深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Engineering Department of CNOOC, Beijing 100010, China） Abstract Deepwater oil and gas development faces enormous risks and challenges. Especially when blowout out of control ac- cident occurs in the development process, the emergency rescue will be very difficult. Scenario design approach for major accidents is used to build blowout scenarios in the drilling of a deepwater exploratory well in the South China Sea, covering the whole process from overflow to blowout out of control, fire and explosion of plat, plat overturn and sinking, underwater emergency well shut-in and relief well digging, spilled oil recycling and ecological restoration. The demands for engineering technology, equipment and staff for the emergency rescue are analyzed and uated and suggestions on the research of emergency rescue technology in the next stage in China are provided. The research results can be a reference for the independent building of emergency rescue engineering technique system in well control of deepwater drilling in China. Key words deepwater drilling; blowout out of control; emergency rescue; scenario design; capability uation 基金项目“十二五” 国家科技重大专项课题 “深水钻完井工程技术 （编号2011ZX05026-001） ” ；国家安全生产应急救援指挥中心项目 “海 上钻井平台井喷事故情景构建” 部分研究成果。 作者简介殷志明， 1980 年生。主要研究方向为深水钻完井技术的研究， 博士。电话010-84525427。E-mailyinzhm。 海洋蕴藏着丰富的油气资源， 开发深海油气既 有广阔的前景， 同时也面临着巨大的风险和挑战， 尤 其是在油气开发过程中发生井喷失控事故， 后果将 非常严重， 应急处置将十分困难。据 SINTEF 统计 的 19802008 年海上井喷事故中 80.4 是在钻井 工程中发生的［1］。近几年来， 连续发生了多起诸如 2009 年 PTTEP 澳大利亚平台井喷事故、 2010 年 BP 墨西哥湾事故、 2011 年雪佛龙巴西漏油事故、 2012 年雪佛龙尼日利亚井喷平台倾覆事故、 2013 年 7 月 Walter 油气公司的平台火灾事故等重大海上钻井事 故。特别是 BP 墨西哥湾 Macondo 事故， 地层油气 通过井筒和防喷器（BOP） 持续喷出 87 d。事故造成 11 人失踪、 17 人受伤， 泄漏到墨西哥湾中的原油超 过了 54.5 万 t， 经济损失超过 480 亿美元， 成为美国 167殷志明等深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估 历史上最严重的漏油事件， 事故发生后公众对环境 保护和井喷失控应急响应要求也给行业和政府带来 很大的压力［2］。 重大突发事件情景构建是对突发灾害事件的一 种合理的设想， 是对不确定的未来灾难开展应急准 备的一种战略性思维工具。最早是“9 1l” 恐怖袭 击事件之后， 美国政府提出并制定了国家应急规划 情景。由于深水油气开发复杂海洋环境、 地层特性 以及敏感的地缘政治， 基于深水钻井井喷事故情景 的应急预案制定有助于提高处理复杂和交叉连锁事 件协调能力， 对井喷事故进行有效的预防、 准备、 响 应和恢复， 提高应急能力。另外还可为应急培训、 演 练规划的依据和要求［3］。 在开展国内外事故调研分析基础下构建了事故 情景， 梳理应对技术及装备， 并对国内外资源调研及 可用性分析， 对下一步发展研究的建议。 1 井喷失控事故简介 井喷事故发生时公司正在用第 6 代深水钻井 平台进行深水探井 C 井钻井作业［4］， 在完成钻探后 进行负压测试， 用海水顶替井筒及隔水管内油基泥 浆时， 油气侵入井筒引起井喷事故， 平台发生火灾 爆炸， 平台倾覆沉没， 大量原油溢出。C 预探井所 在勘探区块水深介于 1 5003 000 m， 面积为 9 729 km2， 该勘探区块距离香港、 越南和菲律宾较近， 如 果发生原油泄漏， 则可能对此区域造成影响。事 故情景简表及与 BP 深水地平线事故对比如表 1 所示。 表 1 深水钻井井喷事故情景 项目BP 深水地平线事故本案例 发生地点 墨西哥湾 Mississippi Canyon 252 区块探井， 水深 1 521 m， 油气层深度 5 596 m。 南中国海某深水预探井， 水深 2 500 m， 井深 4 000 m。 伤亡情况11 死， 17 伤10 死， 20 伤 疏散人口平台 126 人平台 180 人 钻机井筒损失平台沉没、 油井废弃平台沉没、 油井废弃 环境污染54.5 万 t 原油流入大海21.8 万 t 原油流入大海 经济损失＞ 470 亿美元3000 亿元人民币 多时发生多次事件的可能性可能性小可能性小 恢复时间35 年35 年 2 井喷事故演化过程 井喷事故演化过程也包括潜伏期（负压测试） 、 显现期（溢流、 井涌） 、 爆发期（井喷失控、 平台火灾 与爆炸、 平台倾覆、 大量溢油） 、 减弱期（救援井连通， 事故源得到有效控制） 、 消退期 （生态治理、 股价恢复、 社会关注减少）5 个阶段。如图 1 所示。 图 1 深水钻井井喷事故演化过程 2.1 井喷失控过程模拟分析 溢流和井喷的根本原因是地层和井眼系统的压 力失去平衡， 并且安全屏障缺失， 当对地层孔隙压力 掌握不清， 或由于某些外力及人为因素造成钻井液 柱压力降低， 使静液柱压力小于地层孔隙压力较多 时， 将导致溢流和井喷。为了保持地层与井眼系统 的压力平衡， 在现场作业中， 应使钻井液柱压力略大 于地层孔隙压力， 防止地层流体侵入井眼内。 在钻井作业中， 某些外力可能会引起液柱压力 升降变化， 为了保持地层与井眼系统的压力平衡， 在 现场是使钻井液柱压力略大于地层孔隙压力。建立 下列平衡式 phpppe （1） 式中， ph为钻井液静液柱压力， MPa；pp为地层孔隙 压力， MPa；pe为平衡安全附加压力， MPa。 深水钻井发生溢流的原因［5-6］主要包括（1） 地 层压力预测不准确， 钻遇高压地层；（2） 浅层气体溢 出；（3） 隔水管破裂；（4） 钻井抽吸引起溢流。在井喷 情景中可能有很多种路径， 取决了地层流体和井口 间的安全屏障， 但主要的初始溢流路径有（1） 通过钻 柱和井眼环空， 连接海底井口到海面隔水管到海面； （2） 通过钻柱内环空流向海面；（3） 井筒中没有钻柱， 溢流流体通过井筒和隔水管到达海面；无隔水管钻 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期168 井时， 特别是深水表层钻井作业， 溢流流体从海底直 接流出；（4） 通过井眼和钻柱之间的环空， 无隔水管钻 井或者 BOP 有泄漏， 溢流流通从海底溢出。 2.1.1 失控模拟采用三级井控模拟软件 OLGA ABC 建模模拟事故发生过程。基本数据南海某 深水井水深 2 400 m, 井深 4 000 m, 泥线附近温度 为 2.37 ℃， 预测井底温度约为 81 ℃ , 地温梯度 5.29 ℃ /100 m, 钻井液密度 1.14 g/cm3, 采气指数取 500 m3/（d kPa） 。 由于地层压力预测不准确， 在钻井起钻过程中 产生抽汲压力， 使井底压力小于地层压力 12 MPa， 等效井筒压力下气体侵入情况。 2.1.2 主要模拟结果 （1） 井筒气体体积分数及井筒流体密度随时间变 化。由图 2 可知， t1 min 时， 地层气体刚开始侵入 井筒， 而 3 500 m 以上井筒内气体百分比基本没有变 化， 没有气体侵入；t15 min 时， 气体已经上升到海 底；t32 min 时， 气体到达海面井口区。 图 2 起钻抽汲引起溢流后环空自由气百分比及环空 流体密度随时间变化 （2） 进入井筒气体速率随时间变化。 如图3所示， t1 min 时， 气体进入 580 m3/min；t15 min 时， 气体 进入 3 000 m3/min；t32 min 时， 气体进入 7 200 m3/ min。 （3） 套管鞋处压力随时间变化。由于流动摩阻的 影响， 在气体到达海底泥线 015 min 内， 套管鞋处 压力从 36 MPa 降低到 34 MPa；但是当气体通过海 底 BOP 后， 套管鞋处压力急剧下降， 32 min 时， 套管 鞋处压力 20 MPa；50 min 后， 套管鞋处压力降为 8 MPa。 （4） 井底压力随时间变化。 从气体侵入井筒开始， 井底压力降低， 在气体到达海底泥线 1 min 时， 井底 压力为 42 MPa；32 min 时， 井底压力 24 MPa；50 min 后， 井底压力降为 6 MPa。 （5） 泥浆池增量变化。从气体侵入井筒开始， 泥 浆池增量不断增加， 到 50 min 时达到最大。 从气体侵入井筒开始， 气体侵入速率不断增加， 15 min 为 15 m/s， 到 32 min 时为 60 m/s， 失控后到 50 min， 侵入速度不断增加， 达到 200 m/s。 2.1.3 分析工况 假设平台在发生负压试压或者隔 水管破裂， 在整个井筒环空中形成双梯度效应， 即海 底泥线以上隔水管环空中为海水密度， 而泥线以下 到井底为钻井液。 井筒气体体积分数比随时间变化t1 min 时， 地层气体刚开始侵入井筒， 而 3 500 m 以上井筒内 气体百分比基本没有变化， 没有气体侵入；t11 min 时， 气体已经上升到海底；t24 min 时， 气体到达海 面井口区。 同理计算得到其他各种采气指数和溢流路径 下气体到达海底和海面的时间如下表 2 所示， 由分 析可知， 气体到达海面时间与水深、 井深和地层压力 （采气指数） 相关。但一般如果发生溢流， 不采取井口 控制， 2030 min 气体就会运移到海面。 表 2 不同工况下溢流气体到达海底及海面时间 工况溢流路径 采气指数 / m3 （d kPa）–1 到达海底 时间 /min 到达海面 时间 /min 工况 1环空5001532 工况 2 环空 3001834 5001124 800818 钻杆内5001123 2.2 井喷天然气扩散及燃爆风险分析 井喷失控后大量天然气从井口喷出与空气形成 可燃混合气云， 当在可燃范围内被点燃， 可能引发气 云爆炸并发展为喷射火， 对平台设备、 人员等构成极 图 3 进入井筒气体速率随时间变化规律 169殷志明等深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估 大威胁。建立简化平台模型及天然气扩散、 燃爆模 型， 模拟分析特定场景下井喷天然气燃爆超压、 火焰 高温、 热辐射发展特性及各危害指标对平台设备、 作 业人员影响。 2.2.1 几何模型及边界条件 以深水半潜式钻井平 台基本结构为依据建立三维计算仿真模型如图 5。 采用 Fluent 前处理器 Gambit 分块网格划分法划分 计算域网格， 通过设置尺寸函数对井口区域进行网 格加密， 模型非结构体网格如图 6 所示。 图 5 深水半潜式钻井平台模型 图 6 网格模型 基础数据天然气主要成分为甲烷（87.9） 和 乙烷气体 （12.1） ， 井口温度为 38 ℃， 井口压力为 0.4 MPa， 风速 6 m/s （全年平均风速） ， 大气温度为 37 ℃， 常压。假设燃爆过程中持续井喷， 点火源位于井口 附近， 采用弱点火方式， 可燃气云燃烧为单步完全反 应， 忽略辐射换热损失。 计算过程分为 3 步（1） 引入风速计算稳定风场， 采用对数律风廓线方程［9］表征风速随距离海平面高 度的变化；（2） 引入泄漏源计算井喷气体喷射扩散过 程， 确定可燃气云空间分布；（3） 引入点火源计算可燃 混合气云燃爆过程， 分析燃爆超压、 高温、 热辐射发 展特性及伤害范围。 2.2.2 井喷天然气燃爆超压场分析 井喷可燃气体 燃爆生成的高温、 高压、 高能量密度气体产物以极高 的速度向周围膨胀， 使周围空气压力、 密度和温度突 跃升高， 产生球形超压冲击波向四周扩散冲击。 图 7 为 3 kPa 超压等值面空间分布， 压力波面覆 盖钻台大部分区域。表 3 为不同气井产量下燃爆超 压冲击波最大覆盖半径（以井口为中心计算） ， 随着 气井产量增加， 相同超压等值面覆盖范围更大。以 气井产量 36.2108 m3/a 为例， 距离井口 4.80 m 范 围内， 燃爆超压超过 10 kPa， 根据爆炸超压破坏伤害 准则［7］， 此范围内人员将受到较大伤害， 钻台结构、 井口设备、 管线等将受到轻微损坏， 部分设备受到严 重损坏。爆燃超压 6 kPa 冲击波最大半径为 7.13 m， 此范围内燃爆超压不会对钻台设备造成明显损坏， 对作业人员有轻微伤害， 冲击波可能将作业人员击 倒。超压低于 2 kPa 不会对人员造成伤害， 燃爆中 心 27.98 m 外区域为安全区域， 生活区处于安全区 域内。 图 7 井喷天然气燃爆超压场 表 3 不同产量下燃爆超压冲击波覆盖半径 m 气井产量 / 108 m3 a–1 超压等值面 /kPa 1210864321 36.23.074.805.257.13 12.46 17.03 27.98 34.59 23.12.843.454.486.32 10.40 13.75 22.16 30.46 11.51.011.221.732.203.485.028.56 16.67 图 4 负压试压引起溢流后环空自由气百分比及环空 流体密度随时间变化 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期170 2.2.3 井喷天然气燃爆温度场分析 图 8 为船艉来 风、 风速 6 m/s 时钻台区域喷射火发展过程（T527 ℃） 。燃爆初期， 点火源附近天然气在点火源作用下 立即与氧气开始化学反应， 释放巨大能量， 使周围 环境温度迅速升高， 火焰自燃爆中心开始向四周快 速蔓延火焰外表基本上呈椭圆形（t0.5 s） 。来风作 用下火焰呈高紊流状态， 火焰边缘急剧膨胀 （t1 s） 。 火焰的扩展促使燃烧区域产生向外的推力， 未燃气 体和高能气体产物向外围运动， 同时， 持续泄漏的天 然气不断加入到燃烧反应中， 促使燃烧反应更加剧 烈， 形成更大范围的燃烧区域（t2 s） ， 此时火焰高度 达 48.64 m。随火焰高度增加， 燃烧火焰在来风作用 下变得更加不规则， 同时向下风向偏斜（t4 s） 。随 着火焰外围可燃气体消耗， 火焰燃烧状态逐渐稳定 （t11 s） ， 火焰高度达 72.96 m， 最高温度达 2 089 ℃， 红色区域为火焰中心。 图 8 燃爆火焰发展过程 图 9 为船艉来风不同风速下稳定喷射火结构失 效温度场分布（T600 ℃） ， 不同风速下喷射火呈不 同偏斜角度和大小， 均呈羽毛状形态。v0.5 m/s 时 火焰接近垂直分布， 高度达 90.23 m， 作用在钻台上 部井架、 天车、 绞车等起重设备、 转盘等旋转系统设 备、 部分循环系统设备及钻台工具间、 司钻房、 用电 房等， 持续作用下设备结构强度丧失， 短时间内设备 即完全失效、 变形、 位移直至失去承载能力。v6 m/s 时火焰朝下风向偏斜约为 70 ， 火焰高 70.53 m， 下风 向偏斜距离为 35.09 m， 火焰作用在井架上， 一段时 间后井架结构强度破坏失去承载能力， 井架倒塌， 引 发多米诺连锁破坏。v20 m/s 时来风对可燃气云稀 释作用增强， 可燃气云分布范围较小， 喷射火焰范围 明显减小， 朝下风向偏斜角度增大， 约为 45 ， 火焰高 29.3 m， 下风向偏斜距离为 30.98 m。火焰作用在井 架底部位置， 同样使井架倒塌及钻台设备失效， 同时 会危害附近工作人员。 图 9 不同风速下稳定喷射火结构失效温度场分布 井喷天然气扩散及燃爆风险分析， 以及正常钻 井作业期间 0 类危险区（在正常生产、 作业过程中， 易燃、 易爆气体和空气混合物持续存在或长期存在 的区域） 和 1 类危险区（在正常生产、 作业过程中， 可 能产生易燃、 易爆气体和空气混合物的区域） 作业人 员数量， 推算出有 30 人处于钻台及泥浆池等危险作 业区， 其中 10 人在爆炸伤亡范围区间。 3 井喷事故应急救援及应急能力评估 在参考国外 BP 深水地平线事故应急救援技术 基础上［8-9］， 对情景构建各应急救援任务进行评估， 分析各救援任务所需要的技术及装备水平， 在此基 础上对我国现有深水应急能力进行调研， 找出现有 能力与所需能力之间的差距， 为今后的应急能力建 设提供指导。 深水钻井井控及应急能力主要包括钻井安全与 事故预防、 井喷失控应急封井、 救援井、 溢油回收处 理、 危机管理等几方面［10］。细分为应急响应机制、 井喷失控应急处置能力、 失控井再控制能力、 救援井 技术能力、 溢油应急处置能力、 海上搜救能力、 应急 通关等。其中每一个评估对象， 又按照应急救援需 要具备的能力， 现有能力及与国际先进水平， 并给出 一个评估结论和技术发展建议。以失控井再控制能 力为例， 如下表 4 所示。 4 结论及建议 （1） 结合我国南中国海钻井实际工况， 建立深水 钻井井喷失控及应急救援情景， 包括从潜伏期（负 压测试） 、 显现期（溢流、 井涌） 、 爆发期（井喷失控、 平 台火灾与爆炸、 平台倾覆、 大量溢油） 、 减弱期（救援 井连通， 事故源得到有效控制） 、 消退期（生态治理、 股价恢复、 社会关注减少）5 个阶段情景。 （2） 利用 OLGA abc 软件建立了分析计算模型， 通过分析溢流产生的不同原因和路径统计分析， 给 出以环空溢流以及钻井起钻抽汲以及负压试压引起 双梯度效应产生的双压力梯度， 引起井喷失控。采 171殷志明等深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估 表 4 我国失控井再控制应急能力评估 编号评估对象应具备能力现有能力国际先进水平评估结论及建议 1 水下清障、 安装技 术及装备 应具备的对海底失控 井井口周围的破损管 线和装置清除技术和 装备 （1）目前国内仅对相关 技术进行了前期初步研 究， 掌握了资源分布情 况； （2） 不具备相关技术和装 备能力； （3） 未有技术作业实践 经验； （4） 未有相关技术标准 国外相应设备有用于剪 断隔水管大剪刀、 金刚 石绳锯、 大功率 ROV、 聚能爆破切割、 高压水 射流水下切割等 国内技术和装备能力 与国外至少有 1020 年技术差距。发展建 议 短期与世界三级井 控公司建立合作， 为失 控井再控制能力提供 资源及技术渠道；协 议的服务范围扩至南 中国海深水钻井。 长期国家支持国内 油公司和科研机构联 合开展技术攻关研究， 发展此项技术， 逐渐发 展成为一项产业 2 应 急 封 井 技 术 及 装备 采用封井器连接井口， 提供关井和控制将井 内流体通过井口泄放 到回收管线， 或者像井 内注入化学药剂及进 行压井作业接口 BP 事故后， 国际上研制 出 16 套封井器， API 制 定了封井器的相关标准 规范 3 水下溢油应急回 收技术及装备 采用水下油井应急封 井回收系统处置失控 井， 将溢油回收系统连 接到水下封井器， 提供 油气收集、 输送、 处理、 储存和卸载等功能 MWCC 公司的水下油 井封井系统（MWCS） 、 Helix 公司快速响应系 统（HFRS） 、 和 Wild 井 控公司的油井封井回收 系统等多套水下井喷溢 油应急回收系统 用 Fluent 针对深水钻井作业过程中潜在的井喷天然 气燃爆风险， 通过建立简化平台模型及天然气扩散、 燃爆模型， 模拟分析特定场景下井喷天然气燃爆超 压、 火焰高温热辐射发展特性及各危害指标对平台 设备、 作业人员影响。并结合实际钻井作业工况在 岗人员， 估计出人员伤亡情况。 （3） 通过分析深水井喷失控应急救援技术和装 备需求， 调研国内外应急救援资源， 开展应急能力评 估， 我国深水井控应急能力建设刚刚起步， 与国外仍 有较大的差距， 缺乏失控井再控制技术、 水下应急封 井装置、 救援井井下连通工具等必要应急技术和设 备和人才队伍。由于我国深远海部分油气区块处于 争议区， 如果发生井喷事故应急救援将更加困难， 深 水井控应急更具有特殊意义， 建议国家重视并支持 开展深水井喷应急救援技术和装备研究， 建立健全 南中国海沿岸防溢油应急基地， 使其可具备覆盖整 个南中国海的溢油回收及处置能力， 为“海洋强国” 战略的实现提供技术支撑。 参考文献 ［1］ SINTEF offshore blowout database ［M］ .Gulf Professional Publishing, 1997. ［2］ CARL Safina. 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