固井完井所--BP墨西哥湾漏油事故对固井的.doc

BP墨西哥湾漏油事故对固井的启示（固井完井研究所）2010年4月20日晚间，Transocean的深水地平线钻井平台作业的Macondo井发生了井喷事故，钻井平台爆炸并起火。事件导致了11人丧生，17人受伤。火灾持续了36个小时，直到钻井平台倾覆沉没。地下原油泄漏和相应的堵漏工作持续了87天，这是一次国际重大漏油事故。 通过事故树分析、多模式分析、失效模式以及其他可能因素的分析，Macondo井发生井喷起火漏油事故的发生归结于以下8个因素：环空水泥未能封隔地层油气；套管鞋处的水泥塞未能封隔油气；进行了负压测试，但是井内力学完整性并未有效建立；气体进入隔水管前，溢流未能检测出来；井控反应作业失效，未能有效控制；转至泥浆-天然气分离器造成气体在钻台上的散逸；火气系统未能阻止气体的燃烧；BOP应急模式失效，未能关井。在可能导致事故的8个因素中，第一和第二均为固井因素。固井作业要求高、技术性强，是一项系统工程。BP墨西哥湾漏油事故的发生与固井直接相关，给固井工作者许多有益的启示。图1 Macondo井油气储层及油气可能的窜流途径启示1：加强对复杂深井固井的重视程度，固井前要进行详细的方案论证，固井施工单位要与其他施工单位进行间必要的交流及沟通BP公司与Halliburton公司技术人员之间对有关水泥浆设计的风险与挑战的交流不充分。BP公司对Halliburton公司提供的技术服务没有进行足够的确认和重视。如果Halliburton公司能够进行更多更全面的室内水泥浆实验，BP公司如果能够更严格地把好质量关，就可能发现有关水泥浆设计的潜在缺陷。反过来讲，如果能够意识到这些缺陷也就能够进行重新设计以确保固井施工安全。Halliburton公司固井工程师如果具有严谨的作风和较高的技术素质，固井前进行完整详细的水泥浆配方测试和充分的交流探讨，就会提前认识到该固井方案会造成封固可能性差的问题。BP公司如果能够提高自己的风险管理意识和重视技术方案的确认，那么就会提高层位封隔的挑战与风险的意识，从而制定出其他解决措施和详细的技术预案，也可以避免该事故的发生。墨西哥湾漏油事故给固井设计的启示是：一定要加强对复杂深井固井的重视程度，固井前要进行详细的方案论证与专家咨询。复杂深井固井前要制定详细的技术预案，另外固井工程师要有较高的技术素质和严谨的工作作风。启示2：对于窄密度窗口深井固井，固井前要进行地层承压试验Macondo井钻至最后8-1/29-5/8井眼，在5565.6m处发生井漏。堵漏塞泵送入井底，钻井液比重从1.716g/cm3降低到1.70g/cm3，解决了井漏问题。2010年4月7日井眼通畅；2010年4月9日，钻进达到最终深度5596.1m。在通井、洗井过程中未发生漏失及其他复杂事故。进行固井方案设计时，Halliburton公司的OptiCemTM固井模块模拟设计显示，在固井结束时井眼内的ECD值将会轻微的超过破裂压力梯度，这可能会导致注水泥过程中发生漏失。由于害怕固井过程中水泥浆漏失，Halliburton公司设计的水泥浆体积偏少（9.86m3）、顶替排量低。由于受孔隙压力/破裂压力梯度窗口限制，为获得低比重水泥浆而选择了氮气泡沫水泥浆。如果固井前对地层进行承压能力试验，就可以采用常规密度（密度为1.90g/cm3，综合性能要大大优于氮气泡沫水泥浆）抗温水泥浆而不会选择氮气泡沫水泥浆（密度1.74g/cm3）。选择氮气泡沫水泥浆也存在失误，密度为1.74g/cm3的氮气泡沫水泥浆与常规密度水泥浆相比，施工过程中对井底静液柱压力的增加值几乎可以忽略不计。固井前对如果地层进行承压能力试验，设计的水泥浆量可能会大于实际注入的水泥浆量（9.86m3），也许就可以避免该事故的发生。图2 Macondo井地层压力情况给我们的启示是：对于密度窗口窄的复杂深井固井，为保证固井施工安全，保证水泥浆返至设计位置，固井前要进行地层承压能力试验，以此为依据，来进行平衡压力固井设计。启示3：深井固井一定要保证固井工具及附件的质量，深井固井不要采用自动灌浆浮箍，要切实保证套管内水泥塞的质量，要加强工具及附件入井前的质量检测Macondo井套管鞋由两个单流阀浮箍、7 套管和带孔的扩眼鞋组成，如下图所示。假设地层流体突破套管内水泥环进入套管，套管鞋内的水泥和浮箍也应该能够阻止地层流体侵入井筒。BP公司事故调查组通过井筒两相流理论模型计算和实时压力流动数据对比，可以判断地层流体最初是通过套管鞋进入井筒。事故调查组又进一步证实了可能导致套管鞋失效的原因：（1）套管鞋内水泥浆被氮气泡沫水泥浆分离出的氮气污染导致水泥未凝固；（2）套管鞋内水泥浆被井筒中的泥浆污染；（3）套管鞋内的水泥浆和井筒中的钻井液发生重力交换。以上三种原因共同影响导致套管鞋密封失效。图3 套管鞋内水泥密封失效，密封装置失效图4 Macondo井7”套管鞋示意图此外还有三种可能原因导致浮箍失效：（1）循环时的高载荷导致浮箍损坏；（2）排量不足，未能引起自动灌浆装置脱离，浮箍转换失败；（3）单流阀密封失效。在有效的证据、静液压力计算、井筒两相流模型和2010.8.4日进行的静态压井数据分析的基础上，调查组确认地层流体通过套管鞋进入井筒。因此，套管鞋水泥浆密封和浮箍密封必定失效，从而引起地层流体侵入，但调查组未发现导致套管鞋水泥浆和浮箍密封失效的具体原因。给我们的启示是：深井固井一定要保证固井工具及附件的质量，固井前对工具性能、可靠性要进行认真检测。深井固井不宜采用自动灌浆浮箍，要切实保证套管内水泥塞的质量。启示4：对气窜的严重程度估计不足，考虑因素不全，措施针对性不强固井前，通过OptiCemTM软件的预测，由于水泥浆和隔离液有可能在一压力为1.68的隔层上部发生窜槽，会引发严重的气体溢流事故。OptiCemTM软件在计算气体溢流可能性时仅考虑了地层压力，未考虑流体含量、储层净厚或隔层的渗透性。压力为1.68的隔层深度为5547.4m，OptiCemTM软件报告中将其视为储层。BP事故调查组无法理解为何在软件计算中取压力值为1.68，因为根据已有的录井数据，相同深度的储层压力为1.51。使用更高的压力值计算将增加预测时发生气体溢流的可能性。调查报告中还涉及到一个深度为5395m，压力为1.68的地层（实际压力应为1.692，数据来源于GeoTap随钻录井工具的压力测量数据）。然而，没有针对该层进行气体溢流可能性的预测。实际上，BP将该层的产能视为零，所以不认为该层会有发生气体溢流或油气进入的可能性。综上所述，Halliburton公司对Macondo井9-7/87套管固井气窜的严重程度估计不足，考虑因素不全，另外措施针对性不强（采用9.86m3氮气泡沫水泥浆固井，采用油基隔离液等），BP公司事故调查报告中未有综合防窜的技术措施。给我们的启示是：对于复杂深井固井一定对气窜的严重程度进行评价，然后从固井工艺、水泥浆体系及提高顶替效率等方面制定出详细的技术措施。启示5：对于深井固井环空水泥浆柱要合理设计Macondo井由于破裂压力和孔隙压力之间的密度窗口窄，设计较为准确的水泥充填非常重要。Halliburton使用Opticem软件模拟了多种水泥浆设计及充填方案。最终推荐了由油基隔离液、水泥浆隔离液、领浆、泡沫水泥浆、尾浆等构成的环空水泥浆方案。为防止漏失，设计的水泥浆体积偏少（水泥返至最上部的油气层的150m处，注入水泥浆体积9.86m3，泡沫水泥浆体积7.63m3）。由于9-7/87套管下入深（下深5579.1m），如此少的水泥浆体积，又设计了领浆、泡沫水泥浆、尾浆3种水泥浆，注水泥及替浆过程中，水泥浆受到污染后，难以保证封固质量。图5 不同水泥浆充填位置 给我们的启示是：深井固井环空水泥浆柱要根据地层、井眼状况具体情况合理设计，要充分考虑到水泥浆在注入及替浆过程中的污染问题，套管内建议至少留50m的水泥塞。启示6：水泥浆体系选择不合理（采用氮气泡沫水泥浆），固井前没有时进行详细的室内试验由于受孔隙压力/破裂压力梯度窗口限制，为获得低密度水泥浆而选择了氮气泡沫水泥浆。选择的氮气泡沫水泥浆，其设计相当复杂，且水泥浆用量小，存在被污染的风险。泡沫水泥浆中未加降失水剂，施工前水泥浆试验测试不足，没有认识到泡沫水泥浆的稳定性差。表1 Halliburton公司的水泥基浆配方为评价Halliburton公司水泥浆设计的有效性，调查组委托第三方固井实验室CST Technologies公司进行了一系列的水泥浆性能测试。测试结果显示，在6.9MPa条件下注入压力，50%以上氮气（体积分数）时不能产生稳定的充氮水泥浆柱。对于Macondo井来说，需要55%60%的氮气（体积分数）才能在6.9MPa注入压力下，在井底温度和压力条件下获得18%19%（体积分数）的充氮设计泡沫水泥浆。报告显示水泥浆的流变性非常低，57下其屈服值约2 lb/100ft2。屈服值是流体开始流动时所需的最小压力梯度值。用于配制泡沫水泥浆的水泥浆屈服值一般都高于5 lb/100ft2。如此低的屈服值使得泡沫很难保持稳定。水泥浆中添加了消泡剂。调查组从CSI Technologies了解到Halliburton 标准中专门有一条，内容是禁止在泡沫水泥浆中使用分散剂或消泡剂等添加剂。分散剂和消泡剂会导致泡沫泥浆的稳定性出现问题。水泥中未添加降失水剂，添加降失水剂是封隔油气产层时控制水泥浆失水的一种常用做法。有证据表明，水泥浆在进行固井作业之前并未进行完整的测试。调查组无法确认复合测试程序是否进行。调查组取证的测试结果只是表明稠化时间、泡沫密度、混合度以及抗压强度等测试在Macondo井固井作业之前已经完成，但是测试内容并未包括失水量、自由水、静态胶凝强度、过渡时间等。通过CSI公司进行的第三方试验结果及分析，调查组认为在Macondo井采用的充氮泡沫水泥浆会造成氮气的散逸、运移及降低水泥浆的密度，这就可以解释为何油气层会封固失效。氮气的散逸、运移也会造成套管鞋处的水泥浆污染，可能会造成管鞋至浮箍处的固井屏障失效。图6 环空的液柱结构图7 氮气泡沫水泥浆在室内实验时的分层情况基于对Macondo 井所用氮气泡沫水泥浆性能的分析与测试，以及CSI技术实验室的结论与分析，调查组认为Macondo井所用的氮气泡沫水泥浆可能发生了氮气的析出、氮气运移及水泥浆密度异常等问题。这些问题可作为产层封隔失败的原因。氮气的析出和运移可能也影响了套管内水泥塞的封隔质量，引起封固的失效。给我们的启示是：复杂深井固井设计的水泥浆配方要求容易混合与泵送，水泥浆浆体稳定性一定要好，自由液为零，固井前要进行详细的水泥浆实验。启示7：复杂深井固井选择的隔离液相容性好，与水泥浆及钻井液的配伍性要好Macondo井9-7/87套管固井中采用了油基隔离液。较少的水泥浆体积、较长的封固段，采用油基隔离液会增加污染及氮气的散逸的可能性。隔离液采用轻质油基隔离液（密度0.80 g/cm3）驱替重质钻井液（1.70 g/cm3）会导致驱替效果变差。根据一般的经验，固井作业中一般不会用轻质液体驱替重质液体。在水泥隔离液之前泵入油基隔离液降低了环空静液柱压力，因此增加了油气沿环空上行的可能性。水泥充填时，较重的前置水泥浆（2.0g/cm3）在前，轻质的泡沫水泥浆（1.76g/cm3）在后，这有可能引起两种流体的混合或是降低顶替效率。给我们的启示是：深井固井冲洗液在功能上侧重于稀释钻井液，冲洗井壁和套管壁，提高对钻井液的顶替效率和水泥环界面胶结质量。隔离液的作用侧重于隔离开钻井液和水泥浆，防止其相互接触污染。隔离液要保持足够的接触时间和环空高度，应充分考虑相容性，做混浆的稠化时间和混浆的强度复合实验。启示8：扶正器的安放位置及下入数量要根据井眼状况、通井情况确定，要切实保证套管居中2010年4月15日15:30分的OptiCemTM报告指出，采用10个扶正器有可能引起水泥窜槽；另一份报告中采用了21个扶正器，就可以防止钻井液窜槽的发生。实际Macondo井队下套管时安放了6个扶正器，6个扶正器下至主砂岩产层位置。井队人员也就忽视了软件报告中所提到的窜槽的危险性。当决定仅使用6个扶正器时，井队人员没有采用OptiCemTM软件重新对其进行计算。由于因为错误的认为扶正器类型不对，没有下入更多的扶正器，明知道砂岩油层以上井段有窜槽的风险，却接受这个风险的存在。图8 Macondo井扶正器安放位置给我们的启示是：复杂深井固井时，扶正器的安放位置及下入数量要根据井眼状况、通井情况确定，扶正器设计数量既要能保证套管安全下入，又尽量能保证套管居中。启示9：深井固井要进行固井质量检测Macondo井9-7/87套管固井施工按照预定计划完成，BP Macondo团队通过最后碰压和钻井液返出判断固井成功。BP公司和其他承包商讨论后，得出一致结论，认为固井成功，决定不再采取进一步评估手段判断固井质量。BP工程技术操作委员会（ETP）制定的关于钻井操作和油气井弃置的相关规范要求，水泥返高至少应在渗透层上300m，套管扶正器至少应在渗透层上30m。如果不满足上述条件，应通过固井质量测井判断水泥返高和固井质量。ETP GP 10-60规范认为不能通过评估碰压和泥浆漏失情况判断地层固井情况，调查组发现BP Macondo井人员没有严格执行该规定。完成固井作业后