深水井测试安全控制技术

何玉发　周建良　蒋世全　杨秀夫　金　颢（.中海油研究总院，北京　0008；.中国海洋石油总公司，北京　0000；.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58000）

深水井测试安全控制技术

何玉发1周建良1蒋世全1杨秀夫2金颢3
（1.中海油研究总院，北京100028；2.中国海洋石油总公司，北京100010；3.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518000）

防止深水油气井测试事故发生的关键之一，就是必须进行安全评估与控制，提高测试工艺水平。我国南海深水海域有其特殊的区域环境特点：油田离岸距离远、夏季台风频繁、冬季季风不断、存在沙坡、沙脊和内波流等，而且油气藏特性复杂，给深水井测试带来更多的挑战。结合南海深水井测试实践，对深水井测试的主要潜在风险进行了分析， 认为存在测试管柱及工具失效、地面流程失效、天然气水合物堵塞、储层出砂、台风影响等风险。针对这些风险提出了具体的防范措施。

油气井测试；深水井；风险；安全控制

我国南海深水海域面积辽阔，蕴含丰富的油气资源和天然气水合物资源，被称作“第二波斯湾”［1］。目前我国已在南海取得荔湾3-1、陵水34-2、陵水29-1等3个中国海域深水天然气田重大发现。深水油气井测试作为深水油气资源勘探和开发的必须手段，也是深水油气勘探开发的关键环节之一，不仅为评价构造和圈闭提供可靠的数据资源成果，而且为高效开采油气藏提供了直接的依据。目前我国深水测试技术处于发展的初期，为满足我国在南中国海及海外深水发展的战略需求，开展了深水测试安全评估与控制技术研究。

1　深水油气井测试技术的特点和挑战

（1） 深水油气井测试，必须使用浮式钻井平台进行作业。处于深海环境受风、浪、流等环境载荷影响的浮式钻井平台，会发生升沉和漂浮等复杂运动，加上海水段隔水管的约束作用，深水井测试管柱特别是泥线以上测试管柱力学行为异常复杂，给深水井测试管串设计及深水井测试管柱安全性控制带来很大困难，而且随着水深增加这一问题更加突出。

（2）深海海底泥面低温环境及井下关井后压力迅速减小是导致水合物生成的主要原因，水合物的形成不仅会造成测试失败而且会大大增加井控风险，甚至带来灾难性事故。

（3） 深水水下设备要足以应对水深带来的恶劣的作业条件，为整个测试提供更加安全的测试环境。另外深水平台地面空间小、地层压力窗口窄、高产高压，这些都给深水井测试井控和深水井测试地面安全控制带来挑战。

（4） 由于使用浮式钻井平台进行测试，在深水井测试作业时，平台动力定位系统故障、水下暗流和恶劣天气等因素可能会导致不可预见性的突发性平台偏移井位的情况出现，此时需要将泥线以上测试管柱与井下测试管柱进行分离，防止恶性事故的发生。因此，快速实现水下测试管柱的应急解脱以及危险解除之后的回接问题是深水井测试的另一大挑战。

2　深水油气井测试的潜在风险和防范措施

2.1测试管柱及工具的失效及防范

在深水井测试过程中，测试管柱为地层流体采出地面提供了一种途径。测试管柱由以下3个主要部件组成：井下测试工具、测试油管、水下设备。为了确保测试管柱操作安全，需合理选择深水井测试工具，并通过详细管柱力学分析，以优质安全为目标进行管柱优化设计。深水井测试管柱设计在实现测试功能和满足最恶劣环境需要的同时，还必须考虑到使用的方便性、连接类型的适用性以及各种管材类型的经济性因素等。根据这个原则，确定深水井测试管柱优化设计的流程如图1。

图 1　深水井测试管柱优化设计流程

2.2地面流程失效与防范

典型的深水地面流程包括以下几个方面：流动头、安全阀、紧急关断阀、除砂器、油嘴组流管汇、蒸汽锅炉及加热器、三相分离器、计量罐、输送泵、临时输液罐、燃烧臂及连接管线等。深水地面测试流程流动距离短（从井口到燃烧壁仅几十米）、流动压力大、流动时间短（一般流动1 d左右）、流动相态变化复杂。测试过程中易发生地面冰堵等突发性事故，对测试施工和人身安全造成极大危害。因此深水井测试地面设备需配置较多的应急关停装置，任何一处都可进行地面关井；对于可能的地层出砂情况，地面配备除砂器；井口采用大排量化学注入泵对井下/地面进行甲醇注入，防止生成水合物。深水井测试所有压力容器设备根据证书有效期取第三方证书（DNV，ABS或者Lioyd）。在完成地面设备选型之后，需对地面流程进行工艺数值模拟，以校核计算地面流程中的温度、压力，设备处理能力等，进一步对设备及管线进行优化。

2.3天然气水合物的形成预测与防治

天然气水合物［2］（张亮等，2010）是由于天然气的小分子气体（如甲烷、乙烷）在较低温度（0~10 ℃）和较高压力（10 MPa以上）条件下和水作用生成的笼形结构的冰状晶体，类似冰屑或密实的雪，密度为880~900 kg/m3，俗称可燃冰。含有自由水的天然气一旦遭遇低温、高压环境极易形成天然气水合物。目前，有很多确定天然气水合物生成压力-温度的方法，大致可分为图解法、经验公式法、平衡常数法和统计热力学法4类。统计热力学法是当前最准确但也是计算最为繁琐的方法。统计热力学方法根据系统理论，将气体水合物宏观相态行为与其分子间的相互作用联系起来，引入函数来描述气体水合物生成条件，理论基础严密，通用性强，便于运用计算机在较宽的范围内对水合物生成的温度、压力条件进行连续求解。

基于Vander Waals和Platteeuw提出的经典吸附理论基础模型，可以得到水合物相平衡条件［3］判断出在给定的压力、温度以及气液相条件时是否有固相水合物产生。对于油气井测试而言，测试期间主要采用加热和注化学剂的方法防止水合物生成。采用加热法可以提高节流前天然气的流动温度。在节流压降不变的条件下，提高节流前天然气的温度也等于提高了节流后天然气的温度。如果节流后天然气温度提高到高于水合物生成温度，预防节流后水合物生成的目的就可达到。

某些化学添加剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的相平衡温度；在一定压力下，天然气水合物相平衡的温度随着化学添加剂注入浓度的增加而降低［3］。国内外学者对测试过程中天然气水合物抑制剂作过大量的研究，讨论了多种常用或者能够使用的天然气水合物抑制剂，甲醇和乙二醇是最常用于测试防止水合物形成的化学剂。甲醇被公认为最有效的一种深水井测试天然气水合物抑制剂，具有以下优势：（1）低黏度，易于注入和在系统中配给；（2）好的接触效率，高的溶解度和挥发性使其易于与井筒中的水和流体接触；（3）容易处理，容易在井场与采出气一同燃烧［4］。但由于甲醇有毒（涉及到人员接触和环境排放）和高度可燃，其安全性应特别注意。在深水井测试过程中使用甲醇的程序，应在包括HAZOP研究在内的作业程序、测试公司程序以及承包商安全程序中予以明确。

产量对水合物形成影响很大，产量低时容易形成水合物。在海底泥面附近深度，由于海底低温环境的影响，管柱内天然气温度变化很大。产量为70×104m3/d时管柱内不会生成水合物，产量低于55 ×104m3/d时管柱内均会生成水合物。南海某井设置了3个水合物抑制剂注入点：泥面以下600 m处、泥面附近、井口及油嘴管汇。此外，油嘴管汇下游通过换热器进行加热、采用一次开关井工作制度、钻井期间避免使用水基钻井液等措施以防止水合物生成。

2.4出砂风险与控制

深水油气藏通常属浅埋储藏，且大段重的上覆岩石介质被轻的海水取代，压实程度降低，导致储层疏松而容易出砂［5］。为了防止油井出砂，一方面要针对油层及油井的条件正确选择固井、完井方法，指定合理的开采措施，提高管理水平；另一方面要根据油层及出砂情况采用防砂方法。深水勘探期评价油井出砂问题大多采用机械防砂作为井下第1道挡砂屏障。结合南海几口井的深水井测试实践，总结荔湾区块深水井测试防砂措施。

（1）井全部下套管和固井，有利于进行套管内防砂。（2）DST/TCP 管柱上安装Qty-2 Meshrite 井下筛管并下入到封隔器以下，地面备有冲砂用途的连续油管和连续油管提升框架。（3）严格控制测试压差，选择合适射孔液，正加压延时的负压射孔，射孔时的负压限制在2.76 MPa。（4）测试阀应具有抗泥砂系统设计。（5）地面在节流阻流管汇上游安装1个出砂监测装置，在节流阻流管汇上游安装地面除砂器，准备1个装砂的大油池。（6）在开井放喷及求产过程中，时刻注意生产压差的变化。诱喷产量的调节由小到大，逐渐增加产量；控制井口流动压力，实现在控制地层出砂的范围内进行流动求产。（7）每隔15 min进行1次分离器取样，以监测地层产出流体中的含砂量。

2.5台风预防措施

台风可能使平台发生偏移，横向位移对泥线以上测试管柱应力响应影响非常大。当平台偏移达到规范规定的极限值后，要立即解脱水下测试树，以免发生管柱断脱等危险。根据水深及水下测试树等设备要求，综合考虑水下测试树的响应时间、BOP解脱响应时间及平台漂移分析，可以计算得出深水浮式平台测试作业安全操作窗口。当平台偏移到一定极限值之后，要关闭井下阀门、解脱水下测试树等。安全操作窗口用不同的颜色表示。绿色动力定位系统工作正常，平台上可以进行正常的测试作业。蓝绿色区域要停止作业，已经接近水下测试树的解脱极限，应该关闭水下测试树处阀门，加强监测平台偏移范围，随时准备解脱泥线以上测试管柱。黄色区域表要立即采取措施从水下测试树处解脱测试管柱。红色区域DP系统完全失去定位能力，应立即从BOP上断开LMRP，防止井口装置、防喷器组及隔水管受到损伤。

3　结论

深水海洋平台的空间有限、设备和人员密集、自然条件恶劣、远离陆基保障，任何的安全事故都将带来重大损失。在测试阶段，地下油气通过测试管柱被释放出来，一旦因管柱泄漏等发生失控，将会导致灾难性事故，甚至造成船毁人亡的惨剧。防止事故发生的关键之一，就是必须对深水测试进行安全评估与控制，提高测试工艺技术水平。在保障作业安全的前提下，确保测试资料的录取。

［1］王震，陈船英，赵林.全球深水油气资源勘探开发现状及面临的挑战［J］.中外能源，2010，15（1）：46-48.

［2］张亮，马认琦，苏杰，等.天然气水合物形成机理及有效清除［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：33-36.

［3］金泽亮，王荣仁，陈金先，等.气井测试水合物的防治研究与应用［J］. 油气井测试， 2007， 16（4）： 54-56.

［4］CHEN Shingming, GONG Xiaowei, Geoff Antle. DST design for deepwater wells with potential gas hydrate problems［C］. the 2008 Offshore Technology Conference, Houston, Texas, U.S.A., 5-8 May, 2008.

［5］王跃曾，唐海雄，陈奉友.深水高产气井测试实践与工艺分析［J］. 石油天然气学报，2009， 31（5）： 148-151.

〔编辑胡志强〕

Safety control technology of deepwater oil and gas well testing

HE Yufa1, ZHOU Jianliang1, JIANG Shiquan1, YANG Xiufu2, JIN Hao3
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. China National Offshore Oil Corporation Beijing 100010, China; 3. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518000, China）

Due to the high difficulties, high investment, and high risks in deepwater oil and gas well testing, major safety problems can occur easily. A key to prevent accidents is to conduct safety assessment and control on deepwater testing and to improve the testing technology. The deepwater of the South China Sea has some special environmental features: long distancce from offshore, frequent typhoons in summer and constant monsoons in winter, and the prsence of sandy slopes, sandy ridges and internal waves, which, coupled with the complex properties of oil and gas reserves, bring more challenges to deepwater well testing. In combination with deepwater well testing practice in the South China Sea, this paper analyzes the main potential risks in deepwater well testing and concludes that there are risks of failure in testing string and tools and ground processes, gas hydrate blockage, reservoir stratum sanding, and typhoon impacts. Specific precautions are also proposed in response to these risks in the paper.

oil and gas well testing; deep well; risk; safety control

TE53

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0163 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.042

中国海洋石油研究中心博士后课题“深水油气井测试管柱力学行为及配套技术研究”部分研究成果；“十二五”国家科技重大专项“深水钻完井工程技术”课题(编号: 2011ZX05026-001)资助。

何玉发，1980年生。2008年毕业于西南石油大学机械设计与理论专业，获博士学位，现主要从事深水测试、完井技术及油气井管柱力学方面的研究工作，高级工程师。电话：010-84523631。E-mail：heyf@cnooc.com.cn, heyfs@163.com。

2014-11-30）

引用格式：何玉发，周建良，蒋世全，等. 深水井测试安全控制技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：163-165.