水下应急封井装置技术研究进展与建议

为保障我国深水钻井作业和海洋环境安全,调研了国外已研制出或正在研制的水下应急封井装置的技术与装备,将其结构分为闸板防喷器式、阀门式、分体式3种形式。其功能也分为3类:仅实现关井作业;可实现关井、压井、分散剂注入、集油等作业;除实现关井、压井、分散剂注入、集油外还可进行节流作业。介绍了水下应急封井装置的下放安装及回收工艺,现场应用和试验情况。建议国内加强在水下应急封井装置标准、结构、技术、作业工艺等方面研究。

基于Orcaflex的水下应急封井装置安全入水仿真

为确保3 000 m水深水下应急封井装置的安全入水,基于Orcaflex对3 000 m水深水下应急封井装置下放入水过程进行了模拟仿真。研究了不同因素对绞车缆绳最大受力和装置运动响应的影响,并将Orcaflex模拟结果与理论公式计算结果进行对比,得到如下结论:绞车缆绳最大受力(1 538. 5 kN)发生在水下应急封井装置在空气中的下放过程,而水下应急封井装置最大运动响应发生在入水前后;当波浪力垂直于船身方向时,绞车缆绳受力最大,水下应急封井装置运动响应最大,而其余波浪方向角对其影响较小,因此在进行水下应急封井装置下放入水操作时,最好让工程船的方位角沿着波浪方向角;绞车下放速度对绞车缆绳最大受力和水下应急封井装置运动响应影响较大,当下放速度为0. 3 m/s时,绞车缆绳最大受力为1 657. 4 kN,同时水下应急封井装置运动响应也增大,绞车缆绳属性对其影响较小;仿真结果比Chuang公式和Chen公式计算结果更接近理论公式计算结果。研究结果可对水下应急封井装置快速安全地安装和回收提供指导。

3000m水下应急封井装置下放过程平衡分析

3000m水深水下应急封井装置的下放安装受井喷原油流速的影响较大,为确保3000m水深水下应急封井装置顺利下放安装到发生井喷的井口,基于ANSYS软件建立并模拟了3000m水深水下应急封井装置下放安装过程,研究了水下应急封井装置在不同井喷原油流速、距离井口不同高度时的平衡状态。研究结果表明,水下应急封井装置距离井口不同高度时,上托力与湿重平衡时对应不同的井喷原油流速;相同井喷原油流速下,水下应急封井装置从下放到距离井口1m过程中,距离井口1m时受到井喷原油产生的上托力最大。本文研究结果对水下应急封井装置快速平稳下放及水下应急封井装置的优化设计具有一定的参考意义。

水下应急封井装置内部冲蚀磨损数值模拟

水下应急封井装置是一种应急抢险设备,用于水下井控失败后的抢险救援。为了解水下应急封井装置在不同工作状态下的磨损情况,对不同工况下应急封井装置的内部流动进行了CFD数值模拟。通过分析5种工况下内部管道的磨损率分布,确定磨损较严重的位置,并对其结构进行了优化。分析结果表明:主垂直管开启(工况1和工况2)时,最大磨损率较小,磨损主要分布在主垂直管的分流孔附近;主垂直管关闭时,最大磨损率明显增大,磨损严重的位置位于直角管下游管道外侧壁面,以及直角管内侧拐角处;将直角管结构改为盲三通可以显著减小该处的磨损率。所得结果可为水下应急封井装置的结构设计和优化提供一定参考,有助于加快我国水下应急装备的研究进展。

应急封井装置导向下放系统结构动态响应特性研究

为解决深水应急封井装置下放过程存在的横向偏移大、难以对中下放的问题,提出基于导向系统下放的作业方式;利用OrcaFlex非线性时域有限元软件,建立平台-导向架-应急封井装置系统的耦合动力学模型,探究导向下放系统的结构动态响应特性,分析海面流速、方向、装置质量等参数对系统下放作业过程的影响。实例计算结果表明:整个下放过程中导向系统最大横向偏移为3.68 m,封井装置的转角小于1°,验证导向系统对下放有较强的约束作用,并且经过校核的导向系统,其结构强度满足安全作业要求;海面流速和封井装置的质量对下放钻杆的应力影响显著,而海流方向对飞溅区导向架接触力影响较大,但均不会影响封井装置的顺利下放。

水下应急封井装置深海测试稳定性分析

介绍了国产水下应急封井装置主要部件组成,分析了应用半潜式钻井平台进行水下应急封井装置部署影响因素。对水下应急封井装置在甲板组装的稳定性,使用采油树叉车运移的稳定性及钻杆下入过程进行了分析和作业窗口模拟。结果表明:该套水下应急封井装置可以通过A平台在深水环境下进行布放,在A平台甲板组装及使用A平台采油树叉车运移过程中不会发生倾覆;在浪高不高于3 m,流速不高于0.58 m/s的海况下,使用钻杆下放水下应急封井装置具有最优作业窗口。分析结果对水下应急封井装置在井喷应急情况下进行现场应用具有重要意义。

纯油介质井喷对水下应急封井装置的冲击作用

针对3000 m水深环境下,井喷羽流冲击作用影响水下应急封井装置平稳下放的问题,基于FLUENT软件建立流场分析的物理模型和数学模型,通过前处理方式合理简化水下应急封井装置模型,创建流体域并完成网格划分,利用FLUENT进行数值仿真,最终得到速度流线图、速度分布云图、流场最大流速和装置所受载荷等后处理内容。基于仿真结果,从有无海流、不同井喷速度和装置距井口不同高度3方面进行对比论证。试验表明,当原油井喷且速度较小时,井喷羽流会受到海流影响产生明显偏移,但装置所受冲击载荷较小;当速度较大时,流场分布较规则,水下应急封井装置不易产生摇摆,更多的影响来自井喷羽流冲击作用力。研究结果可对井喷作用下水下应急封井装置受到井喷羽流冲击作用时,如何做到平稳下放提供一定经验。

应急封井装置与深水井喷喷流井口对接模拟研究

为研究井喷高速喷流对应急封井装置与井口对接时的冲击影响规律,应用CFD数值模拟方法研究应急封井装置下放距离、对接偏距、井喷喷速对流场分布、冲击力的影响规律。结果表明:装置下放对接过程中短轴方向所受冲击力增加幅度较大;水平方向对接时,随着偏距的减小,装置所受冲击力降低,且降低速率增加;应急封井装置处于相同高度时井喷流体的喷速越小海底压力的压缩作用越明显,封井装置所受的冲击力越小。研究结果对应急封井装置的下放对接具有指导意义。

应急封井装置对接方法数值模拟研究

为了研究应急封井装置在垂直对接和水平对接时流场及受力变化规律进而对两种对接方式的对接失效风险进行评价,采用数值模拟的方法对不同喷速下应急封井装置应用垂直对接和水平对接两种对接方式时的对接过程进行模拟研究。研究结果表明:垂直对接时引流通孔对喷流汇聚和吸引作用明显,使得应急封井装置受力面积呈倒圆锥式逐渐减小,下放高度由3.0 m下降至1.0 m时迎流面受力下降60.23%,当井喷速度增加至250 m/s时迎流面受力下降较为明显,前后受力下降了66.15%;水平对接时由于是侧向进入喷流区封井装置单侧受力明显,喷流流场将出现分叉、偏转使得封井装置受力变化规律总体呈现抛物线状,前期逐渐增大,后期逐渐减小。由此得出结论:垂直对接时封井装置受力均匀,对接风险总体较小;水平对接时单侧受力明显,对接失效风险较大。

水下应急封井装置概述

水下应急封井装置是用于临时封堵井喷失控井口、重新建立井口防喷系统、防止井喷继续发生的应急装置。本文概述水下应急封井装置的封盖与封盖+分流的两类功能类型,以及独立于水下防喷器组的控制方式;介绍使用钻井船钻杆或工程船钢丝的安装方式,三类工具包对事故井进行处理与干预,以及根据事故井现场评估的实际情况进行安装位置的选择,并综述水下应急封井装置的全球资源及其主要的技术参数。

水下应急封井器的现状与发展

井喷失控是油气田开发过程中最为严重的事故,深水井喷失控的处置更加困难,水下应急封井器是处置深水井喷失控的重要手段。本文针对水下应急封井器的技术现状和未来发展方向进行了研究和分析。本文调研分析了当前全球水下应急封井器的资源情况、关键技术参数及生产制造标准,将当前水下应急封井器分为3类:常规闸板型、常规闸阀型和非常规闸阀型,分析了其结构设计的特点及优缺点。对国内开展水下应急封井器的研制提出建议:研发方面,提出标准化(优化装置零部件)、轻量化(减小装置重量及尺寸)、模块化(优化装置构成)、全电控模式、提供中性浮力模组,此外,还对现有的国外相关标准和规范做了相应修正,同时建议尽快制定国内水下应急封井器的国家标准,以保证抢险工作的规范进行。水下应急封井器主要用于井喷失控后的紧急封堵和临时处置,研究水下应急封井器的现状和未来发展方向,对于深水油气勘探开发有着极其重要的指导和借鉴作用。

应急封井系统研究

应急封井系统是一种完全独立于防喷器主控制系统的紧急备用系统,当防喷器主控制系统失效或21MPa液压油无法关闭剪切闸板防喷器时,应急封井系统能够独立快速提供28MPa的高压液压油剪切钻杆,避免井喷井涌的发生。作为二次干预手段,应急封井系统对井口安全意义重大。介绍了应急封井系统的工作原理及结构组成,调研了国内外现状,对比了封井系统的独立性、响应时间、可靠性及智能化,为今后应急封井系统的设计开发提供了参考。

深水水下应急封井装置下入模拟分析

我国首台水下应急封井装置已经研发成功,如何优化3000 m水深水下应急封井装置的钢丝绳下放和钻杆下放方法,并对下放过程中的关键力学性质进行模拟分析,对于形成水下应急封井装置的安装操作流程、提高水下钻井和生产的安全性具有重要的意义。针对南海的复杂环境条件,依据总体的事故救援方案,利用OrcaFlex软件对中国南海海域3000 m水深水下应急封井装置的两种下入过程(用钢丝绳和用钻杆)分别进行了系统模型建立和仿真模拟,即分别模拟计算了流速、浪高、波浪周期等对钢丝绳受力、钻杆受力、水下应急封井装置运动响应等的影响,而后通过对比,指出采用钢丝缆绳下入更为适宜。

模拟井喷工况封井测试装置的研究与应用

根据国内首套自主开发的水下应急封井装置的出厂测试,开发最大流量8000 m3/d、最高工作压力103.5 MPa的模拟井喷工况测试装置。为建立科学合理的井喷模拟设施,通过理论研究优化最佳方案。基于测试大纲,确定泵送系统的驱动方式及控制检测系统;根据模拟井喷试验、大排量含砂冲蚀试验和高压冲蚀试验,确定泵送系统、轴承润滑系统、灌注过滤系统、泥浆混液系统和液压控制系统。研究大排量冲蚀试验190 mm柱塞液力端和高压冲蚀试验台的主要结构。研究结果可为国内钻采行业设计制造大排量、高压含砂液流冲蚀试验台提供参考。

深水关井作业可靠性贝叶斯-GO法分析

为防止深水井喷失控事故,综合考虑人因和设备风险因素,采用贝叶斯-GO法分析深水关井作业可靠性。根据深水关井作业可靠性操作路径建立GO图;按照映射规则,将GO图转换成对应的贝叶斯网络;根据贝叶斯法的前向和后向推理计算规则,得出深水关井作业在不同工况下的成功概率及薄弱风险点。结果表明,多因素影响下的深水关井作业成功概率有所降低,溢流险情的发现时间及防喷器(BOP)控制系统的可靠性对关井作业影响较大。

墨西哥湾井喷漏油事件的水下控油措施

本文整理了墨西哥湾井喷漏油事件的水下封井过程以及期间的多种控油措施的实施效果,包括控油罩、顶部压井及杂物弹、顶部帽、水下封井装置及静态压井等,为深水井喷漏油事件的处理提供参考。