蘇尚文，屈志明，侯國慶，耿艷東，吳占偉，王紅杰

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552）①

水下應急封井裝置（Subsea Capping Stack）是一種結構與功能類似于水下防噴器組的應急搶險設備，安裝在井口或水下防噴器上部，可以進行關井、分流、壓井、分散劑注入、集油等操作，用于水下井控措施失敗后的搶險救援，是海上鉆井發(fā)生漏油事故后進行控油和搶險的關鍵設備［1－2］。2010－07英國石油公司設計制造出世界上第1套水下應急封井裝置，并成功應用于墨西哥灣深水地平線鉆井平臺事故的搶險救援。目前，全球已研制出或正在研制的水下應急封井裝置約有16套［3］（如表1），分別由國際上幾大搶險公司或鉆井公司配置在主要海洋石油開采區(qū)。2010年墨西哥灣漏油事故后，美國內政部建議鉆井作業(yè)公司進行海上鉆井作業(yè)前應制定應急搶險預案，并配置水下應急封井裝置或與就近的應急搶險公司制定應急救援方案［4］。我國南海深水鉆井工況惡劣，國內首套深水鉆井平臺“海洋石油981”已于2012－05正式在我國南海開鉆［5］，但國內尚無針對水下井口應急搶險救援的相關技術與裝備。為保護我國海洋環(huán)境及深水鉆井作業(yè)安全，應系統(tǒng)研究深水井噴應急技術及裝備，開展深水井噴應急作業(yè)工藝研究，為水下井口應急搶險提供理論依據(jù)和技術及裝備支撐［6］。

表1 國際上主要水下應急封井裝置

1 產(chǎn)品分類及技術現(xiàn)狀

根據(jù)目前國際上已有或正在研制的水下應急封井裝置，筆者將其結構分為3類：

1） 閘板防噴器結構水下應急封井裝置。

2） 閥門結構水下應急封井裝置。

3） 分體式水下應急封井裝置。

另外，水下應急封井裝置還需配置不同的下放工具及轉換短節(jié)。根據(jù)用戶需要配置水下蓄能器組或水下動力單元。

1.1 閘板防噴器結構

第1套閘板防噴器結構水下應急封井裝置（如圖1）［7］由英國石油公司設計制造并成功進行了應用。主要由2FZ48－105雙閘板防噴器、FZ48－105單閘板防噴器、液壓連接器、水下機器人（Remotely Operated Vehicles，ROV）操作面板、事故閥、轉換短節(jié)等組成。轉換短節(jié)連接在水下防噴器組隔水管轉換器上，通過液壓連接器實現(xiàn)水下應急封井裝置與水下防噴器組的對接；閘板防噴器配置全封剪切閘板，可以剪切鉆桿并封閉井口，阻止井內流體外泄，實現(xiàn)應急搶險救援；ROV操作面板配置相應的熱線插口，由ROV攜帶液控管線實現(xiàn)液控功能的操作；通過安裝在側出口上的事故閥進行壓井、節(jié)流、分散劑注入、集油等操作，實現(xiàn)事故救援工作；側出口上安裝有深水溫度壓力探測總成，通過ROV將實時測量的井口溫度和壓力數(shù)據(jù)傳遞到水面應急指揮中心。

圖1 墨西哥灣搶險用水下應急封井裝置

TRENDSETTER ENGINEERING INC 是世界上 主 要 的 水 下 應 急 封 井 裝 置 制 造 商［2，3］，為MWCC、HWCG、Shell Oil及SWRP等應急搶險公司或鉆井公司設計和制造了類似閘板防噴器結構的水下應急封井裝置（如圖2）［8］。分別采用了單閘板防噴器、雙閘板防噴器和三閘板防噴器結構，有69 MPa（10 000psi）和103.5MPa（15 000psi）兩個壓力等級，有476.3mm（18英寸）及 179.4mm（7英寸）兩種通徑，功能基本上與第1套水下應急封井裝置類似。個別裝置采用聲納系統(tǒng)傳遞井口實時檢測的壓力和溫度。有的還配備了水下蓄能器組或水下動力單元，為防噴器及側出口連接的閥門、液壓連接器提供液壓動力。

圖2 TRENDSETTER ENGINEERING INC生產(chǎn)的水下應急封井裝置

1.2 閥門結構

閥門結構的水下應急封井裝置由閥門替代閘板防噴器進行水下應急封井作業(yè)。質量較輕，方便使用波音747運輸機空中運輸。目前主要有179.4 mm（7英寸）和130.2mm（5英寸）2種通徑。

179.4 mm（7英寸）水下應急封井裝置（如圖3）［9］由 TRENDSETTER ENGINEERING INC 生產(chǎn)，壓力等級69MPa（10 000psi）。主通徑裝配1個雙聯(lián)事故閘閥，通過ROV操作可以封閉井口；下部四通上裝配通徑為130.2mm（5英寸）的雙聯(lián)事故閘閥，外接節(jié)流閥及管線連接器，可進行節(jié)流、壓井、分散劑注入、集油等應急救援作業(yè)；ROV操作面板配置相應的熱線插口，實現(xiàn)既定功能的操作；安裝有深水溫度壓力探測總成，通過聲納系統(tǒng)將實時測量的井口溫度和壓力數(shù)據(jù)傳遞到水面應急指揮中心。

圖3 179.4mm通徑水下應急封井裝置

OSPRAG擁有一臺通徑130.2mm（5英寸）水下應急封井裝置（如圖4）［10］，壓力等級103.5 MPa（15 000psi）。主通徑及四通側出口均裝配通徑130.2mm（5英寸）的閥門；溫度等級121℃；日收集原油1.192 5×107L（75 000桶）；模塊化設計，質量約40t；最大工作水深3 048m（10 000ft）。主通徑閥門可封閉井口；每個側出口上各裝配有2個閥門，可進行節(jié)流、分散劑注入、集油等應急救援作業(yè)。

圖4 130.2mm通徑水下應急封井裝置

1.3 分體結構

英國石油公司在墨西哥灣漏油事故后，為方便運輸設計制造了一個分體式水下應急封井裝置，如圖5［11］。上半部分由2個通徑130.2mm （5英寸）閘閥組成，可以封閉井口，質量約37t。下半部分由臥式采油樹改造而成，配有ROV操作面板，實現(xiàn)節(jié)流、壓井、分散劑注入、集油等應急救援作業(yè)，質量約70t。

圖5 分體式應急封井裝置

1.4 配套機具

為完成水下井口的搶險作業(yè)，需將水下封井應急裝備下放安裝在水下防噴器組上或井口上。一般有繩索下放和鉆桿下放2種下放方式。受水下海流的影響，水下應急封井裝置容易漂移，與水下防噴器組對接較困難。使用繩索下放時，繩索連接在水下應急裝備框架或專用的下放工具上。鉆桿下放需要專用的下放工具，下放工具下部為液壓連接器結構，將下放工具鎖緊在水下井口應急裝備的芯軸上，與水下防噴器組或井口對接后，通過ROV解鎖液壓連接器，將下放工具提出水面。

水下封井應急裝置安裝在LMRP（Lower Marine Riser Package）上部隔水管轉換器上時，隔水管轉換器上應連接轉換短節(jié)和連接器芯軸。為方便水下井口應急封井裝置與水下防噴器組對接，轉換短節(jié)配置有與螺孔對接的定位銷及和井口對接的喇叭口。不同規(guī)格的隔水管轉換器應配置相應的轉換短節(jié)。

水下封井應急裝置上部安裝類似盲板的裝置，可實現(xiàn)冗余關閉井口，主要有液壓盲連接器或盲法蘭。

2 功能簡介

現(xiàn)有的水下應急封井裝置一般由閘板防噴器、閥門組成。按功能可分為3種。第1種僅可以實現(xiàn)封井功能，僅有閘板防噴器或閥門組成，通過ROV操作液控系統(tǒng)關閉閘板防噴器或ROV手動關閉閥門。第2種可實現(xiàn)封井、壓井、分散劑注入功能，由閘板防噴器或閥門組成，下裝四通或六通，外接高壓管線和閥門。第3種結構和第2種類似，除可實現(xiàn)封井、壓井、分散劑注入等功能外，還可以進行節(jié)流和集油作業(yè)。

從平臺或水下其他裝置連接的分流、集油、壓井、分散劑管線采用快速連接結構。井口安裝有壓力和溫度傳感器，可通過ROV或聲納系統(tǒng)將實時檢測的溫度壓力傳遞到水面應急指揮中心，實時掌握事故井壓力和溫度變化。水下應急封井裝置所有水下操作采用ROV液控或手動操作。若配置水下蓄能器組或地面水下蓄能器組，蓄能器組可排出的液量應滿足水下應急封井裝置所有液控部件開關1次所有液量，并有50%的富余量。水下應急封井裝置一般采用冗余設計，多采用雙閘板防噴器或雙閥門結構，側出口外接高壓管線至少有2條。在該套裝置關井或壓井等搶險功能失敗后，利用上部的連接芯軸，可再連接其他的應急封井裝置進行救援作業(yè)。

3 下放安裝及回收工藝

水下應急封井裝置及配套機具不同，下放及安裝工藝也不盡相同。結合英國石油公司研制出的第1套水下應急封井裝置及其現(xiàn)場使用過程，分析水下應急封井裝置的下放安裝工藝：

1） 深水鉆井井控措施失效后，隔水管斷裂彎曲到海底，首先使用水下液壓剪等工具將靠近海床附近的彎曲的隔水管剪斷，然后再將下隔水總成隔水管轉換接頭上部隔水管及隔水管中的鉆桿剪斷。

2） 使用ROV及專用工具將隔水管連接螺栓及剩余的隔水管法蘭短節(jié)移除，清理隔水管轉換接頭上的污物和雜質。

3） 將轉換短節(jié)及液壓連接器芯軸連接在一起，安裝好下放工具后，將轉換短節(jié)下放到水下防噴器組上方，利用轉換短節(jié)的喇叭口找正與井口的位置，利用轉換短節(jié)的定位銷定位螺孔位置。定位完成后，使用ROV及專用工具安裝隔水管連接螺栓，將轉換短節(jié)安裝在水下防噴器組上部。

4） 安裝水下應急封井裝置下放工具，將應急封井裝置下放到轉換接頭上方，利用液壓連接器喇叭口，將液壓連接器連接在轉換接頭的芯軸上，通過ROV鎖緊液壓連接器。水下井口應急封井裝置安裝完成。

5） 使用ROV攜帶液控臍帶纜，對水下應急封井裝置進行功能試驗和井筒壓力測試。試驗合格后配合其他的水面及水下應急搶險船只和設備進行相關的分流、壓井、分散劑注入、集油等作業(yè)。

6） 搶險作業(yè)完成后，利用下放工具分別將水下應急封井裝置及轉換短節(jié)收回，維修保養(yǎng)后儲存?zhèn)溆谩?/p>

水下封井裝置下放安裝過程中應充分考慮海流對下放對中的影響，可考慮利用水下防噴器組導向繩或在封井裝置上安裝導向繩與其他救援船只一起完成下放安裝作業(yè)。

4 現(xiàn)場應用

2010－07－12—09－02，第1臺水下應急封井裝置成功用于墨西哥 MC252井的搶險救援工作［12－13］。按本文第3節(jié)中的下放工藝將水下應急裝置安裝在水下防噴器組下的隔水管轉換器上。如圖6。鉆桿或隔水管及水下應急封井裝置上的集油管線連接到水面的集油船上，收集從井中溢出的原油。水下應急封井裝置進行應急封井作業(yè)。注射抗凝劑可避免溢出的碳水化合物在低溫下冷凝影響液壓連接器的鎖緊與解鎖。轉換短節(jié)連接液壓連接器芯軸及下部隔水管總成。陸續(xù)關閉閘板防噴器和側出口閥門，進行水下應急封井裝置功能測試，測試時曾發(fā)現(xiàn)1處節(jié)流管線泄漏，處理后再次進行了試驗。利用該套裝置進行了48h井完整性測試，每6h觀察井壓的變化情況，如果井壓保持恒定，證明井筒完整，不存在漏點；如果井壓降低證明井筒存在漏點，需采取進一步措施——例如不能封閉井口，避免情況惡化，或進行壓井作業(yè)，降低井筒崩潰風險，進行集油作業(yè)，避免溢出的原油污染環(huán)境，影響海洋生態(tài)環(huán)境；實時監(jiān)控井口壓力和溫度，為壓井作業(yè)提供有價值的參考數(shù)據(jù)。封閉井口時充分考慮封井過程中遇到的各種突發(fā)情況并制定應急預案。水下應急封井裝置進行搶險作業(yè)時，還綜合采用了控油罩、救援井、地震測試、聲納控制及其他的減少井噴危害的措施，為救援井搶險爭取了時間。

圖6 水下應急封井裝置應用

2012－07，MWCC聯(lián)合殼牌公司在墨西哥灣進行了水下應急封井裝置水下試驗［14］。該裝置由單閘板防噴器組成，9 144mm（30英尺）高，4 267mm（14英尺）寬，質量100t。由繩索下放到水下2 103m（6 900英尺）的試驗井上，進行了功能測試和壓力試驗及下放回收布置等試驗，試驗結果證明該裝置可以安全地進行井口作業(yè)，下放工具可以進行下放和回收作業(yè)，水下應急封井裝置及附屬工具布置、功能試驗和壓力測試均達到了預期目的。

5 技術發(fā)展與應用建議

目前使用的水下應急封井裝置還沒有統(tǒng)一的技術和規(guī)范要求，形狀和配置不盡相同，功能要求及技術參數(shù)千差萬別，試驗和應用也較少。同時水下應急封井裝置對水下應急救援可靠性和安全性要求較高，要求布置及下放安裝迅速。為保障我國深水鉆井作業(yè)和海洋環(huán)境安全，縮短事故井救援時間，加快我國水下應急裝備的研究進展，應加強水下應急封井裝置標準、結構、技術及作業(yè)工藝等方面的研究。

1） 緊跟國際水下應急封井裝置的研究現(xiàn)狀，吸收國際海上應急搶險機構的先進技術和經(jīng)驗，以及美國內政部及美國石油學會針對水下井口應急搶險裝置的標準和規(guī)范，盡快制定國內水下應急封井裝置設計、制造、測試、儲存、運輸?shù)燃夹g規(guī)范和要求，并上升為行業(yè)標準或國家標準。

2） 水下應急封井裝置是一套結構復雜、集多項功能與一體的重型搶險救援裝置。為便于海上、陸地及空中快速運輸，水下應急封井裝置應進行模塊化設計和制造，既可以縮短運輸?shù)臅r間，也可以根據(jù)搶險井口的實際情況，進行模塊化設計改造，縮短設計及制造時間，為井口搶險贏得寶貴時間。

3） 應加大國內對水下應急封井裝置的系統(tǒng)集成技術、安裝工藝技術、水下控制技術、水下測試技術、水下作業(yè)技術的研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的水下應急封井裝置，提升國內應急搶險裝備的配套能力，為我國深海油氣勘探開發(fā)技術的跨越式發(fā)展和應急搶險提供技術支撐。

4） 為盡可能縮短應急搶險的時間，應事先針對目標水深井口進行水下井口應急封井搶險演練和試驗。進行下放工藝研究，縮短水下應急封井裝置下放時間；進行配套工具研究，配置完善的救援工具；進行水下應急救援作業(yè)工藝研究，掌握水下突發(fā)情況的處理方法。

6 結論

1） 調研了國外已研制出或正在研制的水下應急封井裝置的技術與裝備，對其結構和功能進行分析。按結構可分為閘板防噴器式、閘閥式、分體式3種。其功能分為3類，第1類僅實現(xiàn)關井作業(yè)；第2類可實現(xiàn)關井、壓井、分散劑注入、集油等作業(yè)；第3類實現(xiàn)關井、壓井、分散劑注入、集油外還可進行節(jié)流作業(yè)。隨著水下應急封井裝置技術發(fā)展和應用的推廣，可能還會有新的結構型式并實現(xiàn)新的功能。

2） 下放和安裝回收工藝是依據(jù)墨西哥灣漏油事故現(xiàn)場應用情況進行的分析，不能作為一種通用的下放和安裝回收工藝。在實際應用中，應針對特定的井況和可能預計發(fā)生的災情制定多樣化的下放和安裝回收工藝預案，確保海上鉆井作業(yè)安全。

3） 為盡快跟上國際先進技術步伐，早日實現(xiàn)海洋水下應急封井裝置國產(chǎn)化，建議加強水下應急封井裝置標準、結構、技術及作業(yè)工藝等方面的研究與應用，提高我國海洋油氣裝備整體水平，保障我國海洋油氣能夠科學、安全、高效的開發(fā)。

［1］Marty Massey.Marine Well Containment Company Progress［R］.OTC23596，2012.

［2］Madhav Panwar，F(xiàn)rank Rusco.Interior Has Strengthened Its Oversight of Subsea Well Containment，but Should Improve Its Documentation［R］.United States Government Accountability Office.2012.

［3］Stephen Rassenfoss.Deepwater Spill Control Devices Go Global［J］.Journal of petroleum technology，2012（7）：48－53.

［4］NTL No.2010－N10.Statement of Compliance with Applicable Regulations and Evaluation of information Demonstrating Adequate Spill Response and Well Containment［S］.USA：Bureau of Ocean Energy Management Regulation and Enforcement，2010.

［5］侯福祥，王 輝，任榮權，等.海洋深水鉆井關鍵技術及設備［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：1－4.

［6］孟會行，陳國明，朱暋淵，等.深水井噴應急技術分類及研究方向探討［J］.石油鉆探技術，2012，40（6）：27－32.

［7］Alpipkin.BP Gulf Oil Leak Well－Head Repair an anthology part IV – UPDATED ［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／alpipkin.com／blog／bp－gulf－oil－leak－wellhead－repair－an－anthology－part－iv／.

［8］David Hammer.High－pressure deepwater well capping stack unveiled at offshore conference［EB／OL］.［2013－01－20］.http：／／www.nola.com／news／gulf－oil－spill／index.ssf／2011／05／high－pressure＿deepwater＿well＿c.html.

［9］Offshore Well Capping Devices Contract for Trendsetter［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／www.marinelink.com／news／offshore－contract－capping346004.aspx.

［10］OSPRAG－backed capping device launched［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／wellsite－ds.com／？p＝4940.

［11］Promad Kulkarni.BP builds independent air－deployable capping stack ［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／www.worldoil.com／BP＿builds＿independent＿air＿deployable＿capping＿stack.html.

［12］Lea Winerman.BP Set to Begin Test on New Well Cap［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／www.pbs.org／newshour／rundown／2010／07／bp－set－to－begin－test－ofnew－well－cap.htm.

［13］Capping Stack［EB／OL］.［2013－04－20］http：／／www.oilspillcommission. gov／media／response／stemmingthe－flow－capping－stack.html.

［14］John Donovan..Shell demonstration of capping stack successfully completed in Gulf of Mexico［EB／OL］.［2013－04－20］.http：／／royaldutchshellplc.com／2012／07／31／shell－demonstration－of－capping－stack－successfully－completed－in－gulf－of－mexico／.