深水鉆井平臺動力定位應(yīng)急解脫系統(tǒng)探析

游堯，陳彬(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

隨著深水動力定位鉆井平臺逐步應(yīng)用于深水油氣資源的勘探開發(fā)，動力定位鉆井平臺的技術(shù)和研究也越來越系統(tǒng)和深入。深水鉆井面臨著復(fù)雜的環(huán)境工況和各種復(fù)雜因素的挑戰(zhàn)，2010年4月墨西哥灣“深水地平線號”鉆井平臺的火災(zāi)爆炸、傾覆漏油事故仍歷歷在目，動力定位平臺性能可靠性及異常情況下應(yīng)急解脫仍需持續(xù)關(guān)注，加強(qiáng)研究。在跟蹤海洋石油981、興旺號(COSL Prospector)在南海實施作業(yè)的基礎(chǔ)上，對深水鉆井動力平臺定位應(yīng)急解脫系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

1 建立動力定位作業(yè)漂移警戒區(qū)

1.1 動力定位基本原理

動力定位系統(tǒng)是一種自動化位置控制系統(tǒng)，采用推進(jìn)器來提供力量抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使得鉆井平臺能夠保持在海面設(shè)定的區(qū)域。其定位成本不會隨作業(yè)水深增加而變化，并且操作方便。

動力定位系統(tǒng)一般由5個部分組成：位置參考系統(tǒng)、傳感器、動力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其基本原理是利用計算機(jī)系統(tǒng)對采集來的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時分析，參照系統(tǒng)設(shè)定的位置，自動計算，控制各推進(jìn)器的推力大小，使平臺設(shè)施保持艏向和船位的固定[1]。

通過提高動力定位系統(tǒng)的冗余度，可以保證平臺不會因為某些設(shè)備失效而發(fā)生位置漂移。

1.2 動力定位平臺作業(yè)漂移警戒區(qū)確定原則

鉆井平臺在各階段的解脫反應(yīng)時間和漂移距離可根據(jù)平臺在常規(guī)環(huán)境下的漂移速度及漂移過程設(shè)備承載、應(yīng)急解脫反應(yīng)時間等計算確定[2-3]。

式(1)～(4)中：D為隔水管系統(tǒng)極限長度(m)；C為隔水管系統(tǒng)垂直長度(m)；P為平臺應(yīng)急解脫線距離設(shè)定井位的范圍(m)；TEDS為平臺應(yīng)急解脫耗時(s)；V為平臺漂移速度(m/s)。

深水鉆井平臺與水下井口系統(tǒng)通過隔水管系統(tǒng)建立連接，深水鉆井平臺的漂移將受隔水管-水下井口系統(tǒng)的受力和變形的限制，影響漂移極限(解脫點(diǎn)，POD)的典型限制參數(shù)主要包括隔水管伸縮節(jié)—張力器沖程、隔水管撓性接頭轉(zhuǎn)角、井口頭及導(dǎo)管抗彎能力。適合的井口頭—隔水導(dǎo)管可帶來隔水管—井口系統(tǒng)的解脫點(diǎn)發(fā)生更大的偏移。作業(yè)前，應(yīng)做好井口—隔水導(dǎo)管系統(tǒng)強(qiáng)度和抗彎能力校核，確保其能夠滿足在預(yù)測最差工況下滿足安全要求。

1.3 動力定位平臺作業(yè)漂移分析

動力定位平臺作業(yè)漂移分析的目的是建立漂移警戒區(qū)，保證隔水管—井口系統(tǒng)在作業(yè)過程中所受的載荷不超出設(shè)計極限，確保平臺在設(shè)備及人員安全的情況下實施隔水管與井口的緊急解脫。

漂移分析的準(zhǔn)則是在基于隔水管系統(tǒng)組件的許用載荷和許用應(yīng)力而計算確定的。隔水管—井口系統(tǒng)的許用載荷是系統(tǒng)所用材料的許用極限乘以安全系數(shù)，井口連接器、LMRP連接器、導(dǎo)管連接器等其余組件的許用載荷通常由制造廠商指定。

分析條件：(1)平臺初始位置位于井口正上方；(2)推進(jìn)器推進(jìn)能力時效；(3)承受風(fēng)、浪、流的共同作用。

鉆井平臺漂移軌跡分析主要包括：(1)發(fā)生漂移后，鉆井平臺—隔水管系統(tǒng)的、靜態(tài)分析；(2)漂移過程中，隔水管系統(tǒng)弱點(diǎn)位置及解脫點(diǎn)分析確定。

漂移過程中，隔水管系統(tǒng)可能發(fā)生的失效形式包括[4]：(1)隔水管本體與船體(月池)發(fā)生碰撞；(2)隔水管張力器/伸縮節(jié)行程超過允許沖程；(3)隔水管撓性接頭轉(zhuǎn)角超出允許值；(4)井口頭所受載荷超出額定值；(5)隔水導(dǎo)管載荷超出額定值；(6)連接器系統(tǒng)(LMRP連接器、井口連接器、導(dǎo)管連接器)所受彎矩超出允許值。

1.4 漂移警戒區(qū)劃分

鉆井作業(yè)過程中，通過以井位投影為中心點(diǎn)設(shè)定不同漂移范圍警戒圈來為平臺裝置動力定位提供指導(dǎo)：

綠色正常區(qū)—正常漂移范圍：平臺在該區(qū)域漂移屬于可接受的位置偏移，能夠滿足正常作業(yè)需求。

黃色警戒區(qū)—警戒漂移范圍：平臺在該區(qū)域，保持位置的能力部分失效，可能需要解脫操作，另外該報警也會因井控異常而從鉆臺發(fā)出；平臺進(jìn)入該區(qū)域后，若存在不可控的漂移趨勢，應(yīng)立即按照應(yīng)急程序或預(yù)案采取應(yīng)急解脫。

紅色警戒區(qū)—警戒漂移范圍：平臺在該區(qū)域，平臺水下設(shè)備隔水管伸縮節(jié)、撓性接頭等水下設(shè)備接近或達(dá)到允許的工作極限，隔水管偏角不能保持正常操作范圍，需要立即執(zhí)行解脫作業(yè)，即為最大允許偏移范圍。紅色警戒線為平臺啟動應(yīng)急解脫程序的最大允許漂移范圍。

藍(lán)色線圈—應(yīng)急解脫圈：平臺在此處須完成解脫作業(yè)，否則將會造成解脫困難或隔水管撓性接頭、伸縮節(jié)、張力器和防噴器等設(shè)備損壞。

作業(yè)井應(yīng)根據(jù)井場調(diào)查報告的水深地貌圖，在開鉆前確定應(yīng)急解脫后平臺撤離路線，以避免出現(xiàn)防噴器碰撞海床事故。

圖1 動力定位鉆井平臺漂移范圍警戒圖

2 應(yīng)急解脫系統(tǒng)

2.1 興旺號平臺、海洋石油981及West Hercules解脫方式

2.1.1 興旺號平臺解脫方式

興旺號鉆井平臺解脫方式分為計劃性解脫和應(yīng)急解脫兩種。計劃性解脫，平臺避臺風(fēng)撤離，或失位但有足夠時間完成井口保護(hù)封隔、關(guān)井等情況按手動解脫模式執(zhí)行。但遇情況緊急時，平臺進(jìn)入編制WSOG的紅色警戒區(qū)時，將立即采取EDS一鍵完成解脫。

興旺號應(yīng)急解脫方式共有以下5種：(1)電動按鈕式控制面板；(2) ROV操作控制解脫；(3)聲納遙控控制解脫；(4) Deadman應(yīng)急關(guān)閉系統(tǒng)，當(dāng)隔水管串和控制管線意外斷裂時自動剪切封井；(5)中控自動解脫系統(tǒng)ADS(automatic disconnect system)，當(dāng)平臺漂移達(dá)到紅圈時，將自動激活實現(xiàn)剪切封井，解鎖井口連接器。

興旺號平臺EDS模式分為剪切模式和空井模式，其區(qū)別在于是否關(guān)閉套管超級剪切閘板，盡可能剪斷防噴器中的鉆具。

2.1.2 海洋石油981平臺及West Hercules解脫方式

海洋石油981平臺及West Hercules應(yīng)急解脫方式相同，共有以下5種：(1)電動按鈕式控制面板；(2) ROV操作控制解脫；(3)聲納遙控控制解脫；(4) Deadman應(yīng)急關(guān)閉系統(tǒng)，當(dāng)隔水管串和控制管線意外斷裂時自動剪切封井；(5)應(yīng)急關(guān)閉系統(tǒng)(emergency hydraulics backup system, EHBS)，當(dāng)平臺失去液電信號后，BOP系統(tǒng)可自動關(guān)井、解脫LMRP。

海洋石油981的EDS模式細(xì)分為3種，EDS1：空井模式；EDS2：剪切模式，該模式下可剪切5-7/8″(149.2 mm)以下鉆桿本體，且具備密封功能；EDS3：套管剪切模式(超級剪切)，該模式下可剪切13-3/8″(330.6 mm)套管及部分鉆桿接頭，不帶密封功能。

2.2 興旺號平臺及海洋石油981應(yīng)急解脫系統(tǒng)的差異

以海洋石油981、興旺號及West Hercules鉆井平臺所作業(yè)的相似水深的井對比，其WSOG數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 海洋石油981與興旺號及West Hercules鉆井平臺WSOG數(shù)據(jù)對比表

3平臺應(yīng)急解脫系統(tǒng)的差異點(diǎn)如下：

(1)海洋石油981和West Hercules作業(yè)水深500～3 000 m，隨著水深增加，平臺失位漂移冗余范圍大；而興旺號平臺作業(yè)水深在1 500 m以內(nèi)，平臺失位漂移冗余范圍小，因此要求EDS反應(yīng)速度更高，應(yīng)急解脫時間比海洋石油981更快。但同深度情況下，因興旺號的EDS時間短，解脫速度快，所以擁有更大的紅圈，而West Hercules 反之有最小的紅圈。也就是說，興旺號擁有更有機(jī)會采取措施恢復(fù)位置。

(2)為爭取到更短的EDS解脫時間，興旺號EDS應(yīng)急解脫后再關(guān)閉鉆桿剪切閘板，實現(xiàn)對井眼密封隔離，而海洋石油981則是先關(guān)閉鉆桿剪切閘板，密封隔離井眼，之后再解脫LMRP。相比而言，興旺號未能及時有效封隔井眼，在解脫過程中，存在井筒內(nèi)油氣溢出的風(fēng)險，尤其在深水井測試作業(yè)過程中。

(3)另外3個平臺都采用NOV的BOP，但海洋石油981和West Hercules采用的是電液控制，而興旺號僅為液控方式，可靠性也不如另外兩個平臺，但成本要下降很多。

2.3 南海東部深水井作業(yè)情況分析

海洋石油981、興旺號及West Hercules鉆井平臺三艘平臺在南海東部海域已作業(yè)40余口深水井，作業(yè)水深為689～2 454 m；通過對南海東部近年來作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計，并選取其中5口作業(yè)井(如圖2所示)進(jìn)行分析：(1)在統(tǒng)計的深水井作業(yè)過程中，均未出現(xiàn)平臺漂移失控的情況；(2)作業(yè)水深在自850～2 500 m左右，隨著水深的增加，允許的漂移距離隨之增加，因此對于深水鉆井平臺，作業(yè)水深越深，平臺定位能力的要求越低；反之，作業(yè)水深越淺，對平臺定位能力的要求越高。

圖2 南海東部深水井作業(yè)水深與漂移距離關(guān)系圖

3 結(jié)語

鉆井作業(yè)時通過在以井位為中心設(shè)定多組漂移范圍警戒圈來指導(dǎo)平臺動力定位作業(yè)：(1)深水鉆井平臺動力定位失控漂移的潛在風(fēng)險和危害非常大，對動力定位的基本原理進(jìn)行全面分析，建立作業(yè)過程中漂移范圍警戒圈對平臺動力定位具有重要的指導(dǎo)意義。(2)對比分析海洋石油981，West Hercules和興旺號平臺應(yīng)急解脫系統(tǒng)，不僅能為深水鉆井平臺的選擇提供重要依據(jù)，更能指導(dǎo)和幫助現(xiàn)場管理人員和操作人員順利應(yīng)對平臺失控漂移等情況，建議結(jié)合作業(yè)平臺操作手冊，制定詳細(xì)的應(yīng)急解脫操作程序。(3)在選擇深水鉆井平臺時，應(yīng)將動力定位應(yīng)急解脫系統(tǒng)作為一項重要的安全考核參數(shù)，特別是應(yīng)急解脫方式的可靠性及冗余度。