深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)風(fēng)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(xué)（華東） 海洋油氣裝備與安全技術(shù)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(tǒng)風(fēng)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(xué)（華東） 海洋油氣裝備與安全技術(shù)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(yè)過程中錨泊系統(tǒng)的安全性，降低事故發(fā)生率，提高事故應(yīng)急處置能力，基于故障樹、工作安全分析等風(fēng)險分析方法，并結(jié)合錨泊系統(tǒng)自身特性，設(shè)計深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析流程。依據(jù)鉆井作業(yè)周期順序，從拋錨、鉆井作業(yè)及起錨階段設(shè)計錨泊系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險分析流程。搜集統(tǒng)計錨泊系統(tǒng)常見事故類型，設(shè)計走錨風(fēng)險分析流程，建立走錨事故應(yīng)急程序。結(jié)果表明：所設(shè)計的錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析流程能夠彌補現(xiàn)有錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析的不足，為開展錨泊系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的風(fēng)險分析提供理論指導(dǎo)，為其它錨泊系統(tǒng)風(fēng)險相關(guān)研究提供參考。

深水半潛式平臺；錨泊系統(tǒng)；風(fēng)險分析流程；走錨；應(yīng)急程序

錨泊定位系統(tǒng)在為深水半潛式鉆井平臺提供固定與抗擊風(fēng)浪等方面發(fā)揮著重要作用。2003年臺風(fēng)Fay造成第五代半潛式平臺“Deepwater Nautilus”全部錨鏈損壞，平臺相比風(fēng)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(dǎo)纜孔175m處發(fā)生了斷裂[1]。因此，設(shè)計鉆井生命周期內(nèi)錨泊系統(tǒng)的風(fēng)險分析流程對于提高深水半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)安全性具有一定參考價值。

國外研究機構(gòu)已經(jīng)針對錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析發(fā)布指導(dǎo)性文件[2-5]，提出分析過程需考慮的風(fēng)險因素及適用的風(fēng)險分析方法。學(xué)者研究主要集中在概率風(fēng)險分析和動力耦合分析領(lǐng)域，Mentes A[6]等利用模糊故障樹和靈敏度分析對錨泊系統(tǒng)進(jìn)行概率風(fēng)險分析；Chaudhury G等[7]對平臺、立管和錨鏈進(jìn)行動力耦合分析；國內(nèi)學(xué)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(shè)計方面展開相關(guān)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(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，沒有對錨泊系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的風(fēng)險因素進(jìn)行研究。針對現(xiàn)有研究的不足，筆者結(jié)合相關(guān)風(fēng)險分析方法和鉆井作業(yè)過程中錨泊系統(tǒng)所處環(huán)境，設(shè)計拋錨、鉆井作業(yè)和起錨階段錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析流程，實現(xiàn)對錨泊系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的風(fēng)險分析，以期為深水鉆井過程中錨泊系統(tǒng)風(fēng)險控制及應(yīng)急預(yù)防措施提供理論依據(jù)。

1 錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析資料搜集

資料搜集是錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析的第一步，搜集內(nèi)容主要包括現(xiàn)場氣象資料、平臺操船手冊、事故統(tǒng)計資料、井位附近海域資料、錨鏈設(shè)計參數(shù)及其他數(shù)據(jù)。除上述初始數(shù)據(jù)外，資料搜集還應(yīng)伴隨鉆井的整個生命周期，跟蹤記錄每根錨鏈的實時數(shù)據(jù)，包括檢測數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、疲勞損傷數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)等；跟蹤記錄可能影響到井位的臺風(fēng)、內(nèi)波等。具體資料種類參見表1。

拋錨作業(yè)是平臺作業(yè)的基礎(chǔ)，錨泊系統(tǒng)可以提供井口的準(zhǔn)確定位及穩(wěn)固的錨泊性能，保障作業(yè)順利進(jìn)行。根據(jù)影響拋錨作業(yè)安全的主要風(fēng)險因素，對拋錨階段的風(fēng)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(fēng)分析、錨泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)分析及作業(yè)流程分析。通過對拋錨作業(yè)的風(fēng)險分析，能夠掌握錨地的環(huán)境條件，規(guī)范拋錨作業(yè)流程，把握風(fēng)險預(yù)測和緊急事件決策的主動權(quán)，從而降低事故風(fēng)險。

鉆井作業(yè)階段是整個鉆井生命周期中持續(xù)時間最長的階段，根據(jù)鉆井階段可能存在的風(fēng)險，主要從井別分析、環(huán)境分析、設(shè)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(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險分析。對鉆井階段進(jìn)行風(fēng)險分析，能夠?qū)ζ脚_鉆井時遭遇臺風(fēng)、內(nèi)波等惡劣環(huán)境或發(fā)生走錨、井噴等事故的應(yīng)急起到一定的指導(dǎo)作用，并提出針對性的應(yīng)急措施，有效降低風(fēng)險。

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

表1 錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析資料種類

圖1 錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析流程

2 拋錨作業(yè)階段風(fēng)險分析流程

2.1 井別分析

油氣井主要分為探井和開發(fā)井兩大類，二者開發(fā)過程中所面臨的風(fēng)險是不同的。探井要探明油氣田范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在鉆進(jìn)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(dǎo)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(yè)計劃時要充分考慮淺層氣和淺水流的潛在風(fēng)險，并制定相應(yīng)的應(yīng)急方案。對不同井位進(jìn)行風(fēng)險分析時需考慮的具體風(fēng)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(zhì)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(fā)生擾動，影響平臺和錨鏈的穩(wěn)定性，鉆井作業(yè)無法正常進(jìn)行；相鄰井距離太近還可能導(dǎo)致錨鏈之間發(fā)生接觸、碰撞或纏繞，增加錨鏈損壞風(fēng)險。

（2）如果在平臺作業(yè)區(qū)內(nèi)有海底管道或電纜穿過，則拋錨作業(yè)可能對海底管道和海底電纜產(chǎn)生撞擊，從而導(dǎo)致錨爪損害，錨抓力減??；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(zhì)有密切關(guān)系。錨地地質(zhì)多為砂、泥和粘土，因其混合比例不同可分別按沙質(zhì)(粘土含量在20%以下)、粘土質(zhì)(粘土含量在40%以上)和中間土質(zhì)(粘土含量在20%～40%之間)處理，在拋錨作業(yè)之前應(yīng)對當(dāng)?shù)睾Ｓ虻刭|(zhì)進(jìn)行詳細(xì)探測，針對探測結(jié)果選擇合適的拋錨區(qū)域及適當(dāng)型號的錨爪。

2.3 環(huán)境條件

2.3.1 水文分析 影響拋錨作業(yè)的水文條件主要是海流、海浪及內(nèi)波。拋錨作業(yè)前應(yīng)搜集當(dāng)?shù)睾Ｓ虿煌撅L(fēng)期海流流向及密度躍層的活躍期資料。密度躍層是形成內(nèi)波的必備條件之一，在拋錨作業(yè)時遭遇內(nèi)波則可能導(dǎo)致實際拋錨位置偏離預(yù)先設(shè)定的錨泊位置。

2.3.2 季風(fēng)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(jìn)行拋錨操作。在此過程中如果受到季風(fēng)影響，則可能導(dǎo)致工作船失穩(wěn)或?qū)嶋H拋錨位置偏離預(yù)定錨地。作業(yè)前應(yīng)結(jié)合氣象資料統(tǒng)計預(yù)測作業(yè)時段內(nèi)的季風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)向，選擇恰當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)時機。此外，季風(fēng)也可能導(dǎo)致海浪等，影響作業(yè)穩(wěn)定性。

2.4 錨泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)分析

拋錨作業(yè)前針對錨地地質(zhì)、水深、氣象環(huán)境的調(diào)查結(jié)果，準(zhǔn)確設(shè)計錨泊系統(tǒng)的布錨角度、水平跨度、錨抓力、張力傾角、錨泊系統(tǒng)附屬結(jié)構(gòu)、預(yù)張力、錨鏈組分及各組分錨鏈長度等參數(shù)，保證平臺后續(xù)鉆井作業(yè)過程安全有效進(jìn)行。

2.5 作業(yè)流程分析

作業(yè)流程分析包括與拋錨作業(yè)相關(guān)的關(guān)鍵流程，各個過程需要考慮的風(fēng)險因素參見表2。

表2 拋錨作業(yè)流程風(fēng)險分析因素

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

3 鉆井作業(yè)階段風(fēng)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(fēng)向兩條錨鏈，使平臺在其余錨鏈的作用下向上風(fēng)向漂移。

3.2 環(huán)境分析

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

3.2.2 內(nèi)波分析 內(nèi)波的形成是由于海水密度不同導(dǎo)致的，具有產(chǎn)生時間不定、持續(xù)時間短、破壞力大等特點[10]。內(nèi)波能夠?qū)е洛^纜斷裂、平臺移位、井噴、隔水管觸底等事故。

3.3 設(shè)備分析

設(shè)備方面主要考慮的風(fēng)險因素包括：錨鏈的腐蝕、磨損、裂紋、疲勞、變形、外力破壞、鏈環(huán)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(fā)生后要立即關(guān)閉防噴器，斷開井口，使隔水管處于自存狀態(tài)。根據(jù)井噴的等級和現(xiàn)場的可控程度，判斷是否需要釋放背風(fēng)處錨鏈，使平臺在迎風(fēng)處錨鏈的作用下偏移井口。平臺背風(fēng)向錨鏈的快速釋放會產(chǎn)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(yīng)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(yè)開始之前，可調(diào)查附近海域是否已經(jīng)存在其他正在鉆進(jìn)或已經(jīng)完成的井位，根據(jù)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(yè)提供參考。

由于鉆井作業(yè)階段對錨泊系統(tǒng)進(jìn)行的操作較少，因此結(jié)合上述流程，利用安全檢查表法進(jìn)行分析，保證錨泊系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)備故障的控制措施。

4 起錨作業(yè)階段風(fēng)險分析流程

4.1 錨地位置分析

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

（1）如果平臺作業(yè)區(qū)內(nèi)有海底管道或電纜穿過，起錨時可能與海底管道和電纜發(fā)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(fù)荷無法起錨，如果長時間強行起錨可能損毀馬達(dá)，或由于超出錨鏈負(fù)荷，造成錨鏈的斷裂。

（2）起錨的難易與底質(zhì)密切相關(guān)，錨地的底質(zhì)多為砂、泥和粘土，在底質(zhì)中長時間拋錨，受到水流的影響，錨爪可能掩埋較深，錨鏈?zhǔn)芰υ黾?，?dǎo)致起錨失敗。

4.2 環(huán)境條件分析

此方面與拋錨階段一致，不再贅述。

4.3 錨泊設(shè)備分析

起錨作業(yè)階段設(shè)備方面風(fēng)險因素主要考慮錨機和工作船。錨機方面可參見2.2節(jié)“鉆井作業(yè)階段設(shè)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(dǎo)致起錨作業(yè)不能正常進(jìn)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(yè)流程分析

作業(yè)流程分析包括與起錨作業(yè)相關(guān)的關(guān)鍵流程，各個過程需要考慮的風(fēng)險因素參見表3。

表3 起錨作業(yè)流程風(fēng)險分析因素表

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

5 走錨風(fēng)險分析流程

通過對調(diào)研到的43起國內(nèi)外浮式結(jié)構(gòu)錨泊系統(tǒng)事故進(jìn)行統(tǒng)計分析[11]，可得到如圖3所示的錨泊系統(tǒng)事故統(tǒng)計。從圖中可以看出，錨泊系統(tǒng)可能發(fā)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(shù)是由于臺風(fēng)等惡劣天氣導(dǎo)致的。碰撞和傾翻事故多數(shù)是由于走錨和錨鏈斷裂事故發(fā)生后沒有采取合理的控制措施或事故發(fā)生地點環(huán)境過于復(fù)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(fēng)設(shè)計錨泊系統(tǒng)事故風(fēng)險分析流程。

圖3 錨泊系統(tǒng)事故統(tǒng)計

圖4 走錨風(fēng)險分析流程

海洋鉆井平臺發(fā)生走錨可能導(dǎo)致平臺嚴(yán)重偏移、平臺與工作船發(fā)生碰撞、鉆桿與隔水管發(fā)生破壞甚至斷裂，嚴(yán)重時導(dǎo)致平臺全損。為提高錨泊系統(tǒng)的安全性，本文設(shè)計出走錨事故風(fēng)險分析流程：(1)制定風(fēng)險分析計劃，確定分析流程和風(fēng)險可接受準(zhǔn)則；(2)根據(jù)分析計劃劃分作業(yè)節(jié)點，并對各作業(yè)節(jié)點進(jìn)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(fā)生走錨；(4)根據(jù)辨識出的危險因素建立風(fēng)險演化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，對走錨進(jìn)行風(fēng)險演化分析，得到關(guān)鍵風(fēng)險因素；(5)根據(jù)關(guān)鍵風(fēng)險因素，制定針對性的安全預(yù)防措施；(6)制定應(yīng)急預(yù)案，并根據(jù)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行應(yīng)急演練，將演練中發(fā)現(xiàn)的不合理安全措施以及應(yīng)急預(yù)案的不足進(jìn)行反饋，完善安全措施和應(yīng)急預(yù)案。分析流程圖如圖4所示。

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

圖5 走錨事故應(yīng)急程序

6 結(jié)論

(1)在調(diào)研國內(nèi)外錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析相關(guān)指導(dǎo)性文件的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場氣象資料、平臺操船手冊、事故統(tǒng)計資料、井位附近海域資料、錨地資料、錨鏈設(shè)計參數(shù)及其他數(shù)據(jù)6個方面論述了錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析所需資料，為錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析提供資料支撐。

(2)按照錨泊系統(tǒng)作業(yè)生命周期，包括拋錨階段、鉆井作業(yè)階段和起錨階段，設(shè)計錨泊系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險分析流程，為工程實際應(yīng)用中錨泊系統(tǒng)風(fēng)險分析提供參考。

(3)調(diào)研統(tǒng)計錨泊系統(tǒng)常見事故類型，選取走錨及臺風(fēng)事故，設(shè)計錨泊系統(tǒng)事故風(fēng)險分析流程并制定走錨事故應(yīng)急程序，能夠更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險分析，提高事故預(yù)防及應(yīng)急能力。

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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(fā)有限公司項目資助“深水半潛式平臺錨泊系統(tǒng)安全評估與作業(yè)管理研究”

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

陳國明，教授，博士生導(dǎo)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