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深水井測(cè)試安全控制技術(shù)

文檔作者：何玉發(fā)1 周建良1 蔣世全1 楊秀夫2 金顥3 文檔來源： 1. 中海油研究總院 2. 中國海洋石油總公司 3. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月12日
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第37 卷 第1 期
2015 年1 月
石 油 鉆 采 工 藝
OIL DRILLING &amp;amp; PRODUCTION TECHNOLOGY
Vol. 37 No. 1
Jan. 2015
文章編號(hào)：1000 – 7393（2015） 01 – 0163 – 03　　　doi:10.13639/j.odpt.2015.01.042
深水井測(cè)試安全控制技術(shù)
何玉發(fā)1　周建良1　蔣世全1　楊秀夫2　金　顥3
（1. 中海油研究總院，北京　100028；2. 中國海洋石油總公司，北京　100010；3. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　518000）
引用格式：何玉發(fā)，周建良，蔣世全，等. 深水井測(cè)試安全控制技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（1）：163-165.
摘要： 防止深水油氣井測(cè)試事故發(fā)生的關(guān)鍵之一，就是必須進(jìn)行安全評(píng)估與控制，提高測(cè)試工藝水平。我國南海深水海域
有其特殊的區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)：油田離岸距離遠(yuǎn)、夏季臺(tái)風(fēng)頻繁、冬季季風(fēng)不斷、存在沙坡、沙脊和內(nèi)波流等，而且油氣藏特性復(fù)雜，
給深水井測(cè)試帶來更多的挑戰(zhàn)。結(jié)合南海深水井測(cè)試實(shí)踐，對(duì)深水井測(cè)試的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析， 認(rèn)為存在測(cè)試管柱及
工具失效、地面流程失效、天然氣水合物堵塞、儲(chǔ)層出砂、臺(tái)風(fēng)影響等風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提出了具體的防范措施。
關(guān)鍵詞：油氣井測(cè)試；深水井；風(fēng)險(xiǎn)；安全控制
中圖分類號(hào)：TE53　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Safety control technology of deepwater oil and gas well testing
HE Yufa1, ZHOU Jianliang1, JIANG Shiquan1, YANG Xiufu2, JIN Hao3
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. China National Offshore Oil Corporation Beijing 100010, China;
3. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518000, China）
Abstract: Due to the high difficulties, high investment, and high risks in deepwater oil and gas well testing, major safety problems
can occur easily. A key to prevent accidents is to conduct safety assessment and control on deepwater testing and to improve the testing
technology. The deepwater of the South China Sea has some special environmental features: long distancce from offshore, frequent
typhoons in summer and constant monsoons in winter, and the prsence of sandy slopes, sandy ridges and internal waves, which, coupled
with the complex properties of oil and gas reserves, bring more challenges to deepwater well testing. In combination with deepwater well
testing practice in the South China Sea, this paper analyzes the main potential risks in deepwater well testing and concludes that there are
risks of failure in testing string and tools and ground processes, gas hydrate blockage, reservoir stratum sanding, and typhoon impacts.
Specific precautions are also proposed in response to these risks in the paper.
Key words: oil and gas well testing; deep well; risk; safety control
基金項(xiàng)目：中國海洋石油研究中心博士后課題“深水油氣井測(cè)試管柱力學(xué)行為及配套技術(shù)研究”部分研究成果；“十二五”國家科技重大
專項(xiàng)“深水鉆完井工程技術(shù)”課題( 編號(hào): 2011ZX05026-001) 資助。
作者簡介：何玉發(fā)，1980 年生。2008 年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與理論專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水測(cè)試、完井技術(shù)及油氣
井管柱力學(xué)方面的研究工作，高級(jí)工程師。電話：010-84523631。E-mail：heyf@cnooc.com.cn, heyfs@163.com。
我國南海深水海域面積遼闊，蘊(yùn)含豐富的油氣
資源和天然氣水合物資源，被稱作“第二波斯灣”［1］。
目前我國已在南海取得多個(gè)深水天然氣田重大發(fā)
現(xiàn)。深水油氣井測(cè)試作為深水油氣資源勘探和開發(fā)
的必須手段，也是深水油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之
一，不僅為評(píng)價(jià)構(gòu)造和圈閉提供可靠的數(shù)據(jù)資源成
果，而且為高效開采油氣藏提供了直接的依據(jù)。目
前我國深水測(cè)試技術(shù)處于發(fā)展的初期，為滿足我國
在南中國海及海外深水發(fā)展的戰(zhàn)略需求，開展了深
水測(cè)試安全評(píng)估與控制技術(shù)研究。
1　深水油氣井測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)
（1） 深水油氣井測(cè)試，必須使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)
行作業(yè)。處于深海環(huán)境受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷影響
的浮式鉆井平臺(tái)，會(huì)發(fā)生升沉和漂浮等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，加
上海水段隔水管的約束作用，深水井測(cè)試管柱特別
是泥線以上測(cè)試管柱力學(xué)行為異常復(fù)雜，給深水井
測(cè)試管串設(shè)計(jì)及深水井測(cè)試管柱安全性控制帶來很
164 石油鉆采工藝　2015 年 1 月（第37 卷）第 1 期
大困難，而且隨著水深增加這一問題更加突出。
（2）深海海底泥面低溫環(huán)境及井下關(guān)井后壓力迅
速減小是導(dǎo)致水合物生成的主要原因，水合物的形
成不僅會(huì)造成測(cè)試失敗而且會(huì)大大增加井控風(fēng)險(xiǎn)，
甚至帶來災(zāi)難性事故。
（3） 深水水下設(shè)備要足以應(yīng)對(duì)水深帶來的惡劣
的作業(yè)條件，為整個(gè)測(cè)試提供更加安全的測(cè)試環(huán)境。
另外深水平臺(tái)地面空間小、地層壓力窗口窄、高產(chǎn)高
壓，這些都給深水井測(cè)試井控和深水井測(cè)試地面安
全控制帶來挑戰(zhàn)。
（4） 由于使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，在深水井
測(cè)試作業(yè)時(shí)，平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)故障、水下暗流和惡
劣天氣等因素可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)見性的突發(fā)性平臺(tái)
偏移井位的情況出現(xiàn)，此時(shí)需要將泥線以上測(cè)試管
柱與井下測(cè)試管柱進(jìn)行分離，防止惡性事故的發(fā)生。
因此，快速實(shí)現(xiàn)水下測(cè)試管柱的應(yīng)急解脫以及危險(xiǎn)
解除之后的回接問題是深水井測(cè)試的另一大挑戰(zhàn)。
2　深水油氣井測(cè)試的潛在風(fēng)險(xiǎn)和防范措施
2.1　測(cè)試管柱及工具的失效及防范
在深水井測(cè)試過程中，測(cè)試管柱為地層流體采
出地面提供了一種途徑。測(cè)試管柱由以下3 個(gè)主要
部件組成：井下測(cè)試工具、測(cè)試油管、水下設(shè)備。為
了確保測(cè)試管柱操作安全，需合理選擇深水井測(cè)試
工具，并通過詳細(xì)管柱力學(xué)分析，以優(yōu)質(zhì)安全為目標(biāo)
進(jìn)行管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)。深水井測(cè)試管柱設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)測(cè)
試功能和滿足最惡劣環(huán)境需要的同時(shí)，還必須考慮
到使用的方便性、連接類型的適用性以及各種管材
類型的經(jīng)濟(jì)性因素等。根據(jù)這個(gè)原則，確定深水井
測(cè)試管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖1。
圖 1　深水井測(cè)試管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
2.2　地面流程失效與防范
典型的深水地面流程包括以下幾個(gè)方面：流動(dòng)
頭、安全閥、緊急關(guān)斷閥、除砂器、油嘴組流管匯、蒸
汽鍋爐及加熱器、三相分離器、計(jì)量罐、輸送泵、臨時(shí)
輸液罐、燃燒臂及連接管線等。深水地面測(cè)試流程
流動(dòng)距離短（從井口到燃燒壁僅幾十米）、流動(dòng)壓力
大、流動(dòng)時(shí)間短（一般流動(dòng)1 d 左右）、流動(dòng)相態(tài)變化
復(fù)雜。測(cè)試過程中易發(fā)生地面冰堵等突發(fā)性事故，
對(duì)測(cè)試施工和人身安全造成極大危害。因此深水井
測(cè)試地面設(shè)備需配置較多的應(yīng)急關(guān)停裝置，任何一
處都可進(jìn)行地面關(guān)井；對(duì)于可能的地層出砂情況，
地面配備除砂器；井口采用大排量化學(xué)注入泵對(duì)井
下/ 地面進(jìn)行甲醇注入，防止生成水合物。深水井測(cè)
試所有壓力容器設(shè)備根據(jù)證書有效期取第三方證書
（DNV，ABS 或者Lioyd）。在完成地面設(shè)備選型之后，
需對(duì)地面流程進(jìn)行工藝數(shù)值模擬，以校核計(jì)算地面
流程中的溫度、壓力，設(shè)備處理能力等，進(jìn)一步對(duì)設(shè)
備及管線進(jìn)行優(yōu)化。
2.3　天然氣水合物的形成預(yù)測(cè)與防治
天然氣水合物［2］（ 張亮等，2010）是由于天然氣
的小分子氣體（如甲烷、乙烷）在較低溫度（0~10 ℃）
和較高壓力（10 MPa 以上）條件下和水作用生成的
籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，類似冰屑或密實(shí)的雪，密度
為880~900 kg/m3，俗稱可燃冰。含有自由水的天然
氣一旦遭遇低溫、高壓環(huán)境極易形成天然氣水合物。
目前，有很多確定天然氣水合物生成壓力- 溫度的
方法，大致可分為圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、平衡常數(shù)法
和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法4 類。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法是當(dāng)前最準(zhǔn)確
但也是計(jì)算最為繁瑣的方法。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法根據(jù)
系統(tǒng)理論，將氣體水合物宏觀相態(tài)行為與其分子間
的相互作用聯(lián)系起來，引入函數(shù)來描述氣體水合物
生成條件，理論基礎(chǔ)嚴(yán)密，通用性強(qiáng)，便于運(yùn)用計(jì)算
機(jī)在較寬的范圍內(nèi)對(duì)水合物生成的溫度、壓力條件
進(jìn)行連續(xù)求解。
基于Vander Waals 和Platteeuw 提出的經(jīng)典吸附
理論基礎(chǔ)模型，可以得到水合物相平衡條件［3］判斷
出在給定的壓力、溫度以及氣液相條件時(shí)是否有固
相水合物產(chǎn)生。對(duì)于油氣井測(cè)試而言，測(cè)試期間主
要采用加熱和注化學(xué)劑的方法防止水合物生成。采
用加熱法可以提高節(jié)流前天然氣的流動(dòng)溫度。在節(jié)
流壓降不變的條件下，提高節(jié)流前天然氣的溫度也
等于提高了節(jié)流后天然氣的溫度。如果節(jié)流后天然
氣溫度提高到高于水合物生成溫度，預(yù)防節(jié)流后水
合物生成的目的就可達(dá)到。
某些化學(xué)添加劑可以改變水合物形成的相平衡
條件，降低水合物的相平衡溫度；在一定壓力下，天
然氣水合物相平衡的溫度隨著化學(xué)添加劑注入濃度
的增加而降低［3］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)測(cè)試過程中天然氣
何玉發(fā)等：深水井測(cè)試安全控制技術(shù) 165
水合物抑制劑作過大量的研究，討論了多種常用或
者能夠使用的天然氣水合物抑制劑，甲醇和乙二醇
是最常用于測(cè)試防止水合物形成的化學(xué)劑。甲醇被
公認(rèn)為最有效的一種深水井測(cè)試天然氣水合物抑制
劑，具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）低黏度，易于注入和在系統(tǒng)中
配給；（2）好的接觸效率，高的溶解度和揮發(fā)性使其易
于與井筒中的水和流體接觸；（3）容易處理，容易在井
場(chǎng)與采出氣一同燃燒［4］。但由于甲醇有毒（涉及到
人員接觸和環(huán)境排放）和高度可燃，其安全性應(yīng)特別
注意。在深水井測(cè)試過程中使用甲醇的程序，應(yīng)在
包括HAZOP 研究在內(nèi)的作業(yè)程序、測(cè)試公司程序
以及承包商安全程序中予以明確。
產(chǎn)量對(duì)水合物形成影響很大，產(chǎn)量低時(shí)容易
形成水合物。在海底泥面附近深度，由于海底低溫
環(huán)境的影響，管柱內(nèi)天然氣溫度變化很大。產(chǎn)量為
70×104 m3/d 時(shí)管柱內(nèi)不會(huì)生成水合物，產(chǎn)量低于55
×104 m3/d 時(shí)管柱內(nèi)均會(huì)生成水合物。南海某井設(shè)置
了3 個(gè)水合物抑制劑注入點(diǎn)：泥面以下600 m 處、泥
面附近、井口及油嘴管匯。此外，油嘴管匯下游通過
換熱器進(jìn)行加熱、采用一次開關(guān)井工作制度、鉆井期
間避免使用水基鉆井液等措施以防止水合物生成。
2.4　出砂風(fēng)險(xiǎn)與控制
深水油氣藏通常屬淺埋儲(chǔ)藏，且大段重的上覆
巖石介質(zhì)被輕的海水取代，壓實(shí)程度降低，導(dǎo)致儲(chǔ)層
疏松而容易出砂［5］ 。為了防止油井出砂，一方面要
針對(duì)油層及油井的條件正確選擇固井、完井方法，指
定合理的開采措施，提高管理水平；另一方面要根
據(jù)油層及出砂情況采用防砂方法。深水勘探期評(píng)價(jià)
油井出砂問題大多采用機(jī)械防砂作為井下第1 道擋
砂屏障。結(jié)合南海幾口井的深水井測(cè)試實(shí)踐，總結(jié)
荔灣區(qū)塊深水井測(cè)試防砂措施。
（1）井全部下套管和固井，有利于進(jìn)行套管內(nèi)
防砂。（2）DST/TCP 管柱上安裝Qty-2 Meshrite 井
下篩管并下入到封隔器以下，地面?zhèn)溆袥_砂用途的
連續(xù)油管和連續(xù)油管提升框架。（3）嚴(yán)格控制測(cè)試壓
差，選擇合適射孔液，正加壓延時(shí)的負(fù)壓射孔，射孔
時(shí)的負(fù)壓限制在2.76 MPa。（4）測(cè)試閥應(yīng)具有抗泥
砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（5）地面在節(jié)流阻流管匯上游安裝1 個(gè)
出砂監(jiān)測(cè)裝置，在節(jié)流阻流管匯上游安裝地面除砂
器，準(zhǔn)備1 個(gè)裝砂的大油池。（6）在開井放噴及求產(chǎn)
過程中，時(shí)刻注意生產(chǎn)壓差的變化。誘噴產(chǎn)量的調(diào)
節(jié)由小到大，逐漸增加產(chǎn)量；控制井口流動(dòng)壓力，實(shí)
現(xiàn)在控制地層出砂的范圍內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)求產(chǎn)。（7）每隔
15 min 進(jìn)行1 次分離器取樣，以監(jiān)測(cè)地層產(chǎn)出流體
中的含砂量。
2.5　臺(tái)風(fēng)預(yù)防措施
臺(tái)風(fēng)可能使平臺(tái)發(fā)生偏移，橫向位移對(duì)泥線以
上測(cè)試管柱應(yīng)力響應(yīng)影響非常大。當(dāng)平臺(tái)偏移達(dá)到
規(guī)范規(guī)定的極限值后，要立即解脫水下測(cè)試樹，以免
發(fā)生管柱斷脫等危險(xiǎn)。根據(jù)水深及水下測(cè)試樹等設(shè)
備要求，綜合考慮水下測(cè)試樹的響應(yīng)時(shí)間、BOP 解脫
響應(yīng)時(shí)間及平臺(tái)漂移分析，可以計(jì)算得出深水浮式
平臺(tái)測(cè)試作業(yè)安全操作窗口。當(dāng)平臺(tái)偏移到一定極
限值之后，要關(guān)閉井下閥門、解脫水下測(cè)試樹等。安
全操作窗口用不同的顏色表示。綠色動(dòng)力定位系
統(tǒng)工作正常，平臺(tái)上可以進(jìn)行正常的測(cè)試作業(yè)。藍(lán)
綠色區(qū)域要停止作業(yè)，已經(jīng)接近水下測(cè)試樹的解脫
極限，應(yīng)該關(guān)閉水下測(cè)試樹處閥門，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)
偏移范圍，隨時(shí)準(zhǔn)備解脫泥線以上測(cè)試管柱。黃色
區(qū)域表要立即采取措施從水下測(cè)試樹處解脫測(cè)試
管柱。紅色區(qū)域DP 系統(tǒng)完全失去定位能力，應(yīng)立即
從BOP 上斷開LMRP，防止井口裝置、防噴器組及
隔水管受到損傷。
3　結(jié)論
深水海洋平臺(tái)的空間有限、設(shè)備和人員密集、自
然條件惡劣、遠(yuǎn)離陸基保障，任何的安全事故都將帶
來重大損失。在測(cè)試階段，地下油氣通過測(cè)試管柱
被釋放出來，一旦因管柱泄漏等發(fā)生失控，將會(huì)導(dǎo)致
災(zāi)難性事故，甚至造成船毀人亡的慘劇。防止事故
發(fā)生的關(guān)鍵之一，就是必須對(duì)深水測(cè)試進(jìn)行安全評(píng)
估與控制，提高測(cè)試工藝技術(shù)水平。在保障作業(yè)安
全的前提下，確保測(cè)試資料的錄取。
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（收稿日期　2014-11-30）
〔編輯　胡志強(qiáng)〕

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