墨西哥湾井喷漏油事件的水下控油措施

2020-03-09郝希宁李朝玮罗洪斌

海洋工程装备与技术 2020年6期

王宇，郝希宁，李朝玮，罗洪斌

(中海油研究总院有限责任公司国家能源深水油气工程技术研发中心，北京 100028)

0 引言

今年是墨西哥湾的Macondo井喷漏油事件十周年。该事件持续漏油87天，泄漏约500万桶原油，超过了1979年爆发的伊斯托克1号油井泄漏到墨西哥湾的330万桶原油，造成了石油工业史上最严重的环境灾难，并产生了深远影响[1]。

2010年4月20日，当墨西哥湾“深水地平线号”钻井平台爆炸时，11名工人不幸丧生，Macondo 252号油井开始井喷原油——这种情况持续近三个月。最初英国石油公司并没有处理类似事件的解决方案，在此期间由工程师和科学家组成的研究小组研究出多种控油措施，包括控油罩(containment dome)、顶部压井+橡胶弹(top kill+ junk shot)、顶部帽(top hat)等，但都没有成功，这充分说明处理水深1 525 m井喷的难度。最终在7月15日使用水下应急封井装置(subsea capping stacks)成功封住了水下井口并止住漏油。从此，水下应急封井装置作为深水应急救援的核心设备开始布局在全球主要的海洋油气产区[2-3]。

本文整理出本次井喷漏油事件的水下封井过程，供国内相关技术人员参考。

1 控油罩

2010年4月22日，“深水地平线号”钻井平台在井喷事故两天后沉没至海床，原油开始从弯折的钻井隔水管的两端等多处持续泄漏至海水，如图1和图2所示[4]。在尝试关闭水下防喷器组无效之后，开始尝试其他可能的控油方式。

图1 “深水地平线号”钻井平台沉没至海底

图2 原油从钻井隔水管底部喷出

2010年5月5日，使用多功能船Q4000的吊索具下入约四层楼高约100 t的控油罩至泥线处，用于罩住钻井隔水管末端的主要泄漏点，并计划通过钻井船收集喷出的原油，如图3和图4所示。

图3 使用吊索具下入控油罩

图4 控油罩的吸油方案

控油罩的主要潜在问题在于井喷油气中的甲烷气体与低温海水接触形成冰状的碳氢水合物，从而堵塞控油罩的吸油口，也正是这个原因导致该方案最终失败。虽然已考虑当控油罩到达泥线之后，再下入双层管柱，从海面将热水注入控油罩防止产生水合物，但当控油罩下放至距离原油泄漏点几英尺时，控油罩停止继续下行，由于控油罩内部已充填了比水轻的碳氢水合物，控油罩开始漂浮并朝着水面救援船只浮上来，幸好在5月7日成功将其引开，避免了控油罩与水面船舶的碰撞[5]。

2 顶部压井+杂物弹

2010年5月26—28日，英国石油公司连续三天尝试被称为“顶部压井法”和“杂物弹”的压井程序，即使用多功能船舶Q4000以足够高的速度和压力将重钻井泥浆泵入油井顶部，使喷出的原油沿油井流回储层。由高尔夫球、橡胶球和其他杂物组成的杂物弹被泵入井筒之后，在井筒压力作用下上升并堵在防喷器底部[4-5]。在理想情况下，这些橡胶材料会减缓或止住井喷的油气流，从而有利于更容易地顶部压井，如图5和图6所示。

图5 顶部压井法示意图

图6 杂物弹(高尔夫球、橡胶球及杂物)

当时英国石油公司和美国国家海洋与大气管理局(NOAA)估计每天大约泄漏原油5千桶(一桶石油大约160 L)。英国石油公司的工程师认为如果流量超过1.5万桶，顶部压井将不起作用。但当时英国石油公司也许并不知道原油每天井喷流速超过5万桶，因此有足够的压力将顶部压井的加重泥浆吹回。在连续三天的三次尝试中，英国石油公司以每天超过10万桶的速度注入加重泥浆，并向水下防喷器发射了多次杂物弹。在第三次尝试失败后，英国石油公司和美国政府同意停止这一尝试，尤其担心这种压井做法将破坏井筒的完整性导致地下井喷，油气从海底多处流入海洋，使井喷在救援井完工之前无法控制。

5月29日，英国石油公司宣称顶部压井法失败，并开始把工作重心调整至开放式的控油系统上。

另外，尽管美国海军呼吁在必要时使用核武器，但美国政府认为不太可能起作用。

3 顶部帽

在顶部压井失败后，英国石油公司和美国政府集中精力考虑如何收集原油，当然救援井仍然是彻底封堵事故井的终极途径。

英国石油公司从6月2日开始试图剪断仍连接在水下防喷器顶部的钻井隔水管，然后使用“发现者企业号”钻井船的钻杆下入原油收集装置——顶部帽(重1.6 t，长4 m，直径为1.2 m)。通过吸取前面控油罩的经验教训，在下入时就循环甲醇以防止产生水合物，如图7和图8所示[4-5]。截至6月8日，“发现者企业号”钻井船每天收集近1.5万桶原油，这也是顶部帽的原油收集能力极限。

除了顶部帽之外，英国石油公司还开发了另一套原油收集系统，即通过水下防喷器的节流管线将泄漏的油气输送到配备了收集设备和一个油气燃烧器的多功能船舶Q4000，如图9所示[5]。Q4000于6月16日投入运行，每天能够处理和燃烧多达1万桶石油。因此，两艘船每天共计可处理2.5万桶的原油。但是该措施未能明显改善原油泄漏量，仍然有大量原油泄漏至海洋。

图7 顶部帽的安装及油气集收集

图8 顶部帽实物图

图9 钻井船和多功能船每天收集2.5万桶原油

为了安装顶部帽，必须先将水下防喷器上方的钻井隔水管剪断，但在深水区没有类似经验。尽管有使用液压大剪刀剪断隔水管本体的陆地测试，但第一次水下尝试并没有成功；随后水下机器人先锯断隔水管两侧的阻流和压井小管线，才再次成功剪断隔水管本体，之后再使用金刚石切割机将防喷器顶部的隔水管去除，以便于安装顶部帽，如图10所示[4]。

(a) (b) (c)

4 水下应急封井装置

6月底，英国石油公司开始部署水下应急封井装置，该装置实际上是小型的水下防喷器。英国石油公司内部曾讨论过在井喷后一周内安装一套井口密封装置，但顶部压井失败后，由于担心井筒的完整性和地下井喷的可能性，英国石油公司搁置了这一措施[2-4]。

7月初，随着继续分析这些风险，此次井喷事件的指挥官美国海岸警卫队海军上将萨德·艾伦授权英国石油公司安装水下应急封井装置。

7月12日，水下应急封井装置安装至水下防喷器顶部，但不关闭。

7月15日，关闭水下应急封井装置，开始进行油井完整性测试，井喷87天以来第一次没有原油流入墨西哥湾，如图11和图12所示[5]。

经过分析评估：

如果井口压力在6小时内上升到7 500 lb/in2，则表明井筒完好无损；如果井口压力保持在6 000 lb/in2以下，则油井正在发生井下泄漏，需要立即移开水下应急封井装置以避免井下井喷。

然而最初的井口压力读数恰恰是一个不确定的中间值——6 600 lb/in2，最后经过美国地质调查局的水文学家保罗·谢分析评估，认为相对较低的压力读数是由于油井已经喷出了大量原油，而不是泄漏进地下裂缝的结果。另外，除进行大量分析和建模之外，还在油井周围进行周期性地震成像，以寻找漏油迹象。最终没有发生地下井喷，油井保持完好，直到救援井将其拦截[2-3]。