰(zhàn)，尤其是在油氣開發(fā)過程中如果發(fā)生井噴失控事故，應急救援將十分困難。采用重大事故情景構建方法，建立南中國海某深水探井在鉆井期間發(fā)生井噴失控事故情景，包括從溢流發(fā)生到井噴失控、平臺發(fā)生火災爆炸、平臺傾覆沉沒、水下應急封井及打救援井、溢油回收處理及生態(tài)恢復，并對應急救援必須的工程技術、設備、人員等需求進行分析和評估，對我國下一階段開展應急救援技術研究提出建議。研究結果對我國自主建立深水鉆井井控應急救援工程技術體系有一定參考意義。

深水鉆井；井噴失控；應急救援；情景構建；能力評估

海洋蘊藏著豐富的油氣資源，開發(fā)深海油氣既有廣闊的前景，同時也面臨著巨大的風險和挑戰(zhàn)，尤其是在油氣開發(fā)過程中發(fā)生井噴失控事故，后果將非常嚴重，應急處置將十分困難。據SINTEF統(tǒng)計的1980—2008年海上井噴事故中80.4%是在鉆井工程中發(fā)生的［1］。近幾年來，連續(xù)發(fā)生了多起諸如2009年PTTEP澳大利亞平臺井噴事故、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傾覆事故、2013年7月Walter油氣公司的平臺火災事故等重大海上鉆井事故。特別是BP墨西哥灣Macondo事故，地層油氣通過井筒和防噴器（BOP）持續(xù)噴出87 d。事故造成11人失蹤、17 人受傷，泄漏到墨西哥灣中的原油超過了54.5萬t，經濟損失超過480億美元，成為美國歷史上最嚴重的漏油事件，事故發(fā)生后公眾對環(huán)境保護和井噴失控應急響應要求也給行業(yè)和政府帶來很大的壓力［2］。

重大突發(fā)事件情景構建是對突發(fā)災害事件的一種合理的設想，是對不確定的未來災難開展應急準備的一種戰(zhàn)略性思維工具。最早是“9·1l”恐怖襲擊事件之后，美國政府提出并制定了國家應急規(guī)劃情景。由于深水油氣開發(fā)復雜海洋環(huán)境、地層特性以及敏感的地緣政治，基于深水鉆井井噴事故情景的應急預案制定有助于提高處理復雜和交叉連鎖事件協(xié)調能力，對井噴事故進行有效的預防、準備、響應和恢復，提高應急能力。另外還可為應急培訓、演練規(guī)劃的依據和要求［3］。在開展國內外事故調研分析基礎下構建了事故情景，梳理應對技術及裝備，并對國內外資源調研及可用性分析，對下一步發(fā)展研究的建議。

1　井噴失控事故簡介

井噴事故發(fā)生時，A公司正在用第6代深水鉆井平臺B平臺，在南海進行深水探井C井鉆井作業(yè)［4］，在完成鉆探后進行負壓測試，用海水頂替井筒及隔水管內油基泥漿時，油氣侵入井筒引起井噴事故，平臺發(fā)生火災爆炸，平臺傾覆沉沒，大量原油溢出。C預探井所在勘探區(qū)塊水深介于1 500~3 000 m，面積為9 729 km2，該勘探區(qū)塊距離香港、越南和菲律賓較近，如果發(fā)生原油泄漏，則可能對此區(qū)域造成影響。事故情景簡表及與BP深水地平線事故對比見表1。

表1　深水鉆井井噴事故情景

2　井噴事故演化過程

井噴事故演化過程也包括潛伏期（負壓測試）、顯現期（溢流、井涌）、爆發(fā)期（井噴失控、平臺火災與爆炸、平臺傾覆、大量溢油）、減弱期（救援井連通，事故源得到有效控制）、消退期（生態(tài)治理、股價恢復、社會關注減少）5個階段。如圖1所示。

圖1　深水鉆井井噴事故演化過程

2.1井噴失控過程模擬分析

溢流和井噴的根本原因是地層和井眼系統(tǒng)的壓力失去平衡，并且安全屏障缺失，當對地層孔隙壓力掌握不清，或由于某些外力及人為因素造成鉆井液柱壓力降低，使靜液柱壓力小于地層孔隙壓力較多時，將導致溢流和井噴。為了保持地層與井眼系統(tǒng)的壓力平衡，在現場作業(yè)中，應使鉆井液柱壓力略大于地層孔隙壓力，防止地層流體侵入井眼內。

在鉆井作業(yè)中，某些外力可能會引起液柱壓力升降變化，為了保持地層與井眼系統(tǒng)的壓力平衡，在現場是使鉆井液柱壓力略大于地層孔隙壓力。建立下列平衡式

式中， ph為鉆井液靜液柱壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；pe為平衡安全附加壓力，MPa。

深水鉆井發(fā)生溢流的原因［5-6］主要包括：（1）地層壓力預測不準確，鉆遇高壓地層；（2）淺層氣體溢出；（3）隔水管破裂；（4）鉆井抽吸引起溢流。在井噴情景中可能有很多種路徑，取決了地層流體和井口間的安全屏障，但主要的初始溢流路徑有：（1）通過鉆柱和井眼環(huán)空，連接海底井口到海面隔水管到海面；（2）通過鉆柱內環(huán)空流向海面；（3）井筒中沒有鉆柱，溢流流體通過井筒和隔水管到達海面；無隔水管鉆井時，特別是深水表層鉆井作業(yè)，溢流流體從海底直接流出；（4）通過井眼和鉆柱之間的環(huán)空，無隔水管鉆井或者BOP有泄漏，溢流流通從海底溢出。

2.1.1失控模擬采用三級井控模擬軟件OLGA ABC建模模擬事故發(fā)生過程?；緮祿耗虾Ｄ成钏? 400 m,井深4 000 m,泥線附近溫度為2.37 ℃，預測井底溫度約為81 ℃,地溫梯度5.29℃/100 m,鉆井液密度1.14 g/cm3,采氣指數取500 m3/（d·kPa）。

由于地層壓力預測不準確，在鉆井起鉆過程中產生抽汲壓力，使井底壓力小于地層壓力1~2 MPa，等效井筒壓力下氣體侵入情況。

2.1.2主要模擬結果

（1）井筒氣體體積分數及井筒流體密度隨時間變化。由圖2可知，t=1 min時，地層氣體剛開始侵入井筒，而3 500 m以上井筒內氣體百分比基本沒有變化，沒有氣體侵入；t=15 min時，氣體已經上升到海底；t=32 min時，氣體到達海面井口區(qū)。

圖2　起鉆抽汲引起溢流后環(huán)空自由氣百分比及環(huán)空流體密度隨時間變化

（2）進入井筒氣體速率隨時間變化。如圖3所示，t=1 min時，氣體進入580 m3/min；t=15 min時，氣體進入3 000 m3/min；t=32 min時，氣體進入7 200 m3/ min。

（3）套管鞋處壓力隨時間變化。由于流動摩阻的影響，在氣體到達海底泥線0~15 min內，套管鞋處壓力從36 MPa降低到34 MPa；但是當氣體通過海底BOP后，套管鞋處壓力急劇下降，32 min時，套管鞋處壓力20 MPa；50 min后，套管鞋處壓力降為8 MPa。

圖3　進入井筒氣體速率隨時間變化規(guī)律

（4）井底壓力隨時間變化。從氣體侵入井筒開始，井底壓力降低，在氣體到達海底泥線1 min時，井底壓力為42 MPa；32 min時，井底壓力24 MPa；50 min后，井底壓力降為6 MPa。

（5）泥漿池增量變化。從氣體侵入井筒開始，泥漿池增量不斷增加，到50 min時達到最大。

從氣體侵入井筒開始，氣體侵入速率不斷增加，15 min為15 m/s，到32 min時為60 m/s，失控后到50 min，侵入速度不斷增加，達到200 m/s。

2.1.3 分析工況假設平臺在發(fā)生負壓試壓或者隔水管破裂，在整個井筒環(huán)空中形成雙梯度效應，即海底泥線以上隔水管環(huán)空中為海水密度，而泥線以下到井底為鉆井液。

井筒氣體體積分數比隨時間變化：t=1 min時，地層氣體剛開始侵入井筒，而3 500 m以上井筒內氣體百分比基本沒有變化，沒有氣體侵入；t=11 min時，氣體已經上升到海底；t=24 min時，氣體到達海面井口區(qū)。

同理計算得到其他各種采氣指數和溢流路徑下氣體到達海底和海面的時間如下表2所示，由分析可知，氣體到達海面時間與水深、井深和地層壓力（采氣指數）相關。但一般如果發(fā)生溢流，不采取井口控制，20~30 min氣體就會運移到海面。

表2　不同工況下溢流氣體到達海底及海面時間

2.2井噴天然氣擴散及燃爆風險分析

井噴失控后大量天然氣從井口噴出與空氣形成可燃混合氣云，當在可燃范圍內被點燃，可能引發(fā)氣云爆炸并發(fā)展為噴射火，對平臺設備、人員等構成極大威脅。建立簡化平臺模型及天然氣擴散、燃爆模型，模擬分析特定場景下井噴天然氣燃爆超壓、火焰高溫、熱輻射發(fā)展特性及各危害指標對平臺設備、作業(yè)人員影響。

圖4　負壓試壓引起溢流后環(huán)空自由氣百分比及環(huán)空流體密度隨時間變化

2.2.1幾何模型及邊界條件以深水半潛式鉆井平臺基本結構為依據建立三維計算仿真模型如圖5。采用Fluent前處理器Gambit分塊網格劃分法劃分計算域網格，通過設置尺寸函數對井口區(qū)域進行網格加密，模型非結構體網格如圖6所示。

圖5　深水半潛式鉆井平臺模型

圖6　網格模型

基礎數據：天然氣主要成分為甲烷（87.9%）和乙烷氣體（12.1%），井口溫度為38 ℃，井口壓力為0.4 MPa，風速6 m/s （全年平均風速），大氣溫度為37 ℃，常壓。假設燃爆過程中持續(xù)井噴，點火源位于井口附近，采用弱點火方式，可燃氣云燃燒為單步完全反應，忽略輻射換熱損失。

計算過程分為3步：（1）引入風速計算穩(wěn)定風場，采用對數律風廓線方程［9］表征風速隨距離海平面高度的變化；（2）引入泄漏源計算井噴氣體噴射擴散過程，確定可燃氣云空間分布；（3）引入點火源計算可燃混合氣云燃爆過程，分析燃爆超壓、高溫、熱輻射發(fā)展特性及傷害范圍。

2.2.2井噴天然氣燃爆超壓場分析井噴可燃氣體燃爆生成的高溫、高壓、高能量密度氣體產物以極高的速度向周圍膨脹，使周圍空氣壓力、密度和溫度突躍升高，產生球形超壓沖擊波向四周擴散沖擊。

圖7　井噴天然氣燃爆超壓場

表3　不同產量下燃爆超壓沖擊波覆蓋半徑　 m

圖7為3 kPa超壓等值面空間分布，壓力波面覆蓋鉆臺大部分區(qū)域。表3為不同氣井產量下燃爆超壓沖擊波最大覆蓋半徑（以井口為中心計算），隨著氣井產量增加，相同超壓等值面覆蓋范圍更大。以氣井產量36.2×108m3/a為例，距離井口4.80 m范圍內，燃爆超壓超過10 kPa，根據爆炸超壓破壞傷害準則［7］，此范圍內人員將受到較大傷害，鉆臺結構、井口設備、管線等將受到輕微損壞，部分設備受到嚴重損壞。爆燃超壓6 kPa沖擊波最大半徑為7.13 m，此范圍內燃爆超壓不會對鉆臺設備造成明顯損壞，對作業(yè)人員有輕微傷害，沖擊波可能將作業(yè)人員擊倒。超壓低于2 kPa不會對人員造成傷害，燃爆中心27.98 m外區(qū)域為安全區(qū)域，生活區(qū)處于安全區(qū)域內。

2.2.3井噴天然氣燃爆溫度場分析圖8為船艉來風、風速6 m/s時鉆臺區(qū)域噴射火發(fā)展過程（T=527℃）。燃爆初期，點火源附近天然氣在點火源作用下立即與氧氣開始化學反應，釋放巨大能量，使周圍環(huán)境溫度迅速升高，火焰自燃爆中心開始向四周快速蔓延火焰外表基本上呈橢圓形（t=0.5 s）。來風作用下火焰呈高紊流狀態(tài)，火焰邊緣急劇膨脹 （t=1 s）?；鹧娴臄U展促使燃燒區(qū)域產生向外的推力，未燃氣體和高能氣體產物向外圍運動，同時，持續(xù)泄漏的天然氣不斷加入到燃燒反應中，促使燃燒反應更加劇烈，形成更大范圍的燃燒區(qū)域（t=2 s），此時火焰高度達48.64 m。隨火焰高度增加，燃燒火焰在來風作用下變得更加不規(guī)則，同時向下風向偏斜（t=4 s）。隨著火焰外圍可燃氣體消耗，火焰燃燒狀態(tài)逐漸穩(wěn)定（t=11 s），火焰高度達72.96 m，最高溫度達2 089 ℃，紅色區(qū)域為火焰中心。

圖8　燃爆火焰發(fā)展過程

圖9為船艉來風不同風速下穩(wěn)定噴射火結構失效溫度場分布（T=600 ℃），不同風速下噴射火呈不同偏斜角度和大小，均呈羽毛狀形態(tài)。v=0.5 m/s時火焰接近垂直分布，高度達90.23 m，作用在鉆臺上部井架、天車、絞車等起重設備、轉盤等旋轉系統(tǒng)設備、部分循環(huán)系統(tǒng)設備及鉆臺工具間、司鉆房、用電房等，持續(xù)作用下設備結構強度喪失，短時間內設備即完全失效、變形、位移直至失去承載能力。v=6 m/s時火焰朝下風向偏斜約為70°，火焰高70.53 m，下風向偏斜距離為35.09 m，火焰作用在井架上，一段時間后井架結構強度破壞失去承載能力，井架倒塌，引發(fā)多米諾連鎖破壞。v=20 m/s時來風對可燃氣云稀釋作用增強，可燃氣云分布范圍較小，噴射火焰范圍明顯減小，朝下風向偏斜角度增大，約為45°，火焰高29.3 m，下風向偏斜距離為30.98 m。火焰作用在井架底部位置，同樣使井架倒塌及鉆臺設備失效，同時會危害附近工作人員。

圖9　不同風速下穩(wěn)定噴射火結構失效溫度場分布

井噴天然氣擴散及燃爆風險分析，以及正常鉆井作業(yè)期間0類危險區(qū)（在正常生產、作業(yè)過程中，易燃、易爆氣體和空氣混合物持續(xù)存在或長期存在的區(qū)域）和1類危險區(qū)（在正常生產、作業(yè)過程中，可能產生易燃、易爆氣體和空氣混合物的區(qū)域）作業(yè)人員數量，推算出有30人處于鉆臺及泥漿池等危險作業(yè)區(qū)，其中10人在爆炸傷亡范圍區(qū)間。

3　井噴事故應急救援及應急能力評估

在參考國外BP深水地平線事故應急救援技術基礎上［8-9］，對情景構建各應急救援任務進行評估，分析各救援任務所需要的技術及裝備水平，在此基礎上對我國現有深水應急能力進行調研，找出現有能力與所需能力之間的差距，為今后的應急能力建設提供指導。

深水鉆井井控及應急能力主要包括鉆井安全與事故預防、井噴失控應急封井、救援井、溢油回收處理、危機管理等幾方面［10］。細分為應急響應機制、井噴失控應急處置能力、失控井再控制能力、救援井技術能力、溢油應急處置能力、海上搜救能力、應急通關等。其中每一個評估對象，又按照應急救援需要具備的能力，現有能力及與國際先進水平，并給出一個評估結論和技術發(fā)展建議。以失控井再控制能力為例，如下表4所示。

4　結論及建議

（1） 結合我國南中國海鉆井實際工況，建立深水鉆井井噴失控及應急救援情景，包括從潛伏期（負壓測試）、顯現期（溢流、井涌）、爆發(fā)期（井噴失控、平臺火災與爆炸、平臺傾覆、大量溢油）、減弱期（救援井連通，事故源得到有效控制）、消退期（生態(tài)治理、股價恢復、社會關注減少）5個階段情景。

（2） 利用OLGA abc軟件建立了分析計算模型，通過分析溢流產生的不同原因和路徑統(tǒng)計分析，給出以環(huán)空溢流以及鉆井起鉆抽汲以及負壓試壓引起雙梯度效應產生的雙壓力梯度，引起井噴失控。采用Fluent針對深水鉆井作業(yè)過程中潛在的井噴天然氣燃爆風險，通過建立簡化平臺模型及天然氣擴散、燃爆模型，模擬分析特定場景下井噴天然氣燃爆超壓、火焰高溫熱輻射發(fā)展特性及各危害指標對平臺設備、作業(yè)人員影響。并結合實際鉆井作業(yè)工況在崗人員，估計出人員傷亡情況。

表4　我國失控井再控制應急能力評估

（3） 通過分析深水井噴失控應急救援技術和裝備需求，調研國內外應急救援資源，開展應急能力評估，我國深水井控應急能力建設剛剛起步，與國外仍有較大的差距，缺乏失控井再控制技術、水下應急封井裝置、救援井井下連通工具等必要應急技術和設備和人才隊伍。由于我國深遠海部分油氣區(qū)塊處于爭議區(qū)，如果發(fā)生井噴事故應急救援將更加困難，深水井控應急更具有特殊意義，建議國家重視并支持開展深水井噴應急救援技術和裝備研究，建立健全南中國海沿岸防溢油應急基地，使其可具備覆蓋整個南中國海的溢油回收及處置能力，為“海洋強國”戰(zhàn)略的實現提供技術支撐。

［1］SINTEF offshore blowout database［M］.Gulf Professional Publishing, 1997.

［2］CARLSafina .A Sea in Flames: The deepwater horizon oil blowout［M］. Broadway Books, 2011.

［3］劉鐵民.應急預案重大突發(fā)事件情景構建——基于“情景-任務-能力”應急預案編制技術研究之一［J］.中國安全生產科學技術，2012，8（4）：5-12.

［4］陳建兵.深水探井鉆井工程設計方法［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2014.

［5］WILLSONA S M, ANALYSIS S N, SHARMA M M. Analysis of potential bridging scenarios during blowoutevents［J］. Society of Petroleum Engineers，2013.

［6］柯珂，管志川，張君亞等. 西非深水JDZ-2-1井鉆井工程整體風險分析［J］. 石油鉆采工藝， 2009，31（5）：5-11.

［7］劉茂. 事故風險分析理論與方法［M］. 北京： 北京大學出版社， 2012.

［8］CAVNAR Bob. Disaster on the horizon high stake, high risks, and the story behind the deepwater well blowout［M］. Chelsea Green Publishing Co.，2011.

［9］李迅科，殷志明，劉健，等.深水鉆井井噴失控水下應急封井回收系統(tǒng)［J］.海洋工程裝備與技術，2014，1（1）：55-59.

［10］高永海，孫寶江，曹式敬，等. 應用事故樹法對深水井控進行風險評估［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：23-28.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯胡志強〕

Scenario design of blowout accidents in deepwater drilling and emergency capacity assessment

YIN Zhiming1, ZHANG Hongsheng2, ZHOU Jianliang1, LI Xunke1
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Engineering Department of CNOOC, Beijing 100010, China）

Deepwater oil and gas development faces enormous risks and challenges. Especially when blowout out of control accident occurs in the development process, the emergency rescue will be very difficult. Scenario design approach for major accidents is used to build blowout scenarios in the drilling of a deepwater exploratory well in the South China Sea, covering the whole process from overflow to blowout out of control, fire and explosion of platform, platform overturn and sinking, underwater emergency well shut-in and relief well digging, spilled oil recycling and ecological restoration. The demands for engineering technology, equipment and staff for the emergency rescue are analyzed and evaluated and suggestions on the research of emergency rescue technology in the next stage in China are provided. The research results can be a reference for the independent building of emergency rescue engineering technique system in well control of deepwater drilling in China.

deepwater drilling; blowout out of control; emergency rescue; scenario design; capability evaluation

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0166 – 06

10.13639/j.odpt.2015.01.043

“十二五”國家科技重大專項課題“深水鉆完井工程技術（編號：2011ZX05026-001）”；國家安全生產應急救援指揮中心項目“海上鉆井平臺井噴事故情景構建” 部分研究成果。

殷志明，1980年生。主要研究方向為深水鉆完井技術的研究，博士。電話：010-84525427。E-mail：yinzhm@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：殷志明，張紅生，周建良，等. 深水鉆井井噴事故情景構建及應急能力評估［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：166-171.