深水地平线事故后国外标准改进及对我国标准化工作的启示

殷志明,周建良,许亮斌,蒋世全中海油研究总院（北京　100028）



深水地平线事故后国外标准改进及对我国标准化工作的启示

殷志明,周建良,许亮斌,蒋世全
中海油研究总院（北京100028）

2010年英国石油（BP）公司在墨西哥湾的Macondo深水井发生井喷爆炸事故，导致“深水地平线”钻井平台倾覆沉没。介绍了事故后美国政府、国际标准化组织(ISO)、国际钻井承包商协会(IADC)、美国石油学会(API)和欧洲国家石油天然气行业协会对监管政策法规、标准规范再认识，并制修订深水钻井相关标准规范情况，包括深水井设计及建井工艺、井控设备、井喷失控应急救援计划、应急封堵装置、救援井等方面内容。梳理分析了国外相关行业标准规范制修订及关键技术点改进；简述了国内深水钻井标准规范的需求和进展，提出了我国制定深水油气开发监管政策、制修订深水钻井、井控及应急救援相关标准规范建议。

深水钻井；建井设计；井喷；应急救援；标准规范

鉴于油气资源特别是陆上油气资源的日益枯竭，具有高投入、高技术和高风险特点的深水油气资源勘探开发已成为全球热点。目前，全球深水投资占海上总投资的1/3，深水项目占全球海上项目的1/4。在全球排名前50的超大项目中3/4是深水项目。南海作为世界四大海洋油气聚集中心之一，近200×104km2海域石油储量约在230×108～300×108t之间，天然气储量约为16×108m3，占我国油气总储量的1/3，且70%的储量是在深水区。开发深海油气既有广阔的前景，但同时也面临着巨大的风险和挑战。2010年4月20日，BP在墨西哥湾的Macondo井发生井喷爆炸，造成“深水地平线”钻井平台沉没，11人失踪、17人受伤，超过400万桶原油泄漏到了墨西哥湾，成为美国历史上最严重的漏油事件，BP公司累计为墨西哥湾漏油事故赔付近540亿美元。事故给墨西哥湾沿岸造成严重环境污染、重大经济损失，引起政治危机和社会危机[1]。这次事故给离岸远、海洋环境恶劣、作业工艺复杂的深水钻井敲响了安全警钟。

事故发生后，美国政府加强了海上钻井的安全监管，石油行业各公司都对钻井的相关管理规定和要求进行了升级和改进，BP公司也对自有平台和签订合同的服务平台进行了全面检查，提出了26项严格改进措施，对API提出标准修订建议和认证请求。ISO、IADC、美国和欧洲等国际和国家协会制修订了一批深水钻井相关标准规范。ISO修订了ISO 15544-2010《石油天然气行业-海上开采装置应急反应的要求和指南》等相关标准。API成立了4个专门工作组开展针对性技术攻关：①行业标准改进，涵盖钻井设计、固井、作业者服务商桥接，防喷器设计、作业、维护及控制系统，水下遥控潜水器（ROV）操作界面以及封井装置，溢油响应作业的保护设备等内容；②水下应急封井装置及作业方法；③溢油应对准备和响应；④海上安全持续改进。新制定API RP 96《深水井设计及建井》、API RP 17W《水下应急封井装置推荐作法》、API RP 17H《水下生产系统的远程操作工具与连接操作作法》、API/IADC 97《油井建井界面桥接文件指南》，修订了API RP65-2《建井中的潜在地层流入封隔》、API STU 53《钻井作业用防喷设备系统标准》等，编制了API RP 98《漏油处理技术报告》，正在制订的标准包括API 16Q《海洋钻井隔水管系统的设计、筛选、操作与维修推荐作法》、API 16R《海洋钻井隔水管接头》、API 16RCD《钻通设备-旋转防喷器》、API 16ST《连续油管井控设备系统》、API 18《全生命周期管理》等。英国的海上石油和天然气工业协会（O&G UK）制定了《水下救援井设计指南》等。笔者主要从深水井设计及建井工艺、井控设备、井喷失控应急封堵装置、救援井及应急救援计划等方面介绍国外在BP墨西哥湾深水地平线事故后标准规范改进情况，并阐述了对我国深水油气田开发标准化工作的启示。

1　深水井设计及建井标准

为了规范深水井的设计和建井，API于2013年3月发布API RP 96《深水井设计及建井》[2]，是国际油气行业首次制定系统化的深水钻完井设计、作业标准，共包括10个章节，3个附件，计170页。API RP 96标准以深水井全寿命周期完整性为重要目标，旨在建立深水井的设计和作业程序，为钻井完井作业和弃井阶段提供一套实用的技术、作业、组织方案，供工程师、设计人员、作业者在组织深水井项目的计划和执行时参考。标准有效降低了地层流体意外溢出的风险，对深水钻完井设计和安全作业具有重要指导意义。

API RP 96内容涵盖了深水钻井、完井、测试等作业阶段。标准给出设计阶段各种载荷考虑、作业阶段安全屏障策略、安全风险识别及控制、应急计划，以及钻完井装备操作等方面内容。其中钻井期间考虑6个方面共18个关键技术点：①地层孔隙压力预测，以及浅水流、天然气水合物、浅层气等浅层灾害预防。②井身结构及套管设计，标准给出了几种典型的深水井身结构（图1），并给出深水套管设计的特殊考虑因素，如环空圈闭压力、膨胀管材使用、腐蚀环境中的合金钢使用、井下螺纹连接，考虑轴向载荷和弯矩载荷的结构套管设计等一系列的管柱选择及设计问题。由于不同的石油公司会针对不同区域，结合作业经验给出不同套管强度计算方法和设计系数，使得设计达到高可靠性，所以标准并没有给出一个统一的套管设计载荷工况定义和设计系数。③送入管柱设计及检测要求。深水作业经常将套管和尾管一并采用钻杆或专用送入管柱下入，由于井深可能导致极端载荷，因此送入管柱的设计和检测是至关重要的。深水送入管柱在使用前需要进行检测，确保每个送入短节的壁厚达到90%～95%的最小壁厚标准，而常规钻杆为80%的最小壁厚标准。④井口及井下设备选型设计。井口设备抗弯曲和疲劳载荷；锁紧到水下井口系统的套管挂/密封总成；无隔水管的泥线悬挂器和泥线下悬挂器；尾管悬挂器及膨胀套管悬挂器；水泥浮鞋套管串系统等设备选型设计。⑤深水张力腿/ (深吃水立柱式平台) Spar平台在深水作业的特殊考虑。⑥深水弃井的考虑因素。

图1　API标准给出的几种典型深水井身结构

深水完井考虑了井筒准备、下部完井、上部完井、清井放喷、回收防喷器(BOP)、安装采油树等作业程序，给出深水完井9个特殊考虑：完井液、井工具材料、油管/作业管柱连接、流动保障、井筒安全措施、深水防砂完井、智能完井、油管和作业管柱的可打捞性、注入井等。例如，井筒安全考虑了油管和作业管柱在大尺寸的生产套管条件下，易于发生屈曲；井眼曲率将加剧套管、油管、作业管柱的弯曲应力影响。

API RP 96标准还给出钻完井作业期间突发事件、应急计划、工作界面及授权管理建议等。但标准对目前深水使用海面防喷器和高压立管(连接浮式生产系统)进行钻完井、控压钻井作业(包括双梯度钻井)、生产作业和采油树下游流体处理、修井作业、井身质量评价标准等没有提及。

2　深水水下防喷器标准

深水地平线事故发生后，API对BOP的相关标准规范进行了修订，将钻井防喷器的推荐作法（APIRP 53）提升为钻井防喷器标准（API STD 53）[3-4]，成为强制标准，同时对于具体的要求进行了多达60处的修改。新增以下要求：BOP的使用者和业主需要进行风险评估以确定闸板的位置和数量满足要求；水下防喷器组应有5个或5个以上防喷器。对BOP控制系统的组成新增了配置应急系统和二次井控系统要求。同时规定所有水下防喷器组必须安装自动剪切系统、死机系统、ROV操作设备等。其他附加要求包括：BOP鉴定证书；增加设备监测；具体的维修保养要求等。

挪威石油标准化组织在2012年对NORSOK-D-001规范进行了修订[5]，对井控设备部分的要求做了一些修改和细化，主要包括：①专门对水下防喷器系统的配置进行了规定。水下BOP系统至少由如下部分组成：1个万能防喷器、1个剪切密封闸板防喷器、3个管子闸板防喷器、至少2个压井管线接头、至少2个阻流管线接头、4个压井失效关闭阀、4个阻流失效关闭阀。新规范和以前规范有明显不同，首先明确了水下防喷器要配置3个管子闸板，以前的规范防喷器只需要配2个管子闸板；其次对阻流和压井管线出口数量要求不同，对阀门的类型和数量配置要求均不同。②对浮式钻井装置上的特殊要求改进。浮式钻井装置的水下BOP通常由井口连接器、防喷器组、隔水管下部总成(LMRP)和控制盒、ROV控制面板。新标准中水下防喷器的配置增加了ROV操作面板。

英国在BP事故发生后设立油井全生命周期实践论坛（WLCPF），由英国石油和天然气行业会员组成，包括钻井设计、施工和管理、修井等油公司和专业服务公司，研讨并完成制定油井全生命周期完整性指南、救援井设计指南、水下防喷器指南等[6]。水下防喷器指南包括：防喷器配置、防喷器控制系统、应急和辅助控制、性能和压力测试、维修、检查和监控等内容。

3　深水井喷失控应急救援标准

3.1水下应急封井装置标准

针对平台翻沉后复杂的井下工况处理，国外已研发出多套应急救援系统：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。其中系统中最关键设备是水下井口应急封井装置，其主要功能被看作是水下采油树和BOP组合：封闭井筒、作为井筒接口将井筒的流体输送到海面、通过海面作业船向井筒输入流体、提供井筒干预手段。各公司研发的封井装置结构形式都不大相同，典型水下应急封井装置如图2所示，主要元件包括：井口连接器、闸阀、节流阀、闸板、再进入连接器、面板、框架、转化接头、连接管线。

API于2014年发布API RP 17W《水下应急封井装置推荐作法》[7]，对装置设计、制造和使用不同阶段，包括装置分类、功能要求、界面描述、系统设计、加工制造、部署使用、操作参数及后勤支持、设备存放、维护和测试要求等方面进行了具体规定。标准附件A给出了一套水下应急作业程序，附件B给出一个典型操作案例，包括装置部署、关井和回收操作等。ISO也制定出ISO 15544-2010《海上生产装置-应急响应的要求和指南》[8]，对生产期间的应急封井提出了要求。

图2　水下应急封井装置示意图

3.2海上救援井标准

救援井通常是为抢救某一口井喷、着火的井而设计施工的定向井，救援井与失控井具有一定距离，在设计连通点救援井和失控井井眼相交，并从救援井内注入高密度泥浆压井，控制失控井。第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的，我国在海上还没有钻过救援井。作为彻底解决井喷失控最有效的方案，在多次海上井喷事故处理中得到成功应用，BP墨西哥湾深水地平线事故共钻2口救援井，最终彻底解决地层流体溢出风险，典型救援井如图3所示。

O&G UK于2012年颁布了《水下救援井设计指南》[9]，给出了救援井数量、井位优选、井下连通作业、压井、弃井等海上救援井设计作业的关键技术，以及复杂救援井的要求、装备可用性和后勤供给、项目计划等方面内容。

图3　典型海上救援井示意图

比如UK救援井井位选择要考虑如下因素：①受法律法规、保险、合同限制；②海底或海底地形及障碍物影响，通常考虑在经过井场调查的区域；③海洋环境影响，风向、流向、海浪和冰期；④事故平台火灾热辐射面积或者H2S扩散范围；⑤浅层地质风险，特别是浅层气、浅层水、天然气水合物等；⑥定向井和测斜要求；⑦使用钻机类型，应便于钻井装置就位、供应船停靠及直升飞机起降；如采用锚泊定位，需要考虑抛锚作业；⑧若失控井位于井口平台，还需要考虑其他井眼干扰；⑨宜使井眼轨迹简单且便于施工作业。给出根据风向和海流窗口选择井位的方法，如图4、图5所示。

图4　考虑井场调查和风向的救援井井位选择

图5　考虑风向、海流的井位选择及管控

4　国外政府监管对标准要求提升

4.1对海上钻井作业标准相关新要求

美国内务部文件NTL-2010-N06重新定义了井喷失控的最恶劣工况（WCD），要求提交批准的钻井设计文件必须包含有井喷失控应急救援方案，救援井等内容。NTL-2010-N10要求作业期间必须有应急救援工程服务储备，包括溢油应急响应和水下应急封井装置资源。具体检查项目包括：已签署合规性声明；水下应急封井装置要带有设计和可靠性认证；井口封堵计划（一般通过专业公司实施）；设备演练，部署应急人员。此外，规定了井喷工况下，按照标准API/IADC97《油井建井界面桥接文件指南》[10]，作业者与专业服务公司签署应急救援服务合同，具有获得调度水下应急封堵资源的权利，可以对深水井喷和其他失控事件迅速作出响应。

对油井完整性、防喷器及控制系统提出更高要求。在油井完整性方面，按照API RP 65-2《建井过程中封隔潜在流动层的推荐作法》[11]，套管和固井程序需要得到专业工程师现场认证；完井过程中保持2个独立的安全屏障（通过PE认证）；对套管悬挂器的安装、密封和锁紧程序提出要求；负压试压试验（如更换低密度钻井液等）应得到美国海洋能源管理局(BOEM)区域经理批准；井控系统图纸及文档应完备可查。

在防喷器及控制系统方面：需要第三方机构认证剪切闸板可以剪断井筒中任何钻杆；要求配置自动剪切和死机系统并对功能测试提出要求；防喷器具备ROV干预接口，并提出BOP测试最低要求；按照API RP53进行防喷器的检查和维护；按照深水井控培训大纲要求对防喷器设备操作人员进行培训。

4.2钻井安全规程改进

美国安全暨环境执法局(BSEE)修订《钻井安全规程》，为钻井设计、下套管、固井、井控程序及设备管理（包括防喷器）建立了严格规程。它主要包括4个部分：①加强井控安全屏障的描述和分类；②给出固井测试要求；③明确了安装双机械屏障的要求；④扩展了完井、修井和弃井操作中防喷器和井控流体的要求。此规程要求作业者要取得专业工程师对所提交钻井程序的合理性证明。另外，新的钻井安全规则要求专业工程师对用于钻井作业的防喷器进行认证，以证明防喷器试验、维护和性能符合新的标准。

4.3建立一套安全和环境管理系统

BSEE要求海上作业者必须建立一套综合的安全与环境管理系统(SEMS），包括海上钻井和生产操作标准，其内容包括设备、安全作法、环境保护和作业者与承包商的监督管理。SEMS要求作业者在程序中增补对员工培训、安全管理人员聘用和第三方审查程序的规定。SEMS强制要求所有设备满足API RP 75《编制外大陆架作业和设施安全和环境管理计划的推荐作法》的检查要求；外包提供者需负责承包商的SEMS验证。

5　对我国标准化工作启示

5.1我国深水钻井技术现状及标准需求

我国南中国海深水钻井开始于1987年，Occi⁃dental Eastern公司租用南海5号半潜式平台钻探了第1口深水井BY7- 1- 1井，该井的作业水深499.42m，此后的25年间，包括BP、BG、Chevron、Anadarko、Devon等合作外国公司在南海钻深水井8口，作业水深最深是LW13-1-1井（水深1 920.6m），是由Chevron公司租用Seadril公司的第6代半潜式钻井平台West Aquarius所钻。中海油进入深水领域自己当作业者进行深水钻井工作，是以2010年1 月15日钻探赤几S-1井为标志开始的，该项目是中海油在非洲开始的第1个深水勘探项目，平均井深3 700m，最大水深1 096m。中海油2009年建成我国第1座第6代动力定位深水半潜式钻井平台“海洋石油981”，随后购置NH8、NH9两座半潜式钻井平台，2015年建成具备极地海域作业能力，可满足全球90%海域油气钻探需求的“兴旺号”，建成满足不同作业水深勘探开发的梯次船队。截至2015年底，这4座深水半潜式钻井平台已经陆续完成了近40口深水井的钻井和4口深水井的测试工作。中海油已基本具备了独立从事深水油气田勘探开发钻完井、测试的作业能力[12]。

但由于深水钻井高风险、高投入特点，面临技术、装备、人才团队等诸多挑战，是一个复杂的系统工程难题，既涉及大量的工程技术问题，又涉及投资费用工期的组织管理。国外已制定关键深水作业标准规范，基本建立起深水钻井标准规范体系。而国内深水油气开发刚刚起步，借鉴和参考国外标准不尽适宜，迫切需要建立与之相对应标准化技术委员会和构建适宜我国海域特征、科学完整的标准规范技术体系支撑深水油气资源开发。

5.2已制定的深水钻井标准规范

目前国内还没有制订深水钻井相关的国家和行业技术标准，中海油从2011年开始发布标准Q/HS 1043-2010《深水探井地质设计规范》、Q/HS 1044-2010《深水探井综合录井资料录取规范》、Q/ HS 1045-2010《深水油气勘探井场调查规范》、Q/HS 14007-2011《深水探井钻井工程设计指南》、Q/HS 14011-2012《深水探井钻井作业基本要求》、Q/HS 14016- 2013《深水钻井井场评价要求》、Q/HS 14017-2013《深水钻井装置作业前检验规范》、Q/HS 14019-2014《深水井的设计及建井基本要求》、Q/HS 16001-2014《深水三用工作船功能配置和技术要求》等9个深水企业标准[13-21]。动用了中海油全部钻完井技术力量，在学习和消化国外公司技术的基础上，结合中海油深水工作实际，完成了《深水钻井规程与指南》、《深水测试规程与指南》、《深水完井规程与指南》，形成了中海油具有自主知识产权的技术规范指南[12]。

海油采标API RP 96《深水井设计及建井》，对相关章节进行了精简，并结合南中国海的深水实践进行了修改和提炼，制定出Q/HS 14019-2014《深水井的设计及建井基本要求》[14]，并于2015年4月发布实施。

2014年11月25日，由国家能源局批准、中国海洋石油总公司牵头组建的能源行业海洋深水石油工程标准化技术委员会成立。该委员会对300m以上水深油气等资源的勘探、开发、工程和装备等领域进行行业标准制定、修订、复审、宣贯等工作的技术组织。该委员会的成立将有力推动我国深水油气田开发工程技术的发展和装备标准体系建设，为海洋深水石油工程行业的科学发展提供支撑和保障。

5.3对下一步工作的思考

5.3.1构建科学完整的标准规范技术体系

深水钻井包括钻井设计、钻井作业、项目管理等方面，包括井场调查、拖航定位、表层钻井、下隔水管和BOP、下部井眼钻进、测井、固井、完井、弃井等作业流程。涉及地层压力预测、井眼轨迹设计、井身结构设计、套管强度校核、泥浆体系设计、水力学分析计算、水泥浆体系设计、摩阻扭矩分析、工程质量控制、井控及井控设备配置要求、救援井及应急救援方案等诸多关键技术，以及为解决高温高压、窄压力窗口以及修井挑战而出现的深水双梯度钻井、深水控压钻井、深水的大位移井、智能完井等技术，为解决低温、高压、水合物等问题而研发的新型钻井液、固井体系等。国外已制定相关标准规范和推荐做法，但是由于我国深水油气勘探开发起步晚，相关标准规范技术体系还未完全建立。

5.3.2高度重视安全环保法律新的要求

新《安全生产法》于2014年12月1日正式实施，新《环境保护法》于2015年1月1日正式实施。两法的发布对深水钻井作业将产生重大影响，特别是对井喷溢油风险的防范。我国目前还没有制订深水井控、应急救援方面的标准，要高度重视深水油气相关标准化的制定工作，才能确保深水作业安全。

5.3.3做好顶层设计，加快标准规范的制定

国务院最新发布《全国海洋主体功能区规划》，明确提出“提高海洋资源开发能力，实施海洋强国战略”。规划提出到2020年，达到海洋空间利用格局清晰合理，形成储近用远的海洋油气资源开发格局，规划发布将加速我国南中国海深水油气勘探开发的进程。但是由于国内深水标准相关技术研究较少，力量分散。而且涉及技术面广、技术难度大，以一家企业和公司力量难以制定全部技术标准和规范。建议从国家层面给予协调，做好顶层设计、总体规划、分步实施。加强统筹协调，强化协同配合，支持相关企业和机构开展深水钻井标准规范技术研究，制定针对南中国海深水、深远海作业的标准规范，为南海深水油气田的开发提供技术支撑。

6　结论及建议

1）BP墨西哥湾深水地平线事故后，ISO、IADC、API和欧洲国家协会十分重视事故后对标准的再认识，制修订深水钻井相关的标准规范情况，包括海上钻井作业工艺、井控设备、水下井控和井口应急封堵设备、救援井及应急救援计划等方面内容，综述相关进展，并对关键技术点进行了梳理分析，对我国构建深水钻井标准规范体系，加强深水油气开发设计、作业以及应急预案编制具有一定参考意义。

2）国家建设“海洋强国”战略实施，将加速我国南中国海深水及深远海油气勘探开发的进程，迫切需要建立一套深水油气田设计、作业、安全保障的标准规范。建议从国家层面做好顶层设计、总体规划，构建科学完整的标准规范技术体系。高度重视安全环保法律新的要求、加大力度、加快标准规范的制定，尽快制定深水钻井井控装备标准规范，深水应急救援标准规范，形成完善的深水油气开发标准规范体系。为国家海洋石油安全生产提供技术支撑和安全保障，为海洋强国的战略目标实现贡献力量。

[1] Us Chemical Safety and Hazard Investigation Board. Explo⁃sion and Fire at the Macondo Well Investigation Report : DC20037- 1848 [R].Washington,USA：Us Chemical Safety and Hazard Investigation Board，2010.

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[16]深水探井综合录井资料录取规范:Q/HS 1044-2010 [S].

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[18]深水钻井井场评价要求:Q/HS 14016-2013 [S].

[19]深水钻井装置作业前检验规范:Q/HS 14017-2013 [S].

[20]深水井的设计及建井基本要求:Q/HS 14019-2014 [S].

[21]深水三用工作船功能配置和技术要求:Q/HS 16001-2014 [S].

The blowout explosion accident of Macondo deepwater well of British Petroleum (BP) Company in the Gulf of Mexico in 2010 leaded to "Deepwater Horizon" drilling platform capsized and sank. After the accident, the re-understangding of U.S. government, ISO, IADC, API and European Oil and Gas Industry Association to laws and standards and the formulation and revision of the standards and specifications related to deepwater drilling, including well constructing technology, well control equipment, blowout emergency plan, emergency plugging equipment, relief well, etc., are introduced, and the improvement of the foreign related industry standards and speci⁃fications is analyzed. The demand and development of the domestic standards and specifications related to deepwater drilling is dis⁃cussed, and some suggestions for the formulation of the supervision and management policies and the standards and specifications on deepwater drilling, well control and emergency rescue are put forward.

deepwater drilling; well design; well blowout; emergency response; standard and specification

殷志明（1980-）,男，博士，高级工程师，主要从事深水钻完井技术研究工作。

本文编辑：王梅2015-11-23