深水半潛式平臺錨泊系統風險分析流程研究

劉少杰，陳國明，劉正禮，徐文靜，張 浩（.中國石油大學（華東） 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 66580；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 440300）

深水半潛式平臺錨泊系統風險分析流程研究

劉少杰1，陳國明1，劉正禮2，徐文靜1，張 浩1
（1.中國石油大學（華東） 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 440300）

為保證深水鉆井作業過程中錨泊系統的安全性，降低事故發生率，提高事故應急處置能力，基于故障樹、工作安全分析等風險分析方法，并結合錨泊系統自身特性，設計深水半潛式平臺錨泊系統風險分析流程。依據鉆井作業周期順序，從拋錨、鉆井作業及起錨階段設計錨泊系統作業風險分析流程。搜集統計錨泊系統常見事故類型，設計走錨風險分析流程，建立走錨事故應急程序。結果表明：所設計的錨泊系統風險分析流程能夠彌補現有錨泊系統風險分析的不足，為開展錨泊系統全生命周期內的風險分析提供理論指導，為其它錨泊系統風險相關研究提供參考。

深水半潛式平臺；錨泊系統；風險分析流程；走錨；應急程序

錨泊定位系統在為深水半潛式鉆井平臺提供固定與抗擊風浪等方面發揮著重要作用。2003年臺風Fay造成第五代半潛式平臺“Deepwater Nautilus”全部錨鏈損壞，平臺相比風暴前的位置向東北方向漂移120 km；2010年12月1日，“Transocean Winner”平臺在水深78m的Norald水域工作時，一段錨鏈在距離導纜孔175m處發生了斷裂[1]。因此，設計鉆井生命周期內錨泊系統的風險分析流程對于提高深水半潛式鉆井平臺錨泊系統安全性具有一定參考價值。

國外研究機構已經針對錨泊系統風險分析發布指導性文件[2-5]，提出分析過程需考慮的風險因素及適用的風險分析方法。學者研究主要集中在概率風險分析和動力耦合分析領域，Mentes A[6]等利用模糊故障樹和靈敏度分析對錨泊系統進行概率風險分析；Chaudhury G等[7]對平臺、立管和錨鏈進行動力耦合分析；國內學者王佳穎、王溢俊等[8-9]針對錨鏈疲勞分析及錨鏈布置方案設計方面展開相關研究。

上述研究主要從概率、疲勞及動力耦合等方面對錨泊系統進行力學分析，沒有對錨泊系統全生命周期內的風險因素進行研究。針對現有研究的不足，筆者結合相關風險分析方法和鉆井作業過程中錨泊系統所處環境，設計拋錨、鉆井作業和起錨階段錨泊系統風險分析流程，實現對錨泊系統全生命周期內的風險分析，以期為深水鉆井過程中錨泊系統風險控制及應急預防措施提供理論依據。

1 錨泊系統風險分析資料搜集

資料搜集是錨泊系統風險分析的第一步，搜集內容主要包括現場氣象資料、平臺操船手冊、事故統計資料、井位附近海域資料、錨鏈設計參數及其他數據。除上述初始數據外，資料搜集還應伴隨鉆井的整個生命周期，跟蹤記錄每根錨鏈的實時數據，包括檢測數據、維修數據、疲勞損傷數據和其他數據等；跟蹤記錄可能影響到井位的臺風、內波等。具體資料種類參見表1。

拋錨作業是平臺作業的基礎，錨泊系統可以提供井口的準確定位及穩固的錨泊性能，保障作業順利進行。根據影響拋錨作業安全的主要風險因素，對拋錨階段的風險分析主要包括：井別分析、錨地位置分析、水文條件分析、季風分析、錨泊系統設計參數分析及作業流程分析。通過對拋錨作業的風險分析，能夠掌握錨地的環境條件，規范拋錨作業流程，把握風險預測和緊急事件決策的主動權，從而降低事故風險。

鉆井作業階段是整個鉆井生命周期中持續時間最長的階段，根據鉆井階段可能存在的風險，主要從井別分析、環境分析、設備分析、相鄰井位分析及井噴分析5個方面對鉆井階段錨泊系統進行風險分析。對鉆井階段進行風險分析，能夠對平臺鉆井時遭遇臺風、內波等惡劣環境或發生走錨、井噴等事故的應急起到一定的指導作用，并提出針對性的應急措施，有效降低風險。

起錨作業分析與拋錨作業類似。錨泊系統風險分析流程圖如圖1所示。分析流程覆蓋錨泊系統整個作業生命周期，將其與工程實際相結合可全面分析錨泊系統整個作業過程中存在的風險因素并提出控制措施，對于保障錨泊系統安全作業具有一定積極作用。

表1 錨泊系統風險分析資料種類

圖1 錨泊系統風險分析流程

2 拋錨作業階段風險分析流程

2.1 井別分析

油氣井主要分為探井和開發井兩大類，二者開發過程中所面臨的風險是不同的。探井要探明油氣田范圍內的地質結構，在鉆進過程中可能會遭遇淺水流或淺層氣，引起上覆土層的承載能力分布不均勻，導致錨爪的不均勻下沉從而減小或完全失去錨抓力。因此在制定拋錨作業計劃時要充分考慮淺層氣和淺水流的潛在風險，并制定相應的應急方案。對不同井位進行風險分析時需考慮的具體風險因素如圖2所示。

圖2 不同井位因素分析

2.2 錨地位置條件

錨地位置的主要影響因素包括相鄰井干擾、海底管道、電纜及海底地質地貌。

（1）在選擇井位時，如果相鄰井的距離過近，則會造成兩井之間的海流發生擾動，影響平臺和錨鏈的穩定性，鉆井作業無法正常進行；相鄰井距離太近還可能導致錨鏈之間發生接觸、碰撞或纏繞，增加錨鏈損壞風險。

（2）如果在平臺作業區內有海底管道或電纜穿過，則拋錨作業可能對海底管道和海底電纜產生撞擊，從而導致錨爪損害，錨抓力減小；管道破壞，油氣泄漏；電纜破壞，通訊中斷等后果。

（3）錨抓地后的抓力與錨地地質有密切關系。錨地地質多為砂、泥和粘土，因其混合比例不同可分別按沙質(粘土含量在20%以下)、粘土質(粘土含量在40%以上)和中間土質(粘土含量在20%～40%之間)處理，在拋錨作業之前應對當地海域地質進行詳細探測，針對探測結果選擇合適的拋錨區域及適當型號的錨爪。

2.3 環境條件

2.3.1 水文分析 影響拋錨作業的水文條件主要是海流、海浪及內波。拋錨作業前應搜集當地海域不同季風期海流流向及密度躍層的活躍期資料。密度躍層是形成內波的必備條件之一，在拋錨作業時遭遇內波則可能導致實際拋錨位置偏離預先設定的錨泊位置。

2.3.2 季風分析 工作船將錨爪運送至錨地之后，利用吊機將錨爪吊起從而進行拋錨操作。在此過程中如果受到季風影響，則可能導致工作船失穩或實際拋錨位置偏離預定錨地。作業前應結合氣象資料統計預測作業時段內的季風風速及風向，選擇恰當的作業時機。此外，季風也可能導致海浪等，影響作業穩定性。

2.4 錨泊系統設計參數分析

拋錨作業前針對錨地地質、水深、氣象環境的調查結果，準確設計錨泊系統的布錨角度、水平跨度、錨抓力、張力傾角、錨泊系統附屬結構、預張力、錨鏈組分及各組分錨鏈長度等參數，保證平臺后續鉆井作業過程安全有效進行。

2.5 作業流程分析

作業流程分析包括與拋錨作業相關的關鍵流程，各個過程需要考慮的風險因素參見表2。

表2 拋錨作業流程風險分析因素

在對拋錨階段進行具體風險分析的過程中，可結合上述流程，利用事故樹、蝴蝶結(Bow-Tie)及魚骨圖等風險分析方法對井別、錨地位置、水文條件和季風進行分析，找出事故風險因素并提出應對措施；利用AQWA等計算軟件輔助錨泊系統設計參數分析，為定量風險分析提供基礎數據；利用危險與可操作性(HAZOP)和工作安全分析(JSA)方法對作業流程進行分析，針對各個作業步驟的風險因素提出控制措施。

3 鉆井作業階段風險分析流程

3.1 井別分析

勘探井鉆探過程對于地層下情況不夠了解，因此在鉆井過程中可能會遭遇淺層氣等問題。一旦鉆遇淺層氣，可斷開背風向兩條錨鏈，使平臺在其余錨鏈的作用下向上風向漂移。

3.2 環境分析

3.2.1 臺風分析 臺風引起的巨浪會沖擊錨鏈，增加錨鏈載荷，同時使平臺產生橫搖、縱搖和垂蕩等不利于安全的運動，最終導致錨鏈斷裂、走錨等事故，引發平臺的漂移。如果不采取應急措施，則可能導致井噴事故，甚至造成平臺傾覆。

3.2.2 內波分析 內波的形成是由于海水密度不同導致的，具有產生時間不定、持續時間短、破壞力大等特點[10]。內波能夠導致錨纜斷裂、平臺移位、井噴、隔水管觸底等事故。

3.3 設備分析

設備方面主要考慮的風險因素包括：錨鏈的腐蝕、磨損、裂紋、疲勞、變形、外力破壞、鏈環橫檔松動、脫落及斷裂；錨爪的腐蝕、磨損、裂紋、疲勞、外力破壞以及斷裂；錨機剎車裝置摩擦塊脫落；錨機棄錨器不能完全打開、棄錨器脫落；錨機電機不能啟動、過熱、外殼帶電；錨機控制箱線纜接頭不良、線纜斷開。

3.4 井噴分析

井噴發生后要立即關閉防噴器，斷開井口，使隔水管處于自存狀態。根據井噴的等級和現場的可控程度，判斷是否需要釋放背風處錨鏈，使平臺在迎風處錨鏈的作用下偏移井口。平臺背風向錨鏈的快速釋放會產生較大搖晃，同時錨鏈的快速釋放容易造成飛錨，使錨鏈斷裂沉入海底。因此在釋放錨鏈時應控制釋放速度，盡量減輕錨鏈釋放造成的平臺搖晃。

3.5 相鄰井位分析

在鉆井作業開始之前，可調查附近海域是否已經存在其他正在鉆進或已經完成的井位，根據鄰近井鉆井過程中遇到的事故或者考察得到的附近海域資料，為鉆井作業提供參考。

由于鉆井作業階段對錨泊系統進行的操作較少，因此結合上述流程，利用安全檢查表法進行分析，保證錨泊系統安全可靠運行；利用故障類型與影響分析(FMEA)法，提出錨泊系統設備故障的控制措施。

4 起錨作業階段風險分析流程

4.1 錨地位置分析

起錨作業階段錨地位置條件的風險影響因素主要包括：海底管道、電纜和海底地質地貌。

（1）如果平臺作業區內有海底管道或電纜穿過，起錨時可能與海底管道和電纜發生撞擊事故，造成管道和電纜的破壞。由于錨爪勾住管道或電纜，工作船超出負荷無法起錨，如果長時間強行起錨可能損毀馬達，或由于超出錨鏈負荷，造成錨鏈的斷裂。

（2）起錨的難易與底質密切相關，錨地的底質多為砂、泥和粘土，在底質中長時間拋錨，受到水流的影響，錨爪可能掩埋較深，錨鏈受力增加，導致起錨失敗。

4.2 環境條件分析

此方面與拋錨階段一致，不再贅述。

4.3 錨泊設備分析

起錨作業階段設備方面風險因素主要考慮錨機和工作船。錨機方面可參見2.2節“鉆井作業階段設備分析”。三用工作船的深水起錨能力、船舶操縱性及收鏈裝置等因素不符合要求均可能導致起錨作業不能正常進行，因此須確保所選擇的三用工作船具備合適的深水起錨能力、良好的船舶操縱性及可靠的收鏈裝置。

4.4 作業流程分析

作業流程分析包括與起錨作業相關的關鍵流程，各個過程需要考慮的風險因素參見表3。

表3 起錨作業流程風險分析因素表

對起錨階段進行具體風險分析過程中所采用的風險分析方法與拋錨階段一致，不再贅述。

5 走錨風險分析流程

通過對調研到的43起國內外浮式結構錨泊系統事故進行統計分析[11]，可得到如圖3所示的錨泊系統事故統計。從圖中可以看出，錨泊系統可能發生的主要事故類型有錨鏈斷裂、走錨、碰撞和傾翻4種，其中錨鏈斷裂事故22起，走錨事故9起，碰撞事故8起，傾翻事故4起。錨鏈斷裂事故多數是由于臺風等惡劣天氣導致的。碰撞和傾翻事故多數是由于走錨和錨鏈斷裂事故發生后沒有采取合理的控制措施或事故發生地點環境過于復雜 (例如距離錨泊位置較近處存在其他船只或橋梁等)造成的。因此，本文針對走錨和臺風設計錨泊系統事故風險分析流程。

圖3 錨泊系統事故統計

圖4 走錨風險分析流程

海洋鉆井平臺發生走錨可能導致平臺嚴重偏移、平臺與工作船發生碰撞、鉆桿與隔水管發生破壞甚至斷裂，嚴重時導致平臺全損。為提高錨泊系統的安全性，本文設計出走錨事故風險分析流程：(1)制定風險分析計劃，確定分析流程和風險可接受準則；(2)根據分析計劃劃分作業節點，并對各作業節點進行危險因素辨識；(3)建立走錨模型，利用走錨計算軟件，確定正常工況和極限工況下是否發生走錨；(4)根據辨識出的危險因素建立風險演化拓撲結構模型，對走錨進行風險演化分析，得到關鍵風險因素；(5)根據關鍵風險因素，制定針對性的安全預防措施；(6)制定應急預案，并根據應急預案進行應急演練，將演練中發現的不合理安全措施以及應急預案的不足進行反饋，完善安全措施和應急預案。分析流程圖如圖4所示。

為有效應對走錨事故可能帶來的風險，提高事故應急能力，筆者設計深水半潛式平臺走錨事故應急程序：(1)通過比較平臺漂移量與臨界漂移量判斷走錨嚴重性，根據不同嚴重程度采取不同應對措施；(2)回收錨鏈，通過檢測錨鏈張力是否可以達到最大值判斷能否繼續進行作業；(3)計算錨泊系統水動力特性，判斷能否繼續作業。具體流程如圖5所示。

圖5 走錨事故應急程序

6 結論

(1)在調研國內外錨泊系統風險分析相關指導性文件的基礎上，從現場氣象資料、平臺操船手冊、事故統計資料、井位附近海域資料、錨地資料、錨鏈設計參數及其他數據6個方面論述了錨泊系統風險分析所需資料，為錨泊系統風險分析提供資料支撐。

(2)按照錨泊系統作業生命周期，包括拋錨階段、鉆井作業階段和起錨階段，設計錨泊系統作業風險分析流程，為工程實際應用中錨泊系統風險分析提供參考。

(3)調研統計錨泊系統常見事故類型，選取走錨及臺風事故，設計錨泊系統事故風險分析流程并制定走錨事故應急程序，能夠更加有效地指導現場作業風險分析，提高事故預防及應急能力。

[1]劉正禮，羅俊豐，鄭純亮，等.深水油氣勘探開發錨泊事故研究及對策分析[J].石油機械，2015，43(11)：77-81.

[2]VeritasDN.Offshore Standard DNV-OS-E301：Position Mooring[S].2008.

[3]VeritasDN.Offshore Standard DNV-OS-E302：OffshoreMooringChain[S].2009.

[4]VeritasDN.Offshore Standard DNV-OS-E303：OffshoreMooring FibreRopes[S].2010.

[5]VeritasDN.Offshore Standard DNV-OS-E304：OffshoreMooring SteelWireRopes[S].2009.

[6]Mentes A，Helvacioglu IH.An Application of Fuzzy Fault Tree Analysis for Spread Mooring Systems[J].Ocean Engineering，2011，38 (2-3)：285-294.

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[9]王溢俊，王磊，蔣圳佯，等.深水半潛平臺錨泊輔助動力定位系統錨鏈布置方式影響分析[J].實驗室研究與探索，2014，33 (05)：5-8.

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[11]Vinnem J.Offshore Risk Assessment：Principles，Modelling and Applications of QRA Studies[M].Springer Science&Business Media，2013.

Process Design of Risk Analysis for the Mooring System of Deepwater Semi-Submersible Platform

LIU Shao-jie1,CHEN Guo-ming1,LIU Zheng-li2,XUWen-jing1,ZHANG Hao1
1.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,Shandong Province,China; 2.Shenzhen Branch of the CNOOC Ltd.,Shenzhen 440300,Guangdong Province,China

In order to secure the safety ofmooring system in deepwater drilling operations,reduce the probability of accidents and improve the capability of emergency disposal,this paper,based on fault tree,job safety analysis and mooring system characteristics,designs the risk analysis process for themooring system of deepwater semisubmersible platform.According to the drilling cycle order,the operational risk analysis process of mooring system is designed from the stages of anchor drop,drilling and anchor weighing.Based on the survey and statistics of common mooring systems,the risk analysis on dragging accidents is conducted,so as to establish an emergency procedure for dragging anchor accidents.The results show that the designed risk analysis process for mooring system can solve the problem of inadequate existing risk analysis and can provide a theoretical guidance for the risk analysis on mooring system full-life cycle as well as a reference for other related risk research on mooring systems.

deepwater semi-submersible platform;mooring system;risk analysis process;dragging;emergency procedure

TE58

A

1003-2029（2017）01-0114-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.021

2016-08-20

中海石油深海開發有限公司項目資助“深水半潛式平臺錨泊系統安全評估與作業管理研究”

劉少杰（1993-），男，碩士，主要從事海洋油氣安全技術研究。E-mail：upc_lsj@sina.com

陳國明，教授，博士生導師，主要從事海洋油氣工程及裝備、海洋安全工程研究。E-mail：offshore@126.com