一种用于深水钻井井喷失控的应急封井装置及方法与流程

本发明涉及一种深海油田油气井安全技术领域，特别是关于一种用于深水钻井井喷失控的应急封井装置及方法。

背景技术：

目前，海上(尤其是离岸远、环境复杂的深水)油气井井喷失控将会引起灾难性的事故。BP在墨西哥湾的Macondo井发生井喷爆炸，36小时后钻井平台“深水地平线”沉没，地层油气通过井筒和防喷器持续喷出87天。事故造成11人失踪、17人受伤，泄漏到墨西哥湾中的原油超过了400万桶，成为美国历史上最严重的漏油事件，给墨西哥湾沿岸造成严重环境污染，引起重大经济损失、政治危机和社会危机，成为一场生态灾难。事故发生后，公众对井喷失控后的应急响应提出新的要求，为有效应对深水井喷事故，需要一套行之有效的深水井喷应急封井技术。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于深水钻井井喷失控的应急封井装置及方法，其能够封闭从井筒流向环境的流体或对流体进行分流，可以实现将压井液、化学药剂注入井筒，井筒压力、温度等关键参数监测等功能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于深水钻井井喷失控的应急封井装置，其特征在于：该装置包括若干个相互贯通的水下封井装置模块组，每一所述水下封井装置模块组均包括连接器、四通、流动屏障模块、短接件、上连接头和节流压井模块；由所述连接器、四通、流动屏障模块、短接件和上连接头构成主通道；所述连接器底部用于与事故井连接，所述连接器顶部设置有所述四通，所述四通与一所述流动屏障模块底部和节流压井模块连接；该流动屏障模块顶部通过所述短接件与另一所述流动屏障模块底部连接，另一所述流动屏障模块顶部与所述上连接头连接。

所述节流压井模块包括两条节流压井管线、闸阀和节流阀；两条所述节流压井管线结构相同，每一条所述节流压井管线的一端均连接在所述四通上，另一端设置有所述节流阀；在每一条所述节流压井管线上还设置有若干个所述闸阀。

每一条所述节流压井管线上设置有所述节流阀的一端都是用于提供将井内流体导出井眼或泵入压井液的接口。

所述流动屏障模块由一个以上的闸阀构成或由一个以上的球阀构成。

位于所述流动屏障模块上还设置有控制面板，所述流动屏障模块、节流压井模块通过所述控制面板由水下机器人进行操作；在所述应急封井装置附近还设置有化学药剂罐，所述化学药剂罐通过化学药剂注入管线连接至所述控制面板，由所述控制面板控制所述化学药剂注入管线与所述水下封井装置模块组中任一部件连通。

所述上连接头顶部还设置有承压帽模块。

所述应急封井装置还包括若干个储能器模块；各所述储能器模块都设置在所述应急封井装置附近泥面上，通过动力液供给管线、飞线与所述应急封井装置连接。

所述水下封井装置模块组的主通道上还设置有温度、压力监测的接口，通过水下机器人进行数据读取。

所述水下封井装置模块组中至少有一个部件上设置有至少两个吊耳。

一种基于上述装置的用于深水钻井井喷失控的应急封井方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过空中运输水下封井装置模块组中各部件运送至离事故井距离较近的装配区；2)根据事故井的水深、封井装置操作液量要求以及所需的封井装置最终封井压力，对所有需要使用的储能器预充惰性气体；3)按照从下到上的顺序组装水下封井装置及控制管线、控制面板；4)对组装好的水下封井装置进行功能测试、压力测试，并冲洗所有水下封井装置模块组中的部件；5)测试储能器，并为下入作业重新充入工作液；6)将组装好的水下封井装置吊入钻井平台或工程船，做好适航固定，运至海上下入位置；7)确认水下封井装置主通道内所有部件处于打开状态，节流压井管线处于关闭状态；8)利用钻杆或钢丝绳将水下封井装置下入海中；9)将水下封井装置下至待封井的上方安全工作深度位置，并与事故井保持安全横向距离，然后停止动作；10)通过水下封井装置的控制面板将水下封井装置锁定在事故井之上，通过过提来确认其是否完成锁定，并进行外部密封压力测试；11)将钻杆或钢丝绳与水下封井装置分离；12)下入储能器模块至水下封井装置附近的泥面上，将所有动力液供给管线、化学药剂注入管线、飞线与水下封井装置上的控制面板连接；13)使用水下机器人开启节流压井管线，并监测井压及温度；14)使用水下机器人关闭流动屏障模块，并监测井压及温度；15)使用水下机器人关闭水下封井装置的节流压井管线，并监测井压及温度；16)将水下机器人移至安全位置，并观察水下封井装置是否有泄露；17)通过水下机器人确认油气泄露已被完全控制和封堵住；18)下入承压帽模块，至水下封井装置顶部，提供额外的安全屏障，封井作业完成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够封闭从井筒流向环境的流体或对流体进行分流，采用模块化设计，将整套装置分解成较小和较轻的模块，从而克服该装置在钻井平台或多功能工程船安装时对吊装重量、存放空间的限制。2、本发明拆解后的各部件能够进行空中运输，便于在较短的时间里将水下封井装置运送至事故井附件进行封井处理，减少井喷造成的损失。本发明能够用于水下井控措施失败后的抢险救援。

附图说明

图1是本发明应急封井装置结构示意图；

图2是本发明通过钻杆下放安装示意图；

图3是本发明通过钢丝绳下放安装示意图；

图4是本发明安装到位后示意图；

图5是本发明关闭事故井示意图；

图6是本发明下入承压帽后的示意图；

图7是本发明进行压井作业的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种用于深水钻井井喷失控的应急封井装置，该装置用于对井喷失控井进行再次控制，其包括若干个相互贯通的水下封井装置模块组，由各水下封井装置模块组提供向井眼注入水合物抑制剂的多个接口，每一水下封井装置模块组均包括连接器1、四通2、流动屏障模块3、短接件4、上连接头5和节流压井模块；其中，由连接器1、四通2、流动屏障模块3、短接件4和上连接头5构成主通道。连接器1底部用于与事故井连接并密封、锁紧，连接器1顶部设置有四通2，四通2分别与一流动屏障模块3底部和节流压井模块连接；该流动屏障模块3顶部通过短接件4与另一流动屏障模块3底部连接，另一流动屏障模块3顶部与上连接头5连接。由若干封井装置模块组组装构成的水下封井装置进行功能测试和压力测试。

上述实施例中，节流压井模块包括两条节流压井管线6、节流阀7和闸阀8。两条节流压井管线6结构相同，每一条节流压井管线6的一端均连接在四通2上，另一端设置有节流阀7。在每一条节流压井管线6上还设置有若干个闸阀8。其中，每一条节流压井管线上设置有节流阀7的一端都是用于提供将井内流体导出井眼或泵入压井液的接口。

上述各实施例中，流动屏障模块3由一个以上的闸阀构成或由一个以上的球阀构成，可承受高温、高压且重量轻。

上述各实施例中，位于流动屏障模块3上还设置有控制面板9。流动屏障模块3、节流压井模块通过控制面板9由水下机器人进行操作。其中，在应急封井装置附近还设置有化学药剂罐，化学药剂罐通过化学药剂注入管线连接至控制面板9，由控制面板9控制化学药剂注入管线与水下封井装置模块组中任一部件连通。

上述各实施例中，如图6所示，位于上连接头5顶部还设置有承压帽模块10，用于提供额外的安全屏障。

上述各实施例中，本发明的应急封井装置还包括若干个储能器模块11，各储能器模块11都设置在应急封井装置附近泥面上，通过动力液供给管线、飞线与应急封井装置连接，为应急封井装置提供液压动力。

上述各实施例中，水下封井装置模块组中的各个部件的尺寸和重量都满足航空运输和船舶安装的要求，各部件的长度不超过6.1米，宽度不超过1.8米，高不超过2.6米。且单个部件的重量不超过20吨。

上述各实施例中，水下封井装置模块组的主通道上还设置有温度、压力监测的接口，通过水下机器人进行数据读取。

上述各实施例中，水下封井装置模块组中至少有一个部件上设置有至少两个用于提升模块组的吊耳12。

综上所述，本发明使用时，在下入应急封井装置之前，使用水下机器人观察事故井海底情况，对可能会妨碍水下封井装置作业的障碍物进行清理，提供可供应急封井装置连接的井口或其他连接点。如图2、图3所示，使用钻杆13或钢丝绳14下放所述应急封井装置坐封至事故井上方，通过水下机器人15将应急封井装置锁定在事故井之上，通过过提来确认其是否完成锁定，并进行外部密封压力测试。

应急封井装置上连接头5上装配可拆卸的送入工具16，连接打孔管17使用钻杆13下入；通过钻杆13下入时，连接打孔管17同时下入。在下入前确保两流动屏障模块3处于开启状态，靠近四通2的闸阀8处于关闭状态防止下放过程中生成水合物，其余闸阀8处于开启状态，节流阀7处于开启状态。

如图4所示，拆除送入工具16或钢丝绳14，使用水下机器人15开启靠近四通2的闸阀8，两条节流压井管线6处于放喷状态。

如图5所示，将储能器模块11下放至水下封井装置附近泥面，通过飞线18与控制面板9连接为流动屏障3提供动力源，使用水下机器人15通过控制面板依次关闭上、下流动屏障3，井内流体通过两条节流压井管线6流出；使用水下机器人15缓慢关闭节流阀7，井内流体仅通过其中一条节流压井管线6流出，使用水下机器人15关闭另一条节流压井管线上的闸阀8，使用水下机器人15注入化学药剂防止水合物生成堵塞管线，使用水下机器人15关闭该条节流压井管线上的闸阀8，这样节流压井管线6完全关闭；使用同样的操作程序关闭另一条节流压井管线6，如此水下应急封井装置处于全关状态。通过水下应急封井装置上的温度压力传感器监测事故井的温度压力变化。将水下机器人移至安全位置，并确认油气泄露已完全控制和封堵住。

如图6所示，下入承压帽模块10，使用水下机器人15将承压帽模块10锁定至水下封井装置上连接头5上方，为水下封井装置提供额外的安全屏障，应急封井作业完成。

如图7所示，可根据需要使用水下机器人15拆除节流阀7，连接两节流压井管线19、20，泵入进行压井液进行压井作业。

基于上述应急封井装置，本发明还提供一种用于深水钻井井喷失控的应急封井方法，其包括以下步骤：

1)通过空中运输水下封井装置模块组中各部件运送至离事故井距离较近的装配区；

2)根据事故井的水深、封井装置操作液量要求以及所需的封井装置最终封井压力，对所有需要使用的储能器预充惰性气体；

3)按照从下到上的顺序组装水下封井装置及控制管线、控制面板等；

4)对组装好的水下封井装置进行功能测试、压力测试，并冲洗所有水下封井装置模块组中的部件，以备注入化学药剂；

5)测试储能器，并为下入作业重新充入工作液；

6)将组装好的水下封井装置吊入钻井平台或工程船，做好适航固定，运至海上下入位置；

其中，在水下封井装置下入海中之前，对可能会妨碍水下封井装置作业的障碍物进行清理；

7)确认水下封井装置主通道内所有部件处于打开状态，节流压井管线处于关闭状态；

8)利用钻杆或钢丝绳将水下封井装置下入海中，使用钻杆下入时，需连接打孔管，减小事故井喷出的流体对安装的影响；

9)将水下封井装置下至待封井的上方安全工作深度位置，并与事故井保持安全横向距离，然后停止动作；

其中，将水下封井装置送至事故井上方，使用水下机器人辅助；

10)通过水下封井装置的控制面板将水下封井装置锁定在事故井之上，通过过提来确认其是否完成锁定，并进行外部密封压力测试；

11)将钻杆或钢丝绳与水下封井装置分离；

12)下入储能器模块至水下封井装置附近的泥面上，将所有动力液供给管线、化学药剂注入管线、飞线与水下封井装置上的控制面板连接；

13)使用水下机器人开启节流压井管线，并监测井压及温度；

14)使用水下机器人关闭流动屏障模块，并监测井压及温度；

15)使用水下机器人关闭水下封井装置的节流压井管线，并监测井压及温度；

16)将水下机器人移至安全位置，并观察水下封井装置是否有泄露；

17)通过水下机器人确认油气泄露已被完全控制和封堵住；

18)下入承压帽模块，至水下封井装置顶部，提供额外的安全屏障，封井作业完成。

上述各步骤中，还可以根据需要使用水下机器人拆除节流装置，连接压井装置，对事故井进行压井作业。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。