從移位事故談深水鉆井平臺動力定位系統的安全設計

劉 瀟馮 舒

（1.中海石油氣電集團有限責任公司 北京100027；2.中海油研究總院 北京100027）

從移位事故談深水鉆井平臺動力定位系統的安全設計

劉 瀟1馮 舒2

（1.中海石油氣電集團有限責任公司 北京100027；2.中海油研究總院 北京100027）

移位風險是動力定位鉆井平臺作業過程中面臨的主要風險之一，對動力定位平臺移位事故進行系統的統計與分析，是識別風險、提高動力定位系統可靠性的重要手段。文中通過對國際海事承包商協會（IMCA）最新發布的鉆井平臺移位事故進行分析，重點討論了深水鉆井平臺動力定位系統安全設計中應關注的幾個關鍵點。

深水鉆井平臺；移位；動力定位；可靠性

引 言

深水鉆井平臺的最大技術特點之一就是在動力定位模式下進行相關的鉆完井作業。因此，平臺在作業過程中可能面臨由動力定位系統失效而導致的移位風險（如圖1所示）。

在正常作業期間，平臺定位于綠色區域；如果平臺發生移位進入黃色區域，鉆井作業必須停止，同時相關人員準備啟動應急解脫；如果平臺進入紅區，應急解脫被觸發，未能在平臺移位超出紅區前及時解脫立管和防噴器的連接并關閉井口，則可能導致井噴［1］。

圖1 動力定位鉆井平臺作業區域

通過對動力定位平臺移位事故進行系統的統計與分析，是識別風險、提高動力定位系統可靠性的重要手段［2］。本文通過對國際海事承包商協會（IMCA）2009年最新發布的2007年鉆井平臺移位事故案例進行分析［3］，重點討論了深水鉆井平臺動力定位系統安全設計中應關注的幾個關鍵點。

1 鉆井平臺移位事故概況

2007年，22個國際海事承包商協會會員單位共提供67次移位事故報告，發生事故的海域主要集中在北海、墨西哥灣和東南亞三個海域，這三個海域中報告的DP事故數分別占總數的36%、15%和9%。在全部67次移位事故中，有15次事故來自深水鉆井平臺。根據移位事故發生的主因對深水鉆井平臺事故進行分類統計如圖2所示。

圖2 事故原因統計

采用配備高級別動力定位系統的鉆井平臺進行相關的鉆完井作業是國外油公司進行風險管理的重要手段。以挪威國家石油公司為例，公司要求所有在包括挪威、丹麥、德國、荷蘭和英國大陸架在內的西北歐范圍作業的鉆井平臺的動力定位系統級別應為DP Class 3。本文中發生事故的鉆井平臺均為DP2或DP3。總體而言，電力系統、DP控制系統和人員因素是造成鉆井平臺移位事故的最主要原因。在第2節至第6節，對5個典型的事故進行敘述并分別討論了與DP主控室、DP備用控制室、DP控制系統、電力系統及環境條件相關的安全設計內容。

2 DP主控制室

2.1 事故描述

事故發展如圖3所示。某深水鉆井平臺正在動力定位模式下進行鉆井作業，在作業過程中，DP操作員誤觸縱蕩約束按鈕，從而使動力定位系統此后只自動控制橫蕩和艏搖兩個自由度的運動。平臺隨即發生偏移。事故最終導致應急解脫程序被觸發，平臺偏離目標位置135 m。

圖3 事故發展簡圖

2.2 討論與建議

動力定位系統作為一種高度集成、復雜的自動控制系統，其歸根結底仍然需要作業人員對其進行操作、維護和管理。由于動力定位系統設計本身的高冗余度，由單個設備故障引起的移位風險已經從一定程度上得到了有效控制。統計表明：相當比例的移位事故是由于人員的失誤而引起，例如在國際海事組織公布的2007年移位事故統計報告中，有13%來自于人員因素。工業界也越來越傾向于將動力定位系統操作員作為除電力系統、控制系統和推進系統之外的動力定位系統第四大組成部分。

本文涉及的事故是人為因素導致事故的典型例子。隨著各方對安全、可靠、高效運營要求的不斷提高，以及對設備、人為失誤所引發嚴重后果的日益重視，要求在實現動力定位系統功能性要求的同時，應充分開展工作任務分析與控制臺布局分析，最大程度減少人為因素事故。此類事故究其實質也是人因工程設計中應當關注和解決的問題。

3 DP備用控制室

3.1 事故描述

事故發展如圖4所示。某深水鉆井平臺正在動力定位模式下進行鉆井作業，啟用了三套DGPS作為位置參考系統，作業時由于DGPS2離線一次后無法再次被DP控制系統啟用，DP操作員計劃重啟控制器。設置過程中誤將DP控制權轉移至位于主機控制室的DP備用控制臺，由于DP備用控制面板上的推進器選擇按鈕未被及時啟動，造成平臺在一定時間內發生移位。事故最終導致平臺進入黃色警戒區域，偏離目標位置28 m。

圖4 事故發展簡圖

3.2 討論與建議

DP3等級的動力定位系統要求設計中考慮由于火災或水侵導致的艙室失效，因此，除DP主控室之外，設計還要求平臺擁有一套獨立的DP備用控制系統位于備用控制室，以便在主控室不能執行控制的火災情形下仍能對平臺進行定位控制。根據過去相關項目的經驗，很多動力定位控制系統當控制權限從DP主控臺轉換至備用控制臺后，DP操作員必須同時在備用控制臺上及時選擇計劃受控的推進器，否則推進器將不被DP備用控制臺控制。本文所述的事故正是由于沒有及時選擇受控推進器這一原因造成。

鑒于DP備用控制臺在火災情形下的重要作用，其位置設計的不合理也會導致平臺失控時間延長，發生嚴重移位。因此建議DP備用控制臺在設計時，應重點關注其位置的選擇，既能保證DP操作員在緊急情況下迅速從主控室抵達，以縮短平臺達到完全受控狀態的時間，又能使備用控制室對外部環境的工作視線盡可能達到和主控室相近的水平，以滿足安全作業的需要。

4 DP控制系統

4.1 事故描述

事故發展如圖5所示。某深水鉆井平臺正在動力定位模式下進行鉆井作業，DP操作員發出指令試圖順時針旋轉平臺180°，在此期間，當平臺艏向旋轉至與海流垂直方向時，推進器輸出功率開始增加，同時平臺開始移位。事故最終導致平臺進入紅色警戒區域。

圖5 事故發展簡圖

4.2 討論與建議

動力定位控制系統是整個動力定位系統的核心，其根據位置參考系統和環境參考系統的相關信息，計算輸出推進器的控制指令，以達到定位的目的。本文事故的主要原因是動力定位控制系統的相關控制算法不能快速及時地計算出旋轉狀態下平臺所受到的環境載荷，從而使推進器所分配的推力和實際外載荷產生差異。

由于在實際鉆完井作業中，平臺常常需要根據作業需要或者相應的環境條件進行艏向的變換，因此，建議在DP控制系統的設計和相關測試工作中，不僅應關注平臺相對靜止狀態下的定位精度等指標，改變艏向等平臺運動過程中的動力定位穩定性、定位精度，也要作為評判系統性能的重要技術指標，并與平臺作業的海域條件和工作要求等對應起來。

5 電力系統

5.1 事故描述

事故發展如圖6所示。某深水鉆井平臺在動力定位模式下準備進行鉆井作業。此時，平臺發出機艙火災警報，作業人員在現場確認5號發電機組起火。此時，與該發電機相連接的數條高壓電纜接地導致了電力系統的不穩定，從而使所有匯流盤和推進器的斷路器打開。事故最終導致平臺偏離目標位置2 490 m。

圖6 事故發展簡圖

5.2 討論與建議

該事故體現了DP3平臺電力系統設計時應重點關注的兩方面問題：防火分隔和功率管理系統。

事件營銷，在企業界運用廣泛。企業界將事件營銷定義為：企業圍繞一定主體，借助社會熱點、重大活動，或有意識地組織和策劃一定活動和事件，形成一定時間內的傳播效應，從而達到迅速提高企業知名度和美譽度、促進企業商品銷售的策略。從城市營銷的角度來看，事件營銷就是利用具有吸引力的事件，從事件中吸引社會大眾關注及參與，社會大眾從此類事件傳遞的信息積累對城市的印象，從而形成社會大眾認同的具體形象，再通過各種有效的傳播途徑，將城市形象傳播出去的過程。

同第3節中介紹的關于備用DP控制室的概念。由于DP3等級的動力定位系統設計所考慮的單一故障包括失艙故障模式。因此，在設計的過程中，應根據國際海事組織和船級社的要求保證構成冗余的設備或系統的電纜和相關公用管線不應通過同一個艙室。若確實無法避免，這些電纜和管線應在防火等級為A-60的電纜槽或管道中鋪設。上述事故中，如果受影響高壓電纜被有效分隔，一臺主機的火災或者所在艙室的失效都不應導致全船失電。

功率管理系統是保障動力定位鉆井平臺安全作業的又一重要控制系統，作為電力系統的一部分，其最主要的功能就是預防失電。在實際作業的過程中，功率管理系統通過網絡與DP控制系統進行通訊，將發電機組的負載情況等相關信息傳遞給DP系統用于其計算可用的載荷和在必要的情形下進行功率限制。就安全設計而言，應該重點關注功率管理系統在平臺發配電系統發生故障后的響應速度，例如當兩臺發電機組中的一臺發生故障停機后，功率管理系統應迅速反應，避免另一臺發電機應過載而被停機保護，從而造成更嚴重的后果。因此，建議功率管理系統的設計應充分考慮作業過程中發配電系統可能出現的故障模式，并在平臺海上試航期間，加強對于故障模式下功率管理系統性能的測試。

6 環境條件

6.1 事故描述

事故發展如圖7所示。某深水鉆井平臺正在動力定位模式下進行鉆井作業。由于海涌和海流的作用，平臺的艏向發生偏移。推進器輸出功率增加以平衡環境條件的變化直至發出高載荷報警。事故最終使平臺進入黃色警戒區域。

圖7 事故發展簡圖

6.2 討論與建議

近年來，因環境條件突然變化導致的動力定位平臺移位事故屢見不鮮。這類移位事故不僅同DP控制系統的響應時間、事故發生時電力和推力儲備情況密切相關，更關鍵的是平臺動力定位系統控位能力計算所依據的環境條件并不考慮作業區域潛在的特殊環境條件。以南海為例，內波是南海海域特有的環境條件，雖然對于內波的演化及機理學術界尚存爭議，但最新的研究成果表明，內孤立波可能對平臺產生較大的載荷。例如半潛式平臺GVA5800M的水平最大內孤立波載荷可達一年一遇表面波載荷的37.7%［4］。

因此，從動力定位系統安全設計和作業的角度提出三點建議：首先，應進一步對環境條件進行監測，根據平臺對環境的響應進行收集分析，進一步優化控制系統的輸入；第二，在平臺設計和作業期間，考慮為平臺預留足夠的推力和電力儲備，以平衡環境力的增加。第三，類似文中所討論的，在DP控制系統的設計中重點關注系統的響應速度。

7 結 論

（1）鑒于DP2和DP3設計時所要考慮的單點故障包括人為誤操作，因此動力定位系統在設計時應充分開展人因可靠性分析，最大程度減少人為因素事故。

（2）DP3設計所要考慮的單點故障包括單個房間的的火災及水淹，因此需另行設置DP備用控制室。DP備用控制臺在設計時，應重點關注其位置的選擇，既能保證DP操作員能夠在緊急情況下迅速從主控室抵達，又能使備用控制室對外部環境的工作視線盡可能達到和主控室相近的水平。同時，DP3等級的動力定位系統在配置時應確保冗余設備和相關電纜被有效分隔。

（3）建議在DP控制系統的設計和相關測試工作中，不僅應關注平臺相對靜止狀態下的定位精度等指標，改變艏向等平臺運動過程中的動力定位穩定性、定位精度，也要作為評判系統性能的重要技術指標，并與平臺作業的海域條件和工作要求等對應起來。

（4）功率管理系統的設計應充分考慮作業過程中發配電系統可能出現的故障模式，并在平臺海上試航期間，加強對于故障模式下功率管理系統性能的測試。

（5）對特殊環境條件對于動力定位系統的影響進行進一步的分析和研究，并在設計和作業中加以考慮。

［1］ 劉瀟，謝彬.深水動力定位鉆完井作業的風險管理探述［J］. 中國海洋平臺，2012（1）：1-3.

［2］ 張舒蓉.船舶動力定位系統中的測量設備［J］.船舶，2013（4）：49-55.

［3］ International Marine Contractors Association. Dynamic Positioning Station Keeping Incidents-Incidents Reported for 2007［R］. London：IMCA，2009.

［4］ 周濟福.南海特殊環境條件影響評估研究報告［R］.北京：中海石油研究中心，2010：106-107.

Safety design of DP system for deepwater drilling units – lessons learned from position loss accidents

LIU Xiao1FENG Shu2
(1. CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100027, China; 2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Position loss is one of the main risks during the operation of DP drilling units. The systematic statistics and analysis of the position loss accidents of DP drilling units are an important method to identify risk and improve the reliability of DP system. This paper analyzes the accidents published by IMCA, and discusses several key aspects of the safety design of DP system for the deepwater drilling units.

deepwater drilling unit; position loss; DP; reliability

U666.12+4

A

1001-9855（2014）02-0080-05

2013-05-13；

2013-07-17

劉 瀟（1982- ），男，高級工程師，主要從事海洋工程及液化天然氣領域工程管理相關工作。