深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍分析

寇貝貝　劉正禮　姜清兆　田瑞瑞（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍分析

寇貝貝1劉正禮1姜清兆1田瑞瑞2
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳518067）

目前深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍計算需委托國外專業公司分析，且計算過程保密、結果考慮不全面，在分析了南海深水鉆井動力定位平臺作業風險和平臺漂移警戒區劃分的基礎上，基于深水鉆井平臺隔水管系統撓性接頭和伸縮節物理極限、平臺應急解脫程序和作業經驗分析，建立了深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍實用計算方法，該方法可對平臺極限解脫、紅圈、黃圈和綠圈允許漂移范圍進行全面的計算，已在國內外多個深水鉆井平臺數十口深水井得到了成功應用，保證了深水鉆井動力定位平臺的作業安全。

深水鉆井；動力定位；警戒圈；漂移；應急解脫；特定操作規程

深水井面臨惡劣的環境工況和復雜的作業工況，深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍是影響作業安全的關鍵參數，也是平臺特定操作規程（WSOG）中的重要部分，每口井在作業前都必須計算平臺允許漂移范圍，由平臺經理及業主代表共同簽字后生效。目前，對于深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍的確定需委托國外專業公司計算提供［1-4］，國內文獻對深水鉆井平臺動力定位系統和應急解脫方案做了介紹［5-6］。在跟蹤分析南海多個深水鉆井動力定位平臺作業實踐基礎上，如西方大力神（West Hercules）、西方水瓶座（West Aquarius）和HYSY981，分析了南海深水鉆井平臺動力定位作業風險，結合隔水管系統物理作業極限、應急解脫模式和平臺漂移速度模擬試驗數據，推導了允許漂移范圍的計算方法。

1　南海深水鉆井動力定位平臺作業風險

1.1臺風

每年6~10月為南海臺風頻發期。2009年，西方大力神平臺在荔灣作業區因巨爵臺風造成隔水管底部總成擱淺，造成了高達5 000萬美元的經濟損失。2012年，HYSY981平臺前期作業的4口深水井遭遇了6次臺風襲擾，影響作業時間近1個月。深水鉆井動力定位平臺在遭遇臺風時應做到多方收集氣象預報、連續跟蹤臺風預報路徑、嚴格監測、避開臺風危險區，及時解脫并回收隔水管及水下裝置，合理使用發電機及推進系統、避免系統連續滿負荷運轉。

1.2內波流

深水鉆井平臺遭遇內波流時動力定位平臺系統反應時間有一定的延遲，內波流離開時動力定位系統對反應時間有一定的滯后，會造成平臺位置漂移。2012年深水井作業期間最大的一次內波流發生在LW6*井，流速達到2.22 m/h，致使平臺漂移范圍達4.9 m。深水鉆井動力定位平臺作業時應使用各種手段包括內波流監測儀、雷達及視覺等預先發現內波流及其強度，將所有柴油發電機設置在“自動啟動”作為發電機管理的一個設置標準以應付沒有發現的內波流，遭遇內波流時調整平臺艏向正對內波流，并應預先啟動全部推進器和發電機，同時要通知相關各方以采取必要后續行動，根據強度決定是否進入緊急狀態，暫停拖輪靠泊、直升機降落等作業。

1.3颮

氣象學上指風向突然改變，風速急劇增大。颮出現時，氣溫下降，并可能有陣雨，是南海一種常見的劇烈天氣模式，類似小氣旋，如處理不當平臺可能失去船位。深水鉆井動力定位平臺作業遭遇颮時應執行嚴格的瞭望，注意風速儀工作狀況，停止直升機及靠泊等相關作業，調整合適的平臺艏向并啟動全部發電機及推進系統，做好解脫準備。

2　平臺允許漂移范圍

深水鉆井動力定位平臺發生漂移由海洋環境或自身設備情況引起，出現強大的自然力或平臺斷電、推進器和動力定位系統失效時，平臺將會發生失控漂移。深水鉆井作業對平臺定位要求高，如HYSY981平臺在一般天氣狀況下（風速12.86 m/s、流速1.03 m/s）定位能力在2 m范圍內，大的漂移范圍將對鉆井作業帶來防噴器組和張力器系統損壞、無法解脫井口、井口損壞和油井失控等安全風險。

2.1深水鉆井動力定位平臺作業漂移警戒區劃分

如圖1所示，深水鉆井作業時以井位為中心設定多組漂移范圍報警圈，指導平臺動力定位作業。

圖1　深水鉆井動力定位平臺漂移范圍警戒圈

綠圈為正常鉆井作業允許的平臺漂移范圍，綠圈邊界為作業預警線，表明平臺位置可以保持，但系統設備或外界環境存在一定問題，事態的進一步發展可能導致作業狀態的改變，處于預警狀態；黃圈為黃色警戒漂移范圍，表明動力定位已失去部分保持位置的能力，非常可能需要解脫操作，另外這個報警也可能因井控不正常而從鉆臺發出，平臺進入黃色作業警戒區后，如果漂移趨勢存在不可控的情況，需立即按照應急程序或預案采取應急解脫，在達到紅色警戒線前完成應急準備程序。紅圈為紅色警戒漂移范圍，平臺偏離井位中心接近或達到水下設備（隔水管撓性接頭等）允許的工作極限區域，隔水管角度不能保持正常操作范圍，而需要立即采取解脫作業，以避免人員受傷及對設備的損壞。紅色警戒線為平臺啟動應急解脫程序的最大允許漂移范圍。藍色線圈為平臺應急解脫線，即平臺在此處須完成解脫作業，否則將會造成隔水管撓性接頭、伸縮節和張力器等設備損壞。

2.2平臺不同警戒區域允許漂移范圍計算

根據隔水管系統與水下井口解脫時的物理極限計算平臺應急解脫完成時距離設定井位的范圍。

圖2為平臺允許偏移范圍計算示意圖，設井位中心為O，作業處水深為A，防噴器組高度為B，隔水管系統長度C=A–6，隔水管系統伸縮節設定可伸縮長度為d，隔水管系統極限長度為D=C+d，底部撓性接頭轉角為β，平臺應急解脫線距離設定井位范圍為P，平臺從開始解脫至解脫完成的應急解脫漂移距離為F，紅色警戒線距離設定井位范圍為E，黃色警戒線距離設定井位范圍為G，作業預警線距離設定井位范圍為I。計算中長度單位為m，角度單位為°。

圖2　平臺允許偏移范圍計算示意圖

分別根據撓性接頭極限轉角和隔水管系統極限長度求得P1和P2值，為安全考慮，P取兩者中較小者，即可求得平臺應急解脫線距離設定井位范圍

由圖2可知，紅色警戒線距離設定井位范圍可由平臺應急解脫線距離設定井位范圍與平臺從開始解脫至解脫完成的應急解脫漂移距離的差值求得，即E=P–F。

式中，TEDS為平臺應急解脫耗時，s，由平臺提供； V為平臺漂移速度，m/s，由平臺模擬試驗或模擬計算提供。

黃色警戒線距離設定井位范圍可根據撓性接頭轉角為2°求得，或根據作業經驗取為紅色警戒線距離設定井位范圍的60%

綠色警戒線距離設定井位范圍可根據作業經驗取為黃色警戒線距離設定井位范圍的60%

3　實例分析

深水鉆井動力定位平臺不同警戒區域允許漂移范圍計算方法已在West Hercules和HYSY981等平臺數十口深水井作業中得到了成功應用。

LW3*是HYSY981平臺在荔灣3-2區域鉆探的一口預探井，距離香港東南約285 km，水深1 300 m。平臺提供的隔水管系統伸縮節設定可伸縮范圍為4.5 m，底部撓性接頭極限轉角為6°，實施應急解脫程序耗時為46 s。采用文中計算方法得到的結果和國外專業公司提供的結果見表1。

表1　平臺漂移速度模擬試驗數據

對比兩者的計算結果可知，紅色警戒線距離設定井位范圍的計算結果相同，國外公司提供的結果中沒有考慮平臺綠色漂移警戒圈范圍。HYSY981平臺在WSOG中采納了實用計算方法的分析結果。該井實際作業中未發生平臺動力定位報警險情，有效地保證了深水井作業安全。

4　結論及建議

（1）深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍是關系到深水鉆井應急解脫作業的關鍵參數，尤其是我國南海深水海域臺風、內波流和颮頻發，給動力定位平臺帶來了極大的作業風險。文中分析的動力定位平臺允許漂移范圍計算方法可對平臺解脫極限范圍、紅圈、黃圈和綠圈允許漂移范圍進行全面分析計算。

（2）深水鉆井平臺發生失控漂移的潛在風險和安全危害巨大，允許漂移范圍的計算僅僅是深水井特定操作規程中的一環，在對平臺潛在漂移風險分析時需對防噴器-隔水管系統、供電系統、推進器和通訊系統失效進行全面考慮，以確保深水鉆井平臺定位作業的安全。

［1］Stress Engineering Services. Riser analysis for the west hercules semi-submersible in the South China Sea［R］. 2008.

［2］Mcskenny. Seadrill west aquarius chevron Liwan well study report［R］. 2011.

［3］Archer. CNOOC HYSY 981 riser management plan［R］. 2013

［4］2H offshore. HYSY981 drilling riser and conductor analysis report［R］. 2013.

［5］沈雁松，趙立中. 海洋動力定位鉆井平臺失控漂移的安全應急處置對策［J］. 鉆采工藝. 2013，36（1）：118-120.

［6］周俊昌.海洋深水鉆井隔水管系統分析［D］.成都：西南石油大學，2001.

〔編輯薛改珍〕

Analysis on allowable drift ranges of deepwater drilling dynamic positioning platform

KOUBeibei1, LIU Zhengli1, JIANG Qingzhao1, TIAN Ruirui2
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. Engineering Technology Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

Currently the analysis of allowable drift ranges of deepwater drilling dynamic positioning platform is entrusted to foreign professional companies. The calculation process is often poorly confidential and the results not complete. Based on the analysis of operating risks in deepwater drilling dynamic positioning platform in the South China Sea and the zoning of precautionary areas for platform drifting, a practical calculation method of allowable drift range is built by allowing for the physical extreme limits of elastic joint and expansion joint of riser on deepwater drilling platform, the emergency release program, and the operating experience. The method can fully calculate the allowable drift ranges of platform limit release, red circle, yellow circle and green circle. The calculation results have been recognized by platform managers and owners and have been successfully applied in dozens of deepwater wells in many drilling platforms at home and abroad, effectively ensuring the operating safety of deepwater drilling dynamic positioning platform. This record supports the future promotion and application of the method in deepwater drilling practice in China.

deepwater drilling;dynamic positioning; water circles; drift; emergency release; specific operating rules

U661.1

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0036 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.008

國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應用技術研究” （編號：2011ZX05026-001-04）；國家自然科學基金海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究（編號：51434009）資助。

寇貝貝，1983年生。2007年畢業于西南石油大學石油工程學院，現主要從事深水鉆完井現場作業及陸地技術研究工作。深水鉆完井總監。電話：0755-26022421。E-mail：koubb@cnooc.com.cn。

2014-12-29）

引用格式：寇貝貝，劉正禮，姜清兆，等. 深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：36-38.