深水钻井平台动力定位应急解脱系统探析

游尧，陈彬(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067)

0 引言

随着深水动力定位钻井平台逐步应用于深水油气资源的勘探开发，动力定位钻井平台的技术和研究也越来越系统和深入。深水钻井面临着复杂的环境工况和各种复杂因素的挑战，2010年4月墨西哥湾“深水地平线号”钻井平台的火灾爆炸、倾覆漏油事故仍历历在目，动力定位平台性能可靠性及异常情况下应急解脱仍需持续关注，加强研究。在跟踪海洋石油981、兴旺号(COSL Prospector)在南海实施作业的基础上，对深水钻井动力平台定位应急解脱系统进行了分析研究。

1 建立动力定位作业漂移警戒区

1.1 动力定位基本原理

动力定位系统是一种自动化位置控制系统，采用推进器来提供力量抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使得钻井平台能够保持在海面设定的区域。其定位成本不会随作业水深增加而变化，并且操作方便。

动力定位系统一般由5个部分组成：位置参考系统、传感器、动力系统、推进器系统和控制系统，其基本原理是利用计算机系统对采集来的风、浪、流等环境参数进行实时分析，参照系统设定的位置，自动计算，控制各推进器的推力大小，使平台设施保持艏向和船位的固定[1]。

通过提高动力定位系统的冗余度，可以保证平台不会因为某些设备失效而发生位置漂移。

1.2 动力定位平台作业漂移警戒区确定原则

钻井平台在各阶段的解脱反应时间和漂移距离可根据平台在常规环境下的漂移速度及漂移过程设备承载、应急解脱反应时间等计算确定[2-3]。

式(1)～(4)中：D为隔水管系统极限长度(m)；C为隔水管系统垂直长度(m)；P为平台应急解脱线距离设定井位的范围(m)；TEDS为平台应急解脱耗时(s)；V为平台漂移速度(m/s)。

深水钻井平台与水下井口系统通过隔水管系统建立连接，深水钻井平台的漂移将受隔水管-水下井口系统的受力和变形的限制，影响漂移极限(解脱点，POD)的典型限制参数主要包括隔水管伸缩节—张力器冲程、隔水管挠性接头转角、井口头及导管抗弯能力。适合的井口头—隔水导管可带来隔水管—井口系统的解脱点发生更大的偏移。作业前，应做好井口—隔水导管系统强度和抗弯能力校核，确保其能够满足在预测最差工况下满足安全要求。

1.3 动力定位平台作业漂移分析

动力定位平台作业漂移分析的目的是建立漂移警戒区，保证隔水管—井口系统在作业过程中所受的载荷不超出设计极限，确保平台在设备及人员安全的情况下实施隔水管与井口的紧急解脱。

漂移分析的准则是在基于隔水管系统组件的许用载荷和许用应力而计算确定的。隔水管—井口系统的许用载荷是系统所用材料的许用极限乘以安全系数，井口连接器、LMRP连接器、导管连接器等其余组件的许用载荷通常由制造厂商指定。

分析条件：(1)平台初始位置位于井口正上方；(2)推进器推进能力时效；(3)承受风、浪、流的共同作用。

钻井平台漂移轨迹分析主要包括：(1)发生漂移后，钻井平台—隔水管系统的、静态分析；(2)漂移过程中，隔水管系统弱点位置及解脱点分析确定。

漂移过程中，隔水管系统可能发生的失效形式包括[4]：(1)隔水管本体与船体(月池)发生碰撞；(2)隔水管张力器/伸缩节行程超过允许冲程；(3)隔水管挠性接头转角超出允许值；(4)井口头所受载荷超出额定值；(5)隔水导管载荷超出额定值；(6)连接器系统(LMRP连接器、井口连接器、导管连接器)所受弯矩超出允许值。

1.4 漂移警戒区划分

钻井作业过程中，通过以井位投影为中心点设定不同漂移范围警戒圈来为平台装置动力定位提供指导：

绿色正常区—正常漂移范围：平台在该区域漂移属于可接受的位置偏移，能够满足正常作业需求。

黄色警戒区—警戒漂移范围：平台在该区域，保持位置的能力部分失效，可能需要解脱操作，另外该报警也会因井控异常而从钻台发出；平台进入该区域后，若存在不可控的漂移趋势，应立即按照应急程序或预案采取应急解脱。

红色警戒区—警戒漂移范围：平台在该区域，平台水下设备隔水管伸缩节、挠性接头等水下设备接近或达到允许的工作极限，隔水管偏角不能保持正常操作范围，需要立即执行解脱作业，即为最大允许偏移范围。红色警戒线为平台启动应急解脱程序的最大允许漂移范围。

蓝色线圈—应急解脱圈：平台在此处须完成解脱作业，否则将会造成解脱困难或隔水管挠性接头、伸缩节、张力器和防喷器等设备损坏。

作业井应根据井场调查报告的水深地貌图，在开钻前确定应急解脱后平台撤离路线，以避免出现防喷器碰撞海床事故。

图1 动力定位钻井平台漂移范围警戒图

2 应急解脱系统

2.1 兴旺号平台、海洋石油981及West Hercules解脱方式

2.1.1 兴旺号平台解脱方式

兴旺号钻井平台解脱方式分为计划性解脱和应急解脱两种。计划性解脱，平台避台风撤离，或失位但有足够时间完成井口保护封隔、关井等情况按手动解脱模式执行。但遇情况紧急时，平台进入编制WSOG的红色警戒区时，将立即采取EDS一键完成解脱。

兴旺号应急解脱方式共有以下5种：(1)电动按钮式控制面板；(2) ROV操作控制解脱；(3)声纳遥控控制解脱；(4) Deadman应急关闭系统，当隔水管串和控制管线意外断裂时自动剪切封井；(5)中控自动解脱系统ADS(automatic disconnect system)，当平台漂移达到红圈时，将自动激活实现剪切封井，解锁井口连接器。

兴旺号平台EDS模式分为剪切模式和空井模式，其区别在于是否关闭套管超级剪切闸板，尽可能剪断防喷器中的钻具。

2.1.2 海洋石油981平台及West Hercules解脱方式

海洋石油981平台及West Hercules应急解脱方式相同，共有以下5种：(1)电动按钮式控制面板；(2) ROV操作控制解脱；(3)声纳遥控控制解脱；(4) Deadman应急关闭系统，当隔水管串和控制管线意外断裂时自动剪切封井；(5)应急关闭系统(emergency hydraulics backup system, EHBS)，当平台失去液电信号后，BOP系统可自动关井、解脱LMRP。

海洋石油981的EDS模式细分为3种，EDS1：空井模式；EDS2：剪切模式，该模式下可剪切5-7/8″(149.2 mm)以下钻杆本体，且具备密封功能；EDS3：套管剪切模式(超级剪切)，该模式下可剪切13-3/8″(330.6 mm)套管及部分钻杆接头，不带密封功能。

2.2 兴旺号平台及海洋石油981应急解脱系统的差异

以海洋石油981、兴旺号及West Hercules钻井平台所作业的相似水深的井对比，其WSOG数据对比如表1所示。

表1 海洋石油981与兴旺号及West Hercules钻井平台WSOG数据对比表

3平台应急解脱系统的差异点如下：

(1)海洋石油981和West Hercules作业水深500～3 000 m，随着水深增加，平台失位漂移冗余范围大；而兴旺号平台作业水深在1 500 m以内，平台失位漂移冗余范围小，因此要求EDS反应速度更高，应急解脱时间比海洋石油981更快。但同深度情况下，因兴旺号的EDS时间短，解脱速度快，所以拥有更大的红圈，而West Hercules 反之有最小的红圈。也就是说，兴旺号拥有更有机会采取措施恢复位置。

(2)为争取到更短的EDS解脱时间，兴旺号EDS应急解脱后再关闭钻杆剪切闸板，实现对井眼密封隔离，而海洋石油981则是先关闭钻杆剪切闸板，密封隔离井眼，之后再解脱LMRP。相比而言，兴旺号未能及时有效封隔井眼，在解脱过程中，存在井筒内油气溢出的风险，尤其在深水井测试作业过程中。

(3)另外3个平台都采用NOV的BOP，但海洋石油981和West Hercules采用的是电液控制，而兴旺号仅为液控方式，可靠性也不如另外两个平台，但成本要下降很多。

2.3 南海东部深水井作业情况分析

海洋石油981、兴旺号及West Hercules钻井平台三艘平台在南海东部海域已作业40余口深水井，作业水深为689～2 454 m；通过对南海东部近年来作业情况进行统计，并选取其中5口作业井(如图2所示)进行分析：(1)在统计的深水井作业过程中，均未出现平台漂移失控的情况；(2)作业水深在自850～2 500 m左右，随着水深的增加，允许的漂移距离随之增加，因此对于深水钻井平台，作业水深越深，平台定位能力的要求越低；反之，作业水深越浅，对平台定位能力的要求越高。

图2 南海东部深水井作业水深与漂移距离关系图

3 结语

钻井作业时通过在以井位为中心设定多组漂移范围警戒圈来指导平台动力定位作业：(1)深水钻井平台动力定位失控漂移的潜在风险和危害非常大，对动力定位的基本原理进行全面分析，建立作业过程中漂移范围警戒圈对平台动力定位具有重要的指导意义。(2)对比分析海洋石油981，West Hercules和兴旺号平台应急解脱系统，不仅能为深水钻井平台的选择提供重要依据，更能指导和帮助现场管理人员和操作人员顺利应对平台失控漂移等情况，建议结合作业平台操作手册，制定详细的应急解脱操作程序。(3)在选择深水钻井平台时，应将动力定位应急解脱系统作为一项重要的安全考核参数，特别是应急解脱方式的可靠性及冗余度。