Điều gì xảy ra khi xúc động nổ? Kích hoạt phản ứng

Khi một giếng dầu thổi , điều đó có nghĩa là dầu áp suất cao, khí tự nhiên và chất lỏng thành tạo đã thoát ra khỏi giếng trong một vụ phun trào dữ dội, không kiểm soát được, có thể phá hủy giàn khoan, bốc cháy thành một địa ngục có thể nhìn thấy hàng dặm và phun hydrocarbon độc hại khắp vùng đất hoặc biển xung quanh. Một cái giếng bị thổi không chỉ đơn giản là bị rò rỉ; nó đang giải phóng năng lượng to lớn được lưu trữ trong một bể chứa sâu dưới lòng đất, thường ở áp suất vượt quá 10.000 đến 15.000 pound mỗi inch vuông (psi) , với lực đủ mạnh để phóng ống khoan ra khỏi hố như một mũi lao và biến toàn bộ đầu giếng thành một động cơ phản lực đốt nhiên liệu. Hiểu chính xác điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ đòi hỏi phải xem xét các lực vật chất gây ra sự kiện này, sự tàn phá hàng loạt diễn ra trong vài giây và vài giờ, cũng như những vết sẹo kinh tế và môi trường lâu dài có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ.

Vật lý của vụ phun trào: Tại sao giếng dầu lại phun trào

Vụ nổ xảy ra do áp suất hình thành của bể chứa ngầm lấn át áp suất thủy tĩnh của cột bùn khoan và ngăn ngừa nổ tung (BOP) xếp chồng lên nhau dưới đáy biển hoặc trên bề mặt không thể bịt kín giếng. Trong hoạt động khoan ổn định, lỗ khoan được đổ đầy dung dịch khoan có trọng lượng cẩn thận—hỗn hợp đất sét, nước và barit—tạo áp suất ở đáy lỗ cao hơn một chút so với áp suất của sự hình thành đá chứa dầu và khí. Sự mất cân bằng này ngăn cản chất lỏng trong hồ chứa đi vào giếng. Theo tiêu chuẩn API RP 59 của Viện Dầu khí Hoa Kỳ, áp suất thủy tĩnh phải vượt quá áp suất hình thành ít nhất một khoảng 200 đến 500 psi trong quá trình hoạt động bình thường. Khi sự cân bằng này bị mất, có lẽ do trọng lượng bùn quá thấp, quá trình hình thành bị áp lực quá lớn hoặc cột bùn bị loại bỏ trong quá trình di chuyển ra khỏi lỗ khoan, khí chứa bắt đầu đi vào giếng. Dòng chảy này được gọi là một cú đá. Nếu cú ​​đá không được phát hiện và BOP không được kích hoạt kịp thời, khí giãn nở sẽ đẩy cột bùn lên trên, làm giảm thêm áp lực ở đáy hố và dòng nước chảy vào tăng tốc thành một vụ phun trào chạy trốn.

Năng lượng thúc đẩy vụ nổ thật đáng kinh ngạc. Một bể chứa khí sâu ở 10.000 psi và nhiệt độ của 250°F (121°C) tích trữ một lượng thế năng tương đương với một quả bom lớn. Khi khí dâng lên trong giếng, nó giãn nở nhanh chóng do cột nước thủy tĩnh giảm, thể tích của nó nhân lên hàng trăm lần. Vào thời điểm khí này chạm tới bề mặt, nó có thể di chuyển với tốc độ siêu âm và một tia lửa duy nhất—từ tác động kim loại, hồ quang điện hoặc bề mặt động cơ nóng—có thể đốt cháy nó thành ngọn lửa phản lực cháy ở nhiệt độ trên 2.000°F (1.093°C) . Đây là thời điểm hoạt động khoan trở thành thảm họa và những giây đầu tiên xác định mối nguy hiểm trước mắt đối với nhân sự và thiết bị.

Hậu quả trước mắt: Cháy, nổ và mây khí độc

Khi một giếng dầu nổ và bốc cháy, giàn khoan và khu vực xung quanh nó sẽ trở thành một địa ngục không thể sống sót trong vòng vài giây, tạo ra một quả cầu lửa có thể nhìn thấy từ xa hàng chục dặm và giải phóng một luồng khí hydro sunfua chết người nếu bể chứa bị chua. Vụ nổ ban đầu thường là vụ nổ đám mây hơi: khí thoát ra trộn với không khí và khi tỷ lệ nhiên liệu-không khí đạt đến phạm vi nổ, nó phát nổ với lực đủ mạnh để ném các thiết bị nặng đi xa hàng trăm feet. Cuộc điều tra tai nạn Deepwater Horizon do Ủy ban An toàn Hóa chất Hoa Kỳ tiến hành đã xác định rằng vụ nổ đầu tiên trên giàn khoan được thúc đẩy bởi khí metan bốc lên qua ống đứng biển và đi vào bộ tách khí bùn và cửa hút thông gió. Vụ nổ giết chết 11 thuyền viên ngay lập tức và đưa giàn khoan trị giá hàng tỷ đô la xuống đáy biển trong 36 giờ.

Đối với các giếng có chứa hydro sunfua (khí chua), vụ phun trào sẽ giải phóng một loại khí độc vô hình, nặng hơn không khí có thể giết chết con người chỉ bằng một hơi thở ở nồng độ trên 500 phần triệu (ppm) . Khu vực sơ tán do xả khí chua kéo dài hàng dặm xung quanh khu vực giếng và các đội ứng phó phải đeo thiết bị thở khép kín. Ngay cả khi giếng không bốc cháy, dầu thô thoát ra có thể rơi xuống một khu vực rộng, bao phủ đất đai, thảm thực vật và đường thủy trong các hydrocacbon dày và dính. Hiểu biết điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ có nghĩa là thừa nhận rằng mối đe dọa không chỉ giới hạn ở địa điểm diễn tập ngay lập tức; nó đổ ra ngoài trong bán kính được xác định bởi gió, địa hình và cường độ của vụ phun trào.

Sự tàn phá môi trường từ vụ nổ giếng dầu

Một vụ nổ giếng dầu ngoài khơi sẽ thải dầu thô trực tiếp vào môi trường biển với tốc độ lấn át sự suy giảm tự nhiên, tạo ra vết dầu loang giết chết các loài chim biển, động vật có vú ở biển, ấu trùng cá và toàn bộ hệ sinh thái san hô. Vụ nổ Macondo ở Vịnh Mexico năm 2010 đã thải ra lượng khí thải ước tính 4,9 triệu thùng dầu thô hơn 87 ngày trước khi giếng bị đóng nắp, theo Nhóm Kỹ thuật Tốc độ Dòng chảy do chính phủ Hoa Kỳ tập hợp. Hình ảnh vệ tinh theo dõi vết loang trên bề mặt khi nó ngày càng che phủ 40.000 dặm vuông và các cuộc khảo sát bờ biển đã ghi nhận tình trạng ô nhiễm dầu dọc theo 1.300 dặm bờ biển từ Texas tới Florida. Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) ước tính rằng vụ tràn dầu trực tiếp giết chết hoặc bị thương trên 100.000 loài chim biển, 6.000 con rùa biển và hàng tỷ ấu trùng cá , với những tác động lâu dài ở cấp độ dân số vẫn đang được nghiên cứu nhiều năm sau đó.

Trên đất liền, một vụ nổ từ giếng sản xuất hoặc trong quá trình khoan có thể làm ô nhiễm đất và nước ngầm trong nhiều thập kỷ. Dầu thô chứa benzen, hydrocacbon thơm đa vòng và kim loại nặng gây độc cho vi khuẩn đất và có thể di chuyển vào tầng ngậm nước. Chi phí khắc phục cho một vụ phun trào lớn trên bờ có thể vượt quá 100 triệu USD , và hệ sinh thái tự nhiên có thể không phục hồi hoàn toàn trong vòng 30 đến 50 năm. Những hậu quả môi trường lâu dài này là một phần trung tâm của câu trả lời cho điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ , vì sự cố tràn dầu không biến mất khi giếng cuối cùng được kiểm soát; nó vẫn ở trong hệ sinh thái, di chuyển qua mạng lưới thức ăn và thay đổi cảnh quan cho cộng đồng con người và động vật hoang dã.

Chi phí về con người và kinh tế của một đợt bùng phát

Nổ nổ là loại tai nạn nguy hiểm nhất trong ngành khai thác dầu khí, gây ra phần lớn các sự cố có nhiều người chết và hậu quả tài chính có thể khiến các công ty phá sản thông qua các khoản nợ dọn dẹp, tiền phạt và tiền bồi thường. Cục An toàn và Thực thi Môi trường Hoa Kỳ (BSEE) theo dõi các sự cố phun trào và đã báo cáo rằng từ năm 2007 đến năm 2019, các vụ phun trào chiếm phần lớn trên 70% số ca tử vong trong các vụ tai nạn khoan ngoài khơi ở vùng biển liên bang. Nguyên nhân trực tiếp gây tử vong thường là chấn thương do lực tác động từ vụ nổ, bỏng hoặc đuối nước. Đối với những công nhân sống sót, chấn thương tâm lý sẽ kéo dài và nhiều người bị rối loạn căng thẳng sau chấn thương (PTSD) rất lâu sau sự kiện.

Chi phí kinh tế cũng đáng kinh ngạc tương tự. Thảm họa Deepwater Horizon khiến BP phải trả hơn 65 tỷ USD trong tổng chi phí, bao gồm việc dọn dẹp, các khoản phạt liên bang theo Đạo luật Nước sạch, đánh giá thiệt hại tài nguyên thiên nhiên và yêu cầu bồi thường kinh tế từ các doanh nghiệp bị ảnh hưởng. Một vụ phun trào trên bờ làm ô nhiễm nguồn cung cấp nước của thành phố hoặc buộc một thị trấn phải sơ tán có thể dễ dàng tiêu tốn hàng trăm triệu đô la. Những chi phí này là một phần điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ bởi vì chúng lan truyền qua thị trường bảo hiểm, khung pháp lý và cách tiếp cận quản lý rủi ro của ngành năng lượng, dẫn đến các quy trình an toàn chặt chẽ hơn và thiết kế giếng chắc chắn hơn.

Kiểm soát và ngăn chặn vụ nổ giếng dầu

Việc ngăn chặn một vụ phun trào đòi hỏi một cách tiếp cận đa hướng: triển khai một ống bịt nắp lên đầu giếng bị hư hỏng bằng cách sử dụng các phương tiện vận hành từ xa ở vùng nước sâu, khoan một hoặc nhiều giếng cứu hộ để giao với lỗ khoan ban đầu và bơm bùn có trọng lượng nặng hoặc trong các trường hợp cực đoan, sử dụng chất nổ để dập tắt đám cháy và chuyển hướng dòng chảy. Ngăn xếp nắp là một cụm van lớn, được kích hoạt bằng thủy lực, có thể được hạ xuống qua đầu giếng phun nước dưới đáy biển. Sau khi được khóa vào vị trí, các van sẽ đóng lại từ từ và dòng chảy của giếng sẽ được thu lại và chuyển hướng đến các tàu nổi. Trong phản hồi của Macondo, một ngăn xếp giới hạn đã được cài đặt thành công vào ngày 87 , tạm thời dừng dòng chảy, nhưng đó là giếng cứu trợ, hoàn thành vào ngày 107 , điều đó đã giết chết vĩnh viễn cái giếng bằng cách bơm xi măng vào hồ chứa ở độ sâu hàng nghìn feet dưới đáy biển.

Khoan giếng cứu trợ là giải pháp dứt khoát vì nó chặn giếng thổi sâu bên dưới bề mặt và thiết lập liên lạc thủy lực trực tiếp với hệ tầng. Các kỹ sư bơm bùn khoan dày đặc vào bể chứa, khắc phục áp lực hình thành và ngăn chặn dòng dầu khí tràn vào. Sau đó xi măng được bơm vào để bịt kín giếng vĩnh viễn. Toàn bộ quá trình có thể mất nhiều tháng vì giếng cứu trợ phải được khoan tới mục tiêu chính xác với độ chính xác vài feet ở độ sâu vài dặm. Công việc kỹ thuật cẩn thận này là câu trả lời đáng tin cậy nhất để ngăn chặn cảnh tượng bạo lực của điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ , nhưng việc cộng đồng và hệ sinh thái hấp thụ những thiệt hại đang diễn ra rất chậm chạp.

Các câu hỏi thường gặp về việc xả giếng dầu

Sự khác biệt giữa một cú đá và một đòn đánh là gì?

Cú đá là sự xâm nhập ban đầu của chất lỏng thành hệ vào giếng, nếu được phát hiện bằng cách theo dõi thể tích và tốc độ dòng chảy của hố, có thể được tuần hoàn ra ngoài một cách an toàn bằng cách sử dụng BOP. Một vụ nổ là sự leo thang không kiểm soát của cú đá đó sau khi các rào cản áp suất chính bị hỏng, dẫn đến dòng chảy trên bề mặt không bị cản trở. Mỗi cú đánh đều bắt đầu bằng một cú đá và phản ứng nhanh, chính xác đối với cú đá sẽ ngăn chặn diễn biến thảm khốc.

Liệu một vụ nổ có thể được dự đoán trước khi nó xảy ra?

Không thể dự đoán chắc chắn các vụ phun trào, nhưng các điều kiện dẫn đến chúng—áp lực hình thành cao bất thường, trọng lượng bùn không đủ và các thành phần BOP bị trục trặc—có thể được xác định thông qua thực hành khoan cẩn thận và giám sát thời gian thực. Các giàn khoan hiện đại sử dụng các cảm biến áp suất trong khi khoan tiên tiến và hệ thống phát hiện lực tác động tự động để cảnh báo máy khoan về dòng nước tràn vào trong vòng vài giây, tạo cơ hội đóng giếng trước khi vụ nổ xảy ra.

Mất bao lâu để dọn dẹp sau một vụ nổ giếng dầu lớn?

Việc làm sạch vật lý dầu có thể nhìn thấy được từ các bãi biển và đầm lầy có thể mất một đến năm năm , nhưng quá trình phục hồi sinh thái có thể mất nhiều thập kỷ. Thảm dầu ngập nước và bóng nhựa đường bị phong hóa có thể nổi lên trong nhiều năm sau khi vết tràn đã biến mất. Quá trình phục hồi nghề cá và quần thể chim thường kéo dài từ 10 đến 30 năm và một số môi trường sống nhạy cảm như quần thể san hô nước sâu có thể không bao giờ hoàn toàn trở lại trạng thái trước khi tràn dầu.

Những hệ thống an toàn nào được cho là để ngăn chặn giếng bị nổ tung?

Rào chắn an toàn chính là cột dung dịch khoan và ngăn chặn phun trào. BOP bao gồm nhiều bộ ram mạnh mẽ có thể cắt xuyên qua ống khoan và bịt kín hoàn toàn lỗ khoan, các bộ phận ngăn hình khuyên đóng xung quanh bất kỳ hình dạng nào và các cụm điều khiển kích hoạt các ram bằng thủy lực. Khi được bảo trì và kiểm tra theo Tiêu chuẩn API 53, các ngăn xếp BOP có độ tin cậy cao, nhưng cuộc điều tra của Deepwater Horizon cho thấy pin bị lỗi, dây điện từ nối sai và lịch kiểm tra bị bỏ qua đều góp phần khiến BOP không thể đóng khi được kích hoạt.

nắm bắt điều gì xảy ra khi một giếng dầu bị nổ tiết lộ một chuỗi sự kiện bắt đầu bằng sự mất cân bằng áp suất ở độ sâu hàng nghìn feet dưới lòng đất và kết thúc bằng địa ngục trên bề mặt, vết dầu loang lan khắp đại dương và một chiến dịch kéo dài và khó khăn để giành lại quyền kiểm soát. Đó là một lời nhắc nhở rằng việc khai thác nhiên liệu hóa thạch từ các hồ chứa sâu, áp suất cao tiềm ẩn rủi ro cố hữu đòi hỏi sự cảnh giác thường xuyên, kỹ thuật nghiêm ngặt và sẵn sàng ứng phó với tình huống xấu nhất bất cứ khi nào mũi khoan quay.