深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估

殷志明　张红生　周建良　李迅科（.中海油研究总院，北京　0008； .中海石油（中国）有限公司工程技术部，北京　0000）

深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估

殷志明1张红生2周建良1李迅科1
（1.中海油研究总院，北京100028；2 .中海石油（中国）有限公司工程技术部，北京100010）

深水油气开发面临着巨大的风险和挑战，尤其是在油气开发过程中如果发生井喷失控事故，应急救援将十分困难。采用重大事故情景构建方法，建立南中国海某深水探井在钻井期间发生井喷失控事故情景，包括从溢流发生到井喷失控、平台发生火灾爆炸、平台倾覆沉没、水下应急封井及打救援井、溢油回收处理及生态恢复，并对应急救援必须的工程技术、设备、人员等需求进行分析和评估，对我国下一阶段开展应急救援技术研究提出建议。研究结果对我国自主建立深水钻井井控应急救援工程技术体系有一定参考意义。

深水钻井；井喷失控；应急救援；情景构建；能力评估

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1980—2008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，A公司正在用第6代深水钻井平台B平台，在南海进行深水探井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1 500~3 000 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见表1。

表1　深水钻井井喷事故情景

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

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1~2 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，t=1 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；t=15 min时，气体已经上升到海底；t=32 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，t=1 min时，气体进入580 m3/min；t=15 min时，气体进入3 000 m3/min；t=32 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0~15 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。

图3　进入井筒气体速率随时间变化规律

（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：t=1 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；t=11 min时，气体已经上升到海底；t=24 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，20~30 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

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。

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

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　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

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36.2×108m3/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。

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（T=527℃）。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（t=0.5 s）。来风作用下火焰呈高紊流状态，火焰边缘急剧膨胀 （t=1 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（t=2 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（t=4 s）。随着火焰外围可燃气体消耗，火焰燃烧状态逐渐稳定（t=11 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（T=600 ℃），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。v=0.5 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。v=6 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。v=20 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。

表4　我国失控井再控制应急能力评估

（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。

［1］SINTEF offshore blowout database［M］.Gulf Professional Publishing, 1997.

［2］CARLSafina .A Sea in Flames: The deepwater horizon oil blowout［M］. Broadway Books, 2011.

［3］刘铁民.应急预案重大突发事件情景构建——基于“情景-任务-能力”应急预案编制技术研究之一［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（4）：5-12.

［4］陈建兵.深水探井钻井工程设计方法［M］.北京：石油工业出版社，2014.

［5］WILLSONA S M, ANALYSIS S N, SHARMA M M. Analysis of potential bridging scenarios during blowoutevents［J］. Society of Petroleum Engineers，2013.

［6］柯珂，管志川，张君亚等. 西非深水JDZ-2-1井钻井工程整体风险分析［J］. 石油钻采工艺， 2009，31（5）：5-11.

［7］刘茂. 事故风险分析理论与方法［M］. 北京： 北京大学出版社， 2012.

［8］CAVNAR Bob. Disaster on the horizon high stake, high risks, and the story behind the deepwater well blowout［M］. Chelsea Green Publishing Co.，2011.

［9］李迅科，殷志明，刘健，等.深水钻井井喷失控水下应急封井回收系统［J］.海洋工程装备与技术，2014，1（1）：55-59.

［10］高永海，孙宝江，曹式敬，等. 应用事故树法对深水井控进行风险评估［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：23-28.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔编辑胡志强〕

Scenario design of blowout accidents in deepwater drilling and emergency capacity assessment

YIN Zhiming1, ZHANG Hongsheng2, ZHOU Jianliang1, LI Xunke1
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Engineering Department of CNOOC, Beijing 100010, China）

Deepwater oil and gas development faces enormous risks and challenges. Especially when blowout out of control accident 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 platform, platform 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 evaluated 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.

deepwater drilling; blowout out of control; emergency rescue; scenario design; capability evaluation

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0166 – 06

10.13639/j.odpt.2015.01.043

“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。

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-mail：yinzhm@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：殷志明，张红生，周建良，等. 深水钻井井喷事故情景构建及应急能力评估［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：166-171.