深水鉆井重大事故防控技術(shù)研究進(jìn)展與展望*

董星亮

(中海石油(中國)有限公司 北京 100010)

近年來全球50%的重大油氣勘探發(fā)現(xiàn)來自深水海域，深水海域已經(jīng)成為國際上油氣勘探開發(fā)的重要接替區(qū)。我國南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，石油地質(zhì)儲(chǔ)量為(230～300)×108t，其中70%蘊(yùn)藏于深水海域。國外深水(水深大于500 m)油氣開發(fā)始于20世紀(jì)70年代，目前比較成熟的深水開發(fā)區(qū)塊主要集中在西非、巴西及墨西哥灣[1-2]。

與陸地和淺水鉆井相比，深水鉆井具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的特點(diǎn)，存在諸多技術(shù)難題：嚴(yán)苛的海況條件；深水海底低溫高壓對(duì)鉆井液流變性、水泥漿固井的影響；地層孔隙壓力和破裂壓力之間窗口窄；淺層氣、淺層水、天然氣水合物、不穩(wěn)定的海床等淺層地質(zhì)災(zāi)害[3]；地層呼吸效應(yīng)、節(jié)流壓井管線摩阻計(jì)算、隔水管安全余量小等。因此，深水鉆井風(fēng)險(xiǎn)防控不當(dāng)容易造成井噴、燃爆等事故發(fā)生。據(jù)SINTEF海上井噴數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，1980—2016年僅美國墨西哥灣外大陸架、挪威和英國北海海域已發(fā)生295起井噴事故，其中60%以上發(fā)生在鉆完井階段，尤其以2010年“深海地平線”井噴、爆炸、漏油事件最為嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失超過680億美元[4]。因此，在深水油氣開采過程中，井噴等重大事故的預(yù)防不可忽略。自“深海地平線”事件后，國際上針對(duì)深水井控和應(yīng)急救援，從監(jiān)管機(jī)構(gòu)、法律法規(guī)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、應(yīng)急救援技術(shù)等方面做了大量改革和加強(qiáng)，已初步形成水下應(yīng)急封井應(yīng)急救援體系。

我國南海深水油氣開發(fā)起步較晚，2012年鉆成第一口自營深水井，與國外相比落后了近40年。除井噴風(fēng)險(xiǎn)外，我國南海深水油氣開采還面臨特有的臺(tái)風(fēng)挑戰(zhàn)。我國南海臺(tái)風(fēng)突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生頻率高，因此臺(tái)風(fēng)期一般通過回收全部隔水管撤離避臺(tái)，如果避臺(tái)作業(yè)不當(dāng)，將大大增加工期、作業(yè)支出及鉆井平臺(tái)和作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。2017年，南海海域作業(yè)的鉆井平臺(tái)“南海六號(hào)”遭受“卡努”臺(tái)風(fēng)影響，造成2根錨鏈斷裂、平臺(tái)移位偏離659 m、艏向變化45°、3根水下BOP導(dǎo)向樁彎曲變形或斷裂。因此，筆者調(diào)研分析了世界上深水油氣開采重大事故防控技術(shù)研究取得的技術(shù)成果，并展望了我國深水鉆井重大事故防控技術(shù)下一步研究方向，以期為我國建立深水油氣開發(fā)重大事故防控技術(shù)體系提供參考。

1 深水鉆井井噴防控技術(shù)

1.1 井噴早期智能預(yù)警技術(shù)

考慮到深水鉆井環(huán)境的特殊性，根據(jù)深水鉆井與常規(guī)淺水鉆井、陸地溢流監(jiān)測傳感器安裝位置的不同，深水鉆井一般在水上、水中、水下井口及井下進(jìn)行溢流早期監(jiān)測。水上監(jiān)測法主要是以鉆井平臺(tái)井口返出情況、泥漿池增量參數(shù)為監(jiān)測依據(jù)，以提高泥漿池液面、井筒液面、進(jìn)出口流量、壓力等監(jiān)測精度，另外通過井口聲波或壓力波等機(jī)械波及其回波監(jiān)測氣侵[5]。由于深水鉆井隔水管的存在，在水中或者水下井口可以比水上更早發(fā)現(xiàn)溢流。海底泥線附近是海水段溢流監(jiān)測的有利位置，及早發(fā)現(xiàn)井下溢流，防止大量氣體進(jìn)入隔水管對(duì)井控非常有利?；诖藘?yōu)勢(shì)，業(yè)內(nèi)發(fā)展了聲波監(jiān)測法、隔水管超聲波監(jiān)測法、壓差監(jiān)測法、水下機(jī)器人觀察法等多種溢流早期監(jiān)測方法[6]。井下監(jiān)測可第一時(shí)間監(jiān)控地層流體侵入井筒，將監(jiān)測傳感器安裝在鉆柱上，可實(shí)現(xiàn)井下隨鉆監(jiān)測。井下隨鉆監(jiān)測法有隨鉆環(huán)空壓力測量(APWD)、隨鉆測井(LWD)、隨鉆地層測試(FTWD)、井下微流量測量、隨鉆超聲波流量測量技術(shù)等。“十二五”期間，依托國家863課題，中國海油牽頭成功研制了深水表層無隔水管鉆井井下溢流監(jiān)測技術(shù)[7]，該技術(shù)通過隨鉆測量環(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓、環(huán)空溫度，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)；當(dāng)發(fā)生溢流時(shí)，隨鉆監(jiān)測到的環(huán)空壓力和ECD數(shù)值降低，同時(shí)結(jié)合井下環(huán)空溫度輔助判斷井眼工況。

圖1 基于水上、水下、井下多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合井噴智能監(jiān)測方法原理

隨著智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，深水鉆井作業(yè)逐漸形成了基于歷史鉆井大數(shù)據(jù)的水上、水下、井下多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合監(jiān)測方法(圖1)，該方法的原理是水上、水下、井下監(jiān)測單元將監(jiān)測參數(shù)傳輸至智能化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)建模和歷史井涌監(jiān)測數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)信源多樣性的決策利用。多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合監(jiān)測技術(shù)可實(shí)時(shí)將各種風(fēng)險(xiǎn)工況特征與各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)波動(dòng)情況進(jìn)行綜合分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動(dòng)變化符合某種風(fēng)險(xiǎn)特征規(guī)律時(shí)，分析平臺(tái)自動(dòng)快速、準(zhǔn)確識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，判斷風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度并報(bào)警。

1.2 水下井口應(yīng)急封堵技術(shù)

深水鉆井水下井口失控后需要一套封堵井口并回收溢流的應(yīng)急系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能包括：井口封堵，輸送溢油分散劑和水合物抑制劑，油氣收集、傳輸、處理、儲(chǔ)存和卸載等。目前MWCC、Helix、Wild 等井控公司研發(fā)了油井封井回收系統(tǒng)[8]，如MWCC公司研發(fā)的MWCS系統(tǒng)包括數(shù)艘油氣收集船只和一整套水下封井回收設(shè)備(圖2)，可以收集并控制海面以下3 000 m水深處最多每天10萬桶石油的泄漏。

圖2 MWCS系統(tǒng)示意圖

一套海上油井封井回收系統(tǒng)包括海底系統(tǒng)(水下應(yīng)急封井器、海底工具包、海底分散劑和水合物抑制劑傳輸系統(tǒng)、水下液壓動(dòng)力單元、海底部署/運(yùn)行工具)，管線、立管、臍帶纜、管匯，模塊化的收集船或收集船只，模塊化舷或干舷等。其中，水下應(yīng)急封井器是封井和(或)引導(dǎo)井噴油氣流體的最關(guān)鍵設(shè)備，主要功能包括：關(guān)井，將事故井隔離；提供向井筒注入壓井液的通道；提供向井筒注入化學(xué)藥劑通道；監(jiān)測井筒關(guān)鍵參數(shù)；控流操作時(shí)用作回流的分流器。水下應(yīng)急封堵裝置可以進(jìn)行關(guān)井、分流、壓井、分散劑注入等操作，最早應(yīng)用于2010年墨西哥灣“深海地平線”事故的搶險(xiǎn)救援，如圖3所示[9]。

圖3 Macondo漏油事件使用的水下應(yīng)急封井裝置[9]

水下應(yīng)急封井裝置主要部件包括閘板防噴器、閘板閥門、井口連接器、分流四通、管道連接器、節(jié)流閥、ROV操作面板、上部芯軸等。2014年7月API頒布了《API RP 17W水下應(yīng)急封井裝置》[10]，該規(guī)范內(nèi)容涉及水下應(yīng)急封井裝置的設(shè)計(jì)、制造、使用、存儲(chǔ)、維護(hù)和測試等，并將水下應(yīng)急封井裝置的基本類型分為2類(圖4)。第1類封蓋型式水下應(yīng)急封井裝置封井以后井筒能保持壓力完整性；對(duì)于井筒可能在關(guān)井過程中失去壓力完整性的情況，應(yīng)使用第2類封蓋與分流型式水下應(yīng)急封井裝置。

墨西哥灣漏油事件之后，國際上成立的多家公司共研制出約17套水下應(yīng)急封井裝置，并布置在世界各主要海洋石油開采區(qū)(表1)，由應(yīng)急救援組織/公司以及油氣公司所有，主要技術(shù)參數(shù)見表2[11]。

圖4 水下應(yīng)急封井裝置示意圖

所有者類型數(shù)量存儲(chǔ)位置服務(wù)區(qū)域MWCC聯(lián)盟3德克薩斯洲Ingleside美國墨西哥灣HWCG聯(lián)盟2休斯頓，德克薩斯洲Ingleside美國墨西哥灣OSPRAG聯(lián)盟1阿伯丁英國大陸架OSRL聯(lián)盟4巴西，挪威，新加坡，南非全球(不含美國水域)WWCI組織2阿伯丁，新加坡全球(含美國水域)Shell作業(yè)者3阿拉斯加，阿伯丁，新加坡全球(僅限Shell)BP作業(yè)者2休斯頓，安哥拉全球(僅限BP)；安哥拉裝置僅供BP安哥拉公司。

表2 典型水下應(yīng)急封井裝置的技術(shù)參數(shù)[11]

1.3 深水救援井技術(shù)

救援井通常為搶救井噴、著火的井而設(shè)計(jì)施工的定向井[12]，如圖5所示。世界上第一口救援井是1934年在東德克薩斯康羅油田鉆成的，我國南海1986年開展過救援井作業(yè)，后因成功關(guān)井只打完一開就停鉆。

救援井關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面：

1) 井位優(yōu)選。救援井井位選擇要考慮如下因素：①受法律法規(guī)、保險(xiǎn)、合同限制；②海底或海底地形及障礙物影響，通?？紤]在經(jīng)過井場調(diào)查的區(qū)域；③海洋環(huán)境影響，風(fēng)向、流向、海浪和冰期；④事故平臺(tái)火災(zāi)熱輻射面積或者H2S擴(kuò)散范圍；⑤淺層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，特別是淺層氣、淺層水、天然氣水合物等；⑥定向井和測斜要求；⑦鉆機(jī)類型，應(yīng)便于鉆井裝置就位、供應(yīng)船?？考爸鄙w機(jī)起降,采用錨泊定位時(shí)需要考慮拋錨作業(yè)；⑧若失控井位于井口平臺(tái)，還需要考慮其他井眼干擾；⑨宜使井眼軌跡簡單且便于施工作業(yè)。英國油氣行業(yè)協(xié)會(huì)給出了根據(jù)風(fēng)向和海流窗口選擇井位的方法[13]，如圖6所示。

圖5 典型救援井示意圖

圖6 考慮井場調(diào)查、風(fēng)向、海流等因素的救援井井位選擇[13]

2) 井下連通作業(yè)。救援井連通方式主要包括用鉆頭直接鉆穿、水力壓裂、低壓酸化、射孔或爆破等。一般情況下，當(dāng)井噴井連通位置下有套管時(shí)，應(yīng)采用探測鉆穿(攔截方式)連通；當(dāng)井噴井是裸眼井時(shí)，可采用其他方式連通。不管采用哪一種方式，都需要精確控制位置誤差在允許范圍內(nèi)。測量誤差主要來自井口誤差、深度誤差、井斜誤差、方位誤差，目標(biāo)井和救援井的不確定性橢圓對(duì)位置精度控制十分重要。目前采用減少系統(tǒng)精度方法，在安全條件允許下盡量縮短井口間距離，減小救援井的井斜和井深，盡可能用高精度工具復(fù)測套管段。

3) 救援井壓井。壓井是決定救援井能夠?qū)崿F(xiàn)目的的關(guān)鍵一步，恢復(fù)井眼內(nèi)壓力平衡，即井底壓力等于或稍大于地層壓力，并且還必須把地層進(jìn)入井眼中的流體安全地排出井眼，或安全地再壓回地層。壓井的原則是保持井底常壓，即壓井過程中井底壓力略大于地層壓力并且使井內(nèi)壓力保持不變[14]。深水鉆井離岸較遠(yuǎn)，救援井壓井需要的壓井液體積較大，因此對(duì)應(yīng)急鉆井船的壓井液儲(chǔ)存能力和泵送能力提出更高的要求。在進(jìn)行救援井動(dòng)態(tài)壓井方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合進(jìn)行救援井作業(yè)的鉆井船作業(yè)能力(泥漿泵能力、泥漿池容量等)，模擬多種井況下多種壓井方案，優(yōu)選泵排量小、所需壓井液體積小、壓井時(shí)間短、套管鞋處壓力小的方案作為推薦方案。

4) 棄井。由于被救援井中有可能存在鉆具、井壁坍塌、救援工具等復(fù)雜情況，因此救援井固井和棄井要考慮：若被救援井壓井后具備重入的條件，則重新安裝被救援井井口，從被救援井進(jìn)行棄井，并根據(jù)被救援井的套管完整性情況建立井筒與地層的有效封隔；若被救援井壓井后不具備重入的條件，則根據(jù)情況可考慮通過救援井注入水泥漿進(jìn)行棄井。

2 深水油氣開采防臺(tái)應(yīng)急技術(shù)

2.1 南海臺(tái)風(fēng)對(duì)深水鉆井的影響

南海海域臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，常規(guī)避臺(tái)技術(shù)和方案在深水尤其是超深水區(qū)域難以實(shí)施。常規(guī)的避臺(tái)方案時(shí)間長，作業(yè)繁瑣，后期復(fù)原時(shí)間長，嚴(yán)重影響鉆完井時(shí)效。部分土臺(tái)風(fēng)生成時(shí)中心位置處于臺(tái)風(fēng)應(yīng)急情況警報(bào)等級(jí)中的“撤離準(zhǔn)備”階段(距離井位以內(nèi)500 km的半徑范圍內(nèi))，平臺(tái)無法按照常規(guī)的避臺(tái)策略回收全部隔水管撤離，導(dǎo)致鉆井作業(yè)計(jì)劃推遲，影響深水鉆井平臺(tái)的使用及海上油氣開發(fā)的進(jìn)程。

自2006年6月中國南海開啟深水鉆井作業(yè)進(jìn)程至今，由于對(duì)臺(tái)風(fēng)對(duì)中國南海水海作業(yè)影響估計(jì)不足，沒有針對(duì)中國南海的臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)制定專門的應(yīng)對(duì)方案，鉆井平臺(tái)多次發(fā)生因臺(tái)風(fēng)引起的事故，對(duì)鉆井平臺(tái)和隔水管系統(tǒng)造成一定的損壞，經(jīng)濟(jì)損失慘重。2006年8月，深水鉆井船“Discoverer 534”在抗擊臺(tái)風(fēng)“派比安”過程中隔水管從轉(zhuǎn)盤面處折斷，平臺(tái)月池受損，超過1 000 m的隔水管以及防噴器組墜落海底，損失慘重。2009年9月，“West Hercules”在臺(tái)風(fēng)“巨爵”的襲擊下，平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)失控，導(dǎo)致平臺(tái)在懸掛隔水管狀態(tài)下被推向淺水區(qū)，隔水管系統(tǒng)觸底損壞嚴(yán)重[15]。

臺(tái)風(fēng)期深水鉆井的作業(yè)效率也大打折扣。例如，臺(tái)風(fēng)期作業(yè)的BY13-2-1井因處理井筒和隔水管系統(tǒng)造成的非作業(yè)時(shí)間達(dá)到15.64 d，占作業(yè)工期的30%；LW21-1-1作業(yè)水深2 451 m，按照常規(guī)的鉆井方式，由于無法實(shí)現(xiàn)回收隔水管避臺(tái)作業(yè)，因此該井在完成表層井段的作業(yè)之后暫停了鉆井作業(yè)，等到臺(tái)風(fēng)期過后再進(jìn)行改進(jìn)的后續(xù)作業(yè)[16]。實(shí)際上，隨著水深的增加，在應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)時(shí)常規(guī)的避臺(tái)措施很難操作，當(dāng)水深超過1 500 m時(shí)，臺(tái)風(fēng)準(zhǔn)備時(shí)間超過6 d，而目前天氣預(yù)報(bào)的水平只能達(dá)到4～5 d的預(yù)報(bào)精度，因此在超深水領(lǐng)域進(jìn)行常規(guī)避臺(tái)難度較大。此外，南海的臺(tái)風(fēng)期很長，一般是從每年的6月持續(xù)到11月，按照現(xiàn)有的避臺(tái)模式，在這期間將無法進(jìn)行超深水領(lǐng)域的鉆完井作業(yè)。因此，針對(duì)中國南海的環(huán)境條件，如何保證平臺(tái)和隔水管等鉆井系統(tǒng)的安全，如何高效避臺(tái)是困擾深水鉆井的難題。

2.2 深水鉆井防臺(tái)策略和應(yīng)對(duì)方案

面對(duì)臺(tái)風(fēng)對(duì)作業(yè)的影響，平臺(tái)決策的基本原則是保護(hù)人員安全、保護(hù)油氣井安全、保護(hù)設(shè)備安全、保證恢復(fù)作業(yè)的安全和高效。一般條件下，按照以下原則做好撤離準(zhǔn)備[17-18]：保護(hù)井口；解脫隔水管下部總成(LMRP， Lower Marine Riser Package)并回收所有隔水管；移船至安全區(qū)域。緊急條件下，如臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度超過預(yù)期計(jì)劃，無法按照正常計(jì)劃完成所有撤離前的準(zhǔn)備工作，可以采用以下原則做好撤離準(zhǔn)備：保護(hù)井口；解脫LMRP懸掛隔水管；移船至安全區(qū)域。對(duì)于是否允許懸掛隔水管進(jìn)行撤離，在南海深水鉆井作業(yè)初期具有爭議。根據(jù)Transocean的作業(yè)原則，臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境條件下通過可靠的設(shè)計(jì)和正確的操作(考慮軟懸掛模式、增加撓性接頭懸掛、增加隔水管和轉(zhuǎn)噴器之間的環(huán)空防止干涉等)，允許進(jìn)行隔水管懸掛撤離。

懸掛鉆井隔水管系統(tǒng)的安全性是深水、超深水避臺(tái)的關(guān)鍵問題。國外在相關(guān)設(shè)計(jì)與作業(yè)安全評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了長期深入的研究，取得了一系列研究成果，并頒布了標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和推薦做法。例如，API Spec16F、API RP16Q、API RP2RD、DNV-OS-F201等[19-20]為鉆井隔水管海上作業(yè)設(shè)計(jì)校核提供了基本的參考依據(jù)；2H-Offshore、Stress Engineering、MCS等專業(yè)設(shè)計(jì)公司擁有隔水管在線分析評(píng)估軟件，同時(shí)研制了實(shí)時(shí)在線的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)下懸掛隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測，如圖7所示。

圖7 隔水管監(jiān)測及在線評(píng)估系統(tǒng)

國外在懸掛隔水管應(yīng)對(duì)惡劣天氣和海況方面有些應(yīng)用案例，也開發(fā)了部分隔水管作業(yè)工具[21-22]。隔水管懸掛對(duì)海況適應(yīng)性有一定的要求，采用何種懸掛方案，需要在前期進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)校核；在現(xiàn)有的設(shè)備工具基礎(chǔ)上，研發(fā)專門的隔水管懸掛工具或者安裝隔水管監(jiān)測系統(tǒng)，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。不管采用何種措施，懸掛上千米的隔水管抗臺(tái)或者避臺(tái)都是一種高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。應(yīng)用案例表明，鉆井船在懸掛隔水管避臺(tái)撤離過程中，航行速度多維持在0.3～0.6節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆井船在不懸掛隔水管時(shí)的航速(3節(jié)以上)，很難滿足避臺(tái)期間快速離開臺(tái)風(fēng)路徑的要求。

為了進(jìn)一步提高避臺(tái)效率，國外提出了人工海底深水鉆井(ASDD，Artificial Seabed Deepwater Drilling)[23-24]，如圖8所示。ASDD是在海平面以下300 m左右安裝一個(gè)大浮筒(即人工海底)，將海底井口、防噴器安裝在浮筒上，由浮筒為其以下的立管系統(tǒng)提供浮力支撐，同時(shí)還要承擔(dān)其上部的井口及防噴器的載荷。這種作業(yè)方式可以實(shí)現(xiàn)近似淺水的水下井口鉆完井作業(yè)，在臺(tái)風(fēng)等惡劣工況下由于人工海底距離平臺(tái)只有300 m左右，隔水管從人工海底解脫之后能夠很快地回收所有的隔水管，鉆井船可以迅速做好應(yīng)急避臺(tái)的準(zhǔn)備工作。但是這種鉆井方案存在一定的井控風(fēng)險(xiǎn)，防噴器以下上千米的高壓鉆井隔水管在惡劣海況下一旦發(fā)生破壞，可能發(fā)生嚴(yán)重的溢油事故，由于海底沒有井口裝置，后期的補(bǔ)救作業(yè)難度較大，同時(shí)前期的浮筒安裝工期也較長，限制了它在深海的應(yīng)用。

圖8 人工海底深水鉆井示意圖[23-24]

針對(duì)南海深水鉆井避臺(tái)技術(shù)需求，中國海油提出了一種新型液壓懸掛式避臺(tái)技術(shù)方案(圖9)[16]，能夠在緊急情況下實(shí)現(xiàn)隔水管系統(tǒng)的快速懸掛。該技術(shù)方案包括：懸掛系統(tǒng)，包括能夠降低鉆井船升沉對(duì)懸掛隔水管的軸向動(dòng)態(tài)載荷、具有升沉補(bǔ)償功能的懸掛舉升裝置，能夠提高懸掛隔水管的承載能力并同時(shí)降低懸掛部分轉(zhuǎn)噴器外殼之間的干涉專用的小尺寸懸掛短節(jié)；監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)施反饋隔水管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，使得作業(yè)者能夠了解隔水管的真實(shí)狀態(tài)，并及時(shí)調(diào)整懸掛方案，以實(shí)現(xiàn)隔水管懸掛撤離期間對(duì)鉆井船航行速度的優(yōu)化控制，為深水鉆井應(yīng)急防臺(tái)提供一種可靠的備用解決方案。此外，提出了適應(yīng)深水鉆井現(xiàn)場環(huán)境條件的隔水管水下監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)，避免了臺(tái)風(fēng)惡劣海況下有線傳輸?shù)姆爆嵶鳂I(yè)，利用聲吶多通道傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下鉆井隔水管多位置多狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程無線回傳，為現(xiàn)場預(yù)警決策提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，確保了隔水管系統(tǒng)及鉆井船的安全。

圖9 擬采用的新型隔水管懸掛技術(shù)方案(懸掛工具和監(jiān)測裝置)[16]

3 下一步研究方向

我國深水油氣開采重大事故防控技術(shù)與國外仍有巨大差距，且在南海開發(fā)過程中還面臨臺(tái)風(fēng)等特有的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步推動(dòng)深水油氣開采重大事故防控技術(shù)體系建立，建議從以下幾方面開展深入研究：

1) 開展深水油氣開采重大安全事故演化災(zāi)變機(jī)理研究。圍繞深水油氣開發(fā)泄漏、燃爆、臺(tái)風(fēng)、井噴等重大生產(chǎn)、自然事故，通過揭示事故發(fā)生、危機(jī)發(fā)展、災(zāi)變轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)致災(zāi)過程，揭示深水油氣開采泄漏、燃爆多災(zāi)源連鎖風(fēng)險(xiǎn)及災(zāi)變演化機(jī)理和自然災(zāi)害下(臺(tái)風(fēng))海洋油氣開采系統(tǒng)損毀災(zāi)變演化機(jī)理，由此建立面向?yàn)?zāi)變關(guān)鍵因素的事故載荷與承載體動(dòng)態(tài)耦合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并通過對(duì)災(zāi)變演化關(guān)鍵過程節(jié)點(diǎn)的安全屏障，構(gòu)建深水油氣開采重大事故災(zāi)變綜合防控理論體系。

2) 研究深海井噴智能預(yù)警技術(shù)?？紤]深水環(huán)境和井筒流體等復(fù)雜因素影響，研制出非介入式超聲波探測水下早期溢流裝置和海面隔水管內(nèi)液面監(jiān)測裝置，構(gòu)建起基于海面早期溢流監(jiān)測設(shè)備、泥漿池增量、井口隔水管內(nèi)液面監(jiān)測與水下溢流早期監(jiān)測、BOP溫度壓力檢測和井下隨鉆錄測井?dāng)?shù)據(jù)的“三位一體”綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合目標(biāo)井海域歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)提出多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合分析及溢流識(shí)別算法，研制出深水井噴智能預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)而形成深水井噴智能預(yù)警技術(shù)體系。

3) 研制水下應(yīng)急封井裝置。水下應(yīng)急封井裝置是水下應(yīng)急救援系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置。針對(duì)國內(nèi)尚無針對(duì)水下井口應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的相關(guān)技術(shù)與裝備，安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)的問題，通過引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，建立系統(tǒng)分析模型，完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，深入開展配套設(shè)備研究，研制出水下應(yīng)急封井裝置并研究配套安裝工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下應(yīng)急封井裝置關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，提升我國海洋應(yīng)急裝備制造水平及應(yīng)急控制救援能力。

4) 形成成套的深水救援井設(shè)計(jì)和作業(yè)技術(shù)體系。研制一套井下連通探測定位工具，開展海上救援井關(guān)鍵技術(shù)、工藝、工具研發(fā)及實(shí)鉆試驗(yàn)，掌握救援井關(guān)鍵技術(shù)，形成深水救援井技術(shù)和作業(yè)能力。

5) 研究適宜南海海況的新型防臺(tái)應(yīng)急技術(shù)及裝備。將硬懸掛與隔振減振相結(jié)合，有效控制船體和懸掛隔水管干涉，充分考慮海上平臺(tái)操作空間受限的因素，研制出操作方便并具有減小隔水管軸向振動(dòng)的懸掛系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)長隔水管柱隨鉆井船升沉產(chǎn)生的軸向動(dòng)態(tài)載荷的緩解，降低懸掛隔水管失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高懸掛隔水管對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)能力，為深水鉆井實(shí)施防臺(tái)撤離提供應(yīng)急設(shè)備和可靠的技術(shù)方案。

6) 搭建深水油氣開采事故應(yīng)急救援平臺(tái)?；诂F(xiàn)有的應(yīng)急管理系統(tǒng)及海洋鉆完井作業(yè)支持及輔助決策系統(tǒng)，建立起即時(shí)獲取事故信息的海洋油氣開采事故(井噴失控)專業(yè)應(yīng)急救援平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控、救援資源動(dòng)態(tài)跟蹤、救援過程輔助支持、決策及事故處置過程復(fù)演、后評(píng)估的實(shí)時(shí)在線高效應(yīng)急救援平臺(tái)。系統(tǒng)建成后還可用于正常生產(chǎn)過程中的重點(diǎn)項(xiàng)目(井)、高風(fēng)險(xiǎn)井的井噴預(yù)防、監(jiān)控、專家在線支持等，為海上安全作業(yè)提供技術(shù)支持和保障，提高作業(yè)的安全性。

[1] 江懷友，潘繼平，魯慶江，等.世界海洋石油工業(yè)勘探現(xiàn)狀與方法[J].石油知識(shí),2008(5):7-9.

[2] LLOYD’S.Drilling in extreme environments:challenges and implications for the energy insurance industry[R].Lloyd’s Report,2011.

[3] 孫振純,夏月泉,徐明輝.井控技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1997:1-3.

[4] BP.Deepwater horizon accident investigation report[R].BP Incident Investigation Team,2010.

[5] 殷志明,張紅生,周建良,等.深水鉆井井噴事故情景構(gòu)建及應(yīng)急能力評(píng)估[J].石油鉆采工藝,2015,37(1):166-171.

YIN Zhiming,ZHANG Hongsheng,ZHOU Jianliang,et al.Scenario design of blowout accidents in deepwater drilling and emergency capacity assessment[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(1):166-171.

[6] 冉萬元.深水鉆井溢流監(jiān)測信號(hào)分析與模擬實(shí)驗(yàn)[D].成都:電子科技大學(xué)，2016.

[7] 李迅科,周建良,李嗣貴，等.深水表層鉆井動(dòng)態(tài)壓井裝置的研制與應(yīng)用試驗(yàn)[J].中國海上油氣,2013,25(6):70-74.

LI Xunke,ZHOU Jianliang,LI Sigui,et al.Development and application test of the dynamic killing unit for deep water top-hole drilling[J].China Offshore Oil and Gas,2013,25(6):70-74.

[8] MADRID M ,MATSON A.How offshore capping stacks work[J].Journal of Petroleum Technology,2014,10(1):25-27.

[9] LINGO D.Capping and pressure protection,post Macondo[C].12th Offshore Mediterranean Conference and Exhibition,Italy：2015.

[10] API.API RP 17W Recommend practice for subsea capping stacks[S].Washington,DC,API,2014.

[11] RASSENFOSS S.Deepwater spill control devices go global[J].Journal of Petroleum Technology,2012,64 (7):48-53.

[12] BRUIST E H.A new approach in relief well drilling[R].SPE 3511,1972.

[13] Oil & Gas UK.Guidelines on relief well planning subsea wells[S].UK:The United Kingdom Offshore Oil and Gas Industry Association Limited,2012.

[14] RUDI R R S,MUCHARAM L,DARMAWAN A,et al.Dynamic killing parameters design in undergroud blowout well[R].SPE 115287,2008.

[15] 中海石油深海開發(fā)有限公司,中海油研究總院,中海油田服務(wù)股份有限公司.海洋鉆井防臺(tái)風(fēng)安全應(yīng)急技術(shù)及裝備實(shí)施方案[R].深圳:中海石油深海開發(fā)有限公司,2017.

[16] 盛磊祥,王榮耀,許亮斌,等.南海超深水井鉆井隔水管懸掛模式的環(huán)境適應(yīng)性分析[J].中國海上油氣，2016,28(4):114-119.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.018.

SHENG Leixiang,WANG Rongyao,XU Liangbin,et al.Analysis of suitability of drilling riser hang-off modes in the typhoon condition of South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):114-119.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.018.

[17] SHENG Leixiang,XU Liangbin,ZHOU Jianliang,et al.Experience on deepwater drilling riser about hang-off modes in typhoon condition of South China Sea[C].OTC 26616-MS,2016.

[18] SARUHASHI T,SAWADA I,KYO M,et al.Planning and feedback for deepwater drilling riser operation in high currents,typhoons and cold front [C].OTC 25182-MS,2014.

[19] API .API RP 16Q Recommended practice for design selection operation and maintenance of marine drilling riser system[S].USA:API,2017.

[20] API.API Spec 16F Specification for marine drilling riser equipment[S].USA:API,2004.

[21] WILLIANS D.Optimization of drilling riser operability envelopes for harsh environments[C].OTC 20775,2010.

[22] PATEL H,MAN P,KORN M,et al.Safety enhancement to offshore drilling operations[C].OTC 22758,2011.

[23] SAGLAR N,TOLEMAN B,THETHI R,et al.Frontier deepwater developments:the impact on riser systems design in water depths greater than 3000m[C].OTC 25840,2015.

[24] SARUHASHI T,SAWADA I,KYO M,et al. Planning and feedback for deepwater drilling riser operation in high currents,typhoons and cold front[C].OTC 25182,2014.