深水地平線事故三級井控技術(shù)應(yīng)用分析研究

李夢博， 許亮斌， 耿亞楠， 李迅科， 李根生， 羅洪斌

[1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249]

深水地平線事故三級井控技術(shù)應(yīng)用分析研究

李夢博1,2， 許亮斌1， 耿亞楠1， 李迅科1， 李根生2， 羅洪斌1

[1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249]

深水鉆井井噴被認為是深水油氣勘探開發(fā)過程中最嚴重的威脅之一。在發(fā)生深水鉆井井噴后選擇合適的三級井控技術(shù)至關(guān)重要，深水地平線井噴事故先后采用多種三級井控技術(shù)進行控制，其中前五種方式均失敗。針對深水地平線事故中采用的頂部壓井法和壓回法等非常規(guī)壓井作業(yè)開展研究，給出了頂部壓井法作業(yè)失敗的原因，對不同壓井模式的作業(yè)參數(shù)和優(yōu)缺點進行了分析，并提出了在方案優(yōu)選過程中需考慮的其他因素，以期為后續(xù)三級井控技術(shù)設(shè)計和成功作業(yè)提供理論指導(dǎo)。

深水鉆井；三級井控；頂部壓井法；壓回法；方案優(yōu)選

0 引 言

2010年4月20日美國墨西哥灣深水地平線鉆井平臺發(fā)生嚴重井噴失控事故，造成泄漏原油400萬桶，直接經(jīng)濟損失680億美元。BP公司嘗試多種三級井控技術(shù)進行控制，最終通過下入封井器，采用壓回法和底部壓井法實現(xiàn)永久封井[1]。事故發(fā)生后，國際上諸多研究單位和學(xué)者對事故開展研究和分析，但主要集中在井噴事故發(fā)生原因的調(diào)查和分析，而對井噴失控后三級井控技術(shù)的研究與分析相對較少[2]。深水地平線事故作為深水三級井控典型的案例，有必要針對現(xiàn)場作業(yè)情況開展詳細的分析。

本研究基于深水地平線作業(yè)數(shù)據(jù)，針對作業(yè)過程中采用的頂部壓井法和壓回法等非常規(guī)壓井作業(yè)，開展了作業(yè)參數(shù)的對比分析，研究不同壓井方式的作業(yè)參數(shù)特點及需考慮的其他因素，以實現(xiàn)最終壓井方案的優(yōu)選，該研究為后續(xù)三級井控技術(shù)設(shè)計和作業(yè)提供理論指導(dǎo)。

1 深水鉆井三級井控技術(shù)

三級井控是指二級井控失敗，井涌量大，最終失去控制導(dǎo)致井噴(地面或地下)，需要使用額外的特殊技術(shù)與設(shè)備才能恢復(fù)對井的控制[3—6]。目前主要的三級井控壓井方法包括置換法、壓回法、頂部壓井法和動態(tài)壓井法等，根據(jù)作業(yè)模式，可將這些壓井方法分為動態(tài)模式和靜態(tài)模式，如表1所示。靜態(tài)模式是指在深水井噴失控后，通過下入封井器等手段重新建立井口，利用重新建立的井口進行壓井作業(yè)；動態(tài)模式是指井噴失控無法關(guān)井，在地層流體持續(xù)噴出的條件下進行壓井作業(yè)。

表1 深水鉆井三級井控非常規(guī)壓井方法分類

在深水地平線事故三級井控作業(yè)過程中，作業(yè)者分別采用動態(tài)模式(頂部壓井法)和靜態(tài)模式(壓回法)進行壓井作業(yè)，其中動態(tài)模式壓井作業(yè)失敗，靜態(tài)模式壓井作業(yè)成功。本研究將針對該井所采用的不同壓井模式作業(yè)進行詳細的分析。

2 深水地平線事故頂部壓井作業(yè)分析

頂部壓井法作業(yè)是在井口持續(xù)有地層流體噴出的情況下，通過向井口或井筒上部泵入重壓井液進行壓井，其目的是通過向井噴流動通道中泵入足夠多的壓井液，其產(chǎn)生的壓力使井筒內(nèi)的流體停止流動，并強迫壓井液向井筒流動，最終通過壓井液的靜液柱壓力來平衡地層壓力，該壓井模式屬于動態(tài)模式壓井。在該井井噴事故中，作業(yè)者采用頂部壓井法與泵入封堵材料相結(jié)合的技術(shù)進行作業(yè)，其目的是通過封堵材料限制或封堵防噴器(BOP)附近的井噴流動通道，實現(xiàn)最終壓井作業(yè)成功。具體作業(yè)流程如圖1所示。

BP公司共進行了三次頂部壓井作業(yè)，均以失敗告終。頂部壓井作業(yè)情況如表2所示。在整個作業(yè)過程中，從未達到停止地層流體噴出所需要的壓力，主要原因是泥漿泵排量已達到上限。在排量為80bpm(1bpm≈2.65L/s)的條件下進行頂部壓井作業(yè)時，BOP處壓力從6300psi(1psi≈6.895kPa)下降到5600psi，而此時，已達到現(xiàn)場作業(yè)泥漿泵所能提供的最大排量，壓井液排量無法再增加。該井頂部壓井法作業(yè)設(shè)計的壓力曲線與實際壓力曲線對比如圖2所示。

圖1 深水地平線事故頂部壓井法作業(yè)流程圖Fig.1 Operation process of top kill in the Deepwater Horizon accident

圖2 深水地平線事故頂部壓井法作業(yè)設(shè)計壓力曲線與實際壓力曲線對比Fig.2 Comparison between design pressure curve and actual pressure curve in top kill operation in the Deepwater Horizon accident

日期作業(yè)參數(shù)作業(yè)情況2010?05?26>53bpm初始階段井口壓力降低，隨后趨于平緩，作業(yè)失敗2010?05?2725bpm+封堵材料作業(yè)失敗2010?05?2880bpm+封堵材料達到泵工作能力極限，無法增加壓井液排量，作業(yè)失敗

由于頂部壓井法是在地層流體持續(xù)噴出的情況下進行壓井，常規(guī)的數(shù)值模擬軟件無法準確模擬，我們將頂部壓井法作業(yè)時的井口流動通道簡化成一個節(jié)流閥來進行分析，則井口處的壓力和流量的關(guān)系可表示為

ΔpBOP=C(αqkill+βqblow)2(0≤α,β≤1),

(1)

式中: ΔpBOP為井口處的壓降，MPa；C為流量系數(shù)，表示元件對液體的流通能力；α和β為比例系數(shù)；qkill為壓井液排量，m3/s；qblow為地層流體井噴流量，m3/s。

在頂部壓井法作業(yè)過程中共存在三個狀態(tài): 作業(yè)之前，作業(yè)初期，作業(yè)成功。不同狀態(tài)下頂部壓井法井筒流動情況如圖3所示。

(a) 作業(yè)之前

(b) 作業(yè)初期

(c) 作業(yè)成功

在頂部壓井法作業(yè)之前，通過井口的流體全部為地層流體，此時α=0，β=1，式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

式中: ΔpBOP1為頂部壓井法作業(yè)之前井口處的壓降，MPa；C1為頂部壓井法作業(yè)之前井口處的流量系數(shù)。

在頂部壓井法作業(yè)初期，通過井口處的流體為壓井液和地層流體，此時式(1)可轉(zhuǎn)化為

(3)

當頂部壓井法作業(yè)成功后，通過井口處的流體全部為壓井液，此時式(1)可轉(zhuǎn)化為

(4)

將式(2)與式(4)聯(lián)立，整理可得頂部壓井作業(yè)成功所需的壓井液排量為

(5)

將式(3)與式(4)聯(lián)立，整理可得頂部壓井作業(yè)成功所需的壓井液排量為

(6)

圖4 深水地平線事故頂部壓井法作業(yè)過程中井口壓力與排量的關(guān)系圖Fig.4 Diagram of wellhead pressure and pump rate in top kill operation in the Deepwater Horizon accident

表3 深水地平線事故頂部壓井法作業(yè)參數(shù)

此外，由式(5)和式(6)可知，對井噴流量的預(yù)測直接影響壓井液排量的計算。如果井噴流量預(yù)測過小，則計算的壓井液排量無法滿足成功作業(yè)的要求。通過以上分析可得，對井噴流量預(yù)測值過低，在設(shè)計過程中未考慮沖蝕效應(yīng)，而泵工作能力又已達到極限是該井頂部壓井法作業(yè)失敗的主要因素。

3 深水地平線事故壓回法作業(yè)分析

該井壓回法的主要步驟為: 將作業(yè)船中的重泥漿通過鉆桿泵入海底，重泥漿通過與水下防噴器連接的壓井管線流入井筒，重泥漿迫使井筒內(nèi)的原油和天然氣流回地層，當確定重泥漿的靜液柱壓力能夠平衡地層壓力時，重復(fù)該步驟，泵入水泥，實現(xiàn)永久封固油井，作業(yè)情況如圖5所示。

圖5 深水地平線事故壓回法作業(yè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of bullheading operation in the Deepwater Horizon accident

(7)

式中: dp為壓力變化，Pa； dV為流體體積變化，m3；Vi為流體初始體積，m3；Cl為流體等溫壓縮系數(shù)，Pa-1。

將流體體積的變化轉(zhuǎn)換成流量與時間的關(guān)系，上式可轉(zhuǎn)化為

(8)

式中:qkill為壓井液的排量，m3/s；qleak為流體進入地層的流量，m3/s。

由式(8)可以看出井筒內(nèi)壓力變化主要取決于壓井液排量、流體進入地層的流量以及流體等溫可壓縮系數(shù)。在該井壓回法作業(yè)過程中，由于井筒與地層連通性好，在作業(yè)初期井筒流體便流入地層，降低了井筒內(nèi)流體的壓力變化，井口壓力僅升高35psi便開始下降，大大降低了井口壓力以及帶來的井筒完整性風險。

圖6給出了不同水深不同壓井管線尺寸條件下壓回法作業(yè)泵壓的變化，由圖可知，泵壓隨壓井管線尺寸的增加而明顯降低，以1000m水深為例，6-5/8英寸管線泵壓比3英寸管線泵壓降低了32%。因此，在水深和泵功率一定的條件下，采用大尺寸泵入管線可大大降低泵壓，提高泵排量，降低作業(yè)安全風險，提高作業(yè)成功率。深水地平線事故的壓井作業(yè)均采用6-5/8英寸鉆桿作為壓井管線。

圖6 深水地平線事故泵入管線尺寸與泵壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between pump line size and pump pressure

4 深水鉆井三級井控技術(shù)方案優(yōu)選

深水地平線事故在下入封井器后，曾考慮置換法壓井，但由于井筒內(nèi)流體可壓縮性過低，最終放棄該方案而采用壓回法壓井。由此可見，深水鉆井三級井控不同壓井方式其作業(yè)參數(shù)均有不同的特點，適應(yīng)于不同的條件，選擇最優(yōu)的壓井方案對于成功壓井至關(guān)重要。

表4給出了深水地平線事故不同壓井模式作業(yè)參數(shù)對比，通過對比分析可知，采用靜態(tài)模式壓井，其壓井液密度、壓井液排量和壓井作業(yè)時間等參數(shù)均小于動態(tài)模式，但是，由于靜態(tài)模式實現(xiàn)了井口封閉，井口承壓要大于動態(tài)模式，這給作業(yè)過程中的井筒完整性問題帶來了巨大的風險，容易引起地層的漏失。因此，在兩種模式都能保證壓井成功的前提下，需綜合分析作業(yè)參數(shù)和相關(guān)的作業(yè)風險，優(yōu)選最終的壓井方案。

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表4 深水地平線事故不同壓井模式作業(yè)參數(shù)對比

*1ppg≈0.1198g/cm3。

表5給出了壓回法、置換法、頂部壓井法和動態(tài)壓井法的作業(yè)參數(shù)對比。由于置換法存在多輪次的泵入、置換和放噴，所需的作業(yè)時間最長，此外由于氣體運移置換到井口，最大井口壓力比壓回法更高。頂部壓井法雖然無需打救援井或下入封井器，作業(yè)最易實現(xiàn)，但所需要的泵壓、排量和壓井液用量最大，對泥漿泵工作能力要求最高，且作業(yè)時間長，作業(yè)風險高?；诰仍膭討B(tài)壓井作業(yè)由于是在井口有流體持續(xù)噴出的情況下壓井，所需的排量和壓井液用量均較大，但由于大排量導(dǎo)致壓井液可迅速在井筒建立井底壓力，因此，除去打救援井的時間，動態(tài)壓井的作業(yè)時間較短。

表5 深水鉆井三級井控不同壓井方法優(yōu)缺點對比

除了進行作業(yè)參數(shù)優(yōu)選和對比之外，還需根據(jù)特定的現(xiàn)場作業(yè)條件進行綜合的分析，從而確定最終的壓井方案?，F(xiàn)場作業(yè)主要考慮以下幾個因素。

(1) 壓井液用量。作業(yè)方法的選擇應(yīng)考慮壓井液的用量，在現(xiàn)場應(yīng)急救援船壓井液儲量較小時，則應(yīng)考慮下入封井器，采用靜態(tài)模式壓井。

(2) 泥漿密度窗口。置換法由于存在多輪次的泵入、置換和放噴，所需的泥漿密度窗口較大，不適合窄泥漿密度窗口的作業(yè)。壓回法則應(yīng)考慮泵入速度的影響，以防止泵排量過大壓漏地層。動態(tài)模式壓井也應(yīng)合理地設(shè)計泵入排量，防止過大排量產(chǎn)生的摩擦壓降壓漏地層。此外，在下入封井器后應(yīng)進行井筒完整性測試，保證作業(yè)不會壓漏地層。

(3) 壓井泵工作能力。固井泵由于泵入排量的限制，不適合動態(tài)模式的非常規(guī)壓井作業(yè)。而采用泥漿泵進行壓井應(yīng)考慮計算泵壓是否會超過其額定泵壓。

(4) 流動管線壓力等級。目前泵入管線的壓力等級大部分為15000psi，能夠滿足現(xiàn)場非常規(guī)壓井的作業(yè)要求。如果管線壓力等級不夠，則需考慮優(yōu)選其他的壓井方法。

(5) 井口情況及壓力等級。當井口不適合下入封井器時，則應(yīng)考慮動態(tài)模式進行壓井。靜態(tài)模式的井口壓力等級主要取決于封井器的井口壓力等級，目前大部分封井器的井口壓力等級為15000psi，能夠滿足壓回法和置換法的作業(yè)要求。

(6) 儲層特性。儲層特性尤其是滲透率的值也對壓井方案的優(yōu)選產(chǎn)生重要的影響。壓回法往往適合于高滲儲層的壓井作業(yè)。如果溢流氣體為酸性氣體，對人和設(shè)備可能產(chǎn)生很大危害，建議采用壓回法作業(yè)。

基于以上分析，深水鉆井井噴后三級井控壓井方案的選擇，不但需對不同方案進行精確的數(shù)學(xué)分析，對比不同方法的作業(yè)參數(shù)，還需綜合考慮壓井液用量、作業(yè)時間、裝備壓力等級以及地層特性等因素，優(yōu)選最終的壓井方案。

5 結(jié) 語

(1) 本研究基于節(jié)流閥模型建立了頂部壓井法數(shù)學(xué)模型，并對深水地平線事故頂部壓井法作業(yè)進行了分析，計算結(jié)果表明井噴流量預(yù)測值小于實際值、未考慮沖蝕效應(yīng)的影響、泵工作能力達到極限是作業(yè)失敗的主要因素。該模型可用于頂部壓井法井噴流量的計算和作業(yè)參數(shù)的設(shè)計。

(2) 在水深和泵功率一定的條件下，采用大尺寸泵入管線可大大降低泵壓，提高泵排量，降低作業(yè)安全風險，提高作業(yè)成功率。

(3) 靜態(tài)模式壓井的壓井液密度、排量和壓井作業(yè)時間等參數(shù)均優(yōu)于動態(tài)模式，但井筒完整性風險更大。在實際作業(yè)過程中需綜合分析不同壓井方法的作業(yè)參數(shù)和壓井液用量、作業(yè)時間、裝備壓力等級以及地層特性等因素，優(yōu)選最終的壓井方案。

[1] BP. Deepwater horizon accident investigation report [R]. 2010.

[2] Morten E. Summary and conclusions: deepwater horizon accident [R]. 2011.

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[5] David W. Advanced well control [M]. Richardson: Society of Petroleum Engineering, 2003.

[6] Abel W. Kill operation requires thorough analysis [J]. Oil & Gas Journal, 1995,93(20): 32.

ResearchonApplicationofDeepwaterDrillingTertiaryWellControlTechnology:TakingDeepwaterHorizonBlowoutAccidentasanExample

LI Meng-bo1,2, XU Liang-bin1, GENG Ya-nan1, LI Xun-ke1, LI Gen-sheng2, LUO Hong-bin1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Deepwater drilling blowout is considered to be the most serious threat in the process of deepwater oil and gas exploration and development. Choosing an appropriate tertiary well control method plays an important role when deepwater drilling blowout happens. For the Deepwater Horizon accident, a variety of tertiary well control technologies have been adopted to control the blowout, while five of them failed. In this paper, we conduct a research based on the top kill method and bullheading method used in the Deepwater Horizon accident. The reason of failure of top kill method is given, and the operation parameters and the advantages and disadvantages of different pressure well kill pattern are analyzed. Furthermore, we put forward the factors that should be considered in the process of plan optimization, which will provide theoretical guidance for subsequent design and successful operation of tertiary well control technology.

deepwater drilling; tertiary well control; top kill; bullheading; plan optimization

2017-03-19

第七代超深水鉆井平臺(船)創(chuàng)新專項

李夢博(1987—)，男，博士，主要從事深水鉆井、井控、控壓鉆井等方面的研究。

A

2095-7297(2017)03-0125-06