動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南的分析與計(jì)算

李文華，王冬石，顏波，蓋鳳喜，陳海泉

（1.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 大連 116026；2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 廊坊 065201）

動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南的分析與計(jì)算

李文華1，王冬石2，顏波2，蓋鳳喜2，陳海泉1

（1.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 大連 116026；2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 廊坊 065201）

動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)已逐步被廣泛應(yīng)用于深水和超深水油氣資源的勘探開發(fā)。由于面臨復(fù)雜的海洋環(huán)境和作業(yè)環(huán)境，鉆井平臺(tái)可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力定位失效移位的緊急情況。文章在分析井口作業(yè)指南發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，基于國際上對(duì)井口作業(yè)指南的要求，研究鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效移位模式并對(duì)其進(jìn)行分析，建立鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南紅色界限值的計(jì)算方法，并自主開發(fā)相應(yīng)計(jì)算軟件；該軟件可對(duì)鉆井平臺(tái)紅色界限值、黃色界限值和警告界限值進(jìn)行全面計(jì)算，完善井口作業(yè)指南，保證深水動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全。

動(dòng)力定位；鉆井平臺(tái)；井口作業(yè)指南；油氣開采；海洋工程；裝備技術(shù)

1 井口作業(yè)指南的發(fā)展歷史

井口作業(yè)指南（well specific operating guidelines，W S O G）是用來明確在發(fā)生某些變化的情況下，定位師（dynamic positioning operator，D P O）應(yīng)采取的措施以保障動(dòng)力定位（ddyna mic positioning，D P）系統(tǒng)的定位能力，同時(shí)也作為D P O的主要?jiǎng)恿Χㄎ粦?yīng)急響應(yīng)文件和“準(zhǔn)備-估計(jì)檢查清單”加以使用，在動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)上有時(shí)也被稱為具體活動(dòng)作業(yè)指南（activity specific operating guidelines，A S O G）［1］。

1982年第一個(gè)半正式的D P井口作業(yè)指南由英國能源部發(fā)布，強(qiáng)調(diào)對(duì)D P鉆井平臺(tái)有效操作范圍進(jìn)行定義的必要性。W S O G的正式使用始于20世紀(jì)90年代末，其在1997—1998年的海洋聯(lián)盟活動(dòng)中被首次發(fā)布。2004年殼牌公司將A S O G引入到工程船，目前W S O G／A S O G已經(jīng)被應(yīng)用到所有D P船舶和D P鉆井平臺(tái)。巴西石油公司在1995年引入W S O G的概念之一是所有D P鉆井平臺(tái)的降級(jí)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，如今降級(jí)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在D P鉆井平臺(tái)、D P生產(chǎn)平臺(tái)和D P穿梭油輪上廣泛使用。2010年海洋技術(shù)協(xié)會(huì)（M arineTechnology Society，M T S）在發(fā)布D P操作指南時(shí)首次提出將W S O G／A S O G作為國際行業(yè)指南的一部分。2000年挪威國家石油公司首次將W S O G作為其內(nèi)部程序部分引進(jìn)使用。此后W S O G／A S O G已被列入幾個(gè)石油巨頭的D P程序，如殼牌、BP和雪佛龍等［2-6］。

2 國際行業(yè)規(guī)范對(duì)井口作業(yè)指南的要求

國際海事承包商協(xié)會(huì)（International M arine Contractors Association，I M C A）于2012年發(fā)布“操作活動(dòng)計(jì)劃指南”（I M C A M 220 guidance on operational activity planning），該指南要求對(duì)于進(jìn)行具體操作的D P船舶，A S O G應(yīng)當(dāng)為其定義操作、環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)限制以及每一個(gè)活動(dòng)和位置開發(fā)［7］。

A S O G一般包括4種狀態(tài)，即綠色、藍(lán)色、黃色和紅色。其中，綠色定義為正常操作，即所有系統(tǒng)功能完整并在性能極限內(nèi)運(yùn)行；相應(yīng)反應(yīng)為開始或繼續(xù)D P操作必須滿足綠色欄中的條件。藍(lán)色定義為警告狀態(tài)，即達(dá)到性能極限或可報(bào)警狀態(tài)，可以繼續(xù)運(yùn)行但應(yīng)同時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，故障已經(jīng)發(fā)生但未影響D P冗余；相應(yīng)反應(yīng)為進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來決定是否繼續(xù)、改變位置或停止操作。黃色定義為降低狀態(tài)，即達(dá)到預(yù)定性能極限，元件或系統(tǒng)由于冗余損失發(fā)生故障，船舶失去冗余但仍能保持位置；相應(yīng)反應(yīng)為停止運(yùn)行并開啟意外事故程序，減少斷開連接的準(zhǔn)備時(shí)間，在船舶重新獲得冗余或?qū)λ酗L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分評(píng)估，以確定其是否達(dá)到可接受的具備折中冗余恢復(fù)操作之前，不可重新運(yùn)行。紅色定義為緊急狀態(tài)，即超過預(yù)定的運(yùn)行或性能極限，元件或系統(tǒng)由于失去控制或位置發(fā)生故障；相應(yīng)反應(yīng)為放棄操作并立即采取行動(dòng)，如開啟應(yīng)急斷開連接程序，以確保人員、環(huán)境、操作和船舶安全，將船舶移動(dòng)至安全地點(diǎn)，在完成全面調(diào)查并對(duì)故障進(jìn)行處理和測(cè)試之前，不可重新開始D P運(yùn)行。

M T S于2012年發(fā)布“活動(dòng)操作計(jì)劃”（activity operational planning，A O P），詳細(xì)規(guī)定：當(dāng)D P船舶／平臺(tái)在井口工作時(shí)的有關(guān)操作、環(huán)境和設(shè)備性能的具體要求［8］。D N V G L集團(tuán)于2015年7月發(fā)布的“《動(dòng)力定位系統(tǒng)——操作指南》推薦做法”（D N V G L-R P-E307，reco m mended practice dyna mic positioning systems-operation guidance，）對(duì)W S O G提出要求［9］。美國船級(jí)社（A merican Bureau of Shipping，A BS）于2015年9月發(fā)布的《動(dòng)力定位系統(tǒng)指南》也提到W S O G［10］。

3 鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效移位模式

移位（loss of position，L O P）是指船舶無法維持其所需的位置。對(duì)于D P操作來說有兩個(gè)主要的故障模式，即驅(qū)離（drive off）和漂移（drift off），這兩種情況都可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)后果。無鉆柱安全斷開的L O P可能導(dǎo)致井屏障以及暴露在水下的設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，最終的結(jié)果可能是井噴以及海底生產(chǎn)系統(tǒng)（如生產(chǎn)模塊）的嚴(yán)重?fù)p壞，從而導(dǎo)致人員傷害、環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失。此外，與附近的船舶發(fā)生碰撞也是潛在后果之一。

驅(qū)離是指船舶在動(dòng)力的作用下從預(yù)設(shè)的位置移走，可以在全功率時(shí)發(fā)生。驅(qū)離是D P系統(tǒng)接受錯(cuò)誤的位置信息輸入，并試圖通過利用其推進(jìn)器來糾正，原因包括位置參考系統(tǒng)、推進(jìn)器、風(fēng)傳感器、D P計(jì)算機(jī)的故障以及操作人員的失誤。

漂移是指電力喪失引起的船舶在當(dāng)時(shí)環(huán)境作用下離開位置。漂移使船舶的推力不足以保持位置，主要由于全部斷電、部分?jǐn)嚯?、推進(jìn)器損失、不正確的推進(jìn)指令以及外力（如環(huán)境）。漂移停止前船舶移動(dòng)的

距離取決于船舶正在經(jīng)受的力和導(dǎo)致漂移的問題多久得到解決。當(dāng)DP系統(tǒng)不能保持位置時(shí)，力將被轉(zhuǎn)移到連接井口的隔水管，這將造成大量的拉力和水平力（因?yàn)殂@機(jī)的偏移量），從而可能破壞鉆井。

4 鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效移位

鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效移位的范圍主要有3種情形（圖1）［11］。

圖1 動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)失效移位示意

綠色區(qū)域內(nèi)為可接受的位置偏離，是正常工作時(shí)允許偏離的理想位置區(qū)域，保持在此區(qū)域內(nèi)的偏移為正常偏移。通常指水平偏移半徑為水深的3.5%以內(nèi)、偏角為2°，正常的鉆井作業(yè)可以進(jìn)行［12］。

黃色界限區(qū)為作業(yè)受限的位置偏移區(qū)，平臺(tái)位置在此區(qū)域時(shí)，可能造成起下鉆困難和摩擦阻力增加，或?qū)е裸@具與隔水管偏磨等情況。通常指水平偏移半徑為水深的3.5%～5%、偏角為3°，屬于需隨時(shí)做好應(yīng)急解脫的階段。一旦進(jìn)入此偏移區(qū)域，需根據(jù)漂移趨勢(shì)和可控范圍決定是否立即按照應(yīng)急程序或預(yù)案采取應(yīng)急解脫，且必須在達(dá)到紅色界限警報(bào)前完成應(yīng)急準(zhǔn)備程序，直接由現(xiàn)場(chǎng)指定人員操作。應(yīng)急解脫黃色警報(bào)準(zhǔn)備程序?yàn)椋孩佼?dāng)正在鉆井時(shí)，停泵，上提鉆具到合適位置，調(diào)整補(bǔ)償器位置，關(guān)閉鉆桿閘板，等待下步命令；②當(dāng)鉆鋌過防噴器時(shí)，關(guān)閉萬能防噴器，使鉆具不下滑，如果上提能使鉆頭離開防噴器，最好上提鉆具；③當(dāng)套管過防噴器時(shí)，需要考慮剪切閘板能力，如有能力剪切則關(guān)閉防噴器，使套管不下滑并等待下步命令，如無能力剪切，則按照鉆鋌過防噴器的方法操作［12］。

紅色界限區(qū)為平臺(tái)偏離井位中心接近或達(dá)到水下設(shè)備（隔水管撓性接頭等）允許的工作極限區(qū)域，即最大允許偏移量。最大允許偏移量是水下設(shè)備能夠被解脫時(shí)的最大允許偏移角度，通常指水平偏移半徑為水深的5%～7%、偏角為4°，屬于應(yīng)立即采取應(yīng)急解脫措施的狀況［12］，否則可能導(dǎo)致應(yīng)急解脫失效而損壞井口和防噴器組等現(xiàn)象發(fā)生。一旦按下應(yīng)急解脫按鈕，則應(yīng)急解脫動(dòng)作自動(dòng)完成。

5 鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南紅色界限的計(jì)算

W S O G中的紅色界限值是重要數(shù)據(jù)。根據(jù)隔水管系統(tǒng)與水下井口解脫時(shí)的物理極限計(jì)算該值，并開發(fā)相應(yīng)計(jì)算軟件（圖2和圖3）。

圖2 鉆井平臺(tái)井口數(shù)據(jù)

圖3 鉆井平臺(tái)伸縮接頭

已知條件為：①鉆井平臺(tái)作業(yè)水深h1，單位為m；②下部隔水管總成解脫需要時(shí)間t1，單位為s；③最大隔水管角度β，單位為°；④伸縮接頭長度h2，

單位為m；⑤最大升沉量h3，單位為m；⑥潮汐（幅度）h4，單位為m；⑦D P O記錄斷電后環(huán)境作用力使鉆井平臺(tái)產(chǎn)生漂移的數(shù)據(jù)，并繪制漂移曲線；⑧D P O記錄推進(jìn)器全部在最大推力下運(yùn)行，停止30 s后開始記錄驅(qū)離的數(shù)據(jù)，并繪制驅(qū)離曲線。

根據(jù)漂移曲線和驅(qū)離曲線，分別計(jì)算下面3種輸出結(jié)果，并且可以對(duì)這兩種結(jié)果進(jìn)行比較，紅色界限值h紅取兩種情況中較小者作為最壞的情況。開發(fā)軟件計(jì)算輸出結(jié)果為：①紅色界限值（red status）h紅，單位為m；②黃色界限值（yellow status）h黃，單位為m；③警告界限值（advisory）h警，單位為m。

分別根據(jù)最大隔水管角度β和可獲得的最大伸縮接頭行程h5求得h解1和h解2值，為安全考慮，取二者中較小者，即可求得解脫隔水管時(shí)平臺(tái)離開設(shè)定井位的距離h解。

根據(jù)h解分別從漂移曲線和驅(qū)離曲線中查找對(duì)應(yīng)時(shí)間t2（單位：s），t2減去下部隔水管總成解脫需要時(shí)間t1可獲得時(shí)間t3，根據(jù)時(shí)間t3分別從漂移曲線和驅(qū)離曲線中查找對(duì)應(yīng)的漂移距離即紅色界限值h紅。

黃色警戒線距離設(shè)定井位范圍可根據(jù)隔水管撓性接頭轉(zhuǎn)角為2°求得，或根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)取紅色警戒線距離設(shè)定井位范圍的60%，二者取較小值［13］。

6 結(jié)論

目前動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南紅色界限值的計(jì)算需委托國外專業(yè)公司分析進(jìn)行，但計(jì)算過程保密、結(jié)果考慮不全。本文在分析國際行業(yè)對(duì)井口作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，分析鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效移位模式，建立鉆井平臺(tái)井口作業(yè)指南紅色界限值的計(jì)算方法，并自主開發(fā)相應(yīng)計(jì)算軟件；該軟件可對(duì)鉆井平臺(tái)紅色界限值、黃色界限值和警告界限值進(jìn)行全面的計(jì)算，完善井口作業(yè)指南，保證深水動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全。

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Analysis and Calculation of the W ell Specific Operating Guidelines for the Dynamic Positioning Drilling Platform

LI W enhua1，W A N G Dongshi2，Y A N Bo2，G AI Fengxi2，C H E N H aiquan1
（1.Department of M arine Engineering，Dalian M aritime U niversity，Dalian 116026，China；2.China Oilfield Services Ltd.，Langfang 065201，China）

Dynamic positioning drilling platform has been widely used in deep-water and ultradeep-water oil and gas resources exploration and develop ment.Facing with co m plex ocean environ ment and working environ ment，loss of position emergency might occur in the drilling platform.O n the basis of the analysis of the history and requirements of well specific operating guidelines，the paper studied the failure m ode of positioning loss in drilling platform dyna mic positioning，established red limit calculation method for the drilling platformwell specific operating guidelines，and developed the corresponding software，w hich can calculate the value of red limit，yellow limit and advisory limit of drilling platform.It has im proved the well specific operating guidelines to ensure the safe operation of deep-water dyna mically positioned drilling platform.

Dynamic positioning，Drilling platform，W ell specific operating guidelines，Oil and gas exploitation，Ocean engineering，Equip ment technology

U66；P7

A

1005-9857（2016）11-0044-04

2016-06-30；

2016-09-27

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（3132016344，3132016356，3132016345）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015020132）.

李文華，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ萄b備與動(dòng)力定位，電子信箱：liwenhua992＠aliyun.co m