Lỗ thủng trong khoan dầu là gì? Giải thích nguyên nhân, hậu quả và cách phòng ngừa

A nổ máy khoan dầu là sự thoát ra không kiểm soát của dầu thô, khí tự nhiên hoặc các chất lỏng khác từ giếng lên bề mặt - xảy ra khi áp suất hạ lưu vượt quá khả năng chứa của hệ thống kiểm soát giếng. Đây là loại lỗi kiểm soát giếng nguy hiểm và tốn kém nhất trong ngành dầu khí, có khả năng gây tử vong ngay lập tức, hỏa hoạn thảm khốc, ô nhiễm môi trường lâu dài và thiệt hại kinh tế lên tới hàng tỷ đô la.

Thuật ngữ "nổ tung" mô tả một dạng hư hỏng cụ thể: không chỉ đơn giản là rò rỉ hoặc tràn, mà là sự thoát ra đột ngột, mạnh mẽ và không kiểm soát được của chất lỏng dưới bề mặt do áp suất thành hệ gây ra. Trong một giếng hoạt động, trọng lượng của dung dịch khoan (bùn) trong giếng khoan cân bằng với áp suất tự nhiên của dầu và khí trong hệ tầng đá bên dưới. Khi sự cân bằng đó không thành công - dù là do lỗi của con người, trục trặc thiết bị hay các điều kiện địa chất không mong muốn - áp lực hình thành sẽ thắng và xảy ra hiện tượng nổ tung.

cáco Hiệp hội các nhà thầu khoan quốc tế (IADC), ngành dầu khí toàn cầu ghi nhận mức tăng trưởng trung bình 20 đến 40 sự cố kiểm soát giếng đáng kể hàng năm trong thập kỷ trước năm 2020, với đầy đủ các đợt bùng phát đại diện cho tập hợp con nghiêm trọng nhất trong số các sự kiện đó. Theo Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ, mặc dù các vụ phun trào lớn hiếm khi xảy ra về mặt thống kê so với tổng số giếng được khoan trên toàn thế giới mỗi năm - khoảng 60.000 giếng mới mỗi năm trên toàn cầu, theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ - nhưng hậu quả của chúng khi chúng xảy ra là rất nghiêm trọng.

Bài viết này giải thích những gì một nổ tung trong dầu ở cấp độ cơ học và địa chất, nguyên nhân gây ra chúng, cách thức hoạt động của ngành để ngăn chặn chúng và điều gì xảy ra khi việc phòng ngừa thất bại - được minh họa bằng các ví dụ lịch sử cụ thể đã hình thành nên phương pháp kiểm soát giếng hiện đại.

Sự cố nổ tung trong quá trình khoan dầu xảy ra như thế nào: Cơ học

Một vụ nổ giếng dầu là kết quả của sự mất cân bằng áp suất trong giếng - cụ thể là tình huống áp lực lỗ rỗng hình thành vượt quá cả áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch khoan và lớp ngăn thứ cấp được cung cấp bởi ngăn chặn phun trào (BOP).

Trong điều kiện khoan bình thường, cân bằng áp suất giếng khoan hoạt động như sau:

• Áp lực lỗ rỗng hình thành: Áp suất tự nhiên của chất lỏng (dầu, khí, nước) bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng và các vết nứt của đá chứa. Ở các giếng sâu ngoài khơi, áp suất này có thể vượt quá 20.000 PSI ( pound trên inch vuông).
• Áp suất thủy tĩnh của bùn khoan: Trọng lượng của cột dung dịch khoan trong giếng gây áp lực hướng xuống thành hệ, chống lại áp lực lỗ rỗng. Máy khoan điều chỉnh trọng lượng bùn (được đo bằng pound trên gallon, ppg) để duy trì sự mất cân bằng nhẹ - thường là 100–200 PSI trên áp suất hình thành.
• Rào chắn cơ học giếng khoan: Vỏ thép được gắn vào giếng theo từng khoảng thời gian giúp ngăn chặn cấu trúc và lớp BOP trên bề mặt tạo ra rào cản cơ học cuối cùng chống lại dòng chảy không kiểm soát được.

A sự bùng nổ xảy ra khi hệ thống này bị lỗi theo trình tự:

1. Một cú đá xảy ra: Chất lỏng thành hệ đi vào giếng vì trọng lượng bùn không đủ để chứa áp lực lỗ rỗng. Một cú đá chưa phải là một cú sút - đó là dấu hiệu cảnh báo. Máy khoan phát hiện các cú đá bằng cách theo dõi bùn quay trở lại: thể tích hố bùn tăng đột ngột có nghĩa là chất lỏng hình thành đang chảy vào.
2. Cú đá không được phát hiện hoặc luân chuyển không kịp thời: Nếu dòng khí hoặc dầu không được nhận biết nhanh chóng và giếng không được đóng (đóng) bằng BOP, thì chất lỏng hình thành nhẹ hơn sẽ dâng lên trong giếng, làm giảm áp suất thủy tĩnh của cột bùn hơn nữa khi chúng đi lên - tạo ra một chu trình tự tăng cường của việc giảm áp suất và dòng chảy tiếp theo.
3. BOP không thể chứa được giếng: BOP không được kích hoạt, kích hoạt quá muộn hoặc bị lỗi cơ học. Một khi BOP bị hỏng hoặc bị bỏ qua, sẽ không còn rào cản nào giữa áp suất hình thành và bề mặt.
4. Xảy ra hiện tượng: Chất lỏng hình thành đạt đến bề mặt ở áp suất hình thành tối đa, đẩy chất lỏng khoan, thiết bị và bản thân chúng vào khí quyển hoặc, trong các giếng ngoài khơi, vào đại dương.

Tốc độ của chuỗi này có thể đáng báo động. Theo dữ liệu huấn luyện kiểm soát giếng từ Diễn đàn Kiểm soát Giếng Quốc tế (IWCF), một cú đá giếng nước sâu không được phát hiện trong vòng vài phút có thể dẫn đến nổ tung hoàn toàn trong vòng chưa đầy 30 phút.

Nguyên nhân gây ra sự cố nổ giếng dầu?

Vụ nổ giếng dầu là do sự kết hợp của các yếu tố địa chất, cơ học và con người gây ra - và trong phần lớn các vụ nổ lớn được ghi nhận, cuộc điều tra tìm thấy những sai sót ở nhiều cấp độ chứ không phải một nguyên nhân duy nhất. Một phân tích toàn diện về các sự cố phun trào do Ủy ban Kiểm soát Giếng IADC thực hiện đã xác định các yếu tố góp phần chính sau:

Bảng 1: Nguyên nhân chính gây ra vụ nổ giếng dầu và tần suất xảy ra trong các cuộc điều tra sự cố (Nguồn: dữ liệu của Ủy ban Kiểm soát Giếng của Hiệp hội Nhà thầu Khoan Quốc tế)

Thổi bề mặt so với ngầm

Không phải tất cả vụ nổ giếng dầus đạt tới bề mặt. Một vụ nổ ngầm xảy ra khi chất lỏng hồ chứa di chuyển từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp hơn thông qua không gian hình khuyên giữa vỏ và hệ tầng - mà không bao giờ chạm tới đầu giếng. Các vụ phun trào dưới lòng đất có thể khó phát hiện hơn nhưng có thể làm mất ổn định cấu trúc giếng và gây ô nhiễm môi trường dưới bề mặt.

A sự bùng nổ bề mặt - loại được hiểu phổ biến hơn - tạo ra hình ảnh ấn tượng về một mạch nước phun dầu, khí, bùn và mảnh vụn phun ra từ đầu giếng, thường bốc cháy thành ngọn lửa giếng có thể cháy trong nhiều ngày, nhiều tuần hoặc nhiều tháng.

Hậu quả của vụ nổ giếng dầu là gì?

Hậu quả của một xả dầu trải rộng trên bốn lĩnh vực có mối liên hệ với nhau - an toàn con người, thiệt hại về môi trường, tổn thất kinh tế và phản ứng theo quy định - và trong các sự cố lớn, cả bốn lĩnh vực đều nghiêm trọng cùng một lúc.

An toàn con người

Nổ khí là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trong hoạt động khoan. Khi một giếng bị nổ và khí bốc cháy, vụ nổ và cháy có thể xảy ra ngay lập tức và gây tử vong cho nhân viên trong bán kính vụ nổ ngay lập tức. Theo Ủy ban Điều tra Nguy cơ và An toàn Hóa chất Hoa Kỳ (CSB), thảm họa Deepwater Horizon năm 2010 đã giết chết 11 công nhân trong vụ nổ ban đầu - sự kiện vẫn là vụ tai nạn giàn khoan ngoài khơi nguy hiểm nhất trong lịch sử Hoa Kỳ. Ngay cả những vụ nổ không bắt lửa cũng gây ra mối nguy hiểm trước mắt do động năng của các mảnh vụn bị đẩy ra, độc tính của khí hydro sunfua (H2S) và sự sụp đổ cấu trúc của thiết bị khoan.

Tác động môi trường

Vụ nổ dầu gây ra một số sự kiện ô nhiễm môi trường cấp tính lớn nhất trong lịch sử công nghiệp. Vụ phun trào Deepwater Horizon năm 2010 đã đưa ra ước tính 4,9 triệu thùng (khoảng 210 triệu gallon) theo Nhóm Kỹ thuật Tốc độ Dòng chảy Hoa Kỳ, dầu thô vào Vịnh Mexico trước khi giếng bị đóng nắp 87 ngày sau đó. Vụ tràn dầu đã làm ô nhiễm khoảng 1.300 dặm bờ biển Hoa Kỳ, giết chết khoảng 1 triệu con chim biển và hơn 100.000 động vật có vú ở biển, đồng thời gây ra thiệt hại cho hệ sinh thái vẫn được ghi nhận trong hơn một thập kỷ sau đó (Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia, 2020).

Các đợt phun trào trên đất liền tạo ra ô nhiễm đất và nước ngầm tập trung tại khu vực giếng, đồng thời các sản phẩm phụ của vụ cháy dầu - carbon đen, sulfur dioxide và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi - tạo ra tác động đáng kể đến chất lượng không khí ở khu vực xung quanh. Vụ cháy giếng dầu ở Kuwait năm 1991, do cố ý phá hoại trong Chiến tranh vùng Vịnh, đã đưa ra con số ước tính 1,5 tỷ thùng dầu tương đương theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, trong khói và các sản phẩm cháy, tạo ra sự kiện ô nhiễm khí quyển khu vực có thể nhìn thấy được từ hình ảnh vệ tinh.

Hậu quả kinh tế

Chi phí kinh tế của một chính vụ nổ giếng dầu đáng kinh ngạc và nhiều lớp. Chi phí trực tiếp bao gồm đóng nắp giếng và khoan giếng cứu trợ, tổn thất tài sản, xử lý môi trường và giải quyết pháp lý. Chi phí gián tiếp bao gồm tổn thất doanh thu sản xuất, phí bảo hiểm tăng trên toàn ngành và chi phí tuân thủ quy định cho toàn ngành.

Thảm họa Deepwater Horizon cuối cùng đã khiến nhà điều hành nó thiệt hại hơn Tổng nợ phải trả 65 tỷ USD - bao gồm thỏa thuận dàn xếp theo Đạo luật Nước sạch trị giá 20,8 tỷ USD với Bộ Tư pháp Hoa Kỳ vào năm 2015, vụ dàn xếp môi trường lớn nhất trong lịch sử Hoa Kỳ. Bản thân giàn khoan trị giá khoảng 560 triệu USD này đã bị tổn thất toàn bộ. Sản xuất từ ​​vùng Vịnh Mexico rộng lớn hơn đã bị gián đoạn trong nhiều tháng sau khi liên bang áp đặt lệnh cấm khoan.

Cách ngành công nghiệp dầu mỏ ngăn chặn hiện tượng phun trào: Hệ thống kiểm soát giếng

Ngăn ngừa xả hơi trong quá trình khoan hiện đại dựa vào hệ thống rào cản phân lớp - triết lý rằng không một điểm hỏng hóc nào có thể gây ra sự cố nổ nếu tất cả các yếu tố khác của hệ thống hoạt động chính xác.

Thiết bị ngăn ngừa xả hơi (BOP): Rào chắn cơ học chính

The sự bùng nổ preventer là một cụm van áp suất cao lớn được lắp đặt trên đỉnh giếng - trên bề mặt đối với giếng trên đất liền và dưới đáy biển đối với các giếng nước sâu ngoài khơi. Ngăn xếp BOP thường chứa nhiều thành phần hoạt động độc lập:

• Mộtnular preventer: Một bộ phận đóng gói bằng cao su có thể bịt kín xung quanh bất kỳ hình dạng ống nào - hoặc bịt kín hoàn toàn lỗ mở - bằng cách ép thủy lực vào trong. Đây là thiết bị đóng phản ứng đầu tiên, có thể đóng hầu như mọi cấu hình trong giếng.
• Ram ống: Các thanh dầm thép đóng xung quanh dây khoan, bịt kín không gian hình khuyên giữa đường ống và thành giếng. Ram ống được kết hợp với đường kính ống cụ thể đang được sử dụng.
• Ram mù/cắt: Rào chắn cơ học cuối cùng là các lưỡi thép cứng đóng hoàn toàn trên giếng, cắt xuyên qua dây khoan nếu cần thiết và bịt kín giếng. Các máy cắt nước sâu hiện đại phải có khả năng cắt xuyên qua các khớp nối dụng cụ và phần cứng khác, các yêu cầu được tăng cường đáng kể sau cuộc điều tra về Deepwater Horizon.

Các ngăn xếp BOP nước sâu hiện đại có thể nặng hơn 400 tấn và cao hơn 15 mét, chứa tối đa sáu bộ phận đóng riêng lẻ. Chúng được định mức áp suất để phù hợp với áp suất giếng khoan dự đoán tối đa - trong các hoạt động nước sâu ở Vịnh Mexico, BOP thường được đánh giá là 15.000 PSI trở lên (Cục An toàn và Thực thi Môi trường, 2016).

Quản lý trọng lượng bùn: Rào cản chất lỏng chính

Quản lý trọng lượng dung dịch khoan (bùn) thích hợp là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại một vụ nổ - việc ngăn chặn một cú đá sẽ hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn là đóng giếng sau khi một cú đá đã xảy ra.

Các kỹ sư bùn liên tục theo dõi và điều chỉnh mật độ dung dịch khoan, được đo bằng pound trên gallon (ppg). Trọng lượng bùn khoan điển hình dao động từ 8,5 ppg (mốc nước ngọt) đến 18 ppg hoặc cao hơn trong các thành hệ có áp suất cao. Việc duy trì trọng lượng bùn chính xác đòi hỏi phải dự đoán chính xác áp lực lỗ rỗng từ phân tích địa chấn trước khi khoan, dữ liệu giếng bù và đo thời gian thực trong khi khoan (MWD/LWD — Công cụ Đo lường/Ghi nhật ký trong khi Khoan).

Bùn quá nhẹ gây ra cú đá; Bùn quá nặng có thể làm gãy hệ tầng (mất lưu thông) - cũng là một vấn đề nghiêm trọng về kiểm soát giếng có thể gián tiếp dẫn đến phun trào do làm giảm chiều cao hiệu dụng của cột bùn.

Vỏ giếng và xi măng: Rào chắn kết cấu

Các dây vỏ thép được đưa vào giếng theo từng khoảng thời gian và được gắn cố định tại chỗ, tạo ra một loạt các trụ xi măng và thép đồng tâm giúp cách ly giếng khoan với hệ tầng xung quanh và với nhau. Một chương trình vỏ bọc được thiết kế và thực hiện phù hợp sẽ đảm bảo rằng ngay cả khi lớp chắn chất lỏng chính (bùn) bị hỏng, các lớp chắn kết cấu vẫn có khả năng dự phòng. Chất lượng công việc trát xi măng được xác minh bằng nhật ký liên kết xi măng - phép đo âm thanh xác nhận xem xi măng có liên kết hiệu quả với cả vỏ và hệ thống hay không. Liên kết xi măng kém - như đã được phát hiện trong phân tích sau sự cố về giếng Deepwater Horizon của Ủy ban Quốc gia về Vụ tràn dầu BP Deepwater Horizon - tạo ra một đường di chuyển của khí phía sau ống vách mà hoàn toàn bỏ qua BOP.

Vụ nổ dầu trên bờ và ngoài khơi: Sự khác biệt chính

Trong khi cơ chế cơ bản của một xả dầu giống nhau trên đất liền và trên biển, bối cảnh hoạt động, hậu quả và các phương án ứng phó khác nhau đáng kể giữa môi trường trên bờ và ngoài khơi.

Bảng 2: So sánh các vụ nổ giếng dầu trên đất liền và ngoài khơi dựa trên các yếu tố vận hành, môi trường và ứng phó chính

Làm thế nào một vụ nổ giếng dầu được dừng lại?

Dừng một vụ nổ giếng dầu đang hoạt động là một trong những hoạt động ứng phó khẩn cấp đòi hỏi kỹ thuật cao nhất trong thế giới công nghiệp — không có một phương pháp phổ quát duy nhất nào và cách tiếp cận này phụ thuộc vào việc giếng có bị cháy hay không, độ sâu và kiểu phun trào cũng như tình trạng cơ học của giếng.

• Tiêu diệt động (bullheading): Bơm bùn khoan hoặc xi măng nặng xuống giếng với áp suất cao để khắc phục áp lực thành hệ và ngăn chặn dòng chảy. Đây là phương pháp nhanh nhất khi đầu giếng có thể tiếp cận được và thân giếng còn nguyên vẹn. Hiệu quả phụ thuộc vào việc có đủ áp suất bơm để vượt quá áp suất hình thành tại điểm tràn vào.
• Ngăn xếp giới hạn: Một tổ hợp BOP chuyên dụng có thể được lắp đặt trên đầu giếng bị hư hỏng hoặc bị phá hủy để khôi phục việc đóng giếng cơ học. Việc đóng nắp trở nên nổi bật sau phản ứng của Deepwater Horizon — việc đóng nắp được lắp đặt trên giếng đó vào ngày 15 tháng 7 năm 2010 đã làm ngừng dòng chảy sau 87 ngày, mặc dù giếng này không bị đóng cửa vĩnh viễn cho đến khi các giếng cứu trợ được hoàn thành.
• Khoan giếng cứu trợ: Khoan một giếng khoan mới, lệch khỏi vị trí gần đó để giao nhau với giếng thổi ở độ sâu, sau đó bơm chất lỏng trọng lượng vào hệ tầng để cân bằng vĩnh viễn áp suất vỉa. Khoan giếng cứu trợ là phương pháp dứt khoát dành cho những giếng không thể bị phá hủy từ trên xuống - nhưng phải mất hàng tuần đến hàng tháng mới hoàn thành. Các giếng cứu trợ Deepwater Horizon đã được khoan đồng thời, với giao điểm đầu tiên đạt được vào ngày 17 tháng 9 năm 2010, 152 ngày sau khi vụ phun trào bắt đầu.
• Chữa cháy và đốt cháy: Đối với các vụ cháy bùng phát, việc kiểm soát ngọn lửa - thay vì dập tắt ngay lập tức - thường là chiến lược ban đầu được ưu tiên vì giếng đang cháy không làm lan dầu lỏng ra xung quanh. Các đội kiểm soát giếng chuyên nghiệp sử dụng tia nước khối lượng lớn và đôi khi là chất nổ để dập tắt ngọn lửa, sau đó giếng có thể được đậy lại.

Những vụ nổ lớn đã thay đổi các quy định về khoan dầu như thế nào

Mỗi điều quan trọng vụ nổ giếng dầu đã tạo ra sự thay đổi về quy định - thường là những cải cách quá hạn mà ngành này đã chống lại cho đến khi một thảm họa khiến chúng không thể tránh khỏi về mặt chính trị và pháp lý.

Bảng 3: Các sự kiện nổ giếng dầu lớn và tác động pháp lý lâu dài của chúng đối với ngành dầu khí toàn cầu

Các câu hỏi thường gặp về quá trình xả dầu

A nổ tung trong dầu drilling đại diện cho sự hội tụ của các lực địa chất, hệ thống cơ học và việc ra quyết định của con người dưới áp lực - và khi bất kỳ yếu tố nào của hệ thống đó hỏng hóc không đúng lúc, hậu quả sẽ vượt xa chính giếng khoan. Ngành công nghiệp dầu khí hiện đại đã đạt được tiến bộ to lớn trong việc ngăn ngừa nổ tung thông qua công nghệ tốt hơn, đào tạo nghiêm ngặt hơn và quy định chặt chẽ hơn. Nhưng miễn là các giếng được khoan vào các bể chứa áp suất cao thì không thể loại bỏ hoàn toàn khả năng xảy ra vụ phun trào mà chỉ được quản lý, giám sát và giảm thiểu thông qua cảnh giác thường xuyên và các biện pháp phòng vệ theo lớp.

Hiểu những gì một xả dầu là, nó xảy ra như thế nào và chi phí khi nó xảy ra là bao nhiêu là kiến thức cần thiết không chỉ đối với các kỹ sư khoan và chuyên gia kiểm soát giếng mà còn đối với bất kỳ ai đang tìm cách hiểu những rủi ro và trách nhiệm thực sự đi kèm với việc khai thác dầu khí từ lòng đất.