南中国海深水救援井井位优选方法

赵维青，庞东豪，张玉山，冷雪霜

（中海油能源发展股份有限公司工程技术公司）

南中国海深水救援井井位优选方法

赵维青，庞东豪，张玉山，冷雪霜

（中海油能源发展股份有限公司工程技术公司）

分析了深水救援井井位选择影响因素，针对南中国海深水作业环境及不同平台定位方式提出了救援井与井喷井最小安全距离计算方法，并进行了实例分析。进行深水救援井井位选择时，除了考虑浅水救援井井位选择的影响因素，还存在深水作业环境造成的难点，需要考虑作业期间海况、井场调查资料、井喷井状态和发展趋势，选择的井位对救援井轨迹设计、探测程序、探测工具施工难度、后期动态压井作业的影响，以及平台火灾热辐射半径、平台定位方式等。南中国海深水救援井井位选择要考虑台风和内波流这两个关键因素。对于锚泊定位平台，主要考虑布锚方案、内波流及台风影响；对于动力定位平台，主要考虑平台作业窗口和其他作业船只的影响。基于南中国海深水救援井井位选择影响因素的分析，结合实例给出了救援井井位优选方法。图4表1参16

深水钻井；救援井；井位选择；最小安全距离

0 引言

当某井在钻完井或者油气田生产过程中发生井喷失控后，从距离井喷井一定的地面安全距离处钻1口或者多口井至喷层顶部或井喷井井筒内，通过注水泥、水淹、动态压井等方法阻止地层流体通过井喷井井筒继续泄漏至地面，以达到恢复井喷井正常作业或者压封喷层的目的，这类井称为救援井[1-5]。

深水救援井设计面临诸多挑战，例如水深增加或储集层埋藏浅导致救援井轨迹狗腿度大[6]；井喷井套管尺寸或井眼尺寸大导致动态压井所需排量高，要求地面设备压力等级高[7]；救援井井斜过大导致探测工具无法下入[8]；救援井与井喷井切入角大导致探测工具有效探测范围变小等。此外，还要考虑作业期间海况（如台风、海洋内波）及井喷井状况、发展趋势等[9-13]。按照假设的最恶劣工况进行救援井设计是目前国际及国内认可的做法[14-15]。

救援井设计的第一步就是确定救援井与井喷井之间的距离，也就是进行救援井井位的选择。救援井与井喷井距离过小会影响到救援井本身的安全，过大又会给后续轨迹设计、连通、探测及压井带来挑战。因此，选择安全合适的救援井井位对救援井设计及实施至关重要。本文针对南中国海深水作业环境及平台定位方式提出救援井与井喷井最小安全距离计算方法。

1 救援井井位选择考虑因素

1.1 浅水救援井井位选择考虑因素

浅水通常采用自升式钻井平台、导管架平台或者锚泊定位平台进行作业。浅水救援井井位选择通常考虑以下因素：①原作业井平台是否完整，如是否发生沉没、着火爆炸等；②作业期间风、浪、流、浮冰情况；③原井是否发生地下井喷；④原井是否出现地下浅层充气；⑤原井泥面处是否有流体泄漏，如果是气体考虑气体上升过程中的影响；⑥浅层地质概况，如浅层气、古河道、浅层断层等；⑦对于锚泊定位的平台还要考虑布锚方案。

1.2 深水救援井井位选择难点

①水深及储集层埋深。对于相同埋深的储集层，随着水深的增加可钻的地层就减少。例如南中国海某超深水井水深超过2 400 m，储集层埋深只在泥面以下不到600 m，要求660.4 mm（26 in）井段就开始造斜，而且上部井段狗腿度要达到5°/30 m才能满足下部井段探测要求。对于这种井，救援井轨迹设计难度将成倍增加，探测段井斜角超过78°，导致探测工具无法下入，给测距及连通带来很大挑战。为了解决该问题就要不断减小救援井与井喷井之间的距离，而这将大大增加作业安全风险。

②探测工具使用要求。目前常用的探测工具有well spot系列。探测工具要求：井眼井斜宜小于37°；探测段狗腿度不宜超过3°/30 m；救援井和井喷井在空间上的夹角不宜超过45°；保证足够长的探测段以便逐渐逼近井喷井，一般要求探测到井喷井后还有不少于200 m的探测段。

③连通点选择。连通点或者压井点是指救援井与井喷井连通，保证压井液或者其他封堵流体（如水泥等）可通过救援井直接注入井喷井的深度。连通点的选择与探测工具有关，探测工具要求被探测源必须是套管或者钻具等金属，同时要求可探测深度以下至少有150 m的可探测源。well spot系列探测工具最大探测范围77 m（250 ft），因此连通点应在井喷井最后一层套管鞋或裸眼有钻具处。一旦确认连通点就要考虑选择的井位是否满足探测工具测距的要求，如果不满足就要重新调整井位。

除了以上3点，还要考虑：在实施救援井过程中井喷流体对平台安全的影响，例如喷出流体是原油或凝析油等时在海面的漂浮；溢油处理船只及设备在海面作业时对救援井的影响，例如深水溢油处理船只一般采用动力定位，这就要考虑动力定位失效后船体对救援井平台是否有碰撞风险；井场调查，例如是否存在浅层水、泥火山、海底滑坡等；井口稳定性分析等。

1.3 南中国海深水救援井井位选择关键因素

世界各地深水区域都有其各自的特点，在进行救援井井位选择时还要根据海域特点考虑特定因素的影响。例如，在墨西哥湾和巴西区域由于受环流影响可能导致平台漂移，西非地区作业环境相对温和，主要是受雨季影响，而在南中国海还要考虑台风和内波流这两个关键因素。

1.3.1 台风

南中国海是台风多发海域，由图1可知，台风多发季节为6月至11月。仅2013年就有14次台风对南中国海作业造成了影响，选择合适的作业窗口进行作业不但可以减少避台次数，减少非生产时间，而且作业更安全。

图1 南中国海近50年台风发生次数及时间

对于救援井平台来说，如果遭遇台风，在无法及时撤离的情况下，就需要应急解脱避台，一般有两种方式：悬挂隔水管或者起出所有隔水管及防喷器。采用悬挂隔水管进行避台就要考虑是否有足够的距离从井喷井平台附近撤离。

1.3.2 海洋内波

海洋内波是指在密度稳定层结的海水中产生的一种波动，也叫重力波或者内惯性重力波。海洋内波要同时具备流体密度稳定分层和扰动才能产生，在传播过程中受到水深、剪切流等周围环境影响，最大振幅出现在海面以下几十米到几百米不等，振幅高达200 m。内波流对深水平台有重大危害，特别是在建立隔水管闭路循环系统后，如果检测不及时，采取措施不当，使平台漂移距离过大，会对平台本身造成损坏，导致作业中断。表1是南中国海某深水平台在水深620 m左右区域作业的某井遭遇的内波流情况，可以看出，内波流导致平台最大漂移137 m，因此在救援井井位选择时要考虑救援井平台及井喷井平台遭遇内波流的情况。

表1 南中国海某深水平台遭遇内波流情况

2 深水救援井与井喷井最小安全距离

一般国际上认可的深水救援井安全距离至少是457 m（1 500 ft）。深水作业平台定位方式分为锚泊定位和动力定位两种，一般水深小于1 500 m时推荐使用锚泊定位方式，水深大于1 500 m时使用动力定位方式。本文在考虑救援井井位选择影响因素的基础上，给出针对两种不同定位方式平台的救援井与井喷井最小安全距离计算方法。

2.1 锚泊定位平台

对于锚泊定位平台，主要考虑布锚方案、内波流及台风影响，救援井与井喷井最小安全距离可由下式计算：

此外，根据API标准[16]，为了防止钢缆或锚链与平台浮筒发生碰撞或磨损，要保持锚链或钢缆与平台浮筒的夹角大于38°。

2.2 动力定位平台

对于动力定位平台，主要考虑平台作业窗口（即需要应急解脱时平台最大漂移距离）和其他动力定位船只（如海面溢油处理船、封井器安装船、ROV（遥控操作装置）工程船等）的影响。如果救援井平台与井喷井平台之间有工程支持船，且两平台均发生火灾，则救援井与井喷井最小安全距离可由下式计算：

如果两平台均发生火灾，但两平台间无其他作业船只，则救援井与井喷井最小安全距离可由下式计算：

3 救援井井位选择实例分析

3.1 锚泊定位平台救援井井位选择

图2为南中国海某深水井示意图，水深620 m，转盘面海拔26 m，海底锚链长度621 m，平台宽度72 m，平台长度80 m。考虑到救援井与井喷井平台能力相当，可以认为两平台尺寸及布锚方式相同。

图2 南中国海某锚泊定位平台深水井示意图

根据API标准[16]，要保持锚链或钢缆与平台浮筒的夹角大于38°，则：

图3 热辐射范围

假设平台着火燃烧，平均日产气60×104m3，日产油120 m3。图3为热辐射计算结果，可以看出：距离平台中心80 m以外属于安全区域，即ff为80 m，远小于锚链长度，则可以忽略平台着火时热辐射的影响。同理，也可以忽略内波流的影响。因此，根据（1）式可得救援井与井喷井最小安全距离为：

3.2 动力定位平台救援井井位选择

图4为南中国海HUSKY大力神钻井平台，作业水深1 454 m，转盘面海拔31 m，隔水管张力器和隔水管伸缩节最大伸长6.5 m，防喷器高度12 m，DP3动力定位，平台长度114 m，平台宽度78 m。

图4 南中国海某动力定位平台深水井示意图

为了计算救援井与井喷井之间的最小安全距离，假设可能出现3种工况：①由于海况影响或者定位系统失效，救援井平台和井喷井平台同时向对方靠近，达到如图4所示的应急解脱线；②两个平台均发生火灾，热辐射模拟工况与图3相同，热辐射半径为80 m；③两个平台之间有ROV或溢油回收等工程船作业，工程船最大长度78 m。

防喷器顶部球接头到转盘面底部挠性接头距离：

救援井平台应急解脱时的极限漂移距离：

由于救援井平台与井喷井平台作业能力相当，则：

从目前南中国海作业历史来看，内波流引起的平台漂移距离未超过平台应急解脱时漂移距离，因此内波流的影响可以忽略。国际保险公司推荐安全距离为500 m。

最极限工况为假设工况①、②、③同时出现，根据（2）式可得救援井与井喷井最小安全距离为：

实际作业中如果有台风或者内波流出现，ROV或溢油回收工程船可提前撤离，根据（3）式可得救援井与井喷井最小安全距离为：

最理想的情况是平台无火灾，平台动力定位有效，两平台不会发生相对漂移，两平台之间无作业船只，则救援井与井喷井最小安全距离为：

在实际作业中要根据具体情况进行风险评估来确定井位，在保证安全的前提下尽量缩短距离，因为距离越小救援井轨迹控制越容易，探测及连通的成功率也大幅提高。

4 结论

分析了深水救援井井位选择影响因素，包括作业区域环境，井喷井状况和发展趋势，水深和储集层埋深，以及救援井轨迹、连通点、探测工具等。

南中国海深水救援井井位选择要考虑台风和内波流这两个关键因素。对于锚泊定位平台，救援井井场调查及布锚锚链长度是井位选择的关键因素。对于动力定位平台，救援井井位选择要综合考虑平台应急解脱时漂移距离、平台最大尺寸、平台火灾热辐射半径、井喷井与救援井之间作业船只等因素的影响。

针对南中国海深水区域特点，提出了不同平台定位方式的救援井与井喷井最小安全距离计算方法，并进行了实例分析。

符号注释：

D——隔水管极限长度，由水深和隔水管张力器长度决定，m；F——最小安全距离，m；fbcsb——井喷井接触海底的锚链长度，m；fbcsh——井喷井未接触海底的锚链或钢缆在水平面上投影长度，m；fbeds——井喷井平台应急解脱时平台漂移距离，m；fc——工程支持船最大长度，m；ff——考虑井喷井平台着火时的热辐射半径，m；fin——考虑内波流影响的安全距离，m；fR——国际保险公司推荐安全距离，m；frcsb——救援井接触海底的海底锚链长度，m；frcsh——救援井未接触海底的锚链或钢缆在水平面上投影长度，m；frb——井喷井平台最大长度，m；freds——救援井平台应急解脱时平台漂移距离，m；frr——救援井平台最大长度，m；H——防喷器顶部球接头到转盘面底部挠性接头的距离，m；x，y——直角坐标系，m。

[1] WRIGHT J W.Relief well technology can solve ordinary problems[J].Oil and Gas Journal,1993,91(3):30-33.

[2] WRIGHT J W,FLAK L H.Blowout control:Response,intervention and management:Part 11:Relief wells[J].World Oil,1994,215:12.

[3] MCELHINNEY G,SOGNNES R,SMITH B.Case histories demonstrate a new method for well avoidance and relief well drilling[R].SPE/IADC 37667,1997.

[4] LERAAND F,WRIGHT J W,ZACHARY M B,et al.Relief-well planning and drilling for a North Sea underground blowout[J].Journal of Petroleum Technology,1992,44(3):266-273.

[5] KOUBA G E,MACDOUGALL G R,SCHUMACHER B W.Advancements in dynamic-kill calculations for blowout wells[J].SPE Drilling & Completion,1993,8(3):189-194.

[6] WIRE W O.Large hole RSS used for shallow kick-off,directional control in soft sediment[J].World Oil,2007,228(10):39-40,42-43.

[7] API.Blowout prevention equipment systems for drilling wells:API 53 [S].Washington D C:API,2012.

[8] KUCKES A F,HAY R T,JOSEPH M M,et al.New electromagnetic surveying/ranging method for drilling parallel horizontal twin wells[J].SPE Drilling & Completion,1996,11(2):85-90.

[9] OLBERG T,GILHUUS T,LERAAND F,et al.Re-entry and relief well drilling to kill and underground blowout in a subsea well:A case history of well 2/4-14[R].SPE 21991-MS,1991.

[10] WRIGHT J W.Gas broach leads to unique relief well intervention to protect production platform[J].Drilling Contractor,2005,61(6):40-42.

[11] AADNOY B S,BAKOY P.Relief well breakthrough at problem well 2/4-14 in the North Sea[R].SPE 20915,1990.

[12] VOISIN J A,QUIROZ G A,POUNDS R,et al.Relief well planning and drilling for SLB-5-4X blowout,Lake Maracaibo,Venezuela[R].SPE 16677,1987.

[13] 李宗智.王15-33井井喷事故及救援井施工[J].石油钻探技术,1993,21(3):31-34.LI Zongzhi.Blowout and relief well construction of Well Wang 15-33[J].Petroleum Drilling Techniques,1993,21(3):31-34.

[14] 杨进,孟炜,姚梦彪,等.深水钻井隔水管顶张力计算方法[J].石油勘探与开发,2015,42(1):107-110.YANG Jin,MENG Wei,YAO Mengbiao,et al.Calculation method of riser top tension in deep water drilling[J].Petroleum Exploration and Development,2015,42(1):107-110.

[15] YU Xiu,JIE Jingling.Relief well drilling technology[R].SPE 17820,1988.

[16] API.Design and analysis of station keeping systems for floating structures:API RP 2SK [S].Washington D C:API,2005.

（编辑 胡苇玮）

Location selection of deepwater relief wells in South China Sea

ZHAO Weiqing,PANG Donghao,ZHANG Yushan,LENG Xueshuang
(CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.,Shenzhen 518067,China)

By analyzing affecting factors on deepwater relief well location selection,and focusing on the regional deepwater operating environment in South China Sea and different rig positioning types,a calculation method for minimum safety distance between reliefs well and blowout well was proposed.In addition to the affecting factors on shallow-water relief well location selection,difficulties which are specific for deepwater operating considerations should be considered for deepwater relief well location selection,including metocean conditions,site survey results,blowout situation and evolution,influences of relief well location on relief well trajectory design,ranging procedure,ranging tool usage and dynamic killing operation,and fire hazard heat radiation and rig positioning types.The most significant factors for deepwater relief well location selection in South China Sea are typhoon and internal solitary wave.For a mooring positioning rig,the main considerations are mooring deployment,internal solitary wave and typhoon.For a dynamic positioning rig,the main considerations are operation window and other vessels.Based on analyses of affecting factors on deepwater relief well location selection in South China Sea,the well location selection method was demonstrated through the discussion of an existing regional well.

deepwater drilling; relief well; well location selection; minimum safety distance

国家科技重大专项子课题“深水钻完井及其救援应用技术研究”（2011ZX05026-001-04）；国家科技重大专项“南海北部陆坡深水油气田钻采风险评估及采油（气）关键技术研究”（2011ZX0506-001-03）

TE21

A

1000-0747(2016)02-0287-05

10.11698/PED.2016.02.16

赵维青（1985-），男，青海海东人，学士，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司工程师，主要从事深水钻完井监督及设计工作。地址：广东省深圳市南山区太子路金融中心7楼，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，邮政编码：518067。E-mail：zhaowq@cnooc.com.cn

2015-07-13

2016-01-16