应对深水井喷的简易防喷器应急技术研究
孟会行, 陈国明 , 朱渊, 刘秀全, 鞠少栋    
中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛 266580
摘要:为有效解决深水井喷失控问题,研究了简易防喷器应急技术.采用预先危险性分析方法评估了简易防喷器作业风险,建立了隔水管-简易防喷器-导管耦合系统力学模型,研究了简易防喷器组合类型和配置方案的确定方法.以南海深水某油井为例,研究了顶张力、钻井船偏移、海流和关井压力对简易防喷器作业性能的影响,并基于极差分析和方差分析方法确定了影响简易防喷器作业性能的主要因素.研究表明,简易防喷器闸板数量对导管应力影响较小,为提高简易防喷器系统的可靠性,可选取五闸板简易防喷器;影响导管最大等效应力的因素依次为钻井船偏移、关井压力、海流流速和顶张力.根据简易防喷器应急技术研究结果进行应急预案制订和现场作业设计,可保障深水井喷应急作业的安全开展.
关键词深水    井喷    简易防喷器    力学模型    配置方案    敏感性分析    
Emergency Techniques for a Simple Blowout Preventer in the Case of a Deepwater Blowout
Meng Huixing, Chen Guoming , Zhu Yuan, Liu Xiuquan, Ju Shaodong    
Centre for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China
Abstract:To effectively resolve the problem of out-of-control blowouts in deepwater wells,the research was conducted on the emergency technique of a simple blowout preventer for deepwater blowouts.The preliminary hazard analysis (PHA) was used for evaluating operation risks of the simple BOP and a mechanical analysis model was built for riser pipe-simple BOP-conductor coupling system to research a method for determining combination form and configuration scheme of the simple BOP.Some oil wells in the South China Sea were taken as examples to research the effects of top tension,drilling ship deviation,ocean current and shut-in pressure on operation performance of the simple BOP.Then,the goal was to determine important factors affecting operation performance of the simple BOP based on range and variance analysis.Research results showed that the ram quantity of the simple BOP had a small effect in conductor stress and five-ram simple BOP could be selected to improve system reliability of the simple BOP.The factors affecting maximum equivalent stress of the conductor were drilling vessel deviation,shut-in pressure,ocean current velocity and top tension.The research on emergency technique of simple blowout preventer could be carried out for emergency plan preparation and site operation design to ensure the safe implementation of emergency operations for deepwater blowouts.
Key words: deepwater    blowout    simple blowout preventer    mechanical model    configuration scheme    sensitivity analysis    

深水井喷是深水油气勘探开发中最严重的事故,深水井喷失控将严重破坏油气资源,并造成爆炸或火灾[1, 2, 3, 4]。尽管深水油气勘探开发风险高、投入大,但高回报仍对石油公司有着巨大的吸引力[5]。随着南海深水油气成为我国石油工业开发的热点,迫切需要研究深水井喷应急技术,保障南海油气的安全开发。

2010年发生的墨西哥湾“深水地平线”事故中,救援时采用了多种深水井喷应急技术[6, 7],其中的简易防喷器(small blowout preventer或 capping stack)应急技术是唯一快速控制井喷的方法[8]。该次事故发生之后,国外成立了各种井控联盟和应急网络[9, 10],并开展了简易防喷器工业现场试验[11, 12]。美国石油学会于2014年发布简易防喷器行业标准,对简易防喷器的设计、生产和使用提出推荐做法[13]。L.M.Smith也给出了简易防喷器设计需要考虑的因素[14]。然而,各方均未给出简易防喷器作业理论指导。

该技术应对井喷快速有效,有必要详细分析其作业过程,以推广应用该技术。为此,笔者针对深水油气安全开发的迫切需要,在力学分析基础上,评估了简易防喷器作业风险,提出了简易防喷器配置方案,并进行了简易防喷器作业影响因素的敏感性分析,形成了一套针对海上井喷的简易防喷器作业技术,为南海深水井喷应急救援提供技术参考。

1 简易防喷器作业风险分析

简易防喷器是一种具有关井和分流无控制流体功能的水下机械屏障[13],由闸板防喷器、井口连接器、法兰转换短管和挠性接头法兰等组成,通过建立新的井控设备(通常含1~3个闸板防喷器),关闭闸板防喷器以控制井喷[7]。作业时,首先用远程操纵潜水器把隔水管残端与防喷器组之间的螺栓卸开,或卸下隔水管底部总成(lower marine riser package,LMRP),再把简易防喷器安装在原防喷器组上部,关闭全封式闸板防喷器,以控制井喷。

预先危险性分析(preliminary hazard analysis,PHA)可在应急方案设计初期辨识其中的风险,根据风险分析结果提出预防、改正或补救措施,以保证应急作业的安全进行[15]。简易防喷器作业的预先危险性分析见表1

表1 简易防喷器作业的预先危险性分析 Table 1 Preliminary hazard analysis of simple BOP
作业阶段 危险性 原因 后果 危险等级 预防措施
安装法兰转换短管 法兰转换短管坠落海底 1)牵引绳拉伸许用应力不足;2)法兰转换短管重量过大 延误作业时间 1)作业前检验牵引绳强度;2)设置2套牵引绳;3)设置备用法兰转换短管
下入简易防喷器 简易防喷器坠落海底 1)海况恶劣;2)简易防喷器重量过大;3)连接螺栓强度不足 严重影响作业进度 1)根据海况预报安排作业;2)作业前检验螺栓强度;3)简易防喷器上安装备用绳
关闭简易防喷器闸板(关井) 形成水合物 1)形成高压低温环境;2)甲醇注入防冻系统发生故障 不能严密关闭闸板 1)严密监测温度压力;2)检验甲醇注入系统;3)循环热的盐水溶液
简易防喷器坍塌 1)导管抗弯强度不足;2)救援船偏移量过大;3)关井压力过大;4)海况恶劣 导致作业失败,引发次生衍生事故1)控制应急作业参数;2)关井前后监测井内压力;3)根据海况预报安排作业;4)进行建模计算
海底地下井喷 关井导致井筒压力大于地层破裂压力 导致大规模井喷溢油 密切监测井筒温度压力

表1可知,关井阶段简易防喷器坍塌的风险等级最高,主要是由于关井阶段隔水管-简易防喷器-导管组合成一个耦合系统,隔水管把钻井平台偏移、顶张力、波流载荷等引入到隔水管底部总成、防喷器、井口和导管,受力比较复杂,容易导致导管强度失效,应重点研究[16]

2 简易防喷器力学分析

隔水管-简易防喷器-导管耦合系统力学分析模型如图1所示。

图1 简易防喷器力学分析模型 Fig.1 Mechanical analysis model of simple BOP

图1可知,隔水管受到顶张力、自身重力、海流和波浪载荷的影响,隔水管分析微分方程为[17]

其中

式中:Fc(x)为单位长度隔水管受到的波流联合作用力,N;E为弹性模量,Pa;I为截面惯性矩,m4T(x)为隔水管受到的轴向力,N;W为单位长度隔水管的重力,N/m;x为沿隔水管轴向的垂直距离,m;Ttop为隔水管受到的顶张力,N;L为隔水管全长,m。

一般采用修正形式的Morison方程近似计算Fc(x),其表达式为:

式中:ρ为海水密度,kg/m3cD为拖曳力系数;d为隔水管外直径,m;vw为波浪引起的水质点速度,m/s;vc为海流引起的水质点速度,m/s;cM为惯性力系数;aw为波浪引起的水质点加速度,m/s2

导管受到的作用力主要包括隔水管底部挠性接头处的竖向和横向反力、防喷器组与井口浮重、作用于防喷器组及井口的横向波流力、海底土层对导管的侧向摩擦力和横向土反力等,因此导管处是较为危险的部位,其静力分析微分方程为[17, 18]

式中:dc(x)为导管外径,m;p(x,y)为单位面积上的水平地基压力,Pa;q(x)为单位长度上的外载荷,N;EIc(x)为导管、水泥环、表层套管组成的组合管柱的抗弯刚度,N·m2;N(x)为组合管柱受到的轴向力,N。

简易防喷器关井压力过大,将增大导管失效的风险,考虑关井压力得到导管轴向力的计算公式:

式中:Tb为隔水管底部残余轴向张力,N;dsbop为简易防喷器内直径,m;pshut为关井压力,Pa;w(x)为单位长度导管段的湿重,N/m;ll1分别为导管段两端的深度,m;fm为单位面积的侧摩阻力,N/m2

通过导管静力分析得到导管的最大等效应力,确保简易防喷器作业中导管的最大等效应力小于导管的许用应力,即

式中:σmax为分析得到的导管最大等效应力,Pa;[σ]为导管的许用应力,Pa。

3 简易防喷器配置方案 3.1 简易防喷器组合类型

依据通行标准合理选择简易防喷器,可保证所选闸板组合满足防喷性能,从而能在事故应急中快速进行简易防喷器配置。考虑最恶劣的工况,也就是安全系数最大的选择,选取额定工作压力为103.5 MPa (15 000 psi)的防喷器组,根据API标准给出该额定工作压力下的防喷器组合为三闸板、四闸板防喷器与1个环形防喷器、2个环形防喷器等4种组合[19]

安装简易防喷器前已清理井口,井内已无钻柱。此时环形防喷器不起作用,4种组合去掉环形防喷器后,剩下三闸板和四闸板防喷器2种;为提高系统可靠性,增加五闸板的简易防喷器,得到3种简易防喷器组合类型(见图2)。

图2 简易防喷器组合类型 Fig.2 Combination forms of simple BOP

参照“深水地平线”事故救援中用到的三闸板简易防喷器,得到3种类型的简易防喷器组合基本参数,见表2

表2 各简易防喷器组合基本参数 Table 2 Configuration parameters of simple BOP
防喷器类型 高度/m 重量/kN
三闸板 5.5 803.6
四闸板 6.1 891.3
五闸板 7.2 1 052.0
3.2 简易防喷器配置方案确定流程

为了保证简易防喷器的可靠性,在满足导管强度和稳定性要求的前提下,可选择闸板数量多的简易防喷器。考虑到土壤约束下导管稳定性能较好,在简易防喷器作用下一般不会发生稳定性失效,因此仅考虑导管强度问题进行简易防喷器配置方案设计。

深水井喷应急救援现场作业条件恶劣,首先考虑最严峻的工况,选用可靠性高的五闸板简易防喷器进行建模分析(即初始闸板数i0=5)。若导管强度满足强度准则,则可从3种组合中任选一种进行作业,优先选用五闸板简易防喷器。若五闸板简易防喷器不满足强度准则,则换为四闸板简易防喷器。依次类推,若三闸板简易防喷器仍不能满足强度准则,则需调整作业参数,确定简易防喷器的配置方案,其流程如图3所示。

图3 简易防喷器配置方案确定流程 Fig.3 Determination process for configuration scheme of simple BOP
4 南海深水油井实例分析

“深水地平线”事故井的初始关井压力为45.5 MPa,API RP53中推荐水下防喷器的额定工作压力为13.8~103.5 MPa,参考上述两值,取关井压力30.0~90.0 MPa,对南海深水某井进行简易防喷器配置方案的确定。该井水深为1 260 m,原防喷器长度为7.8 m,原防喷器重量为1 806.4 kN,隔水管底部总成长度为3.9 m,隔水管底部总成重量为537.7 kN。导管长度为92.7 m,导管壁厚为38.1 mm,导管外径为914.4 mm,导管材料为X56钢,安全系数取1.50,其许用应力为257.3 MPa。

建立该井的力学分析模型,仅考虑钻井船偏移的情况,初步估算后选定钻井船偏移80,85,90和95 m等4种工况进行分析。首先,计算得到在不同偏移量下导管的最大等效应力;然后,根据导管的许用应力,经线性插值计算得到3种简易防喷器情况下钻井船的最大允许偏移分别为90.90,88.04和83.70 m。由此可得该井的简易防喷器配置方案,见表3

表3 简易防喷器配置方案 Table 3 Configuration scheme of simple BOP
钻井船偏移距离/m 可选简易防喷器组合
>90.90 不能满足强度准则,需调整作业参数
88.04~90.90 三闸板简易防喷器
83.70~88.04 三、四闸板简易防喷器
≤83.70 三、四、五闸板简易防喷器

结果表明,钻井船偏移距离小于83.70 m的一般工况下,3种简易防喷器均可选用,但为增强可靠性,优先选用五闸板简易防喷器;钻井船偏移距离大于83.70 m的恶劣工况下,需要根据配置方案选择简易防喷器。

5 作业影响因素敏感性分析

进行作业影响因素敏感性分析时,研究顶张力、钻井船偏移、海流流速和关井压力对导管应力的影响程度,基于正交试验对试验结果进行极差和方差分析。

5.1 极差分析

深水井喷事故应急时,考虑较为恶劣的工况,将影响导管应力的上述4个参数范围各取4个水平,构建L16(45)正交表,根据正交表进行导管最大应力极差分析,分析结果见表4。由表4可知,影响导管最大等效应力的因素依次为钻井船偏移、关井压力、海流流速和顶张力。

表4 导管最大等效应力极差分析 Table 4 Range analysis result of the maximum equivalent stress of conductor
因素 均值/MPa 极差/MPa 因素主次
水平1 水平2 水平3 水平4
顶张力 208.11 200.62 205.13 196.49 11.62 5
钻井船偏移 175.30 185.58 223.94 225.54 50.24 1
海流流速 205.19 194.23 201.25 209.68 15.46 4
关井压力 184.42 212.90 198.57 214.46 30.04 2
误差列 195.35 198.63 203.31 213.05 17.70 3
5.2 方差分析

极差分析判断因素效应的精度低,不能给出试验误差大小的估计,在试验误差较大时往往可能造成误判。方差分析能充分利用试验得到的信息,估计试验误差,判断因素影响的精度高[20]。导管最大等效应力的方差分析结果见表5。经计算,顶张力和海流流速的偏差平方和对指标的影响较小,把它们归入误差项。

表5 导管最大等效应力方差分析 Table 5 Variance analysis result of the maximum equivalent stress of conductor
方差来源 偏差平方和 自由度 F F0.05(3,9) F0.01(3,9) 显著性
钻井船偏移 8 066.01 3 15.73 3.71 6.99 高度显著
关井压力 2 374.98 3 4.63 3.71 6.99 显著
总误差 3 029.70 9
总和 11 979.77 15

基于正交试验的导管影响参数方差分析表明,在0.01显著性水平下,钻井船偏移距离对最大等效应力的影响高度显著。在0.05显著性水平下,关井压力的影响显著。由于钻井船的偏移距离是可调作业参数,在进行简易防喷器作业时,应重点控制钻井船的偏移,同时密切监测关井压力。

6 结 论

1) 简易防喷器坍塌是简易防喷器作业最危险的工况,以导管强度为校核准则,得到隔水管-简易防喷器-导管耦合系统力学模型。

2) 南海深水某油井的简易防喷器系统配置方案表明,三闸板、四闸板和五闸板简易防喷器对应的钻井船最大允许偏移量分别为90.90,88.04和83.70 m;闸板数量对钻井船最大允许偏移影响较小,为提高简易防喷器系统的可靠性,建议选取五闸板简易防喷器。

3) 简易防喷器作业影响因素的敏感性分析表明,进行简易防喷器作业时,应重点控制钻井船的偏移,密切监测关井压力变化。

4) 本文的研究主要考虑钻井作业工况,后续将开展简易防喷器技术在深水油气井全生命周期的适用性分析和应急方案研究。

5) 建议结合API标准,形成我国在简易防喷器技术领域的统一规范,便于应急情况下的多方协同作业。

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孟会行, 陈国明, 朱渊, 刘秀全, 鞠少栋
Meng Huixing, Chen Guoming, Zhu Yuan, Liu Xiuquan, Ju Shaodong
应对深水井喷的简易防喷器应急技术研究
Emergency Techniques for a Simple Blowout Preventer in the Case of a Deepwater Blowout
石油钻探技术, 2015, 43(03): 76-81
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(03): 76-81.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201503015

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收稿日期:2014-12-05
改回日期:2015-03-05

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