從移位事故談深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

劉 瀟馮 舒

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)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(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

劉 瀟1馮 舒2

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

移位風(fēng)險(xiǎn)是動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)作業(yè)過程中面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，對(duì)動(dòng)力定位平臺(tái)移位事故進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)與分析，是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、提高動(dòng)力定位系統(tǒng)可靠性的重要手段。文中通過對(duì)國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（IMCA）最新發(fā)布的鉆井平臺(tái)移位事故進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

深水鉆井平臺(tái)；移位；動(dòng)力定位；可靠性

引 言

深水鉆井平臺(tái)的最大技術(shù)特點(diǎn)之一就是在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行相關(guān)的鉆完井作業(yè)。因此，平臺(tái)在作業(yè)過程中可能面臨由動(dòng)力定位系統(tǒng)失效而導(dǎo)致的移位風(fēng)險(xiǎn)（如圖1所示）。

在正常作業(yè)期間，平臺(tái)定位于綠色區(qū)域；如果平臺(tái)發(fā)生移位進(jìn)入黃色區(qū)域，鉆井作業(yè)必須停止，同時(shí)相關(guān)人員準(zhǔn)備啟動(dòng)應(yīng)急解脫；如果平臺(tái)進(jìn)入紅區(qū)，應(yīng)急解脫被觸發(fā)，未能在平臺(tái)移位超出紅區(qū)前及時(shí)解脫立管和防噴器的連接并關(guān)閉井口，則可能導(dǎo)致井噴［1］。

圖1 動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)作業(yè)區(qū)域

通過對(duì)動(dòng)力定位平臺(tái)移位事故進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)與分析，是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、提高動(dòng)力定位系統(tǒng)可靠性的重要手段［2］。本文通過對(duì)國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（IMCA）2009年最新發(fā)布的2007年鉆井平臺(tái)移位事故案例進(jìn)行分析［3］，重點(diǎn)討論了深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1 鉆井平臺(tái)移位事故概況

2007年，22個(gè)國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)會(huì)員單位共提供67次移位事故報(bào)告，發(fā)生事故的海域主要集中在北海、墨西哥灣和東南亞三個(gè)海域，這三個(gè)海域中報(bào)告的DP事故數(shù)分別占總數(shù)的36%、15%和9%。在全部67次移位事故中，有15次事故來(lái)自深水鉆井平臺(tái)。根據(jù)移位事故發(fā)生的主因?qū)ι钏@井平臺(tái)事故進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 事故原因統(tǒng)計(jì)

采用配備高級(jí)別動(dòng)力定位系統(tǒng)的鉆井平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的鉆完井作業(yè)是國(guó)外油公司進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理的重要手段。以挪威國(guó)家石油公司為例，公司要求所有在包括挪威、丹麥、德國(guó)、荷蘭和英國(guó)大陸架在內(nèi)的西北歐范圍作業(yè)的鉆井平臺(tái)的動(dòng)力定位系統(tǒng)級(jí)別應(yīng)為DP Class 3。本文中發(fā)生事故的鉆井平臺(tái)均為DP2或DP3?？傮w而言，電力系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)和人員因素是造成鉆井平臺(tái)移位事故的最主要原因。在第2節(jié)至第6節(jié)，對(duì)5個(gè)典型的事故進(jìn)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(tǒng)、電力系統(tǒng)及環(huán)境條件相關(guān)的安全設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2 DP主控制室

2.1 事故描述

事故發(fā)展如圖3所示。某深水鉆井平臺(tái)正在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行鉆井作業(yè)，在作業(yè)過程中，DP操作員誤觸縱蕩約束按鈕，從而使動(dòng)力定位系統(tǒng)此后只自動(dòng)控制橫蕩和艏搖兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)隨即發(fā)生偏移。事故最終導(dǎo)致應(yīng)急解脫程序被觸發(fā)，平臺(tái)偏離目標(biāo)位置135 m。

圖3 事故發(fā)展簡(jiǎn)圖

2.2 討論與建議

動(dòng)力定位系統(tǒng)作為一種高度集成、復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其歸根結(jié)底仍然需要作業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行操作、維護(hù)和管理。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身的高冗余度，由單個(gè)設(shè)備故障引起的移位風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)從一定程度上得到了有效控制。統(tǒng)計(jì)表明：相當(dāng)比例的移位事故是由于人員的失誤而引起，例如在國(guó)際海事組織公布的2007年移位事故統(tǒng)計(jì)報(bào)告中，有13%來(lái)自于人員因素。工業(yè)界也越來(lái)越傾向于將動(dòng)力定位系統(tǒng)操作員作為除電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)之外的動(dòng)力定位系統(tǒng)第四大組成部分。

本文涉及的事故是人為因素導(dǎo)致事故的典型例子。隨著各方對(duì)安全、可靠、高效運(yùn)營(yíng)要求的不斷提高，以及對(duì)設(shè)備、人為失誤所引發(fā)嚴(yán)重后果的日益重視，要求在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)功能性要求的同時(shí)，應(yīng)充分開展工作任務(wù)分析與控制臺(tái)布局分析，最大程度減少人為因素事故。此類事故究其實(shí)質(zhì)也是人因工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)關(guān)注和解決的問題。

3 DP備用控制室

3.1 事故描述

事故發(fā)展如圖4所示。某深水鉆井平臺(tái)正在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行鉆井作業(yè)，啟用了三套DGPS作為位置參考系統(tǒng)，作業(yè)時(shí)由于DGPS2離線一次后無(wú)法再次被DP控制系統(tǒng)啟用，DP操作員計(jì)劃重啟控制器。設(shè)置過程中誤將DP控制權(quán)轉(zhuǎn)移至位于主機(jī)控制室的DP備用控制臺(tái)，由于DP備用控制面板上的推進(jìn)器選擇按鈕未被及時(shí)啟動(dòng)，造成平臺(tái)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生移位。事故最終導(dǎo)致平臺(tái)進(jìn)入黃色警戒區(qū)域，偏離目標(biāo)位置28 m。

圖4 事故發(fā)展簡(jiǎn)圖

3.2 討論與建議

DP3等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)中考慮由于火災(zāi)或水侵導(dǎo)致的艙室失效，因此，除DP主控室之外，設(shè)計(jì)還要求平臺(tái)擁有一套獨(dú)立的DP備用控制系統(tǒng)位于備用控制室，以便在主控室不能執(zhí)行控制的火災(zāi)情形下仍能對(duì)平臺(tái)進(jìn)行定位控制。根據(jù)過去相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，很多動(dòng)力定位控制系統(tǒng)當(dāng)控制權(quán)限從DP主控臺(tái)轉(zhuǎn)換至備用控制臺(tái)后，DP操作員必須同時(shí)在備用控制臺(tái)上及時(shí)選擇計(jì)劃受控的推進(jìn)器，否則推進(jìn)器將不被DP備用控制臺(tái)控制。本文所述的事故正是由于沒有及時(shí)選擇受控推進(jìn)器這一原因造成。

鑒于DP備用控制臺(tái)在火災(zāi)情形下的重要作用，其位置設(shè)計(jì)的不合理也會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)失控時(shí)間延長(zhǎng)，發(fā)生嚴(yán)重移位。因此建議DP備用控制臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其位置的選擇，既能保證DP操作員在緊急情況下迅速?gòu)闹骺厥业诌_(dá)，以縮短平臺(tái)達(dá)到完全受控狀態(tài)的時(shí)間，又能使備用控制室對(duì)外部環(huán)境的工作視線盡可能達(dá)到和主控室相近的水平，以滿足安全作業(yè)的需要。

4 DP控制系統(tǒng)

4.1 事故描述

事故發(fā)展如圖5所示。某深水鉆井平臺(tái)正在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行鉆井作業(yè)，DP操作員發(fā)出指令試圖順時(shí)針旋轉(zhuǎn)平臺(tái)180°，在此期間，當(dāng)平臺(tái)艏向旋轉(zhuǎn)至與海流垂直方向時(shí)，推進(jìn)器輸出功率開始增加，同時(shí)平臺(tái)開始移位。事故最終導(dǎo)致平臺(tái)進(jìn)入紅色警戒區(qū)域。

圖5 事故發(fā)展簡(jiǎn)圖

4.2 討論與建議

動(dòng)力定位控制系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心，其根據(jù)位置參考系統(tǒng)和環(huán)境參考系統(tǒng)的相關(guān)信息，計(jì)算輸出推進(jìn)器的控制指令，以達(dá)到定位的目的。本文事故的主要原因是動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的相關(guān)控制算法不能快速及時(shí)地計(jì)算出旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下平臺(tái)所受到的環(huán)境載荷，從而使推進(jìn)器所分配的推力和實(shí)際外載荷產(chǎn)生差異。

由于在實(shí)際鉆完井作業(yè)中，平臺(tái)常常需要根據(jù)作業(yè)需要或者相應(yīng)的環(huán)境條件進(jìn)行艏向的變換，因此，建議在DP控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)測(cè)試工作中，不僅應(yīng)關(guān)注平臺(tái)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的定位精度等指標(biāo)，改變艏向等平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力定位穩(wěn)定性、定位精度，也要作為評(píng)判系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，并與平臺(tái)作業(yè)的海域條件和工作要求等對(duì)應(yīng)起來(lái)。

5 電力系統(tǒng)

5.1 事故描述

事故發(fā)展如圖6所示。某深水鉆井平臺(tái)在動(dòng)力定位模式下準(zhǔn)備進(jìn)行鉆井作業(yè)。此時(shí)，平臺(tái)發(fā)出機(jī)艙火災(zāi)警報(bào)，作業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)5號(hào)發(fā)電機(jī)組起火。此時(shí)，與該發(fā)電機(jī)相連接的數(shù)條高壓電纜接地導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而使所有匯流盤和推進(jìn)器的斷路器打開。事故最終導(dǎo)致平臺(tái)偏離目標(biāo)位置2 490 m。

圖6 事故發(fā)展簡(jiǎn)圖

5.2 討論與建議

該事故體現(xiàn)了DP3平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的兩方面問題：防火分隔和功率管理系統(tǒng)。

事件營(yíng)銷，在企業(yè)界運(yùn)用廣泛。企業(yè)界將事件營(yíng)銷定義為：企業(yè)圍繞一定主體，借助社會(huì)熱點(diǎn)、重大活動(dòng)，或有意識(shí)地組織和策劃一定活動(dòng)和事件，形成一定時(shí)間內(nèi)的傳播效應(yīng)，從而達(dá)到迅速提高企業(yè)知名度和美譽(yù)度、促進(jìn)企業(yè)商品銷售的策略。從城市營(yíng)銷的角度來(lái)看，事件營(yíng)銷就是利用具有吸引力的事件，從事件中吸引社會(huì)大眾關(guān)注及參與，社會(huì)大眾從此類事件傳遞的信息積累對(duì)城市的印象，從而形成社會(huì)大眾認(rèn)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(jié)中介紹的關(guān)于備用DP控制室的概念。由于DP3等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)所考慮的單一故障包括失艙故障模式。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)根據(jù)國(guó)際海事組織和船級(jí)社的要求保證構(gòu)成冗余的設(shè)備或系統(tǒng)的電纜和相關(guān)公用管線不應(yīng)通過同一個(gè)艙室。若確實(shí)無(wú)法避免，這些電纜和管線應(yīng)在防火等級(jí)為A-60的電纜槽或管道中鋪設(shè)。上述事故中，如果受影響高壓電纜被有效分隔，一臺(tái)主機(jī)的火災(zāi)或者所在艙室的失效都不應(yīng)導(dǎo)致全船失電。

功率管理系統(tǒng)是保障動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)安全作業(yè)的又一重要控制系統(tǒng)，作為電力系統(tǒng)的一部分，其最主要的功能就是預(yù)防失電。在實(shí)際作業(yè)的過程中，功率管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與DP控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將發(fā)電機(jī)組的負(fù)載情況等相關(guān)信息傳遞給DP系統(tǒng)用于其計(jì)算可用的載荷和在必要的情形下進(jìn)行功率限制。就安全設(shè)計(jì)而言，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注功率管理系統(tǒng)在平臺(tái)發(fā)配電系統(tǒng)發(fā)生故障后的響應(yīng)速度，例如當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組中的一臺(tái)發(fā)生故障停機(jī)后，功率管理系統(tǒng)應(yīng)迅速反應(yīng)，避免另一臺(tái)發(fā)電機(jī)應(yīng)過載而被停機(jī)保護(hù)，從而造成更嚴(yán)重的后果。因此，建議功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮作業(yè)過程中發(fā)配電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障模式，并在平臺(tái)海上試航期間，加強(qiáng)對(duì)于故障模式下功率管理系統(tǒng)性能的測(cè)試。

6 環(huán)境條件

6.1 事故描述

事故發(fā)展如圖7所示。某深水鉆井平臺(tái)正在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行鉆井作業(yè)。由于海涌和海流的作用，平臺(tái)的艏向發(fā)生偏移。推進(jìn)器輸出功率增加以平衡環(huán)境條件的變化直至發(fā)出高載荷報(bào)警。事故最終使平臺(tái)進(jìn)入黃色警戒區(qū)域。

圖7 事故發(fā)展簡(jiǎn)圖

6.2 討論與建議

近年來(lái)，因環(huán)境條件突然變化導(dǎo)致的動(dòng)力定位平臺(tái)移位事故屢見不鮮。這類移位事故不僅同DP控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、事故發(fā)生時(shí)電力和推力儲(chǔ)備情況密切相關(guān)，更關(guān)鍵的是平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)控位能力計(jì)算所依據(jù)的環(huán)境條件并不考慮作業(yè)區(qū)域潛在的特殊環(huán)境條件。以南海為例，內(nèi)波是南海海域特有的環(huán)境條件，雖然對(duì)于內(nèi)波的演化及機(jī)理學(xué)術(shù)界尚存爭(zhēng)議，但最新的研究成果表明，內(nèi)孤立波可能對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生較大的載荷。例如半潛式平臺(tái)GVA5800M的水平最大內(nèi)孤立波載荷可達(dá)一年一遇表面波載荷的37.7%［4］。

因此，從動(dòng)力定位系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)和作業(yè)的角度提出三點(diǎn)建議：首先，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)平臺(tái)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)進(jìn)行收集分析，進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的輸入；第二，在平臺(tái)設(shè)計(jì)和作業(yè)期間，考慮為平臺(tái)預(yù)留足夠的推力和電力儲(chǔ)備，以平衡環(huán)境力的增加。第三，類似文中所討論的，在DP控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

7 結(jié) 論

（1）鑒于DP2和DP3設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的單點(diǎn)故障包括人為誤操作，因此動(dòng)力定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)所要考慮的單點(diǎn)故障包括單個(gè)房間的的火災(zāi)及水淹，因此需另行設(shè)置DP備用控制室。DP備用控制臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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?gòu)闹骺厥业诌_(dá)，又能使備用控制室對(duì)外部環(huán)境的工作視線盡可能達(dá)到和主控室相近的水平。同時(shí)，DP3等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)在配置時(shí)應(yīng)確保冗余設(shè)備和相關(guān)電纜被有效分隔。

（3）建議在DP控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)測(cè)試工作中，不僅應(yīng)關(guān)注平臺(tái)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的定位精度等指標(biāo)，改變艏向等平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力定位穩(wěn)定性、定位精度，也要作為評(píng)判系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，并與平臺(tái)作業(yè)的海域條件和工作要求等對(duì)應(yīng)起來(lái)。

（4）功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮作業(yè)過程中發(fā)配電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障模式，并在平臺(tái)海上試航期間，加強(qiáng)對(duì)于故障模式下功率管理系統(tǒng)性能的測(cè)試。

（5）對(duì)特殊環(huán)境條件對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的影響進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，并在設(shè)計(jì)和作業(yè)中加以考慮。

［1］ 劉瀟，謝彬.深水動(dòng)力定位鉆完井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理探述［J］. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2012（1）：1-3.

［2］ 張舒蓉.船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的測(cè)量設(shè)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(jì)福.南海特殊環(huán)境條件影響評(píng)估研究報(bào)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(jí)工程師，主要從事海洋工程及液化天然氣領(lǐng)域工程管理相關(guān)工作。