王 宇，郝希寧，李朝瑋，羅洪斌

(中海油研究總院有限責任公司國家能源深水油氣工程技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引 言

今年是墨西哥灣的Macondo井噴漏油事件十周年。該事件持續(xù)漏油87天，泄漏約500萬桶原油，超過了1979年爆發(fā)的伊斯托克1號油井泄漏到墨西哥灣的330萬桶原油，造成了石油工業(yè)史上最嚴重的環(huán)境災難，并產(chǎn)生了深遠影響[1]。

2010年4月20日，當墨西哥灣“深水地平線號”鉆井平臺爆炸時，11名工人不幸喪生，Macondo 252號油井開始井噴原油——這種情況持續(xù)近三個月。最初英國石油公司并沒有處理類似事件的解決方案，在此期間由工程師和科學家組成的研究小組研究出多種控油措施，包括控油罩(containment dome)、頂部壓井+橡膠彈(top kill+ junk shot)、頂部帽(top hat)等，但都沒有成功，這充分說明處理水深1 525 m井噴的難度。最終在7月15日使用水下應急封井裝置(subsea capping stacks)成功封住了水下井口并止住漏油。從此，水下應急封井裝置作為深水應急救援的核心設(shè)備開始布局在全球主要的海洋油氣產(chǎn)區(qū)[2-3]。

本文整理出本次井噴漏油事件的水下封井過程，供國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 控油罩

2010年4月22日，“深水地平線號”鉆井平臺在井噴事故兩天后沉沒至海床，原油開始從彎折的鉆井隔水管的兩端等多處持續(xù)泄漏至海水，如圖1和圖2所示[4]。在嘗試關(guān)閉水下防噴器組無效之后，開始嘗試其他可能的控油方式。

圖1 “深水地平線號”鉆井平臺沉沒至海底

圖2 原油從鉆井隔水管底部噴出

2010年5月5日，使用多功能船Q4000的吊索具下入約四層樓高約100 t的控油罩至泥線處，用于罩住鉆井隔水管末端的主要泄漏點，并計劃通過鉆井船收集噴出的原油，如圖3和圖4所示。

圖3 使用吊索具下入控油罩

圖4 控油罩的吸油方案

控油罩的主要潛在問題在于井噴油氣中的甲烷氣體與低溫海水接觸形成冰狀的碳氫水合物，從而堵塞控油罩的吸油口，也正是這個原因?qū)е略摲桨缸罱K失敗。雖然已考慮當控油罩到達泥線之后，再下入雙層管柱，從海面將熱水注入控油罩防止產(chǎn)生水合物，但當控油罩下放至距離原油泄漏點幾英尺時，控油罩停止繼續(xù)下行，由于控油罩內(nèi)部已充填了比水輕的碳氫水合物，控油罩開始漂浮并朝著水面救援船只浮上來，幸好在5月7日成功將其引開，避免了控油罩與水面船舶的碰撞[5]。

2 頂部壓井+雜物彈

2010年5月26—28日，英國石油公司連續(xù)三天嘗試被稱為“頂部壓井法”和“雜物彈”的壓井程序，即使用多功能船舶Q4000以足夠高的速度和壓力將重鉆井泥漿泵入油井頂部，使噴出的原油沿油井流回儲層。由高爾夫球、橡膠球和其他雜物組成的雜物彈被泵入井筒之后，在井筒壓力作用下上升并堵在防噴器底部[4-5]。在理想情況下，這些橡膠材料會減緩或止住井噴的油氣流，從而有利于更容易地頂部壓井，如圖5和圖6所示。

圖5 頂部壓井法示意圖

圖6 雜物彈(高爾夫球、橡膠球及雜物)

當時英國石油公司和美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)估計每天大約泄漏原油5千桶(一桶石油大約160 L)。英國石油公司的工程師認為如果流量超過1.5萬桶，頂部壓井將不起作用。但當時英國石油公司也許并不知道原油每天井噴流速超過5萬桶，因此有足夠的壓力將頂部壓井的加重泥漿吹回。在連續(xù)三天的三次嘗試中，英國石油公司以每天超過10萬桶的速度注入加重泥漿，并向水下防噴器發(fā)射了多次雜物彈。在第三次嘗試失敗后，英國石油公司和美國政府同意停止這一嘗試，尤其擔心這種壓井做法將破壞井筒的完整性導致地下井噴，油氣從海底多處流入海洋，使井噴在救援井完工之前無法控制。

5月29日，英國石油公司宣稱頂部壓井法失敗，并開始把工作重心調(diào)整至開放式的控油系統(tǒng)上。

另外，盡管美國海軍呼吁在必要時使用核武器，但美國政府認為不太可能起作用。

3 頂部帽

在頂部壓井失敗后，英國石油公司和美國政府集中精力考慮如何收集原油，當然救援井仍然是徹底封堵事故井的終極途徑。

英國石油公司從6月2日開始試圖剪斷仍連接在水下防噴器頂部的鉆井隔水管，然后使用“發(fā)現(xiàn)者企業(yè)號”鉆井船的鉆桿下入原油收集裝置——頂部帽(重1.6 t，長4 m，直徑為1.2 m)。通過吸取前面控油罩的經(jīng)驗教訓，在下入時就循環(huán)甲醇以防止產(chǎn)生水合物，如圖7和圖8所示[4-5]。截至6月8日，“發(fā)現(xiàn)者企業(yè)號”鉆井船每天收集近1.5萬桶原油，這也是頂部帽的原油收集能力極限。

除了頂部帽之外，英國石油公司還開發(fā)了另一套原油收集系統(tǒng)，即通過水下防噴器的節(jié)流管線將泄漏的油氣輸送到配備了收集設(shè)備和一個油氣燃燒器的多功能船舶Q4000，如圖9所示[5]。Q4000于6月16日投入運行，每天能夠處理和燃燒多達1萬桶石油。因此，兩艘船每天共計可處理2.5萬桶的原油。但是該措施未能明顯改善原油泄漏量，仍然有大量原油泄漏至海洋。

圖7 頂部帽的安裝及油氣集收集

圖8 頂部帽實物圖

圖9 鉆井船和多功能船每天收集2.5萬桶原油

為了安裝頂部帽，必須先將水下防噴器上方的鉆井隔水管剪斷，但在深水區(qū)沒有類似經(jīng)驗。盡管有使用液壓大剪刀剪斷隔水管本體的陸地測試，但第一次水下嘗試并沒有成功；隨后水下機器人先鋸斷隔水管兩側(cè)的阻流和壓井小管線，才再次成功剪斷隔水管本體，之后再使用金剛石切割機將防噴器頂部的隔水管去除，以便于安裝頂部帽，如圖10所示[4]。

(a) (b) (c)

4 水下應急封井裝置

6月底，英國石油公司開始部署水下應急封井裝置，該裝置實際上是小型的水下防噴器。英國石油公司內(nèi)部曾討論過在井噴后一周內(nèi)安裝一套井口密封裝置，但頂部壓井失敗后，由于擔心井筒的完整性和地下井噴的可能性，英國石油公司擱置了這一措施[2-4]。

7月初，隨著繼續(xù)分析這些風險，此次井噴事件的指揮官美國海岸警衛(wèi)隊海軍上將薩德·艾倫授權(quán)英國石油公司安裝水下應急封井裝置。

7月12日，水下應急封井裝置安裝至水下防噴器頂部，但不關(guān)閉。

7月15日，關(guān)閉水下應急封井裝置，開始進行油井完整性測試，井噴87天以來第一次沒有原油流入墨西哥灣，如圖11和圖12所示[5]。

經(jīng)過分析評估：

如果井口壓力在6小時內(nèi)上升到7 500 lb/in2，則表明井筒完好無損；如果井口壓力保持在6 000 lb/in2以下，則油井正在發(fā)生井下泄漏，需要立即移開水下應急封井裝置以避免井下井噴。

然而最初的井口壓力讀數(shù)恰恰是一個不確定的中間值——6 600 lb/in2，最后經(jīng)過美國地質(zhì)調(diào)查局的水文學家保羅·謝分析評估，認為相對較低的壓力讀數(shù)是由于油井已經(jīng)噴出了大量原油，而不是泄漏進地下裂縫的結(jié)果。另外，除進行大量分析和建模之外，還在油井周圍進行周期性地震成像，以尋找漏油跡象。最終沒有發(fā)生地下井噴，油井保持完好，直到救援井將其攔截[2-3]。

圖11 水下應急封井裝置安裝至防噴器頂部

圖12 水下應急封井裝置實物圖

4.1 法蘭過渡短接及水下應急封井器的安裝

1) 法蘭過渡短接的安裝過程

(1) 水下機器人使用扭矩扳手卸開鉆井隔水管底部接頭法蘭的6根螺栓。

(2) 從鉆井船下入專用工具拆除鉆井隔水管底部接頭的上部法蘭。

(3) 下過渡接頭(帶有引鞋和定位銷)，進入下部法蘭，如圖13～圖16所示[6]。

(4) 水下機器人用螺栓連接12 in長的過渡接頭(黃色部分)到原水下防噴器的頂部。

2) 水下應急封井裝置的安裝過程

(1) 用鉆桿將18 in高的水下應急封井裝置下放至過渡短接的頂部。

(2) 裝置下端使用Cameron公司的HC型連接器與過渡短接鎖緊，水下應急封井裝置鎖緊后，油氣從裝置頂部的打孔管流出。

圖13 隔水管底部接頭的法蘭連接

圖14 隔水管底部接頭的上法蘭被拆除

圖15 過渡短接底部的導向銷和引鞋

(3) 關(guān)閉水下應急封井裝置(有可關(guān)閉封井的3個閘板，以及2個管線連接器，并具備將油氣通過生產(chǎn)立管輸送到水面船舶的能力，如圖17～圖18所示[6-8]。

圖16 水下應急封井裝置總成結(jié)構(gòu)

圖17 Cameron公司的HC型連接器

圖18 應急封井裝置安裝至過渡短接頂部

4.2 靜態(tài)壓井

7月19日，英國石油公司宣稱可通過被稱為靜態(tài)壓井(static kill)的程序進行壓井作業(yè)。與頂部壓井一樣，靜態(tài)壓井向井中泵入大量加重鉆井泥漿，將油氣推回儲層。因為油井已經(jīng)成功關(guān)閉，實施靜態(tài)壓井所需的泵速遠低于流動狀態(tài)的頂部壓井，如圖19所示[5]。

8月3日晚，多功能船舶Q4000靜態(tài)壓井成功。第二天晚上，薩德·艾倫上將授權(quán)進行水泥固井，英國石油公司向井內(nèi)注入了1 500 m長的水泥塞。8月8日，薩德·艾倫上將宣稱水泥塞的壓力測試合格。

9月中旬，從5月2日開始鉆探的第一口救援井終于攔截了Macondo 252號油井，英國石油公司注入水泥并永久封閉了儲層，如圖20和圖21所示。

圖19 靜態(tài)壓井示意圖

圖21 救援井鉆穿井噴井

9月19日井噴后的第152天，薩德·艾倫上將宣布“Macondo 252號油井實際上已經(jīng)死亡”。整個事件總共泄漏了大約500萬桶原油。

5 結(jié) 語

2010年4月20日墨西哥灣井噴漏油事件爆發(fā)，2010年7月15日最終利用水下應急封井裝置成功止住了漏油。在此期間先后嘗試的4種控油措施及效果如下：

(1) 控油罩： 控油罩下入階段生成的碳氫水合物使該裝置漂浮起來，導致不能安裝到位，該方案失敗。

(2) 頂部壓井+雜物彈的組合措施： 由于實際井噴流量大于頂部壓井的處理能力，且高爾夫球、橡膠球和其他雜物組成的雜物彈也未能止住井噴的油氣流，該組合措施并不起作用。從此，英國石油公司開始把工作重心調(diào)整至開放式的控油系統(tǒng)上。

(3) 頂部帽： 通過先清除防噴器頂部的鉆井隔水管，再安裝頂部帽開始收集漏油。但由于頂部帽的收集能力有限，每天仍有大量原油泄漏，并沒有顯著減少原油的泄漏量。

(4) 水下應急封井裝置： 該裝置含有3個可關(guān)閉封井的閘板，依靠HC連接器與原防噴器頂部的法蘭過渡短接鎖緊。2010年7月15日，水下應急封井裝置成功止住了漏油。