海洋井噴失控應急搶險技術

苗典遠，霍宏博，羅黎敏，孟 瑄，林家昱，王 贊

1.中海油能源發展有限公司，天津300459

2.中海石油（中國） 有限公司天津分公司，天津300459

我國海洋油氣資源豐富，且尚處于勘探開發早中期，是當前重要的油氣勘探領域，也是未來油氣勘探和增儲上產的主要來源。但海洋油氣勘探開發作業存在較高風險，一旦井噴失控將引起災難性事故，且失控后處理存在諸多難點[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，海洋井控應急設備還需滿足海洋鉆井平臺、拖輪或者生產平臺的安裝需求[9-10]。

為了預防海洋井噴失控造成的嚴重后果，研發了液氮暫時冷凍技術、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，以檢驗設備能力和提高隊伍作業水平。

1 流動通道液氮冷凍暫堵技術

低溫氮氣冷凍暫堵設備是用于油氣井修井搶險中的特殊工具[9]，其包括：帶壓鉆孔暫堵劑擠注系統、液氮存儲系統、冷凍劑溫度控制系統、冷凍劑泵入系統等。其原理是由高壓注入系統將暫堵劑逐層注入套管環空和油氣管內部，再利用液氮對暫堵劑進行冷卻。當暫堵劑被冷卻后，暫堵劑將形成橋塞密封套管環空和油管流動通道，實現井內壓力隔離。封閉點以上可實現壓力屏障，為更換采油氣井口或部分閘閥作業隔離井內高壓。該技術的核心在于低溫恒溫連續流，保證對冷卻套管的均勻、安全、平穩的降溫，保證封堵效果，液氮冷凍暫堵設備見圖1。

圖1 液氮冷凍暫堵系統

該裝備體系還可推廣應用到老井井口帶壓維修等井口隱患治理領域，可改變傳統的停產壓井維修方式，可提高安全性和作業效率。液氮冷凍暫堵設備相比傳統的“干冰配合甲醇”方式，具有冷凍時間短、智能加注、溫度可控、高強度封堵、無毒無害、不可燃、更加安全和環保等優點。

用冷凍暫堵設備分別對直徑3.5、4、5、5.5in（1in=25.4 mm） 鉆桿進行了功能測試，現場試驗見圖2。在系統額定工作壓力50 MPa、橋塞承壓能力52 MPa、冷卻溫度零下80 ℃時，4 種鉆桿的冷卻時間分別為1.75、2、2.5、3 h，試驗結果良好。

圖2 冷凍暫堵現場試驗

2 海洋失控井口遠程割斷裝備

海洋失控井口割斷裝備包括多功能搶險機械臂和井口切割組塊，其中功能搶險機械臂為國內首創的三次折疊+六節伸縮+伸縮結構，該結構巧妙運用四連桿增大旋轉角度，底盤設計為伸縮式支腿。在折疊狀態，機械臂尺寸僅為2.5 m，而其伸展長度可達到21 m，設備全貌見圖3。

圖3 失控井口遠程割斷裝備全貌

海洋失控井口遠程割斷裝備為我國自主研發，是全世界唯一適用于海洋環境的遠距離多功能移動清障設備，可實現模塊化移運與快速動員。該設備獨立的底盤結構和緊湊型外形尺寸使該設備達到公路運輸標準，各結構強度的精確受力分析計算保證了自展式支腿結構的穩定性，對多節油缸內部管路的設計、優化及布管也為井噴應急治理提供了技術保障。

井口切割組塊可依托超高壓磨料射流切割，實現遠距離遙控操作，最大限度確保了人員和設備的安全，切割效率高，為海上井噴井口的遠距離清障切割提供了有效作業手段，為后續裝備升級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、輔助井口恢復的作用，整體設備示意見圖4。

圖4 磨料射流遠程割斷系統

現有的磨料射流切割噴嘴持續時間短，無法持續到失控井口切割結束，而更換噴嘴將導致重復切割，海上井噴治理時間窗口極窄，機會轉瞬即逝。通過自主研制高壓磨料射流切割噴嘴，重點解決噴嘴內部磨料加速受力研究、噴嘴結構形式優選及內部流道設計、噴嘴選材及燒結工藝優選等關鍵技術，研發出高性能納米級耐磨噴嘴，并成功完成了現場切割應用。設備與國內外同類產品對比見表1。經現場試驗測試，納米級噴嘴在250 MPa 工作壓力下，耐沖蝕壽命已超過6 h，可連續切割3 ～4口井，突破性地提高了現有切割設備作業能力，顯著提高了海上井噴搶險作業效率[11]。

表1 高壓射流耐磨噴嘴性能對比

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構，分為上、下兩部分，由鎖緊裝置連接。預先將快裝搶險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構的套管卡瓦，可自動對光套管進行中心定位并在光套管上安裝。井噴發生時通過翻轉防噴器將其扣裝到井口上，可快速準確完成搶裝作業[12]。該裝備還設計了帶外檐法蘭鋼圈及防沖蝕的保護殼體，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

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

4 仿真井噴實驗模擬設備

發生井噴失控后，井控搶險設備固然重要，熟練的操作隊伍也是應急搶險的關鍵。為檢驗設備可靠性，并提高搶險隊伍操作能力，依托已有實驗井場，研發了具備井噴應急搶險演練，特種搶險裝備研發與實驗、救援井模擬以及搶險人員訓練的綜合基地。依托井控應急救援實驗平臺，對重建井口裝備展開研究、試驗和反復演習，不但檢驗了設備的可靠性，也形成了具有核心競爭力的海洋搶險救援隊伍。

為檢驗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，通過模擬井噴實驗檢驗應急搶險工藝的實際操作能力[14-17]。而目前國內外模擬井大多只能起到觀摩效果，存在井噴時間短、無法實現持續井噴、氣體與鉆井液混合不均勻、井噴效果不理想等問題，導致無法滿足井噴仿真的要求。

仿真井噴實驗模擬設備利用節流原理，通過雙泥漿泵+空壓機+出口節流，使得管體內腔形狀發生改變，高壓水和高壓氣體在氣水混合腔室混合后，經環空節流腔室憋壓，形成高速氣水混合物噴出井口。

該設備無需做繁復的準備工作。在泥漿泵、空壓機、循環水泵和儲滿水罐就位待機的情況下，只要按先后順序啟動空壓機- 泥漿泵，往模擬井口裝置中注氣和注水，即可實現模擬井涌、井噴，通過調節注氣和注水排量，在注氣量20 m3/min 和注水量5 m3/min 以上時，水柱噴高可達45 m 以上，在視覺和聽覺等方面，仿真效果極為明顯，對鍛煉應急隊伍、檢驗海洋三級井控應急治理裝備效果起到了很好的作用，也證明了海洋三級井控應急治理裝備的能力。搶險設備應急演習見圖6。

圖6 搶險設備應急演習

5 結論與建議

海洋井噴應急搶險技術的研發可為未來中深層油氣田安全高效勘探開發提供有力的技術保障，其應用除產生經濟效益外還為海洋鉆井井噴的治理提供了手段，避免了災害事故的發生，具有廣闊的應用前景。針對該技術的應用提出以下建議：第一，井控應急搶險技術是一級、二級井控技術的備用技術，海洋井控技術還應以一級、二級井控為主；第二，冷凍暫堵、井口切割、井口重建等技術既是互相銜接的技術體系，又可在特定應急時刻單獨使用；第三，在應急演習中發現，井控應急隊伍的建設和井控設備研發同樣重要，需要在實戰中鍛煉搶險隊伍；第四，海洋井噴應急搶險技術未來將向著無人化、智能化方向發展。