海上救援井設計關鍵技術分析＊

李峰飛 蔣世全 李迅科 李漢興

（中海油研究總院 北京 100028）

李峰飛，蔣世全，李迅科，等.海上救援井設計關鍵技術分析［J］.中國海上油氣，2015，27（1）：86-90，106.

救援井主要用于控制井噴事故，是石油工業(yè)處理井噴失控問題的最后手段［1-2］。2010年墨西哥灣漏油事故發(fā)生之后，美國、澳大利亞等國要求海上深水石油鉆井必須具備完整的救援井方案并通過審查后才能進行鉆井作業(yè)［3-5］。伴隨著中國海油挺進深水，LW21-1-1井等多口深水井于2013年正式開鉆，為保證安全一般要求具備完善的備用救援井方案。然而，目前國內沒有海上救援井設計及作業(yè)相關的標準和規(guī)范，并且也沒有海上救援井作業(yè)經驗。因此，有必要對海上救援井設計和作業(yè)中的關鍵技術進行研究，以期對我國海上救援井設計和作業(yè)提供相應的指導和參考。

1 影響救援井設計的關鍵因素

1.1 救援井與常規(guī)定向井的區(qū)別

救援井主要是通過定向井作業(yè)建立與事故井之間的連接通道，通過向事故井泵入壓井液來控制事故井，并對事故井進行棄井作業(yè)。從1933年美國打成世界上第一口救援井至今，救援井存在于石油工業(yè)發(fā)展的整個歷程［6］。由于基本功能不同，救援井和常規(guī)定向井作業(yè)主要存在以下區(qū)別。

1）作業(yè)風險不同。除常規(guī)鉆井作業(yè)需要考慮的風險外，救援井作業(yè)必須考慮由事故井所帶來的風險，主要包括有毒氣體、熱輻射、羽狀流（因海底高壓噴出物形成的帶有初速度的海流）侵害等，因而救援井作業(yè)必須考慮選擇合適的井口位置，作業(yè)難度更大［6-8］。

2）中靶精度不同。井眼軌跡主要通過MWD（隨鉆測量）等測斜儀器所測量的井斜、方位等數(shù)據，結合測深進行相應的計算后獲得。由于存在計算方法誤差和測量誤差（傳感器精度、磁場重力場不均勻、BHA磁干擾、工具非線性誤差等），通過計算所獲得的井眼位置和實際井眼位置之間存在一定的不確定性（水平方向和垂直方向），且該不確定性隨著軌跡的延伸而增加。因此，探井的中靶誤差一般要求在60～120 m內，生產井的中靶誤差一般要求在30～60 m內，而救援井需要精確命中事故井井眼從而建立連通，一般要求中靶誤差小于0.3 m（圖1）。因此，傳統(tǒng)的 MWD、陀螺等測斜儀器無法滿足救援井軌跡的中靶要求，需要通過專門的測距工具確定救援井與事故井之間的相對位置，并實施連通作業(yè)［9-10］。

圖1 救援井與探井、生產井等常規(guī)定向井中靶誤差對比示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relief well's targeting error

3）作業(yè)流程不同。救援井作業(yè)的目的是為了建立和事故井之間的連接通道而實施壓井，最終完成對事故井的控制。同時在完成事故井的控制后，需要對事故井進行棄井作業(yè)。因此，與常規(guī)定向井作業(yè)相比，救援井多了壓井作業(yè)和棄井作業(yè)2個程序。

救援井和常規(guī)定向井作業(yè)在其他方面的區(qū)別也主要由以上3點衍生而來。本質上，救援井在常規(guī)定向井基礎上主要是增加了測距作業(yè)、連通作業(yè)和壓井作業(yè)。

1.2 救援井設計需要考慮的因素

基于上述救援井與常規(guī)定向井在作業(yè)風險、中靶精度及作業(yè)流程等方面的不同，救援井在設計過程中需要綜合考慮以下幾方面的因素：①基本設計中必須對救援井合適的井口位置進行分析，以滿足救援井作業(yè)的風險要求；②綜合考慮救援井軌跡設計及定向作業(yè)、測距作業(yè)、連通作業(yè)等幾方面的因素，以滿足救援井的中靶要求；③考慮救援井與事故井連通后如何實施壓井及棄井作業(yè)，以最終實現(xiàn)對事故井的控制。

除上述因素外，在救援井設計過程中還需要考慮救援井作業(yè)實施計劃、井眼相對位置不確定性、水力學設計及仿真、地面設備等因素，但因篇幅有限本文對此不作詳細分析。

2 救援井設計關鍵技術分析

2.1 救援井基本設計

1）救援井作業(yè)時機的確定。當井噴事故發(fā)生之后，是否進行救援井作業(yè)，需要綜合考慮以下幾方面的因素：①事故井是否著火，著火后能否滅火；②能否通過正常的循環(huán)通道封堵；③是否有H2S等有毒氣體噴出；④著火后能否進行壓井作業(yè)，是否能夠關井或者通過擠入、循環(huán)等手段封堵事故井；⑤井口是否失效，或者是否發(fā)生井口沉陷。

當確定現(xiàn)場無法實現(xiàn)事故井封堵時（如壓井／阻流管線失效、井口損毀失效、存在有毒氣體或嚴重污染、防噴器失效），必須啟動救援井方案，通過救援井進行壓井封堵作業(yè)。當無法確定事故井是否可以封堵時，可以通過帶壓起下鉆裝置或連續(xù)油管進行循環(huán)壓井作業(yè)，同時考慮進行救援井作業(yè)。

2）救援井數(shù)量的確定。救援井數(shù)量的確定一般需要考慮以下因素：①按照現(xiàn)有救援井設計及設備情況，使用1口救援井是否能完成事故井壓井作業(yè)；②1口救援井不能連通引起的時間延誤及環(huán)境方面的影響和2口及以上救援井帶來的經濟和環(huán)境安全方面的風險對比；③定向、測距及連通作業(yè)是否允許；④是否發(fā)生了嚴重的環(huán)境災難。

伴隨著測距、軌跡測量及定向技術的發(fā)展，使用1口救援井直接命中事故井的成功率大大提高，因此在技術要求允許的范圍內一般選用1口救援井。但是當事故井引發(fā)了嚴重的環(huán)境災難（如2010年BP墨西哥灣漏油事故），一般選擇2口及以上的救援井并配合地面干預同時進行。

3）井口位置的選擇。救援井離事故井越近，在鉆井設計、定向井作業(yè)、井眼位置不確定性消除等方面越具有明顯優(yōu)勢。但事故井如果爆炸著火，則潛在的風險（高溫、爆炸、有毒物）將對救援井存在較大的危害。同時，海上事故井噴出物形成的羽狀流甚至會導致救援井平臺傾覆。因此，救援井井口必須和事故井井口保持一定的安全距離。救援井井口位置選擇須考慮以下因素：①保險和規(guī)定要求；②地面或海底潛在的地質災害和障礙；③風、浪、流的影響；④著火事故井熱輻射及有毒氣體影響；⑤定向作業(yè)及測斜要求；⑥海上救援井作業(yè)須考慮氣體形成的羽狀流、作業(yè)平臺類型等因素的影響。

救援井井口宜選擇在地層穩(wěn)定和較為平坦，且不易發(fā)生地質災害的位置。為避免事故井噴出物對救援井作業(yè)的影響，應將井口設置在事故井區(qū)域正常季風、海浪、海流方向的上風上流方向或垂直方向。從保險的角度考慮，根據行業(yè)標準可接受的最小距離為距事故井457 m。如果可以證明無額外風險發(fā)生或無需支付高額保費時，一般要求這一距離不得小于122 m。對于海上救援井作業(yè)，由于考慮到平臺拋錨等因素，一般要求救援井距事故井在762 m以上。同時，救援井井口位置的選擇須考慮救援井井眼軌跡的設計要求。

2.2 救援井中靶設計

2.2.1 測距定位方案設計

1）測距工具的選擇。救援井測距工具主要用于確定救援井與事故井之間的相對距離及方位，以消除兩者間的相對位置誤差，保證救援井精確連通事故井建立循環(huán)通道。目前，主要有被動測距工具和主動測距工具2種測距工具應用于實際的救援井作業(yè)［11-12］。救援井被動測距工具是利用 MWD或測斜儀自帶的磁通門等傳感器檢測受目標井套管、鉆桿影響的大地磁場，然后由地面分析軟件對測量數(shù)據進行計算分析而獲得救援井和事故井之間的相對距離、方位等信息。救援井主動測距工具的基本原理如圖2所示：通過電極向地層中發(fā)射低頻交流電，地層和目標套管（鉆桿、落魚）導電率的巨大差異使電流在事故井套管上匯集；檢測匯集電流所產生的電磁場信號，并對數(shù)據進行計算分析后最終獲得救援井和事故井之間的相對距離、方位等信息。救援井主動測距工具和被動測距工具的性能對比見表1。

圖2 救援井主動測距工具基本原理Fig.2 Schematic diagram of the active ranging system

主動測距工具在理想工況下的最大探測距離可以達到60 m，且探測精度較高；而被動測距工具在理想工況下的最大探測距離一般不超過25 m（事先磁化套管可增加探測距離），且探測精度較差［13］。由于基本原理及作業(yè)方式不同，2種測距工具的不適應工況也有所不同，具體對比情況見表2。

表1 主動、被動測距工具性能對比Table 1 Performance comparison of the active and passive ranging tools

表2 主動、被動測距工具不適應工況對比Table 2 Working conditions comparison of the active and passive ranging tools

2）初始測距點位置的選擇。結合測距工具最大測距能力，初始測距點一般選在救援井和事故井相對誤差橢圓距離小于27 m處，并在初始測距階段可以以較大的切入角接近事故井，以盡快完成事故井的探測定位。

3）測距間隔的選擇。自探測到事故井套管后到救援井與事故井相距10～15 m前，測距間隔一般在30 m左右。當距離減小至15 m以內時，應逐漸縮短測距間隔，每9 m左右完成一次測距。在最后連通前，應根據現(xiàn)場實際定向井作業(yè)情況，適當縮小測距間隔以保證連通。救援井測距作業(yè)是一項繁瑣的過程，且耗費大量的時間，需要較大的耐心和細致的準備，一般情況下測距次數(shù)在10次左右。

2.2.2 連通方案設計

1）連通點位置的選擇。目前主要有2種選擇：①噴層頂部附近；②事故井最后一層套管鞋或落魚根部（±10 m范圍內）。如圖3所示，當事故井噴層附近有套管或落魚時，宜選擇噴層頂部作為首選連通點，該處易于實施壓井作業(yè)控制事故井井噴；當事故井噴層無套管或落魚等鐵質材料時，宜選擇最后一層套管鞋或落魚根部作為首選連通點。同時，連通點選擇應充分考慮以下因素：噴出物流道、噴出物及壓井液性能、連通點的地層特征及可鉆性、定向井軌跡限制、風險分析及成功的可能性。綜合以上因素最終選擇最可能成功及成本最低的連通點位置。

圖3 連通點首選位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of establishing kill point

2）連通方案的選擇。主要的連通方法有：直接連通（進裸眼、鉆穿套管）、射孔連通、壓裂連通、定向射孔＋壓裂連通。隨著救援井測距工具、測斜儀器的發(fā)展，可以實現(xiàn)對事故井井眼位置的精確定位，直接連通成功率大大提高。對于海上救援井作業(yè)，受甲板面積限制，無法展開大型壓裂設備。因此，除特殊工藝需要外，宜選用直接連通方式作為首選連通方案。不同工況下連通方案選擇見表3。

表3 不同工況下救援井連通方案選擇Table 3 Relief well communication ways selection in different working conditions

2.2.3 井眼軌跡設計及定向作業(yè)

1）救援井井眼軌跡設計。救援井宜選擇形狀簡單、易于施工的井眼軌跡，設計參數(shù)的選取應充分考慮地質構造和工具特性等因素的影響。常用的救援井井眼軌跡設計方案如圖4所示。

圖4 救援井井眼軌跡設計方案Fig.4 Design of relief well geometry

當設計連通點較深時，救援井一般采用“S”型剖面并采用路過（By-pass）事故井方式鉆進，如圖4中方案A。該方案的井眼軌跡分為4段：第1階段為正常鉆進階段，直到初始測距點；第2階段為測距階段，測距并引導救援井鉆進至距目標井6～15 m的位置，完成By-pass和精確測距，消除或縮小相對位置誤差；第3階段為近似平行鉆進階段，By-pass事故井后以較小的切入角（3°～8°）逐漸接近目標井，并在距離連通點約30 m處下入最后一層套管固井，該階段須適當提高測距頻率以保證救援井和事故井之間的最小安全距離，防止和事故井提前連通；第4階段為連通階段，根據最后測距結果調整井眼軌跡，直接命中目標建立連通。

當事故井過淺，或者設計連通點過淺及救援井井位必須設在較遠位置時，將導致救援井以較大的切入角接近事故井，如圖4中方案B、C。此時采用By-pass方式建立連通對定向井作業(yè)存在較大難度，一般采用直接打中目標的方式建立連通。由于此時切入角及井斜角均過大，無法使用主動測距工具，使得直接命中事故井的可能性降低。為提高命中概率，一般采用如圖4中方案C所示的模式進行救援井鉆進：首先鉆一個先導測量井眼，通過被動測距工具確定事故井的空間位置；然后回填，根據所獲得的事故井空間位置調整井眼軌跡，鉆連通井眼，打中事故井，建立與事故井之間的連通。

2）救援井定向作業(yè)。在實際救援井定向作業(yè)過程中，為保證測距作業(yè)順利進行，一般要求救援井軌跡最大井斜角小于60°，狗腿度小于4°／30 m。為提高救援井軌跡測量精度，減小和事故井之間的相對位置不確定性，一般避免設計救援井軌跡的方位在正東正西方向。同時，盡量避免進行大井斜角（＞75°）的定向作業(yè)。救援井套管程序一般參照事故井套管程序，可以和事故井套管程序一致，或者比事故井多一層套管以保證安全。此外，救援井定向作業(yè)需和測距作業(yè)配合，結合測距作業(yè)結果實時修正井眼軌跡。

2.3 救援井壓井作業(yè)

目前，救援井壓井作業(yè)一般采用動態(tài)壓井法實現(xiàn)對事故井的控制。動態(tài)壓井法基本原理是利用壓井液在事故井內流動時所產生的摩擦阻力，配合壓井液及海水靜液柱壓力使井底的流動壓力等于或略大于地層孔隙壓力，從而阻止地層流體進一步侵入井內，達到“動壓穩(wěn)”狀態(tài)；然后逐步替入加重鉆井液以實現(xiàn)完全壓井的目的，達到“靜壓穩(wěn)”狀態(tài)。具體的實施方案主要有以下3種：

1）以高泵速的動態(tài)壓井方式向地層泵入小密度鉆井液（一般為海水），先通過液柱靜態(tài)壓力及大排量流體流動所產生的壓耗平衡地層壓力，再泵入壓井用大密度鉆井液頂替海水，轉為靜態(tài)壓井，最后泵入水泥漿棄井；

2）以高泵速的動態(tài)壓井方式向地層泵入大排量小密度鉆井液（一般為海水），然后直接轉為水泥漿棄井；

3）根據設計計算好的排量泵入加重壓井液，平衡地層壓力，最后泵入水泥漿棄井。

3 結束語

海上救援井設計關鍵技術分析的部分研究成果已在南海LW21-1-1井等深水井的備用救援井方案設計中獲得成功應用，為我國海上深水井備用救援井方案設計提供了良好的技術指導。此外，本文開展的救援井基本設計（井口位置確定、數(shù)量確定）、中靶設計（測距作業(yè)、連通作業(yè)、定向井作業(yè)）及壓井作業(yè)等分析工作可以為國內救援井作業(yè)提供技術參考，具有較好的推廣應用價值。

［1］羅伯特.D.格雷斯.井噴與井控手冊［M］.高振果等譯.北京：石油工業(yè)出版社，2006：317-337.ROBERT D G.Blowout and well control handbook［M］.Translated by Gao Zhenguo，et al.Beijing：Petroleum Industry Publishing，2006：317-337.

［2］李峰飛，蔣世全，李漢興，等.救援井電磁探測工具分析及應用研究［J］.石油機械，2014，42（1）：56-61.Li Fengfei，Jiang Shiquan，Li Hanxing，et al.Analysis of electromagnetic probe of relief well［J］.China Petroleum Machinery，2014，42（1）：56-61.

［3］葉吉華，劉正禮，羅俊豐.深水鉆井設計的技術流程與工作方法［J］.中國海上油氣，2014，26（3）：93-118.Ye Jihua，Liu Zhengli，Luo Junfeng.Technical process and working method of deep water well drilling design［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（3）：93-118.

［4］BP.Deepwater horizon accident investigation report［R］.2010：1-15.

［5］任美鵬，李相方，劉書杰，等.新型深水鉆井井噴失控海底搶險裝置概念設計及方案研究［J］.中國海上油氣，2014，26（2）：66-71.Ren Meipeng，Li Xiangfang，Liu Shujie，et al.Research on the conceptual design of new seabed rescue equipment for uncontrolled blowout in deep water drilling［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（2）：66-71.

［6］WRIGHT J W.Advancements in technology and application engineering make the relief well a more practical blowout control option［R］.1993：1-10.

［7］KUCKES A F.Method of determining the location of a deepwell casing by magnetic field sensing：United States，4372398［P］.1980-11-04.

［8］John Wright Company.Technical library resource on blowout control［R］.1993：4-10.

［9］WILLIAM L，JAMES N T.LWD／MWD proximity techniques for relief well projects［J］.World Oil，2003（1）：27-31.

［10］楊興琴，于國華.應用LWD／MWD逼近測量技術加快救援井鉆井作業(yè)進度［J］.國外測井技術，2003，18（3）：33-36.Yang Xingqin，Yu Guohua.Using of LWD／MWD proximity techniques for relief well drilling［J］.World Well Logging Technology，2003，18（3）：33-36.

［11］Scientific Drilling.Mag TraC MWD ranging brochure［R］.2014：1-2.

［12］Vector Magnetics.Vector magnetics brochure［R］.2010：1-4.

［13］Halliburton-Sperry Drilling.A comparison of active and passive magnetic ranging techniques in a relief well application［R］.2012：2-21.