深水鉆井井噴失控水下應急封井回收系統

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急封井回收系統

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、海況復雜的深水油氣井井噴失控將會引起災難性的事故。主要綜述了國外深水發生井噴失控造成平臺傾覆后的水下油井封井系統，包括系統功能和組成。給出了7家公司(機構)研制的水下應急封井裝置(封井器)、結構形式及目前的部署情況。對下一步研究深水應急救援技術和建設應急水下油井封井回收系統給出了建議。

深水鉆井； 井噴； 封井回收系統； 封井器

0 引 言

海上(尤其是離岸遠、環境復雜的深水)油氣井井噴失控將會引起災難性的事故。近幾年來，連續發生了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。BP墨西哥灣Macondo事故發生后公眾對環境保護和井噴失控應急響應提出的要求也給行業和政府帶來很大的壓力。美國政府監管部門在鉆修井許可申請和過程控制方面制定了嚴格的規定，要求作業者在申請海上鉆井、修井作業許可時必須證明其能夠控制海上井噴。

在深水鉆井中發生井噴失控的最惡劣工況，從發生井噴到最后平臺傾覆、大量油氣溢出，一般要經歷幾個階段：(1)井筒發生溢流；(2)井噴失控，地層流體大量涌出到鉆臺；(3)平臺發生火災、爆炸；(4)平臺傾覆，海底發生大量溢油。本文主要介紹平臺傾覆、井口失控發生井噴后的應急救援系統和其中的關鍵設備。

1 水下應急封井回收系統

針對平臺翻沉后復雜的井下工況，目前行業已組建了3家應急救援系統：MWCC公司的水下油井封井系統(Marine Well Containment System，MWCS)、Helix公司快速響應系統(Helix Fast Response System，HFRS)和Wild井控(WWC)公司的油井封井回收系統[1]。與僅僅聚焦于井噴預防的裝備不同，油井應急封井回收系統更側重于失控井的處置。一套典型的海上油井封井回收系統主要功能包括：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、儲存和卸載等。

1.1 MWCC公司水下應急封井回收系統

MWCS系統是由?？松梨?、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公司設計、建造、運營的一套應對水下井噴失控的快速反應系統。

MWCC公司組建于2011年，墨西哥灣所有油氣作業者公司都有機會參加，系統向會員公司和非會員提供服務，會員公司在墨西哥灣都有深水鉆井作業項目，每個會員公司權利和義務相同，平均分攤超過10億美元的費用。非會員加入需要與MWCC簽署協議，MWCC按照鉆井數量收取用于支持系統發展和維護的費用。

MWCS系統包括數艘油氣收集船只和一整套水下封井回收設備，類似于英國石油公司在深水地平線鉆井平臺爆炸傾覆后三個月的反復試驗中所開發出來的一套系統。該系統可以收集并控制海面以下3 000 m深處每日至多10萬桶石油的泄漏。MWCS系統如圖1所示，設計一個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，避免進一步損壞井筒完整性。

圖1 MWCS系統示意圖Fig. 1 Typical Marine Well Containment System

一套海上油井封井回收系統包括：海底系統，管線、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。其中海底系統又包括封井裝置、海底工具包(比如損毀設備切割和拆卸)、海底分散劑和水合物抑制劑傳輸系統、水下液壓動力單元(HPU)以及海底部署/運行工具。

海底井口附近溢油分散劑的應用也是系統作業之一部分，為海面作業人員和溢油的加強降解創造一個安全的作業環境。海底溢油分散劑工具包包括分散劑的噴灑臂、相關的管匯和鵝頸管以及殘損清理設備(切割、抓鉤、拖拉工具)，已達到能與防噴器(BOP)連接。

如果油井不能被關閉，封蓋組塊能夠收集流體，并重新將流體通過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儲油卸油船(FPSO)、生產測試船或儲油輪。海面工作船通常提前預建處理模塊，有些設備在事故發生后由MWCC提供，快速部署安裝。

1.2 Helix公司的快速響應系統

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

圖2 HFRS系統示意圖Fig. 2 Typical Helix Fast Response System

HFRS系統包括：(1) 海面支持船，即Q-4000平臺、生產儲油輪HP-1、存儲駁船[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) 水下應急封井裝置，由封井裝置和修井隔水管系統(IRS)組成。

Helix快速響應系統的作業流程如下：

(1) 動用飛機和水下機器人(ROV)船進行井位和海底監測，確定作業環境風險。

(2) 動用專用的船只用連續油管噴灑溢油分散劑。

(3) 動員專門的救援船只和ROV進行雜物清理；移除隔水管，確保能夠垂直操作隔水管下部總成(LMRP)。

(4) 動員專用的應急船只進行井口控制系統修理(IWOCS)作業，包括安裝液壓站、回接裝置甲醇、移除破損管線和裝置以及連接海底電纜。

(5) 用Q-4000平臺進行LMRP回收作業。

(6) 用Q-4000平臺進行井口封蓋作業：用6-5/8英寸鉆柱下入水下應急封井裝置，啟動防噴器盲板。

(7) 用Q-4000平臺進行壓井作業。

(8) 循環和收集作業，采用Q-4000平臺、生產儲油輪HP-1、存儲駁船HOS將從井筒返出的油氣處理回收，如圖3所示。

圖3 HFRS系統循環和收集作業Fig. 3 Flow and capture operation of HFRS system

與HFRS系統相比，MWCS系統更為復雜，處理能力更高。兩套系統的主要性能參數對比如表1所示。

表1 HFRS與MWCS性能參數對比表

注：BPD即“桶每日”；MMcfd即“百萬立方英尺每日”。

2 水下應急封井裝置

水下應急封井裝置(簡稱“封井器”)作為水下油井封井回收系統中最核心的裝備，控制水下井口正常開啟。其主要功能有：關井和作為井筒接口，將井筒的流體輸送到海面出口，通過海面作業船向井筒輸入流體，提供井筒干預手段。

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和BOP的組合。因此，封井器是取得海上鉆井、修井作業許可證的必備條件。

各公司研發的封井器結構形式都不大相同，典型封井器如圖4所示，主要元件包括井口連接器、閘閥、節流、閘板、再進入連接器、面板、框架、 轉化接頭和連接管線。

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

如表2所示[2-4]，目前行業有7家公司(組織)設計了至少14種16套系統。很明顯，封井裝置技術服務正在成長為一個行業。目前封井裝置的主要制造商為Trendsetter Engineering 和 Cameron。

表2 各家公司/組織的設備型號及基本信息表

3 結束語

(1) 分析了在海洋深水鉆井中，油井從井噴失控到發生平臺傾覆的過程，總結了國際上現有的幾套水下油井封井回收系統以及系統中最核心的裝備——封井器的研發進展，給出封井器的參數、結構形式以及目前的部署地點信息等，為制定應急救援方案提供參考。

(2) 根據國外水下油井封井回收系統建設成功的經驗和成熟的運營模式，建議我國建設應急救援水下油井封井回收系統分“三步走”：首先由油氣公司牽頭進行總體方案設計；然后由專業的設備加工制造企業完成關鍵裝備研制；最后由專業的服務公司承擔商業化運營。

(3) 當前我國在深水應急救援技術研究方面剛剛開始，建議技術研發按照“頂層設計、總體規劃、分步實施”的策略進行。從系統技術方案和關鍵作業技術入手，開展系統關鍵設備水下應急封井裝置(封井器)研制，逐漸完善系統和配套技術，逐步形成我國的應急救援工業技術體系，為我國海上深水油氣開發提供安全保障。

[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

國家科技重大專項(2011ZX05026-001)、國家能源重大應用技術研究及工程示范專項

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