南中國海深水救援井井位優(yōu)選方法

趙維青，龐東豪，張玉山，冷雪霜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司）

南中國海深水救援井井位優(yōu)選方法

趙維青，龐東豪，張玉山，冷雪霜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司）

分析了深水救援井井位選擇影響因素，針對(duì)南中國海深水作業(yè)環(huán)境及不同平臺(tái)定位方式提出了救援井與井噴井最小安全距離計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例分析。進(jìn)行深水救援井井位選擇時(shí)，除了考慮淺水救援井井位選擇的影響因素，還存在深水作業(yè)環(huán)境造成的難點(diǎn)，需要考慮作業(yè)期間海況、井場調(diào)查資料、井噴井狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，選擇的井位對(duì)救援井軌跡設(shè)計(jì)、探測程序、探測工具施工難度、后期動(dòng)態(tài)壓井作業(yè)的影響，以及平臺(tái)火災(zāi)熱輻射半徑、平臺(tái)定位方式等。南中國海深水救援井井位選擇要考慮臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波流這兩個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于錨泊定位平臺(tái)，主要考慮布錨方案、內(nèi)波流及臺(tái)風(fēng)影響；對(duì)于動(dòng)力定位平臺(tái)，主要考慮平臺(tái)作業(yè)窗口和其他作業(yè)船只的影響?；谀现袊Ｉ钏仍贿x擇影響因素的分析，結(jié)合實(shí)例給出了救援井井位優(yōu)選方法。圖4表1參16

深水鉆井；救援井；井位選擇；最小安全距離

0 引言

當(dāng)某井在鉆完井或者油氣田生產(chǎn)過程中發(fā)生井噴失控后，從距離井噴井一定的地面安全距離處鉆1口或者多口井至噴層頂部或井噴井井筒內(nèi)，通過注水泥、水淹、動(dòng)態(tài)壓井等方法阻止地層流體通過井噴井井筒繼續(xù)泄漏至地面，以達(dá)到恢復(fù)井噴井正常作業(yè)或者壓封噴層的目的，這類井稱為救援井[1-5]。

深水救援井設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如水深增加或儲(chǔ)集層埋藏淺導(dǎo)致救援井軌跡狗腿度大[6]；井噴井套管尺寸或井眼尺寸大導(dǎo)致動(dòng)態(tài)壓井所需排量高，要求地面設(shè)備壓力等級(jí)高[7]；救援井井斜過大導(dǎo)致探測工具無法下入[8]；救援井與井噴井切入角大導(dǎo)致探測工具有效探測范圍變小等。此外，還要考慮作業(yè)期間海況（如臺(tái)風(fēng)、海洋內(nèi)波）及井噴井狀況、發(fā)展趨勢(shì)等[9-13]。按照假設(shè)的最惡劣工況進(jìn)行救援井設(shè)計(jì)是目前國際及國內(nèi)認(rèn)可的做法[14-15]。

救援井設(shè)計(jì)的第一步就是確定救援井與井噴井之間的距離，也就是進(jìn)行救援井井位的選擇。救援井與井噴井距離過小會(huì)影響到救援井本身的安全，過大又會(huì)給后續(xù)軌跡設(shè)計(jì)、連通、探測及壓井帶來挑戰(zhàn)。因此，選擇安全合適的救援井井位對(duì)救援井設(shè)計(jì)及實(shí)施至關(guān)重要。本文針對(duì)南中國海深水作業(yè)環(huán)境及平臺(tái)定位方式提出救援井與井噴井最小安全距離計(jì)算方法。

1 救援井井位選擇考慮因素

1.1 淺水救援井井位選擇考慮因素

淺水通常采用自升式鉆井平臺(tái)、導(dǎo)管架平臺(tái)或者錨泊定位平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。淺水救援井井位選擇通?？紤]以下因素：①原作業(yè)井平臺(tái)是否完整，如是否發(fā)生沉沒、著火爆炸等；②作業(yè)期間風(fēng)、浪、流、浮冰情況；③原井是否發(fā)生地下井噴；④原井是否出現(xiàn)地下淺層充氣；⑤原井泥面處是否有流體泄漏，如果是氣體考慮氣體上升過程中的影響；⑥淺層地質(zhì)概況，如淺層氣、古河道、淺層斷層等；⑦對(duì)于錨泊定位的平臺(tái)還要考慮布錨方案。

1.2 深水救援井井位選擇難點(diǎn)

①水深及儲(chǔ)集層埋深。對(duì)于相同埋深的儲(chǔ)集層，隨著水深的增加可鉆的地層就減少。例如南中國海某超深水井水深超過2 400 m，儲(chǔ)集層埋深只在泥面以下不到600 m，要求660.4 mm（26 in）井段就開始造斜，而且上部井段狗腿度要達(dá)到5°/30 m才能滿足下部井段探測要求。對(duì)于這種井，救援井軌跡設(shè)計(jì)難度將成倍增加，探測段井斜角超過78°，導(dǎo)致探測工具無法下入，給測距及連通帶來很大挑戰(zhàn)。為了解決該問題就要不斷減小救援井與井噴井之間的距離，而這將大大增加作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

②探測工具使用要求。目前常用的探測工具有well spot系列。探測工具要求：井眼井斜宜小于37°；探測段狗腿度不宜超過3°/30 m；救援井和井噴井在空間上的夾角不宜超過45°；保證足夠長的探測段以便逐漸逼近井噴井，一般要求探測到井噴井后還有不少于200 m的探測段。

③連通點(diǎn)選擇。連通點(diǎn)或者壓井點(diǎn)是指救援井與井噴井連通，保證壓井液或者其他封堵流體（如水泥等）可通過救援井直接注入井噴井的深度。連通點(diǎn)的選擇與探測工具有關(guān)，探測工具要求被探測源必須是套管或者鉆具等金屬，同時(shí)要求可探測深度以下至少有150 m的可探測源。well spot系列探測工具最大探測范圍77 m（250 ft），因此連通點(diǎn)應(yīng)在井噴井最后一層套管鞋或裸眼有鉆具處。一旦確認(rèn)連通點(diǎn)就要考慮選擇的井位是否滿足探測工具測距的要求，如果不滿足就要重新調(diào)整井位。

除了以上3點(diǎn)，還要考慮：在實(shí)施救援井過程中井噴流體對(duì)平臺(tái)安全的影響，例如噴出流體是原油或凝析油等時(shí)在海面的漂??；溢油處理船只及設(shè)備在海面作業(yè)時(shí)對(duì)救援井的影響，例如深水溢油處理船只一般采用動(dòng)力定位，這就要考慮動(dòng)力定位失效后船體對(duì)救援井平臺(tái)是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)；井場調(diào)查，例如是否存在淺層水、泥火山、海底滑坡等；井口穩(wěn)定性分析等。

1.3 南中國海深水救援井井位選擇關(guān)鍵因素

世界各地深水區(qū)域都有其各自的特點(diǎn)，在進(jìn)行救援井井位選擇時(shí)還要根據(jù)海域特點(diǎn)考慮特定因素的影響。例如，在墨西哥灣和巴西區(qū)域由于受環(huán)流影響可能導(dǎo)致平臺(tái)漂移，西非地區(qū)作業(yè)環(huán)境相對(duì)溫和，主要是受雨季影響，而在南中國海還要考慮臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波流這兩個(gè)關(guān)鍵因素。

1.3.1 臺(tái)風(fēng)

南中國海是臺(tái)風(fēng)多發(fā)海域，由圖1可知，臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié)為6月至11月。僅2013年就有14次臺(tái)風(fēng)對(duì)南中國海作業(yè)造成了影響，選擇合適的作業(yè)窗口進(jìn)行作業(yè)不但可以減少避臺(tái)次數(shù)，減少非生產(chǎn)時(shí)間，而且作業(yè)更安全。

圖1 南中國海近50年臺(tái)風(fēng)發(fā)生次數(shù)及時(shí)間

對(duì)于救援井平臺(tái)來說，如果遭遇臺(tái)風(fēng)，在無法及時(shí)撤離的情況下，就需要應(yīng)急解脫避臺(tái)，一般有兩種方式：懸掛隔水管或者起出所有隔水管及防噴器。采用懸掛隔水管進(jìn)行避臺(tái)就要考慮是否有足夠的距離從井噴井平臺(tái)附近撤離。

1.3.2 海洋內(nèi)波

海洋內(nèi)波是指在密度穩(wěn)定層結(jié)的海水中產(chǎn)生的一種波動(dòng)，也叫重力波或者內(nèi)慣性重力波。海洋內(nèi)波要同時(shí)具備流體密度穩(wěn)定分層和擾動(dòng)才能產(chǎn)生，在傳播過程中受到水深、剪切流等周圍環(huán)境影響，最大振幅出現(xiàn)在海面以下幾十米到幾百米不等，振幅高達(dá)200 m。內(nèi)波流對(duì)深水平臺(tái)有重大危害，特別是在建立隔水管閉路循環(huán)系統(tǒng)后，如果檢測不及時(shí)，采取措施不當(dāng)，使平臺(tái)漂移距離過大，會(huì)對(duì)平臺(tái)本身造成損壞，導(dǎo)致作業(yè)中斷。表1是南中國海某深水平臺(tái)在水深620 m左右區(qū)域作業(yè)的某井遭遇的內(nèi)波流情況，可以看出，內(nèi)波流導(dǎo)致平臺(tái)最大漂移137 m，因此在救援井井位選擇時(shí)要考慮救援井平臺(tái)及井噴井平臺(tái)遭遇內(nèi)波流的情況。

表1 南中國海某深水平臺(tái)遭遇內(nèi)波流情況

2 深水救援井與井噴井最小安全距離

一般國際上認(rèn)可的深水救援井安全距離至少是457 m（1 500 ft）。深水作業(yè)平臺(tái)定位方式分為錨泊定位和動(dòng)力定位兩種，一般水深小于1 500 m時(shí)推薦使用錨泊定位方式，水深大于1 500 m時(shí)使用動(dòng)力定位方式。本文在考慮救援井井位選擇影響因素的基礎(chǔ)上，給出針對(duì)兩種不同定位方式平臺(tái)的救援井與井噴井最小安全距離計(jì)算方法。

2.1 錨泊定位平臺(tái)

對(duì)于錨泊定位平臺(tái)，主要考慮布錨方案、內(nèi)波流及臺(tái)風(fēng)影響，救援井與井噴井最小安全距離可由下式計(jì)算：

此外，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)[16]，為了防止鋼纜或錨鏈與平臺(tái)浮筒發(fā)生碰撞或磨損，要保持錨鏈或鋼纜與平臺(tái)浮筒的夾角大于38°。

2.2 動(dòng)力定位平臺(tái)

對(duì)于動(dòng)力定位平臺(tái)，主要考慮平臺(tái)作業(yè)窗口（即需要應(yīng)急解脫時(shí)平臺(tái)最大漂移距離）和其他動(dòng)力定位船只（如海面溢油處理船、封井器安裝船、ROV（遙控操作裝置）工程船等）的影響。如果救援井平臺(tái)與井噴井平臺(tái)之間有工程支持船，且兩平臺(tái)均發(fā)生火災(zāi)，則救援井與井噴井最小安全距離可由下式計(jì)算：

如果兩平臺(tái)均發(fā)生火災(zāi)，但兩平臺(tái)間無其他作業(yè)船只，則救援井與井噴井最小安全距離可由下式計(jì)算：

3 救援井井位選擇實(shí)例分析

3.1 錨泊定位平臺(tái)救援井井位選擇

圖2為南中國海某深水井示意圖，水深620 m，轉(zhuǎn)盤面海拔26 m，海底錨鏈長度621 m，平臺(tái)寬度72 m，平臺(tái)長度80 m。考慮到救援井與井噴井平臺(tái)能力相當(dāng)，可以認(rèn)為兩平臺(tái)尺寸及布錨方式相同。

圖2 南中國海某錨泊定位平臺(tái)深水井示意圖

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)[16]，要保持錨鏈或鋼纜與平臺(tái)浮筒的夾角大于38°，則：

圖3 熱輻射范圍

假設(shè)平臺(tái)著火燃燒，平均日產(chǎn)氣60×104m3，日產(chǎn)油120 m3。圖3為熱輻射計(jì)算結(jié)果，可以看出：距離平臺(tái)中心80 m以外屬于安全區(qū)域，即ff為80 m，遠(yuǎn)小于錨鏈長度，則可以忽略平臺(tái)著火時(shí)熱輻射的影響。同理，也可以忽略內(nèi)波流的影響。因此，根據(jù)（1）式可得救援井與井噴井最小安全距離為：

3.2 動(dòng)力定位平臺(tái)救援井井位選擇

圖4為南中國海HUSKY大力神鉆井平臺(tái)，作業(yè)水深1 454 m，轉(zhuǎn)盤面海拔31 m，隔水管張力器和隔水管伸縮節(jié)最大伸長6.5 m，防噴器高度12 m，DP3動(dòng)力定位，平臺(tái)長度114 m，平臺(tái)寬度78 m。

圖4 南中國海某動(dòng)力定位平臺(tái)深水井示意圖

為了計(jì)算救援井與井噴井之間的最小安全距離，假設(shè)可能出現(xiàn)3種工況：①由于海況影響或者定位系統(tǒng)失效，救援井平臺(tái)和井噴井平臺(tái)同時(shí)向?qū)Ψ娇拷?，達(dá)到如圖4所示的應(yīng)急解脫線；②兩個(gè)平臺(tái)均發(fā)生火災(zāi)，熱輻射模擬工況與圖3相同，熱輻射半徑為80 m；③兩個(gè)平臺(tái)之間有ROV或溢油回收等工程船作業(yè)，工程船最大長度78 m。

防噴器頂部球接頭到轉(zhuǎn)盤面底部撓性接頭距離：

救援井平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)的極限漂移距離：

由于救援井平臺(tái)與井噴井平臺(tái)作業(yè)能力相當(dāng)，則：

從目前南中國海作業(yè)歷史來看，內(nèi)波流引起的平臺(tái)漂移距離未超過平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)漂移距離，因此內(nèi)波流的影響可以忽略。國際保險(xiǎn)公司推薦安全距離為500 m。

最極限工況為假設(shè)工況①、②、③同時(shí)出現(xiàn)，根據(jù)（2）式可得救援井與井噴井最小安全距離為：

實(shí)際作業(yè)中如果有臺(tái)風(fēng)或者內(nèi)波流出現(xiàn)，ROV或溢油回收工程船可提前撤離，根據(jù)（3）式可得救援井與井噴井最小安全距離為：

最理想的情況是平臺(tái)無火災(zāi)，平臺(tái)動(dòng)力定位有效，兩平臺(tái)不會(huì)發(fā)生相對(duì)漂移，兩平臺(tái)之間無作業(yè)船只，則救援井與井噴井最小安全距離為：

在實(shí)際作業(yè)中要根據(jù)具體情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來確定井位，在保證安全的前提下盡量縮短距離，因?yàn)榫嚯x越小救援井軌跡控制越容易，探測及連通的成功率也大幅提高。

4 結(jié)論

分析了深水救援井井位選擇影響因素，包括作業(yè)區(qū)域環(huán)境，井噴井狀況和發(fā)展趨勢(shì)，水深和儲(chǔ)集層埋深，以及救援井軌跡、連通點(diǎn)、探測工具等。

南中國海深水救援井井位選擇要考慮臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波流這兩個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于錨泊定位平臺(tái)，救援井井場調(diào)查及布錨錨鏈長度是井位選擇的關(guān)鍵因素。對(duì)于動(dòng)力定位平臺(tái)，救援井井位選擇要綜合考慮平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)漂移距離、平臺(tái)最大尺寸、平臺(tái)火災(zāi)熱輻射半徑、井噴井與救援井之間作業(yè)船只等因素的影響。

針對(duì)南中國海深水區(qū)域特點(diǎn)，提出了不同平臺(tái)定位方式的救援井與井噴井最小安全距離計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例分析。

符號(hào)注釋：

D——隔水管極限長度，由水深和隔水管張力器長度決定，m；F——最小安全距離，m；fbcsb——井噴井接觸海底的錨鏈長度，m；fbcsh——井噴井未接觸海底的錨鏈或鋼纜在水平面上投影長度，m；fbeds——井噴井平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)平臺(tái)漂移距離，m；fc——工程支持船最大長度，m；ff——考慮井噴井平臺(tái)著火時(shí)的熱輻射半徑，m；fin——考慮內(nèi)波流影響的安全距離，m；fR——國際保險(xiǎn)公司推薦安全距離，m；frcsb——救援井接觸海底的海底錨鏈長度，m；frcsh——救援井未接觸海底的錨鏈或鋼纜在水平面上投影長度，m；frb——井噴井平臺(tái)最大長度，m；freds——救援井平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)平臺(tái)漂移距離，m；frr——救援井平臺(tái)最大長度，m；H——防噴器頂部球接頭到轉(zhuǎn)盤面底部撓性接頭的距離，m；x，y——直角坐標(biāo)系，m。

[1] WRIGHT J W.Relief well technology can solve ordinary problems[J].Oil and Gas Journal,1993,91(3):30-33.

[2] WRIGHT J W,FLAK L H.Blowout control:Response,intervention and management:Part 11:Relief wells[J].World Oil,1994,215:12.

[3] MCELHINNEY G,SOGNNES R,SMITH B.Case histories demonstrate a new method for well avoidance and relief well drilling[R].SPE/IADC 37667,1997.

[4] LERAAND F,WRIGHT J W,ZACHARY M B,et al.Relief-well planning and drilling for a North Sea underground blowout[J].Journal of Petroleum Technology,1992,44(3):266-273.

[5] KOUBA G E,MACDOUGALL G R,SCHUMACHER B W.Advancements in dynamic-kill calculations for blowout wells[J].SPE Drilling & Completion,1993,8(3):189-194.

[6] WIRE W O.Large hole RSS used for shallow kick-off,directional control in soft sediment[J].World Oil,2007,228(10):39-40,42-43.

[7] API.Blowout prevention equipment systems for drilling wells:API 53 [S].Washington D C:API,2012.

[8] KUCKES A F,HAY R T,JOSEPH M M,et al.New electromagnetic surveying/ranging method for drilling parallel horizontal twin wells[J].SPE Drilling & Completion,1996,11(2):85-90.

[9] OLBERG T,GILHUUS T,LERAAND F,et al.Re-entry and relief well drilling to kill and underground blowout in a subsea well:A case history of well 2/4-14[R].SPE 21991-MS,1991.

[10] WRIGHT J W.Gas broach leads to unique relief well intervention to protect production platform[J].Drilling Contractor,2005,61(6):40-42.

[11] AADNOY B S,BAKOY P.Relief well breakthrough at problem well 2/4-14 in the North Sea[R].SPE 20915,1990.

[12] VOISIN J A,QUIROZ G A,POUNDS R,et al.Relief well planning and drilling for SLB-5-4X blowout,Lake Maracaibo,Venezuela[R].SPE 16677,1987.

[13] 李宗智.王15-33井井噴事故及救援井施工[J].石油鉆探技術(shù),1993,21(3):31-34.LI Zongzhi.Blowout and relief well construction of Well Wang 15-33[J].Petroleum Drilling Techniques,1993,21(3):31-34.

[14] 楊進(jìn),孟煒,姚夢(mèng)彪,等.深水鉆井隔水管頂張力計(jì)算方法[J].石油勘探與開發(fā),2015,42(1):107-110.YANG Jin,MENG Wei,YAO Mengbiao,et al.Calculation method of riser top tension in deep water drilling[J].Petroleum Exploration and Development,2015,42(1):107-110.

[15] YU Xiu,JIE Jingling.Relief well drilling technology[R].SPE 17820,1988.

[16] API.Design and analysis of station keeping systems for floating structures:API RP 2SK [S].Washington D C:API,2005.

（編輯 胡葦瑋）

Location selection of deepwater relief wells in South China Sea

ZHAO Weiqing,PANG Donghao,ZHANG Yushan,LENG Xueshuang
(CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.,Shenzhen 518067,China)

By analyzing affecting factors on deepwater relief well location selection,and focusing on the regional deepwater operating environment in South China Sea and different rig positioning types,a calculation method for minimum safety distance between reliefs well and blowout well was proposed.In addition to the affecting factors on shallow-water relief well location selection,difficulties which are specific for deepwater operating considerations should be considered for deepwater relief well location selection,including metocean conditions,site survey results,blowout situation and evolution,influences of relief well location on relief well trajectory design,ranging procedure,ranging tool usage and dynamic killing operation,and fire hazard heat radiation and rig positioning types.The most significant factors for deepwater relief well location selection in South China Sea are typhoon and internal solitary wave.For a mooring positioning rig,the main considerations are mooring deployment,internal solitary wave and typhoon.For a dynamic positioning rig,the main considerations are operation window and other vessels.Based on analyses of affecting factors on deepwater relief well location selection in South China Sea,the well location selection method was demonstrated through the discussion of an existing regional well.

deepwater drilling; relief well; well location selection; minimum safety distance

國家科技重大專項(xiàng)子課題“深水鉆完井及其救援應(yīng)用技術(shù)研究”（2011ZX05026-001-04）；國家科技重大專項(xiàng)“南海北部陸坡深水油氣田鉆采風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及采油（氣）關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011ZX0506-001-03）

TE21

A

1000-0747(2016)02-0287-05

10.11698/PED.2016.02.16

趙維青（1985-），男，青海海東人，學(xué)士，中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司工程師，主要從事深水鉆完井監(jiān)督及設(shè)計(jì)工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)太子路金融中心7樓，中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，郵政編碼：518067。E-mail：zhaowq@cnooc.com.cn

2015-07-13

2016-01-16