深水鉆井裝置淺水區(qū)動(dòng)力定位方式風(fēng)險(xiǎn)研究

姜清兆　張新平　張星星　嚴(yán)　德　張玉山　趙維青（.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水鉆井裝置淺水區(qū)動(dòng)力定位方式風(fēng)險(xiǎn)研究

姜清兆1張新平1張星星2嚴(yán)德2張玉山2趙維青2
（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳518067）

當(dāng)今世界上先進(jìn)的深水鉆完井裝置具有錨泊及動(dòng)力定位2種方式作業(yè)能力，業(yè)內(nèi)推薦做法為水深小于1 500 m都可以使用錨泊方式定位，對(duì)于動(dòng)力定位方式在淺水區(qū)的適應(yīng)性和風(fēng)險(xiǎn)則缺少分析。通過(guò)對(duì)動(dòng)力定位方式的原理及其漂移限制進(jìn)行論述，包括了淺水定位的理論限制以及規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施，提出如何設(shè)定觀察圈范圍及淺水作業(yè)使用動(dòng)力定位方式時(shí)應(yīng)考慮因素、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施，除了環(huán)境及深水鉆井裝置應(yīng)急解脫時(shí)間影響因素外，還將考慮隔水管系統(tǒng)極限、水下井口和結(jié)構(gòu)套管強(qiáng)度、通訊系統(tǒng)、定位傳感器系統(tǒng)等影響因素，應(yīng)對(duì)措施包括井口設(shè)備選擇、隔水管系統(tǒng)分析、人員交流培訓(xùn)和使用者和承包商協(xié)議等，對(duì)淺水區(qū)使用定位方式作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

深水；動(dòng)力定位；風(fēng)險(xiǎn)；觀察圈；應(yīng)急解脫

進(jìn)入21世紀(jì)，各大油公司開(kāi)始進(jìn)入超深水（作業(yè)水深大于1 500 m）區(qū)域，先進(jìn)的第五代、第六代大型深水鉆井裝置逐漸進(jìn)入人們的視野，其超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力可以在遍布全球海域3 000 m甚至3 500 m水深以內(nèi)的任何地方作業(yè)［1-3］。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，業(yè)內(nèi)推薦在水深1 500 m范圍內(nèi)使用錨泊定位方式進(jìn)行作業(yè)，但從機(jī)動(dòng)性方面考慮，先進(jìn)的第五、六代深水鉆井裝置可以高效移動(dòng)至淺水勘探地區(qū)，節(jié)約了遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)間和建井成本，淺水區(qū)作業(yè)者通常也會(huì)選用動(dòng)力定位方式［4］。動(dòng)力定位平臺(tái)在淺水區(qū)作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)者需與鉆井承包商建立淺水區(qū)動(dòng)力定位系統(tǒng)安全操作機(jī)制。

1　動(dòng)力定位基本原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其采用推力器來(lái)提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上，其定位成本不會(huì)隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成包括3個(gè)分系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，基本原理是利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集來(lái)的環(huán)境參數(shù)（風(fēng)、浪、流），根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置，自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的固定。當(dāng)采用動(dòng)力定位的深水鉆井裝置遭遇到強(qiáng)的環(huán)境影響力及動(dòng)力定位3個(gè)系統(tǒng)中某一系統(tǒng)的失效，或者人為原因的操作失誤就會(huì)導(dǎo)致鉆井裝置的漂移，給作業(yè)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

2　深水鉆井動(dòng)力定位裝置漂移極限

深水鉆井動(dòng)力定位裝置發(fā)生漂移由海洋環(huán)境或自身設(shè)備情況引起，出現(xiàn)強(qiáng)大的自然力或平臺(tái)斷電、推進(jìn)器和動(dòng)力定位系統(tǒng)失效時(shí)，平臺(tái)將會(huì)發(fā)生失控漂移。大的漂移范圍將對(duì)鉆井作業(yè)帶來(lái)防噴器組和張力器系統(tǒng)損壞、無(wú)法解脫井口、井口損壞和油井失控等安全風(fēng)險(xiǎn)。鉆井作業(yè)時(shí)通過(guò)在以井位為中心設(shè)定多組漂移范圍警戒圈來(lái)指導(dǎo)平臺(tái)動(dòng)力定位作業(yè)，在安全操作范圍內(nèi)對(duì)淺水、深水井完成相同警戒級(jí)別的反應(yīng)時(shí)間使用的方法是相同的，這種計(jì)算根據(jù)鉆井裝置在普通環(huán)境下的漂移速度及漂移過(guò)程設(shè)備承載、應(yīng)急解脫反應(yīng)時(shí)間等確定鉆井裝置必須安全解脫條件，以此反推各階段的反應(yīng)時(shí)間和相對(duì)各階段漂移距離。

早在1974年，Sedco 445深水鉆井動(dòng)力定位裝置在600 m水深進(jìn)行作業(yè)時(shí)，對(duì)裝置漂移設(shè)定了3個(gè)階段。第1階段邊界設(shè)定裝置漂移范圍為水深的3.0%，黃圈表明動(dòng)力定位已失去部分保持位置的能力，非?？赡苄枰饷摬僮?；第2階段邊界設(shè)定裝置漂移范圍為水深的5.0%，紅圈表明隔水管角度不能保持正常操作范圍，需要立即采取解脫作業(yè)，以避免人員受傷及對(duì)設(shè)備環(huán)境的損壞；第3階段邊界設(shè)定裝置漂移范圍為水深的8.7%，藍(lán)圈表明裝置在此處須完成解脫作業(yè)，如果在此處不能完成解脫作業(yè)，將會(huì)造成隔水管撓性接頭、伸縮節(jié)和張力器等設(shè)備損壞。該以水深為計(jì)算依據(jù)的方法一直延續(xù)到1995年，后來(lái)作業(yè)者開(kāi)始逐漸考慮更多的限制因素。

3　隔水管-水下井口系統(tǒng)的偏移限制

深水鉆井裝置通過(guò)隔水管系統(tǒng)與水下井口連接，隔水管-水下井口系統(tǒng)的受力和變形會(huì)對(duì)深水鉆井裝置的漂移產(chǎn)生限制，在確定漂移極限（斷開(kāi)點(diǎn)，POD）時(shí)，需要隔水管系統(tǒng)的一些參數(shù)，這些參數(shù)可以用于預(yù)測(cè)不同波浪流下的系統(tǒng)響應(yīng)情況。影響漂移極限的典型限制參數(shù)包括隔水管伸縮節(jié)和張力器沖程、隔水管上部和下部撓性接頭轉(zhuǎn)角、井口頭和結(jié)構(gòu)套管抗彎能力。合適的井口和結(jié)構(gòu)套管可以允許隔水管-井口系統(tǒng)的斷開(kāi)點(diǎn)發(fā)生足夠大的偏移。鉆井承包商和服務(wù)商應(yīng)通力合作，確保選擇的井口和結(jié)構(gòu)套管能滿足在設(shè)計(jì)最差工況下的強(qiáng)度和彎矩校核。在設(shè)計(jì)計(jì)算整個(gè)隔水管-水下井口系統(tǒng)時(shí)考慮基礎(chǔ)設(shè)定很重要，例如分析結(jié)構(gòu)套管時(shí)可采用考慮土壤反應(yīng)或底部固定的方法，當(dāng)采用考慮土壤反應(yīng)的方法時(shí)，下部撓性接頭角度會(huì)有明確降低，深水鉆井裝置漂移范圍減小。此外，分析時(shí)采用的是時(shí)間多域法還是準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)結(jié)果的產(chǎn)生也很重要，時(shí)間區(qū)域計(jì)算表明隔水管頂部的非線性響應(yīng)（角度和失效）不能用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法求得。因此，在淺水的動(dòng)力定位鉆井時(shí)解釋清楚以上因素非常重要。

4　淺水環(huán)境下漂移分析

漂移分析包括平臺(tái)漂移范圍和時(shí)間。圖1給出了一個(gè)動(dòng)力定位鉆井裝置原理上的案例：圖1（a）提供了現(xiàn)在的環(huán)境方向和深水鉆井裝置運(yùn)動(dòng)朝向，通過(guò)三軸坐標(biāo)中時(shí)間區(qū)間程序去衡量深水鉆井裝置的偏離量和漂移速率用以計(jì)算其漂移路線。在圖1中，注意到起始點(diǎn)是“上環(huán)境”方，鉆機(jī)將會(huì)在漂移過(guò)程返回到井位正上方。圖1（b）是一個(gè)把圖1（a）用時(shí)間對(duì)比于相對(duì)井位正中心和定點(diǎn)半徑范圍位移的二維表示。隔水管系統(tǒng)的偏斜極限10.8%，偏離量（相對(duì)于井位正中心），和在動(dòng)態(tài)漂移過(guò)程的180 s。減去應(yīng)急解脫反應(yīng)時(shí)間45 s，剩余接觸紅警線的時(shí)間為135 s對(duì)應(yīng)的隔水管系統(tǒng)偏斜為6.8%。由于環(huán)境方向和強(qiáng)度變化，范圍可以被改變以適應(yīng)新的情況和確認(rèn)各層次的反應(yīng)時(shí)間。

表1給出了一個(gè)計(jì)算警示圈和反應(yīng)時(shí)間與環(huán)境的增量對(duì)比的例子，這個(gè)例子說(shuō)明增加風(fēng)速時(shí)，相關(guān)聯(lián)的反應(yīng)時(shí)間的降低。如果要求的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間為60 s，那么當(dāng)風(fēng)速達(dá)到大約當(dāng)前環(huán)境風(fēng)速為35節(jié)時(shí)，不適合繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)盡快做好應(yīng)急解脫準(zhǔn)備工作。作業(yè)區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向變化范圍及年度最大概率性風(fēng)速須作為設(shè)計(jì)考慮依據(jù)。

圖1　深水鉆井動(dòng)力定位裝置漂移分析圖

表1　平臺(tái)漂移反應(yīng)時(shí)間與風(fēng)速的關(guān)系對(duì)比表

5　淺水鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

5.1存在的風(fēng)險(xiǎn)

（1）應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間不夠。相對(duì)于深水井位，水深較淺的井位同樣的下部撓性接頭偏移角度，船位允許偏移量將減少；漂移限制中對(duì)應(yīng)的綠圈、黃圈、紅圈相對(duì)減小，預(yù)解脫和解脫的反應(yīng)及采取相應(yīng)措施可支配的時(shí)間都相應(yīng)減少。如海洋石油981平臺(tái)在白云某水深小于700 m的井位作業(yè)時(shí)，經(jīng)計(jì)算得到的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間為49 s，也就是準(zhǔn)備解脫的時(shí)間只有49 s可支配。這在一些作業(yè)工況下反應(yīng)時(shí)間就不夠，比如下部鉆具過(guò)防噴器期間、下套管期間等。

（2）增加了應(yīng)急解脫的幾率，使得復(fù)雜情況變得不可預(yù)測(cè)，增加了作業(yè)難度，無(wú)形中加大了隊(duì)伍的操作壓力，也是潛在的危險(xiǎn)源。

（3）作業(yè)過(guò)程中也增加了擾性接頭和隔水管磨損的概率。大尺寸井下工具如回收抗磨補(bǔ)心工具、套管頭等通過(guò)防噴器可能損壞防噴器及井下工具。

（4）應(yīng)急解脫屬于極端情況下的操作，可以保護(hù)井口、實(shí)現(xiàn)對(duì)井的控制，但是對(duì)設(shè)備的損壞程度都是無(wú)法預(yù)估的。

5.2應(yīng)對(duì)措施

（1）獲取準(zhǔn)確的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間。深水動(dòng)力定位鉆井裝置在新井位作業(yè)時(shí)，需要模擬不同的作業(yè)工況和海洋環(huán)境條件下的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間 ，并對(duì)比鉆井裝置在鉆進(jìn)、下套管和下防噴器組等作業(yè)工況下所需的應(yīng)急解脫時(shí)間，以確定水深能否滿足深水鉆井裝置的安全作業(yè)要求；（2）設(shè)備選擇及系統(tǒng)測(cè)試。選用合適的結(jié)構(gòu)套管，保證具有足夠的強(qiáng)度和抗彎能力，若套管強(qiáng)度太弱，最大偏移量將會(huì)減少，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)限制性的警戒區(qū)，由于缺乏足夠的時(shí)間拆卸而導(dǎo)致作業(yè)暫停，增加了與天氣相關(guān)的停機(jī)時(shí)間。對(duì)套管和對(duì)井口系統(tǒng)進(jìn)行核查，確保滿足詳細(xì)的隔水管分析。動(dòng)力系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行徹底地檢查。建立一個(gè)差分全球定位系統(tǒng)天線，以確保吊車(chē)工作時(shí)不會(huì)有信號(hào)遮蔽。確保聲學(xué)定位系統(tǒng)的安裝和運(yùn)作期間的精度；（3）建立動(dòng)力定位安全操作規(guī)程。深水動(dòng)力定位鉆井裝置開(kāi)始作業(yè)前，作業(yè)者和裝置使用者之間建立動(dòng)力定位安全操作規(guī)程。動(dòng)力定位安全操作規(guī)程須明確在平臺(tái)漂移范圍到達(dá)限值、失去動(dòng)力、斷電和失去通訊聯(lián)絡(luò)等多種情況下的應(yīng)急操作方案。

6　結(jié)論

深水動(dòng)力定位鉆井裝置由于其良好的機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)能力，在某些特定淺水鉆井項(xiàng)目中也得到了應(yīng)用。為有效克服淺水區(qū)水深對(duì)動(dòng)力定位裝置漂移范圍和時(shí)間的限制，需要對(duì)隔水管-水下井口系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以滿足在最?lèi)毫庸r下水下井口和結(jié)構(gòu)套管的強(qiáng)度和抗彎能力要求。此外，獲取準(zhǔn)確的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間、合適的設(shè)備選擇及鉆前系統(tǒng)測(cè)試和建立動(dòng)力定位安全操作規(guī)程被證明能有效降低深水動(dòng)力定位鉆井裝置在淺水區(qū)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］2H offshore. HYSY981 Drilling riser and conductor analysis report［R］. 2013.

［2］COSL DP Department. HYSY981 Dynamic positioning operation manual 2.0 ［R］. 2012.

［3］AMBROSE Bill, KEENER Chip, FARR Dan. Deepwater dynamically positioned drillships-how shallow can they go? ［C］. OTC15236.

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

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯薛改珍〕

Study on dynamic positioning risks of deepwater drilling device in shallow water area

JIANG Qingzhao1, ZHANG Xinping1, ZHANG Xingxing2, YAN De2, ZHANG Yushan2, ZHAO Weiqing2
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology & Services Co., Shenzhen 518067, China）

The world’s advanced deepwater drilling and completion devices are divided into mooring and dynamic positioning. The industry recommended practice is mooring locating for water depth less than 1 500 m, while the adaptability and risk of dynamic positioning in shallow waters are little studied. This paper describes the principle and drift limitations of dynamic positioning, including the theoretical limitations and the measures to avoid risks. It also suggests on how to set the observation scope and proposes the factors, operational risks and countermeasures to be considered in using dynamic positioning for operations in shallow waters. In addition to the environmental factors and those that affect the emergence release time of deepwater drilling device, the extreme limits of riser system, strength of subsea well head and structural casing, communication system, and positioning sensor system also need to be considered. The countermeasures include well head device selection, riser system analysis, staff communication and training, user and contractor agreement, etc. The research results can provide some guidance on the use of locating method in shallow waters.

deepwater; dynamic positioning; risks; observation scope; emergency release

TE 52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0172 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.044

國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51434009）。

姜清兆，1975年生。 2006年畢業(yè)于石油大學(xué)， 現(xiàn)主要從事海洋鉆完井技術(shù)和管理工作，工程師。電話：0755-26022665。E-mail：jiangqzh@cnooc.com.cn。

引用格式：姜清兆，張新平，張星星，等.深水鉆井裝置淺水區(qū)動(dòng)力定位方式風(fēng)險(xiǎn)研究［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：172-174.