深水鉆井平臺動力定位應急解脫系統探析

游堯，陳彬(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

隨著深水動力定位鉆井平臺逐步應用于深水油氣資源的勘探開發，動力定位鉆井平臺的技術和研究也越來越系統和深入。深水鉆井面臨著復雜的環境工況和各種復雜因素的挑戰，2010年4月墨西哥灣“深水地平線號”鉆井平臺的火災爆炸、傾覆漏油事故仍歷歷在目，動力定位平臺性能可靠性及異常情況下應急解脫仍需持續關注，加強研究。在跟蹤海洋石油981、興旺號(COSL Prospector)在南海實施作業的基礎上，對深水鉆井動力平臺定位應急解脫系統進行了分析研究。

1 建立動力定位作業漂移警戒區

1.1 動力定位基本原理

動力定位系統是一種自動化位置控制系統，采用推進器來提供力量抵抗風、浪、流等作用在船上的環境力，從而使得鉆井平臺能夠保持在海面設定的區域。其定位成本不會隨作業水深增加而變化，并且操作方便。

動力定位系統一般由5個部分組成：位置參考系統、傳感器、動力系統、推進器系統和控制系統，其基本原理是利用計算機系統對采集來的風、浪、流等環境參數進行實時分析，參照系統設定的位置，自動計算，控制各推進器的推力大小，使平臺設施保持艏向和船位的固定[1]。

通過提高動力定位系統的冗余度，可以保證平臺不會因為某些設備失效而發生位置漂移。

1.2 動力定位平臺作業漂移警戒區確定原則

鉆井平臺在各階段的解脫反應時間和漂移距離可根據平臺在常規環境下的漂移速度及漂移過程設備承載、應急解脫反應時間等計算確定[2-3]。

式(1)～(4)中：D為隔水管系統極限長度(m)；C為隔水管系統垂直長度(m)；P為平臺應急解脫線距離設定井位的范圍(m)；TEDS為平臺應急解脫耗時(s)；V為平臺漂移速度(m/s)。

深水鉆井平臺與水下井口系統通過隔水管系統建立連接，深水鉆井平臺的漂移將受隔水管-水下井口系統的受力和變形的限制，影響漂移極限(解脫點，POD)的典型限制參數主要包括隔水管伸縮節—張力器沖程、隔水管撓性接頭轉角、井口頭及導管抗彎能力。適合的井口頭—隔水導管可帶來隔水管—井口系統的解脫點發生更大的偏移。作業前，應做好井口—隔水導管系統強度和抗彎能力校核，確保其能夠滿足在預測最差工況下滿足安全要求。

1.3 動力定位平臺作業漂移分析

動力定位平臺作業漂移分析的目的是建立漂移警戒區，保證隔水管—井口系統在作業過程中所受的載荷不超出設計極限，確保平臺在設備及人員安全的情況下實施隔水管與井口的緊急解脫。

漂移分析的準則是在基于隔水管系統組件的許用載荷和許用應力而計算確定的。隔水管—井口系統的許用載荷是系統所用材料的許用極限乘以安全系數，井口連接器、LMRP連接器、導管連接器等其余組件的許用載荷通常由制造廠商指定。

分析條件：(1)平臺初始位置位于井口正上方；(2)推進器推進能力時效；(3)承受風、浪、流的共同作用。

鉆井平臺漂移軌跡分析主要包括：(1)發生漂移后，鉆井平臺—隔水管系統的、靜態分析；(2)漂移過程中，隔水管系統弱點位置及解脫點分析確定。

漂移過程中，隔水管系統可能發生的失效形式包括[4]：(1)隔水管本體與船體(月池)發生碰撞；(2)隔水管張力器/伸縮節行程超過允許沖程；(3)隔水管撓性接頭轉角超出允許值；(4)井口頭所受載荷超出額定值；(5)隔水導管載荷超出額定值；(6)連接器系統(LMRP連接器、井口連接器、導管連接器)所受彎矩超出允許值。

1.4 漂移警戒區劃分

鉆井作業過程中，通過以井位投影為中心點設定不同漂移范圍警戒圈來為平臺裝置動力定位提供指導：

綠色正常區—正常漂移范圍：平臺在該區域漂移屬于可接受的位置偏移，能夠滿足正常作業需求。

黃色警戒區—警戒漂移范圍：平臺在該區域，保持位置的能力部分失效，可能需要解脫操作，另外該報警也會因井控異常而從鉆臺發出；平臺進入該區域后，若存在不可控的漂移趨勢，應立即按照應急程序或預案采取應急解脫。

紅色警戒區—警戒漂移范圍：平臺在該區域，平臺水下設備隔水管伸縮節、撓性接頭等水下設備接近或達到允許的工作極限，隔水管偏角不能保持正常操作范圍，需要立即執行解脫作業，即為最大允許偏移范圍。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—應急解脫圈：平臺在此處須完成解脫作業，否則將會造成解脫困難或隔水管撓性接頭、伸縮節、張力器和防噴器等設備損壞。

作業井應根據井場調查報告的水深地貌圖，在開鉆前確定應急解脫后平臺撤離路線，以避免出現防噴器碰撞海床事故。

圖1 動力定位鉆井平臺漂移范圍警戒圖

2 應急解脫系統

2.1 興旺號平臺、海洋石油981及West Hercules解脫方式

2.1.1 興旺號平臺解脫方式

興旺號鉆井平臺解脫方式分為計劃性解脫和應急解脫兩種。計劃性解脫，平臺避臺風撤離，或失位但有足夠時間完成井口保護封隔、關井等情況按手動解脫模式執行。但遇情況緊急時，平臺進入編制WSOG的紅色警戒區時，將立即采取EDS一鍵完成解脫。

興旺號應急解脫方式共有以下5種：(1)電動按鈕式控制面板；(2) ROV操作控制解脫；(3)聲納遙控控制解脫；(4) Deadman應急關閉系統，當隔水管串和控制管線意外斷裂時自動剪切封井；(5)中控自動解脫系統ADS(automatic disconnect system)，當平臺漂移達到紅圈時，將自動激活實現剪切封井，解鎖井口連接器。

興旺號平臺EDS模式分為剪切模式和空井模式，其區別在于是否關閉套管超級剪切閘板，盡可能剪斷防噴器中的鉆具。

2.1.2 海洋石油981平臺及West Hercules解脫方式

海洋石油981平臺及West Hercules應急解脫方式相同，共有以下5種：(1)電動按鈕式控制面板；(2) ROV操作控制解脫；(3)聲納遙控控制解脫；(4) Deadman應急關閉系統，當隔水管串和控制管線意外斷裂時自動剪切封井；(5)應急關閉系統(emergency hydraulics backup system, EHBS)，當平臺失去液電信號后，BOP系統可自動關井、解脫LMRP。

海洋石油981的EDS模式細分為3種，EDS1：空井模式；EDS2：剪切模式，該模式下可剪切5-7/8″(149.2 mm)以下鉆桿本體，且具備密封功能；EDS3：套管剪切模式(超級剪切)，該模式下可剪切13-3/8″(330.6 mm)套管及部分鉆桿接頭，不帶密封功能。

2.2 興旺號平臺及海洋石油981應急解脫系統的差異

以海洋石油981、興旺號及West Hercules鉆井平臺所作業的相似水深的井對比，其WSOG數據對比如表1所示。

表1 海洋石油981與興旺號及West Hercules鉆井平臺WSOG數據對比表

3平臺應急解脫系統的差異點如下：

(1)海洋石油981和West Hercules作業水深500～3 000 m，隨著水深增加，平臺失位漂移冗余范圍大；而興旺號平臺作業水深在1 500 m以內，平臺失位漂移冗余范圍小，因此要求EDS反應速度更高，應急解脫時間比海洋石油981更快。但同深度情況下，因興旺號的EDS時間短，解脫速度快，所以擁有更大的紅圈，而West Hercules 反之有最小的紅圈。也就是說，興旺號擁有更有機會采取措施恢復位置。

(2)為爭取到更短的EDS解脫時間，興旺號EDS應急解脫后再關閉鉆桿剪切閘板，實現對井眼密封隔離，而海洋石油981則是先關閉鉆桿剪切閘板，密封隔離井眼，之后再解脫LMRP。相比而言，興旺號未能及時有效封隔井眼，在解脫過程中，存在井筒內油氣溢出的風險，尤其在深水井測試作業過程中。

(3)另外3個平臺都采用NOV的BOP，但海洋石油981和West Hercules采用的是電液控制，而興旺號僅為液控方式，可靠性也不如另外兩個平臺，但成本要下降很多。

2.3 南海東部深水井作業情況分析

海洋石油981、興旺號及West Hercules鉆井平臺三艘平臺在南海東部海域已作業40余口深水井，作業水深為689～2 454 m；通過對南海東部近年來作業情況進行統計，并選取其中5口作業井(如圖2所示)進行分析：(1)在統計的深水井作業過程中，均未出現平臺漂移失控的情況；(2)作業水深在自850～2 500 m左右，隨著水深的增加，允許的漂移距離隨之增加，因此對于深水鉆井平臺，作業水深越深，平臺定位能力的要求越低；反之，作業水深越淺，對平臺定位能力的要求越高。

圖2 南海東部深水井作業水深與漂移距離關系圖

3 結語

鉆井作業時通過在以井位為中心設定多組漂移范圍警戒圈來指導平臺動力定位作業：(1)深水鉆井平臺動力定位失控漂移的潛在風險和危害非常大，對動力定位的基本原理進行全面分析，建立作業過程中漂移范圍警戒圈對平臺動力定位具有重要的指導意義。(2)對比分析海洋石油981，West Hercules和興旺號平臺應急解脫系統，不僅能為深水鉆井平臺的選擇提供重要依據，更能指導和幫助現場管理人員和操作人員順利應對平臺失控漂移等情況，建議結合作業平臺操作手冊，制定詳細的應急解脫操作程序。(3)在選擇深水鉆井平臺時，應將動力定位應急解脫系統作為一項重要的安全考核參數，特別是應急解脫方式的可靠性及冗余度。