海洋井噴失控應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)

苗典遠(yuǎn)，霍宏博，羅黎敏，孟 瑄，林家昱，王 贊

1.中海油能源發(fā)展有限公司，天津300459

2.中海石油（中國(guó)） 有限公司天津分公司，天津300459

我國(guó)海洋油氣資源豐富，且尚處于勘探開發(fā)早中期，是當(dāng)前重要的油氣勘探領(lǐng)域，也是未來(lái)油氣勘探和增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要來(lái)源。但海洋油氣勘探開發(fā)作業(yè)存在較高風(fēng)險(xiǎn)，一旦井噴失控將引起災(zāi)難性事故，且失控后處理存在諸多難點(diǎn)[1-8]，其處理措施主要有：其一，井噴著火井口的割斷、拆除；其二，割斷井口的安裝重建；其三，海洋井噴的控制、處理；其四，海洋井控應(yīng)急設(shè)備還需滿足海洋鉆井平臺(tái)、拖輪或者生產(chǎn)平臺(tái)的安裝需求[9-10]。

為了預(yù)防海洋井噴失控造成的嚴(yán)重后果，研發(fā)了液氮暫時(shí)冷凍技術(shù)、失控井口割斷裝備和破斷井口防沖蝕帶壓快速搶裝裝備，用于解決海洋井噴失控的治理；另外研制了鉆井井噴大型模擬裝置，以檢驗(yàn)設(shè)備能力和提高隊(duì)伍作業(yè)水平。

1 流動(dòng)通道液氮冷凍暫堵技術(shù)

低溫氮?dú)饫鋬鰰憾略O(shè)備是用于油氣井修井搶險(xiǎn)中的特殊工具[9]，其包括：帶壓鉆孔暫堵劑擠注系統(tǒng)、液氮存儲(chǔ)系統(tǒng)、冷凍劑溫度控制系統(tǒng)、冷凍劑泵入系統(tǒng)等。其原理是由高壓注入系統(tǒng)將暫堵劑逐層注入套管環(huán)空和油氣管內(nèi)部，再利用液氮對(duì)暫堵劑進(jìn)行冷卻。當(dāng)暫堵劑被冷卻后，暫堵劑將形成橋塞密封套管環(huán)空和油管流動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)壓力隔離。封閉點(diǎn)以上可實(shí)現(xiàn)壓力屏障，為更換采油氣井口或部分閘閥作業(yè)隔離井內(nèi)高壓。該技術(shù)的核心在于低溫恒溫連續(xù)流，保證對(duì)冷卻套管的均勻、安全、平穩(wěn)的降溫，保證封堵效果，液氮冷凍暫堵設(shè)備見圖1。

圖1 液氮冷凍暫堵系統(tǒng)

該裝備體系還可推廣應(yīng)用到老井井口帶壓維修等井口隱患治理領(lǐng)域，可改變傳統(tǒng)的停產(chǎn)壓井維修方式，可提高安全性和作業(yè)效率。液氮冷凍暫堵設(shè)備相比傳統(tǒng)的“干冰配合甲醇”方式，具有冷凍時(shí)間短、智能加注、溫度可控、高強(qiáng)度封堵、無(wú)毒無(wú)害、不可燃、更加安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

用冷凍暫堵設(shè)備分別對(duì)直徑3.5、4、5、5.5in（1in=25.4 mm） 鉆桿進(jìn)行了功能測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見圖2。在系統(tǒng)額定工作壓力50 MPa、橋塞承壓能力52 MPa、冷卻溫度零下80 ℃時(shí)，4 種鉆桿的冷卻時(shí)間分別為1.75、2、2.5、3 h，試驗(yàn)結(jié)果良好。

圖2 冷凍暫堵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2 海洋失控井口遠(yuǎn)程割斷裝備

海洋失控井口割斷裝備包括多功能搶險(xiǎn)機(jī)械臂和井口切割組塊，其中功能搶險(xiǎn)機(jī)械臂為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的三次折疊+六節(jié)伸縮+伸縮結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)巧妙運(yùn)用四連桿增大旋轉(zhuǎn)角度，底盤設(shè)計(jì)為伸縮式支腿。在折疊狀態(tài)，機(jī)械臂尺寸僅為2.5 m，而其伸展長(zhǎng)度可達(dá)到21 m，設(shè)備全貌見圖3。

圖3 失控井口遠(yuǎn)程割斷裝備全貌

海洋失控井口遠(yuǎn)程割斷裝備為我國(guó)自主研發(fā)，是全世界唯一適用于海洋環(huán)境的遠(yuǎn)距離多功能移動(dòng)清障設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)模塊化移運(yùn)與快速動(dòng)員。該設(shè)備獨(dú)立的底盤結(jié)構(gòu)和緊湊型外形尺寸使該設(shè)備達(dá)到公路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，各結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的精確受力分析計(jì)算保證了自展式支腿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)多節(jié)油缸內(nèi)部管路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及布管也為井噴應(yīng)急治理提供了技術(shù)保障。

井口切割組塊可依托超高壓磨料射流切割，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控操作，最大限度確保了人員和設(shè)備的安全，切割效率高，為海上井噴井口的遠(yuǎn)距離清障切割提供了有效作業(yè)手段，為后續(xù)裝備升級(jí)和深入研究提供了可靠參考，通過搭載多功能配件，能夠起到切割井噴失控井口、清除井口障礙、輔助井口恢復(fù)的作用，整體設(shè)備示意見圖4。

圖4 磨料射流遠(yuǎn)程割斷系統(tǒng)

現(xiàn)有的磨料射流切割噴嘴持續(xù)時(shí)間短，無(wú)法持續(xù)到失控井口切割結(jié)束，而更換噴嘴將導(dǎo)致重復(fù)切割，海上井噴治理時(shí)間窗口極窄，機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝。通過自主研制高壓磨料射流切割噴嘴，重點(diǎn)解決噴嘴內(nèi)部磨料加速受力研究、噴嘴結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選及內(nèi)部流道設(shè)計(jì)、噴嘴選材及燒結(jié)工藝優(yōu)選等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出高性能納米級(jí)耐磨噴嘴，并成功完成了現(xiàn)場(chǎng)切割應(yīng)用。設(shè)備與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比見表1。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，納米級(jí)噴嘴在250 MPa 工作壓力下，耐沖蝕壽命已超過6 h，可連續(xù)切割3 ～4口井，突破性地提高了現(xiàn)有切割設(shè)備作業(yè)能力，顯著提高了海上井噴搶險(xiǎn)作業(yè)效率[11]。

表1 高壓射流耐磨噴嘴性能對(duì)比

3 海洋井口快速搶裝裝備

井口被割斷后僅剩余套管，而防噴器與套管的連接需要可快速安裝的套管頭，快速搶裝套管頭示意見圖5。該套管頭采用分體式結(jié)構(gòu)，分為上、下兩部分，由鎖緊裝置連接。預(yù)先將快裝搶險(xiǎn)套管頭上半部分與防噴器通過鉸鏈連接，下半部分采用錐形分瓣式結(jié)構(gòu)的套管卡瓦，可自動(dòng)對(duì)光套管進(jìn)行中心定位并在光套管上安裝。井噴發(fā)生時(shí)通過翻轉(zhuǎn)防噴器將其扣裝到井口上，可快速準(zhǔn)確完成搶裝作業(yè)[12]。該裝備還設(shè)計(jì)了帶外檐法蘭鋼圈及防沖蝕的保護(hù)殼體，固定在防噴器底法蘭上，可有效解決鋼圈難以安裝和沖蝕的問題[13]。

圖5 快速搶裝套管頭

重建井口裝備在實(shí)施關(guān)井或壓井作業(yè)時(shí)耐壓可達(dá)35 MPa，承受有效載荷1 500 kN，為光套管條件下的高壓力油、氣井實(shí)施壓井搶險(xiǎn)作業(yè)提供了有力的技術(shù)保障。同時(shí)，搶險(xiǎn)作業(yè)人員可在井口下方完成搶險(xiǎn)作業(yè)，為人員的生命安全提供了有效保護(hù)。

4 仿真井噴實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備

發(fā)生井噴失控后，井控?fù)岆U(xiǎn)設(shè)備固然重要，熟練的操作隊(duì)伍也是應(yīng)急搶險(xiǎn)的關(guān)鍵。為檢驗(yàn)設(shè)備可靠性，并提高搶險(xiǎn)隊(duì)伍操作能力，依托已有實(shí)驗(yàn)井場(chǎng)，研發(fā)了具備井噴應(yīng)急搶險(xiǎn)演練，特種搶險(xiǎn)裝備研發(fā)與實(shí)驗(yàn)、救援井模擬以及搶險(xiǎn)人員訓(xùn)練的綜合基地。依托井控應(yīng)急救援實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)重建井口裝備展開研究、試驗(yàn)和反復(fù)演習(xí)，不但檢驗(yàn)了設(shè)備的可靠性，也形成了具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的海洋搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍。

為檢驗(yàn)海洋失控井口割斷裝備和海洋破斷井口防沖蝕帶壓快速搶裝裝備的效果，通過模擬井噴實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)應(yīng)急搶險(xiǎn)工藝的實(shí)際操作能力[14-17]。而目前國(guó)內(nèi)外模擬井大多只能起到觀摩效果，存在井噴時(shí)間短、無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)井噴、氣體與鉆井液混合不均勻、井噴效果不理想等問題，導(dǎo)致無(wú)法滿足井噴仿真的要求。

仿真井噴實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備利用節(jié)流原理，通過雙泥漿泵+空壓機(jī)+出口節(jié)流，使得管體內(nèi)腔形狀發(fā)生改變，高壓水和高壓氣體在氣水混合腔室混合后，經(jīng)環(huán)空節(jié)流腔室憋壓，形成高速氣水混合物噴出井口。

該設(shè)備無(wú)需做繁復(fù)的準(zhǔn)備工作。在泥漿泵、空壓機(jī)、循環(huán)水泵和儲(chǔ)滿水罐就位待機(jī)的情況下，只要按先后順序啟動(dòng)空壓機(jī)- 泥漿泵，往模擬井口裝置中注氣和注水，即可實(shí)現(xiàn)模擬井涌、井噴，通過調(diào)節(jié)注氣和注水排量，在注氣量20 m3/min 和注水量5 m3/min 以上時(shí)，水柱噴高可達(dá)45 m 以上，在視覺和聽覺等方面，仿真效果極為明顯，對(duì)鍛煉應(yīng)急隊(duì)伍、檢驗(yàn)海洋三級(jí)井控應(yīng)急治理裝備效果起到了很好的作用，也證明了海洋三級(jí)井控應(yīng)急治理裝備的能力。搶險(xiǎn)設(shè)備應(yīng)急演習(xí)見圖6。

圖6 搶險(xiǎn)設(shè)備應(yīng)急演習(xí)

5 結(jié)論與建議

海洋井噴應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)的研發(fā)可為未來(lái)中深層油氣田安全高效勘探開發(fā)提供有力的技術(shù)保障，其應(yīng)用除產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益外還為海洋鉆井井噴的治理提供了手段，避免了災(zāi)害事故的發(fā)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用提出以下建議：第一，井控應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)是一級(jí)、二級(jí)井控技術(shù)的備用技術(shù)，海洋井控技術(shù)還應(yīng)以一級(jí)、二級(jí)井控為主；第二，冷凍暫堵、井口切割、井口重建等技術(shù)既是互相銜接的技術(shù)體系，又可在特定應(yīng)急時(shí)刻單獨(dú)使用；第三，在應(yīng)急演習(xí)中發(fā)現(xiàn)，井控應(yīng)急隊(duì)伍的建設(shè)和井控設(shè)備研發(fā)同樣重要，需要在實(shí)戰(zhàn)中鍛煉搶險(xiǎn)隊(duì)伍；第四，海洋井噴應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)未來(lái)將向著無(wú)人化、智能化方向發(fā)展。