水下应急封井装置技术研究进展与建议

苏尚文，屈志明，侯国庆，耿艳东，吴占伟，王红杰

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘062552）①

水下应急封井装置（Subsea Capping Stack）是一种结构与功能类似于水下防喷器组的应急抢险设备，安装在井口或水下防喷器上部，可以进行关井、分流、压井、分散剂注入、集油等操作，用于水下井控措施失败后的抢险救援，是海上钻井发生漏油事故后进行控油和抢险的关键设备［1－2］。2010－07英国石油公司设计制造出世界上第1套水下应急封井装置，并成功应用于墨西哥湾深水地平线钻井平台事故的抢险救援。目前，全球已研制出或正在研制的水下应急封井装置约有16套［3］（如表1），分别由国际上几大抢险公司或钻井公司配置在主要海洋石油开采区。2010年墨西哥湾漏油事故后，美国内政部建议钻井作业公司进行海上钻井作业前应制定应急抢险预案，并配置水下应急封井装置或与就近的应急抢险公司制定应急救援方案［4］。我国南海深水钻井工况恶劣，国内首套深水钻井平台“海洋石油981”已于2012－05正式在我国南海开钻［5］，但国内尚无针对水下井口应急抢险救援的相关技术与装备。为保护我国海洋环境及深水钻井作业安全，应系统研究深水井喷应急技术及装备，开展深水井喷应急作业工艺研究，为水下井口应急抢险提供理论依据和技术及装备支撑［6］。

表1 国际上主要水下应急封井装置

1 产品分类及技术现状

根据目前国际上已有或正在研制的水下应急封井装置，笔者将其结构分为3类：

1） 闸板防喷器结构水下应急封井装置。

2） 阀门结构水下应急封井装置。

3） 分体式水下应急封井装置。

另外，水下应急封井装置还需配置不同的下放工具及转换短节。根据用户需要配置水下蓄能器组或水下动力单元。

1.1 闸板防喷器结构

第1套闸板防喷器结构水下应急封井装置（如图1）［7］由英国石油公司设计制造并成功进行了应用。主要由2FZ48－105双闸板防喷器、FZ48－105单闸板防喷器、液压连接器、水下机器人（Remotely Operated Vehicles，ROV）操作面板、事故阀、转换短节等组成。转换短节连接在水下防喷器组隔水管转换器上，通过液压连接器实现水下应急封井装置与水下防喷器组的对接；闸板防喷器配置全封剪切闸板，可以剪切钻杆并封闭井口，阻止井内流体外泄，实现应急抢险救援；ROV操作面板配置相应的热线插口，由ROV携带液控管线实现液控功能的操作；通过安装在侧出口上的事故阀进行压井、节流、分散剂注入、集油等操作，实现事故救援工作；侧出口上安装有深水温度压力探测总成，通过ROV将实时测量的井口温度和压力数据传递到水面应急指挥中心。

图1 墨西哥湾抢险用水下应急封井装置

TRENDSETTER ENGINEERING INC 是世界上 主 要 的 水 下 应 急 封 井 装 置 制 造 商［2，3］，为MWCC、HWCG、Shell Oil及SWRP等应急抢险公司或钻井公司设计和制造了类似闸板防喷器结构的水下应急封井装置（如图2）［8］。分别采用了单闸板防喷器、双闸板防喷器和三闸板防喷器结构，有69 MPa（10 000psi）和103.5MPa（15 000psi）两个压力等级，有476.3mm（18英寸）及 179.4mm（7英寸）两种通径，功能基本上与第1套水下应急封井装置类似。个别装置采用声纳系统传递井口实时检测的压力和温度。有的还配备了水下蓄能器组或水下动力单元，为防喷器及侧出口连接的阀门、液压连接器提供液压动力。

图2 TRENDSETTER ENGINEERING INC生产的水下应急封井装置

1.2 阀门结构

阀门结构的水下应急封井装置由阀门替代闸板防喷器进行水下应急封井作业。质量较轻，方便使用波音747运输机空中运输。目前主要有179.4 mm（7英寸）和130.2mm（5英寸）2种通径。

179.4 mm（7英寸）水下应急封井装置（如图3）［9］由 TRENDSETTER ENGINEERING INC 生产，压力等级69MPa（10 000psi）。主通径装配1个双联事故闸阀，通过ROV操作可以封闭井口；下部四通上装配通径为130.2mm（5英寸）的双联事故闸阀，外接节流阀及管线连接器，可进行节流、压井、分散剂注入、集油等应急救援作业；ROV操作面板配置相应的热线插口，实现既定功能的操作；安装有深水温度压力探测总成，通过声纳系统将实时测量的井口温度和压力数据传递到水面应急指挥中心。

图3 179.4mm通径水下应急封井装置

OSPRAG拥有一台通径130.2mm（5英寸）水下应急封井装置（如图4）［10］，压力等级103.5 MPa（15 000psi）。主通径及四通侧出口均装配通径130.2mm（5英寸）的阀门；温度等级121℃；日收集原油1.192 5×107L（75 000桶）；模块化设计，质量约40t；最大工作水深3 048m（10 000ft）。主通径阀门可封闭井口；每个侧出口上各装配有2个阀门，可进行节流、分散剂注入、集油等应急救援作业。

图4 130.2mm通径水下应急封井装置

1.3 分体结构

英国石油公司在墨西哥湾漏油事故后，为方便运输设计制造了一个分体式水下应急封井装置，如图5［11］。上半部分由2个通径130.2mm （5英寸）闸阀组成，可以封闭井口，质量约37t。下半部分由卧式采油树改造而成，配有ROV操作面板，实现节流、压井、分散剂注入、集油等应急救援作业，质量约70t。

图5 分体式应急封井装置

1.4 配套机具

为完成水下井口的抢险作业，需将水下封井应急装备下放安装在水下防喷器组上或井口上。一般有绳索下放和钻杆下放2种下放方式。受水下海流的影响，水下应急封井装置容易漂移，与水下防喷器组对接较困难。使用绳索下放时，绳索连接在水下应急装备框架或专用的下放工具上。钻杆下放需要专用的下放工具，下放工具下部为液压连接器结构，将下放工具锁紧在水下井口应急装备的芯轴上，与水下防喷器组或井口对接后，通过ROV解锁液压连接器，将下放工具提出水面。

水下封井应急装置安装在LMRP（Lower Marine Riser Package）上部隔水管转换器上时，隔水管转换器上应连接转换短节和连接器芯轴。为方便水下井口应急封井装置与水下防喷器组对接，转换短节配置有与螺孔对接的定位销及和井口对接的喇叭口。不同规格的隔水管转换器应配置相应的转换短节。

水下封井应急装置上部安装类似盲板的装置，可实现冗余关闭井口，主要有液压盲连接器或盲法兰。

2 功能简介

现有的水下应急封井装置一般由闸板防喷器、阀门组成。按功能可分为3种。第1种仅可以实现封井功能，仅有闸板防喷器或阀门组成，通过ROV操作液控系统关闭闸板防喷器或ROV手动关闭阀门。第2种可实现封井、压井、分散剂注入功能，由闸板防喷器或阀门组成，下装四通或六通，外接高压管线和阀门。第3种结构和第2种类似，除可实现封井、压井、分散剂注入等功能外，还可以进行节流和集油作业。

从平台或水下其他装置连接的分流、集油、压井、分散剂管线采用快速连接结构。井口安装有压力和温度传感器，可通过ROV或声纳系统将实时检测的温度压力传递到水面应急指挥中心，实时掌握事故井压力和温度变化。水下应急封井装置所有水下操作采用ROV液控或手动操作。若配置水下蓄能器组或地面水下蓄能器组，蓄能器组可排出的液量应满足水下应急封井装置所有液控部件开关1次所有液量，并有50%的富余量。水下应急封井装置一般采用冗余设计，多采用双闸板防喷器或双阀门结构，侧出口外接高压管线至少有2条。在该套装置关井或压井等抢险功能失败后，利用上部的连接芯轴，可再连接其他的应急封井装置进行救援作业。

3 下放安装及回收工艺

水下应急封井装置及配套机具不同，下放及安装工艺也不尽相同。结合英国石油公司研制出的第1套水下应急封井装置及其现场使用过程，分析水下应急封井装置的下放安装工艺：

1） 深水钻井井控措施失效后，隔水管断裂弯曲到海底，首先使用水下液压剪等工具将靠近海床附近的弯曲的隔水管剪断，然后再将下隔水总成隔水管转换接头上部隔水管及隔水管中的钻杆剪断。

2） 使用ROV及专用工具将隔水管连接螺栓及剩余的隔水管法兰短节移除，清理隔水管转换接头上的污物和杂质。

3） 将转换短节及液压连接器芯轴连接在一起，安装好下放工具后，将转换短节下放到水下防喷器组上方，利用转换短节的喇叭口找正与井口的位置，利用转换短节的定位销定位螺孔位置。定位完成后，使用ROV及专用工具安装隔水管连接螺栓，将转换短节安装在水下防喷器组上部。

4） 安装水下应急封井装置下放工具，将应急封井装置下放到转换接头上方，利用液压连接器喇叭口，将液压连接器连接在转换接头的芯轴上，通过ROV锁紧液压连接器。水下井口应急封井装置安装完成。

5） 使用ROV携带液控脐带缆，对水下应急封井装置进行功能试验和井筒压力测试。试验合格后配合其他的水面及水下应急抢险船只和设备进行相关的分流、压井、分散剂注入、集油等作业。

6） 抢险作业完成后，利用下放工具分别将水下应急封井装置及转换短节收回，维修保养后储存备用。

水下封井装置下放安装过程中应充分考虑海流对下放对中的影响，可考虑利用水下防喷器组导向绳或在封井装置上安装导向绳与其他救援船只一起完成下放安装作业。

4 现场应用

2010－07－12—09－02，第1台水下应急封井装置成功用于墨西哥 MC252井的抢险救援工作［12－13］。按本文第3节中的下放工艺将水下应急装置安装在水下防喷器组下的隔水管转换器上。如图6。钻杆或隔水管及水下应急封井装置上的集油管线连接到水面的集油船上，收集从井中溢出的原油。水下应急封井装置进行应急封井作业。注射抗凝剂可避免溢出的碳水化合物在低温下冷凝影响液压连接器的锁紧与解锁。转换短节连接液压连接器芯轴及下部隔水管总成。陆续关闭闸板防喷器和侧出口阀门，进行水下应急封井装置功能测试，测试时曾发现1处节流管线泄漏，处理后再次进行了试验。利用该套装置进行了48h井完整性测试，每6h观察井压的变化情况，如果井压保持恒定，证明井筒完整，不存在漏点；如果井压降低证明井筒存在漏点，需采取进一步措施——例如不能封闭井口，避免情况恶化，或进行压井作业，降低井筒崩溃风险，进行集油作业，避免溢出的原油污染环境，影响海洋生态环境；实时监控井口压力和温度，为压井作业提供有价值的参考数据。封闭井口时充分考虑封井过程中遇到的各种突发情况并制定应急预案。水下应急封井装置进行抢险作业时，还综合采用了控油罩、救援井、地震测试、声纳控制及其他的减少井喷危害的措施，为救援井抢险争取了时间。

图6 水下应急封井装置应用

2012－07，MWCC联合壳牌公司在墨西哥湾进行了水下应急封井装置水下试验［14］。该装置由单闸板防喷器组成，9 144mm（30英尺）高，4 267mm（14英尺）宽，质量100t。由绳索下放到水下2 103m（6 900英尺）的试验井上，进行了功能测试和压力试验及下放回收布置等试验，试验结果证明该装置可以安全地进行井口作业，下放工具可以进行下放和回收作业，水下应急封井装置及附属工具布置、功能试验和压力测试均达到了预期目的。

5 技术发展与应用建议

目前使用的水下应急封井装置还没有统一的技术和规范要求，形状和配置不尽相同，功能要求及技术参数千差万别，试验和应用也较少。同时水下应急封井装置对水下应急救援可靠性和安全性要求较高，要求布置及下放安装迅速。为保障我国深水钻井作业和海洋环境安全，缩短事故井救援时间，加快我国水下应急装备的研究进展，应加强水下应急封井装置标准、结构、技术及作业工艺等方面的研究。

1） 紧跟国际水下应急封井装置的研究现状，吸收国际海上应急抢险机构的先进技术和经验，以及美国内政部及美国石油学会针对水下井口应急抢险装置的标准和规范，尽快制定国内水下应急封井装置设计、制造、测试、储存、运输等技术规范和要求，并上升为行业标准或国家标准。

2） 水下应急封井装置是一套结构复杂、集多项功能与一体的重型抢险救援装置。为便于海上、陆地及空中快速运输，水下应急封井装置应进行模块化设计和制造，既可以缩短运输的时间，也可以根据抢险井口的实际情况，进行模块化设计改造，缩短设计及制造时间，为井口抢险赢得宝贵时间。

3） 应加大国内对水下应急封井装置的系统集成技术、安装工艺技术、水下控制技术、水下测试技术、水下作业技术的研究，开发具有自主知识产权的水下应急封井装置，提升国内应急抢险装备的配套能力，为我国深海油气勘探开发技术的跨越式发展和应急抢险提供技术支撑。

4） 为尽可能缩短应急抢险的时间，应事先针对目标水深井口进行水下井口应急封井抢险演练和试验。进行下放工艺研究，缩短水下应急封井装置下放时间；进行配套工具研究，配置完善的救援工具；进行水下应急救援作业工艺研究，掌握水下突发情况的处理方法。

6 结论

1） 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，对其结构和功能进行分析。按结构可分为闸板防喷器式、闸阀式、分体式3种。其功能分为3类，第1类仅实现关井作业；第2类可实现关井、压井、分散剂注入、集油等作业；第3类实现关井、压井、分散剂注入、集油外还可进行节流作业。随着水下应急封井装置技术发展和应用的推广，可能还会有新的结构型式并实现新的功能。

2） 下放和安装回收工艺是依据墨西哥湾漏油事故现场应用情况进行的分析，不能作为一种通用的下放和安装回收工艺。在实际应用中，应针对特定的井况和可能预计发生的灾情制定多样化的下放和安装回收工艺预案，确保海上钻井作业安全。

3） 为尽快跟上国际先进技术步伐，早日实现海洋水下应急封井装置国产化，建议加强水下应急封井装置标准、结构、技术及作业工艺等方面的研究与应用，提高我国海洋油气装备整体水平，保障我国海洋油气能够科学、安全、高效的开发。

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

［2］Madhav Panwar，Frank 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 辉，任荣权，等.海洋深水钻井关键技术及设备［J］.石油矿场机械，2009，38（12）：1－4.

［6］孟会行，陈国明，朱暋渊，等.深水井喷应急技术分类及研究方向探讨［J］.石油钻探技术，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／.