“深水地平線”沉沒事故帶來的海洋平臺設計的思考

李 陽,趙晶瑞,謝 彬,張 威,謝文會

(中海油研究總院，北京 100028)

“深水地平線”沉沒事故帶來的海洋平臺設計的思考

李 陽,趙晶瑞,謝 彬,張 威,謝文會

(中海油研究總院，北京 100028)

2010年4月20日，美國墨西哥灣 “深水地平線”號半潛式鉆井平臺發(fā)生爆炸事故，引發(fā)平臺破損并最終導致平臺傾覆。針對這一事故，以某型深水半潛式鉆井平臺為例，分析了平臺破艙穩(wěn)性以及如何合理地對平臺進行分艙以有效減小平臺破艙傾覆的風險，提出了一些海洋平臺設計的新思路和今后海洋石油開發(fā)需注意的問題。

半潛式鉆井平臺；“深水地平線”；穩(wěn)性；爆炸事故；沉沒；漏油

0 引 言

2010年4月20日，位于美國路易斯安那州東南約82 km處海域上密西西比峽谷252區(qū)塊、正在進行鉆井作業(yè)的“深水地平線”號半潛式鉆井平臺發(fā)生爆炸事故。爆炸瞬間引發(fā)大火。事故發(fā)生后當?shù)睾０堆策夑犞鄙w機迅速趕到出事地點救助傷員。事發(fā)時平臺上共有126人，大部分平臺工作人員獲救，17人受傷，11人死亡。在大火持續(xù)燃燒36 h后，“深水地平線”鉆井平臺嚴重傾斜，最終失穩(wěn)而沉入海底。

“深水地平線”鉆井平臺傾覆后，水下石油泄漏速度大大超出預期，被視為美國歷史上最嚴重的石油泄漏事件。平臺發(fā)生爆炸事故沉沒幾個月內(nèi)，美國政府和英國石油公司(BP公司)采取數(shù)種補救措施封堵漏油，以減少對環(huán)境造成的污染，但均收效甚微。墨西哥灣漏油事故發(fā)生后，截至2010年7月，BP公司的市值縮水超過千億美元。墨西哥灣上千平方公里的海域遭到污染，魚類、鳥類、珊瑚和哺乳動物等海陸生物物種受到原油威脅，受污染水域的生態(tài)環(huán)境可能至少需要5年時間才能恢復，而這又嚴重拖累了墨西哥灣沿岸的旅游業(yè)，相關產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟損失難以估計。此次事件對美國社會經(jīng)濟、海洋環(huán)境及政治等各方面造成了巨大影響。

近年來，我國海洋油氣開發(fā)蓬勃發(fā)展。如何保障海洋平臺的安全避免“深水地平線”這類事故的發(fā)生，是非常值得探討的。本文從這起事故出發(fā)，重點進行破艙穩(wěn)性分析，提出了一些海洋平臺設計的新思路。

1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺介紹

“深水地平線”鉆井平臺為第五代半潛式鉆井平臺，采用DP3動力定位，由Ramp;B Falcon公司設計，2001年在韓國現(xiàn)代重工制造，由越洋鉆探公司(Transocean Ltd.)所有，當時造價3.5億美元。作業(yè)中的“深水地平線”半潛式鉆井平臺如圖1所示。其主要參數(shù)如表1所示。

圖1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺Fig.1 Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

“深水地平線”鉆井平臺進入墨西哥灣后，一直為BP公司服務。它主要工作于2006年發(fā)現(xiàn)的Kaskida油田的Atlantis區(qū)域和2009年發(fā)現(xiàn)的Tiber油田的Thunder Horse區(qū)域。在2009年2月2日，“深水地平線”鉆井平臺在Tiber油田鉆井深度達到史上最深的35 055英尺(10 685 m)，當時作業(yè)水深為4 132英尺(1 259 m)。在2009年10月，BP公司簽訂了“深水地平線”鉆井平臺3年續(xù)約合同，租期自2010年9月開始，租金共5.44億美元，平均每天49.68萬美元。但2010年4月該平臺即發(fā)生事故。

2 “深水地平線”爆炸事故救援方案及爆炸原因簡析

事故發(fā)生后，美國政府、BP公司及社會各界迅速展開救援工作，主要圍繞著救援平臺人員、平臺的滅火以及封堵井下漏油以減少環(huán)境污染三方面展開。平臺傾覆后，井下漏油造成的環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，封堵漏油以及清理泄漏的石油成為工作重點。美國政府和BP公司投入了大量的人力、物力進行封堵漏油及環(huán)境救援工作。環(huán)境救援工作主要針對水上浮油清理、水下漏油封堵及井下減壓井采油三方面進行。

表1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺主要參數(shù)Table 1 Main parameters of Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

美國內(nèi)務部、BP公司及各有關機構對事故發(fā)生原因進行了廣泛的調查。調查初步結果表明，由于技術、管理失誤，以下多種原因綜合造成了該次事故：(1)環(huán)空水泥塞未能有效封隔油氣層；(2)套管鞋未能有效阻隔油氣；(3)對負試壓結果解讀不準確，誤認為井筒完整性已建立；(4)直到油氣進入隔水管才發(fā)現(xiàn)井涌；(5)井控措施不當導致錯失井控機會；(6)分流到液氣分離器導致油氣排放到平臺；(7)火災及可燃氣探測系統(tǒng)未能探測可燃氣體，從而未能阻止油氣被點燃；(8)防噴器(BOP)應急模式未能封住井筒；(9)固井后將隔水管內(nèi)泥漿替換為海水，使井底壓力低于地層壓力；(10)BP技術標準、管理規(guī)定及現(xiàn)場作業(yè)領導技術水平存在缺陷和不足。

3 “深水地平線”半潛式海洋平臺破艙穩(wěn)性分析

“深水地平線”鉆井平臺從爆炸發(fā)生開始至嚴重傾斜直到發(fā)生傾覆沉沒與平臺的破艙穩(wěn)性有關。半潛式海洋平臺正浮于海上時，重力與浮力處于平衡的狀態(tài)，即重力與浮力大小相等，且作用在同一直線上，如圖2所示?！吧钏仄骄€”鉆井平臺傾斜的過程持續(xù)36 h，因而可假定角速度為零，屬于靜穩(wěn)性范疇。

圖2 正浮狀態(tài)下的海洋平臺Fig.2 Offshore platform under the balance floating condition

圖3 海洋平臺可恢復穩(wěn)定狀態(tài)Fig.3 Stable state of the offshore platform

圖4 海洋平臺不穩(wěn)定狀態(tài)Fig.4 Instable state of the offshore platform

引起深水地平線鉆井平臺爆炸后重量分布改變導致平臺傾斜的主要因素如下。

(1) 根據(jù)美國化學安全與危害調查委員會事故調研分析報告[4]，平臺甲板受到爆炸載荷沖擊，上甲板及部分艙壁破裂海水進入艙室導致平臺重量分布的改變，進而平臺發(fā)生傾斜，如圖5所示。

圖5 海洋平臺爆炸導致甲板及艙室破裂進水Fig.5 Sea water burst into offshore platform deck and cabin due to explosion

(2) 消防船持續(xù)不斷地對“深水地平線”半潛式鉆井海洋平臺噴水滅火過程中，大量的消防水順著甲板及艙壁破裂處進入海洋平臺，加劇了海洋平臺傾斜程度，而傾斜程度增大又會導致更多的海水進入艙室，如圖6所示。

(3) “深水地平線”海洋平臺傾斜的過程中，海平面若浸沒進水口，海水又會改變船體的重量分布，加劇傾斜，海水持續(xù)進入。并且傾斜后，平臺及甲板上諸多設備都會提供傾覆力矩。

隨著海洋平臺重量分布改變，重力作用線向傾斜方向移動，當重力與浮力形成的復原力矩變?yōu)樨撝禃r，海洋平臺達到不穩(wěn)定平衡狀態(tài)而傾覆。如何在平臺受到爆炸載荷作用后，要維持平臺不至于傾覆，就需避免更多的海水進入艙室引起傾覆力矩?？刹扇〉姆椒ê痛胧┤缦?。

(1) 劃分危險區(qū)與安全區(qū)，在危險區(qū)配備應急增浮裝備，如可考慮在艙室布置緊急情況防爆防火氣囊，在爆炸起火狀態(tài)下可以打開氣囊充氣填滿艙室，這樣可以使較少的海水進入并且氣囊可提供浮力。

(2) 在滿足結構和布置需求的條件下，改變水密艙壁結構形式并將危險區(qū)域艙室細化劃分，能夠更好地抵抗爆炸及撞擊載荷沖擊，使破裂范圍更小，如圖7所示。

(3) 控制上甲板進水口處位置，消防滅火應確保甲板水密性，以防止大量消防水進入平臺內(nèi)。

圖6 海洋平臺進水后失穩(wěn)傾覆Fig.6 Platform overturning instability after being flooded

圖7 海洋平臺進水后穩(wěn)定平衡Fig.7 Platform in stable balance after being flooded

5 典型半潛式鉆井平臺破艙穩(wěn)性分析

下面對某半潛式鉆井平臺進行破艙穩(wěn)性分析。

表2某半潛式鉆井平臺主尺度參數(shù)

Table2Mainparametersofacertainsemi-submersibledrillingplatformm

表3 某半潛式鉆井平臺設計工況參數(shù)Table 3 Design parameters of the semi-submersible drilling platform

平臺外形與艙室模型如圖8與9所示。

圖8 平臺3D模型Fig.8 Platform 3D model

圖9 平臺艙室及分艙模型Fig.9 Platform and cabin compartment model

根據(jù)美國船級社(ABS) MODU 2012與國際海事組織(IMO) MODU 2001規(guī)范，半潛式鉆井平臺破艙可分為兩種類型，穩(wěn)性衡準如下所述。

對于碰撞及爆炸破艙而言：

(1) 回復力矩曲線在第一交點至第二交點或第一個非保護進水點間的距離大于7°，此時的風速為25.8 m/s(50 kn)。

(2) 回復力矩曲線在第一交點至第二交點或第一個非保護進水點間至少存在某一角度，此處回復力矩可達到風傾力矩的2倍或以上，此時的風速為25.8 m/s(50 kn)。

(3) 發(fā)生破艙后，在50 kn風力作用下風雨密完整性應至少高于靜水面4 m且最終進水角大于目前的平衡角至少7°。

(4) 發(fā)生破艙后在50 kn風力作用下平臺傾斜角度不大于17°。

對于累積進水而言：

(1) 浸水后無風條件下平臺的傾角應不大于25°。

(2) 位于最終水線以下的任何開口均應為水密。

(3) 回復力矩曲線在第一交點至第二交點或第一個非保護進水點間的距離大于7°。

以下對該平臺極端破艙條件下進行規(guī)范校核，給出相關的工程建議。

假定立柱和浮箱接合部出現(xiàn)局部結構破壞，此時其周邊的6個艙室均有發(fā)生累計進水的可能。這里將假設6艙均發(fā)生進水, 根據(jù)平臺裝載計算書 ，確定當平臺發(fā)生6艙進水時所需要進行的重心高度調整值如表4所示。

表4 半潛式鉆井平臺極端破艙工況重心調整值表Table 4 Adjustment of the center of gravity of the semi-submersible drilling platform under extreme damage condition m

通過極端破艙條件下的穩(wěn)性校核，得到結論如下：

(1) 平臺未發(fā)生破艙時，穩(wěn)性指標均滿足規(guī)范要求，需要注意的是，在作業(yè)與生存工況下，平臺重心高度的安全裕度較小(即平臺的實際重心高度僅比許用重心高度高1～2 m)，最不利載荷入射方向為75°～115°方向，實際作業(yè)工況盡量避免風力沿船寬方向作用。

(2) 由于分艙較多，因此當平臺發(fā)生1～2艙破艙后，穩(wěn)性指標仍滿足規(guī)范要求，此外由于破艙穩(wěn)性的校核風速遠小于完整穩(wěn)性，因此平臺的許用重心高度將主要由完整穩(wěn)性計算所決定。

(3) 當平臺在立柱與浮箱結合部出現(xiàn)結構破壞導致周圍發(fā)生多艙破損進水時，平臺船體將嚴重傾斜并伴隨穩(wěn)性的大量損失，必須盡量降低重心高度并減小吃水。若平臺處于生存工況時，平臺整體重心需降低0.91 m；當平臺處于作業(yè)工況時，重心高度則需降低4 m以上。

6 結 語

本文通過回顧 “深水地平線”鉆井平臺爆炸后墨西哥灣的漏油及平臺傾覆事件，分析了事故原因及事故后所采取的救援措施。討論了深水半潛式鉆井平臺破艙穩(wěn)性的原理，最后以典型半潛式鉆井平臺為例，分析了破艙穩(wěn)性。通過極端破艙條件下的穩(wěn)性校核，得到結論如下：

(1) 由于深水鉆井風險非常高，海洋平臺發(fā)生井噴失控爆炸事故后果是災難性的，對海洋平臺安全檢查監(jiān)測千萬不能掉以輕心，要警鐘長鳴，時刻將海洋平臺的安全放在第一位。當海洋平臺發(fā)生爆炸后，能夠保證平臺不發(fā)生傾覆非常重要，要求平臺有針對性的應急壓載預案，這樣既可以使海洋平臺上各種設備得到重新利用以減少損失，也可以減少海洋平臺沉沒后造成的環(huán)境污染。

(2) 由于鉆井平臺破壞后，海水會進入艙室破裂的平臺內(nèi)，重量分布的改變將導致平臺穩(wěn)定性失衡，因此在平臺設計中，應在結構布置形式方面做好準備，劃分平臺上安全區(qū)與危險區(qū)，合理對進水點(非保護開口與風雨密開口)危險區(qū)結構型式進行優(yōu)化，以防止不同艙室接連進水導致的穩(wěn)性惡化。發(fā)生危機性事故后，應采取有效的應急設備和措施以減少海水進入平臺內(nèi)，使平臺結構發(fā)生更少的破損。合理布置進水口位置，消防前確定甲板水密，防止消防水進入海洋平臺內(nèi)部加劇平臺傾覆。

(3) 通過對典型半潛式鉆井平臺破艙穩(wěn)性進行分析，得到平臺未發(fā)生破艙時，穩(wěn)性指標均滿足規(guī)范要求。需要注意的是，在作業(yè)與生存工況下，平臺重心高度的安全裕度較小，最不利載荷的風力作用方向為75°～115°，實際作業(yè)工況盡量避免風力沿船寬方向作用。由于分艙較多，因此當平臺發(fā)生1～2艙破艙后，穩(wěn)性指標仍滿足規(guī)范要求，此外由于破艙穩(wěn)性的校核風速遠小于完整穩(wěn)性，因此平臺的許用重心高度將主要由完整穩(wěn)性計算決定?？梢姾侠淼胤峙摷霸跐M足平臺功能的情況下盡可能多地分艙對平臺破艙穩(wěn)性有利。當平臺在立柱與浮箱結合部出現(xiàn)結構破壞導致周圍發(fā)生多艙破損進水時，平臺船體將嚴重傾斜并伴隨穩(wěn)性的大量損失，必須盡量降低重心高度并減小吃水。

[1] BP. Deepwater horizon accident investigation report[R]. 2010.

[2] Det Norski Veritas. Forensic examination of Deepwater Horizon blowout preventer[R]. 2011.

[3] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2006.

[4] US Chemical Safety and Hazard Investigation Board. Investigation report on Deepwater Horizon explosion accident[R]. 2010.

DesignConsiderationsofOceanPlatformComingfromtheSinkingAccidentofDeepwaterHorizonSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LI Yang, ZHAO Jing-rui, XIE Bin, ZHANG Wei, XIE Wen-hui

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

For the continual oil leakage incidents in Gulf of Mexico resulting from the Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform explosion accident on April 20th, 2010, we analyze the causes of the accident, rescue methods, environmental pollutions and profound influence brought out by the accident. In order to study the causes of platform sinking, case study is performed the damaged stability of a certain deepwater semi-submersible platform. Cabin compartment scheme is discussed, which can lower the risk of damaged sinking. Some offshore engineering thoughts and oil exploration problems which need attention in the future are put forward.

semi-submersible drilling platform; Deepwater Horizon; stability; explosion accident; sink; oil leakage

2015-11-27

李陽(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事深水浮式平臺結構及水動力分析方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0405-06