台风环境下深水钻井平台失控漂移后果分析及安全屏障研究*

朱高庚 陈国明 刘 康 盛积良 蒲 实

(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580)

随着海洋油气资源开采不断向深水和超深水进发，传统通过锚泊系统等方式进行平台定位的方法从成本和安全角度考虑都已不再适用。应运而生的动力定位系统(Dynamic Positioning,DP)成本随水深变化较小[1]，且对深水复杂海洋环境有较好的适应性，在深水浮式钻井平台中已被广泛使用。我国的“海洋石油981”、“海洋石油982”和“蓝鲸1号”、“蓝鲸2号”钻井平台均已配备DP-3动力定位系统。南海是我国深水油气资源最为丰富的地区之一，但南海是台风的高发区域，百年一遇台风波高、表面流速和风速为墨西哥湾和西非海域的数倍[2]，且具有频度高、强度大的特点，已成为深水油气开发的最大环境挑战。在南海恶劣台风环境下，一旦DP系统失效，平台发生失控漂移，轻则造成隔水管及水下井口损坏，重则导致平台倾覆或者水下井喷事故，会威胁人员生命安全和造成严重的环境污染。

目前国内外在DP系统的可靠性、失效模式以及失效后果和安全屏障方面已经开展了一系列相关研究[3-13]，针对DP系统可靠性评估方法主要有结合故障模式和影响分析、事故树和贝叶斯网络分析等[3-5]。在DP系统失效后果方面，文献[6]重点研究了在隔水管作业中DP系统和应急快速断开系统故障引起的井喷风险；文献[7]对包括DP系统失效导致隔水管事故在内的类型成因及防控措施进行了分析；文献[8-9]对台风条件下平台漂移导致的隔水管触底事故进行了研究，并提出了平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法；文献[10]开展了隔水管应急关断失效概率的贝叶斯网络分析。在安全屏障方面，文献[11-12]针对差分全球定位系统故障进行了分析，并提出了保障DP系统钻井作业安全三级屏障及功能；文献[13]通过屏障分析指出了设备失效和人因失效是DP系统失效主要原因。但上述研究成果在考虑平台和隔水管的耦合作用以及各级屏障间相互影响方面尚待完善。

笔者结合系统动力学(System Dynamics,SD)方法，从系统角度考虑建立平台-隔水管耦合模型，分析台风环境下平台失控漂移轨迹，研究漂移过程隔水管力学响应，并利用SD中的因果回路图方法(Causal Loop Diagram,CLD)分析防止失控漂移及后续事故的各级安全屏障性能，以期为台风环境下深水钻井作业安全和事故预防提供参考。

1 分析方法和流程

结合SD方法和数值模拟，建立平台-隔水管系统耦合水动力模型，开展台风环境下水动力时域分析，计算平台在台风下的失控漂移运动轨迹；在ABAQUS中建立隔水管有限元模型，并将平台的漂移运动作为其顶部约束条件，分别开展隔水管底部连接和断开状态下的动态仿真分析，研究平台失控漂移下隔水管的力学响应和断裂时间；根据分析结果和文献调研，结合因果回路图方法开展台风灾害下平台失控漂移及升级事故的安全屏障性能分析，建立防止事故升级的三级安全屏障并分析各级屏障性能的主要影响因素(图1)。

图1 台风环境下平台失控漂移后果及安全屏障分析流程图Fig .1 Flow chart of analysis on consequences and barriers of drift-off for platforms under typhoon conditions

2 平台失控漂移时域计算

2.1 平台-隔水管动力学模型

在台风作用下，平台-隔水管耦合结构的动力方程为[14]

(1)

环境载荷包括风载荷、波浪载荷以及海流载荷。其中，风载荷表示为[15]

(2)

式(2)中：ρa为空气密度，kg/m3；Vr为相对风速，knots；Cw为风载荷系数；Aw为受风面积，m2。

根据文献[16]，海洋脉动风功率谱选用API谱，表示为

S(f)=[δ(z)]2/[fp(1+1.5f/fp)5/3]

(3)

式(3)中：δ(z)为z高度处风速脉动的标准差，m/s(当z≤zs时，δ(z)=0.15×(z/zs)-0.125；当z>zs时，δ(z)=0.15(z/zs)-0.275;其中zs为标准高度，一般取20 m)；fp为平均频率，fp=0.125V(z)/z，Hz,V(z)为z高度处平均风速，m/s；f为脉动频率，Hz。

波浪载荷可分为一阶波浪力和二阶波浪力，其中一阶波浪力产生零均值的高频振荡运动，二阶波浪力产生非零均值的低频慢漂运动。根据文献[17-18]，台风下的波浪谱选用PM谱，海流载荷表达形式与风载荷类似。

2.2 平台-隔水管耦合仿真模型

以“海洋石油981”钻井平台为原型并进行适当简化，利用SOLIDWORKS进行平台建模，主要包括井架、吊机、生活区、直升机甲板和发电机房等，导入ANSYS/AQWA后连接隔水管模型进行网格划分和参数设置(图2)。

2.3 环境参数

以中低强度台风下原地抗台过程中平台动力定位失效事故为分析场景，以南海水深为1 500 m左右某区块的深水钻井作业为例展开研究，选取10 a重现期1 min内平均风速20 m/s作为API风谱[16]中20 m高度处标准风速;波浪和海流参数选取10 a重现期海况，有义波高为11.1 m，上跨零周期为11.6 s，海流速度为随深度变化的梯度流(表1)。

图2 平台-隔水管耦合仿真模型Fig .2 Coupling simulation model of platform-riser表1 南海某海域海流速度分布Table 1 Current velocity in a water area in South China Sea

水深/m流速/(m·s-1) 水深/m流速/(m·s-1)01.422000.16100.753000.14200.615000.11500.4210000.061000.2315000.021500.21

2.4 平台失控漂移运动响应

设置步长为0.1 s，总时长为300 s，选取环境载荷方向(假设风浪流方向相同)与x轴正方向夹角为0°、45°、90°、135°和180°等工况，分别计算平台-隔水管耦合模型失控漂移结果，得到平台在6个自由度上随时间变化的位移和转角变化情况(图3)。

由图3可以看出：台风下平台失控漂移轨迹随环境载荷方向变化明显，其中沿x方向漂移量表现出0°≈180°>45°≈135°>90°的特征，主要是平台结构的不对称所致；沿y方向漂移量规律与沿x方向相反，即90°>135°≈45°>180°≈0°，但沿2个方向漂移量均随时间持续增加；沿z方向升沉量随时间呈现出增幅振荡的特征，在运动初期随环境载荷方向变化相对不明显；绕x方向转动量在0°和180°时几乎不随时间变化，但是其他方向上呈现周期变化的特征，振荡周期约为100 s；绕y方向转动量随环境载荷方向呈现对称分布的特征，如0°、180°及45°、135°；绕z方向转动量同样呈现对称分布的特征，但非严格的轴对称。其中，沿x方向和沿y方向漂移量随时间持续增大，可能会造成隔水管轴向应力过大发生断裂；沿z方向升沉量振荡增加，可能会导致隔水管发生动态压缩和触底事故；绕z方向转动较大，可能会导致挠性接头转角超过限制。这些问题均应在后续的分析中重点考虑。

图3 平台失控漂移路径Fig .3 Drift-off path of runaway platform

3 平台失控漂移后果分析

原地抗台场景下平台发生失控漂移后，连接水下井口和平台的隔水管系统是薄弱环节。一旦发生隔水管断裂或者井口损坏，轻则延误工期而造成经济损失，重则导致水下井喷，威胁平台安全甚至造成环境污染。因此，针对台风下平台失控漂移后的隔水管断裂事故展开分析，限制条件根据API标准[19]考虑最大等效应力、挠性接头转角和是否发生动态压缩，其中后2个因素由前述平台绕x、y和z方向转动及沿z方向位移分析结果可知基本不会超过限制，且由于失控漂移过程隔水管基本处于拉伸状态，动态压缩可能性较小，在等效应力超过限制前两者均不超过标准要求。因此，重点分析隔水管等效应力变化情况，研究隔水管不同状态下力学响应，并分析其达到限制应力所需时间。

3.1 连接状态下

以平台失控漂移路径作为隔水管顶部约束条件，底端为连接状态，依据隔水管配置建立有限元模型并利用ABAQUS进行动态仿真计算，分析隔水管等效应力变化情况(图4)。

由图4a可以看出，漂移过程隔水管顶部最大等效应力随时间振荡增加，不同环境载荷方向上隔水管等效应力变化整体符合0°≈180°>45°≈135°>90°的规律，与平台沿x方向漂移量变化特征保持一致，受平台水平方向运动影响较大；同时存在明显的波谷波峰，与平台沿z方向升沉运动的波谷波峰出现时间较为接近。由图4b可以看出，200 s时隔水管等效应力随水深增加整体呈递增趋势，同时在管径变化处产生突变。

依据API标准[19]，连接状态下隔水管最大等效应力/最小屈服强度应小于等于0.67。应急状态下应该按照生存工况考虑，故将此系数取1。隔水管所用X80钢屈服强度为552 MPa，因此最大等效应力限制为552 MPa(图4a)。由隔水管首次超过极限应力的时刻(表2)可以看出，连接状态下在14 s左右均超过限制，且所用时间随环境载荷方向变化不明显，主要原因可能是所用时间较短。

图4 连接状态下隔水管最大等效应力分布Fig .4 Maximum equivalent stress distribution of riser in connection mode表2 连接状态下隔水管超出等效应力限制所用时间Table 2 Time of exceeding equivalent stress limit of riser in connection mode

环境载荷方向/(°)达到等效应力限制所用时间/s014.04514.29014.013514.118014.0

由隔水管200 s时沿x方向和沿y方向漂移情况(图5)可以看出,隔水管沿x和y方向漂移均随水深增加而减小，且几乎呈线性变化，说明此时隔水管处于拉紧状态。

图5 连接状态下隔水管偏移分布Fig .5 Offset distribution of riser in connection mode

3.2 断开状态下

设置隔水管底部边界条件为自由端，得到断开状态下隔水管等效应力变化(图6)。由图6a可以看出，断开状态下隔水管顶部最大等效应力随时间和环境载荷方向变化与连接状态规律保持一致，但整体等效应力明显小于连接状态。由图6b可以看出，300 s时隔水管等效应力随水深增加整体变化不明显，主要差异表现在隔水管顶部，原因是断开状态下隔水管底部为自由端，受平台运动影响较小。

断开状态下隔水管最大等效应力同样限制为552 MPa，隔水管超出等效应力限制所用时间整体大于连接状态，主要与连接状态等效应力整体偏大有关，同时随环境载荷方向变化呈对称分布(表3)。

图6 断开状态下隔水管最大等效应力分布Fig .6 Maximum equivalent stress distribution of riser in disconnection mode表3 断开状态下隔水管超出等效应力限制所用时间Table 3 The time of exceeding equivalent stress limit of riser in disconnection mode

环境载荷方向/(°)达到等效应力限制所用时间/s099.145159.890185.4135159.818099.1

300 s时隔水管沿x和y方向漂移均随水深增加而减小，且变化速率呈递减趋势，与连接状态下拉紧的隔水管形态明显不同(图7)，也从另一方面解释了断开状态下隔水管等效应力相对较小的原因。

图7 断开状态下隔水管偏移分布Fig .7 Offset distribution of riser in disconnection mode

4 安全屏障研究

由表3可知，台风环境下平台一旦发生失控漂移，隔水管系统等效应力在最多185.4 s便会超过限制，留给系统和人员响应的时间很短，因此有必要从预防漂移发生开始进行不同事故升级阶段的屏障研究，分析各阶段的主要屏障及影响屏障性能的主要因素。

参考SD方法[20]中CLD的概念，结合屏障理论[12]，建立防控平台漂移→平台漂移失控→隔水管及水下井口损坏→水下井喷一系列升级事件的三级安全屏障(图8)。图8中，变量名要求为名词短语且必须有清晰的方向感，因此以屏障性能描述各级安全屏障；“+”表示正反馈，即如果原因增加，结果要高于它原来所能达到的程度；“-”表示负反馈，含义相反。

由图8可以看出：一级安全屏障为预防屏障，主要作用是防止平台漂移的发生，其屏障性能由人员操作准确性、环境载荷强度、环境监测系统性能、位置参考系统性能、动力系统性能、控制系统性能和推进器系统性能等7个部分表征；二级安全屏障为控制屏障，主要作用是防止平台漂移的进一步加剧，及时抑制平台运动或采取下一步措施，其屏障性能主要包括操作人员应急响应能力、警报系统可靠性和DP系统冗余度等3个部分；三级安全屏障为应急屏障，主要是在漂移失控后及时采取关断措施，避免井口破坏导致井喷等更为严重事故的发生，主要通过保证应急快速断开系统(Emergency Quick Disconnection System,EQD)可靠性、安全脱离系统(Safe Disconnect System,SDS)可靠性和防喷器(Blowout Preventer,BOP)系统可靠性实现其功能。

图8 防止平台失控漂移事故升级的三级安全屏障因果回路图Fig .8 Casual loop diagram of three barrier elements to prevent accidents from escalating of runway drift-off for platforms

三级安全屏障间相互影响，如一级屏障中的动力系统性能、控制系统性能和推进器系统性能相互影响，同时影响二级屏障中的DP系统冗余度；二级安全屏障中人员应急响应能力受一级屏障中人员操作准确性影响，同时受到同级屏障中警报系统可靠性影响。结合图8中各级安全屏障相互影响关系和因果回路关系，对各级安全屏障性能进行定性评估，得到影响三级安全屏障性能的主要因素分别是人员操作准确性、人员应急响应能力和紧急关断系统可靠性。

5 结论

1) 台风环境下深水平台失控漂移轨迹随环境载荷方向变化明显，其中沿x方向漂移量表现出0°≈180°>45°≈135°>90°的特征，沿y方向漂移量规律相反，但两者漂移量均随时间持续增加，因此在后续分析中应重点考虑沿x方向和沿y方向漂移、沿z方向升沉以及绕z方向转动。

2) 隔水管底部连接和断开状态下隔水管顶部最大等效应力均随时间振荡增加，不同环境载荷方向上隔水管等效应力变化整体符合平台沿x方向漂移量的规律，但是整体上断开状态等效应力值明显小于连接状态，且在连接状态下14 s左右隔水管超出应力限制，断开状态下最快100 s左右超出应力限制。

3) 基于因果回路图方法建立了防止事故升级的三级安全屏障，并对各级安全屏障性能进行定性评估，得到影响三级安全屏障性能的主要因素包括人员操作准确性、人员应急响应能力和紧急关断系统可靠性。