深水钻井动力定位平台允许漂移范围分析.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Engineering Technology Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology dynamic positioning; water circles; drift; emergency release; specific operating rules 基金项目国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究” （编号2011ZX05026-001-04） ；国家自然科学基金海洋深水浅层 钻井关键技术基础理论研究（编号51434009） 资助。 作者简介寇贝贝， 1983 年生。2007 年毕业于西南石油大学石油工程学院， 现主要从事深水钻完井现场作业及陆地技术研究工作。深 水钻完井总监。电话0755-26022421。E-mailkoubb。 深水井面临恶劣的环境工况和复杂的作业工 况， 深水钻井动力定位平台允许漂移范围是影响作 业安全的关键参数， 也是平台特定操作规程 （WSOG） 中的重要部分， 每口井在作业前都必须计算平台允 许漂移范围， 由平台经理及业主代表共同签字后 生效。目前， 对于深水钻井动力定位平台允许漂 移范围的确定需委托国外专业公司计算提供［1-4］， 国内文献对深水钻井平台动力定位系统和应急解 脱方案做了介绍［5-6］。在跟踪分析南海多个深水 钻井动力定位平台作业实践基础上， 如西方大力 神（West Hercules） 、 西方水瓶座（West Aquarius）和 HYSY981， 分析了南海深水钻井平台动力定位作业 37寇贝贝等深水钻井动力定位平台允许漂移范围分析 风险， 结合隔水管系统物理作业极限、 应急解脱模式 和平台漂移速度模拟试验数据， 推导了允许漂移范 围的计算方法。 1 南海深水钻井动力定位平台作业风险 1.1 台风 每年 610 月为南海台风频发期。2009 年， 西方 大力神平台在荔湾作业区因巨爵台风造成隔水管底 部总成搁浅， 造成了高达 5 000 万美元的经济损失。 2012 年， HYSY981 平台前期作业的 4 口深水井遭遇 了 6 次台风袭扰， 影响作业时间近 1 个月。深水钻 井动力定位平台在遭遇台风时应做到多方收集气象 预报、 连续跟踪台风预报路径、 严格监测、 避开台风 危险区， 及时解脱并回收隔水管及水下装置， 合理使 用发电机及推进系统、 避免系统连续满负荷运转。 1.2 内波流 深水钻井平台遭遇内波流时动力定位平台系统 反应时间有一定的延迟， 内波流离开时动力定位系 统对反应时间有一定的滞后， 会造成平台位置漂移。 2012 年深水井作业期间最大的一次内波流发生在南 海某井， 流速达到 2.22 m/h， 致使平台漂移范围达 4.9 m。深水钻井动力定位平台作业时应使用各种手段 包括内波流监测仪、 雷达及视觉等预先发现内波流 及其强度， 将所有柴油发电机设置在“自动启动” 作 为发电机管理的一个设置标准以应付没有发现的内 波流， 遭遇内波流时调整平台艏向正对内波流， 并应 预先启动全部推进器和发电机， 同时要通知相关各 方以采取必要后续行动， 根据强度决定是否进入紧 急状态， 暂停拖轮靠泊、 直升机降落等作业。 1.3 飑 气象学上指风向突然改变， 风速急剧增大。飑 出现时， 气温下降， 并可能有阵雨， 是南海一种常见 的剧烈天气模式， 类似小气旋， 如处理不当平台可能 失去船位。深水钻井动力定位平台作业遭遇飑时应 执行严格的瞭望， 注意风速仪工作状况， 停止直升机 及靠泊等相关作业， 调整合适的平台艏向并启动全 部发电机及推进系统， 做好解脱准备。 2 平台允许漂移范围 深水钻井动力定位平台发生漂移由海洋环境 或自身设备情况引起， 出现强大的自然力或平台断 电、 推进器和动力定位系统失效时， 平台将会发生 失控漂移。深水钻井作业对平台定位要求高， 如 HYSY981 平台在一般天气状况下（风速 12.86 m/s、 流速 1.03 m/s） 定位能力在 2 m 范围内， 大的漂移范 围将对钻井作业带来防喷器组和张力器系统损坏、 无法解脱井口、 井口损坏和油井失控等安全风险。 2.1 深水钻井动力定位平台作业漂移警戒区划分 如图 1 所示， 深水钻井作业时以井位为中心设 定多组漂移范围报警圈， 指导平台动力定位作业。 图 1 深水钻井动力定位平台漂移范围警戒圈 绿圈为正常钻井作业允许的平台漂移范围， 绿 圈边界为作业预警线， 表明平台位置可以保持， 但系 统设备或外界环境存在一定问题， 事态的进一步发 展可能导致作业状态的改变， 处于预警状态；黄圈 为黄色警戒漂移范围， 表明动力定位已失去部分保 持位置的能力， 非常可能需要解脱操作， 另外这个报 警也可能因井控不正常而从钻台发出， 平台进入黄 色作业警戒区后， 如果漂移趋势存在不可控的情况， 需立即按照应急程序或预案采取应急解脱， 在达到 红色警戒线前完成应急准备程序。红圈为红色警戒 漂移范围， 平台偏离井位中心接近或达到水下设备 （隔水管挠性接头等） 允许的工作极限区域， 隔水管角 度不能保持正常操作范围， 而需要立即采取解脱作 业， 以避免人员受伤及对设备的损坏。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 色线圈为平台应急解脱线， 即平台在此处须完成解 脱作业， 否则将会造成隔水管挠性接头、 伸缩节和张 力器等设备损坏。 2.2 平台不同警戒区域允许漂移范围计算 根据隔水管系统与水下井口解脱时的物理极限 计算平台应急解脱完成时距离设定井位的范围。 图 2 为平台允许偏移范围计算示意图， 设井位 中心为 O， 作业处水深为 A， 防喷器组高度为 B， 隔水 管系统长度 CA–6， 隔水管系统伸缩节设定可伸缩 长度为 d， 隔水管系统极限长度为 DCd， 底部挠性 接头转角为 β， 平台应急解脱线距离设定井位范围为 P， 平台从开始解脱至解脱完成的应急解脱漂移距离 为 F， 红色警戒线距离设定井位范围为 E， 黄色警戒 线距离设定井位范围为 G， 作业预警线距离设定井 位范围为 I。计算中长度单位为 m， 角度单位为 。 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期38 图 2 平台允许偏移范围计算示意图 分别根据挠性接头极限转角和隔水管系统极限 长度求得 P1和 P2值， 为安全考虑， P 取两者中较小 者， 即可求得平台应急解脱线距离设定井位范围 PDC 1 22 − （1） PC 2 tanβ （2） PP P min , 12 （3） 由图 2 可知， 红色警戒线距离设定井位范围可 由平台应急解脱线距离设定井位范围与平台从开始 解脱至解脱完成的应急解脱漂移距离的差值求得， 即 EP–F。 FTV EDS （4） 式中， TEDS为平台应急解脱耗时， s， 由平台提供； V 为平台漂移速度， m/s， 由平台模拟试验或模拟计算 提供。 黄色警戒线距离设定井位范围可根据挠性接头 转角为 2 求得， 或根据作业经验取为红色警戒线距 离设定井位范围的 60 GC 1 2tan （5） GE 2 0 6 . （6） GG G min, 12 （7） 绿色警戒线距离设定井位范围可根据作业经验 取为黄色警戒线距离设定井位范围的 60 IG0 6 . （8） 3 实例分析 深水钻井动力定位平台不同警戒区域允许漂移 范围计算方法已在 West Hercules 和 HYSY981 等平 台数十口深水井作业中得到了成功应用。 实例井是 HYSY981 平台在南海东部区域钻探 的一口预探井， 距离香港东南约 285 km， 水深 1 300 m。平台提供的隔水管系统伸缩节设定可伸缩范围 为 4.5 m， 底部挠性接头极限转角为 6 ， 实施应急解 脱程序耗时为 46 s。采用文中计算方法得到的结果 和国外专业公司提供的结果见表 1。 表 1 平台漂移速度模拟试验数据 平台漂移警戒圈绿圈 /m 黄圈 /m 红圈 /m解脱点 /m 文中计算结果13.026.044.0107.1 国外专业公司结果 未提供21.044.088.0 对比两者的计算结果可知， 红色警戒线距离设 定井位范围的计算结果相同， 国外公司提供的结果 中没有考虑平台绿色漂移警戒圈范围。HYSY981 平台在 WSOG 中采纳了实用计算方法的分析结果。 该井实际作业中未发生平台动力定位报警险情， 有 效地保证了深水井作业安全。 4 结论及建议 （1） 深水钻井动力定位平台允许漂移范围是关系 到深水钻井应急解脱作业的关键参数， 尤其是我国 南海深水海域台风、 内波流和飑频发， 给动力定位平 台带来了极大的作业风险。文中分析的动力定位平 台允许漂移范围计算方法可对平台解脱极限范围、 红圈、 黄圈和绿圈允许漂移范围进行全面分析计算。 （2） 深水钻井平台发生失控漂移的潜在风险和安 全危害巨大， 允许漂移范围的计算仅仅是深水井特 定操作规程中的一环， 在对平台潜在漂移风险分析 时需对防喷器 - 隔水管系统、 供电系统、 推进器和通 讯系统失效进行全面考虑， 以确保深水钻井平台定 位作业的安全。 参考文献 ［1］ Stress Engineering Services. Riser analysis for the west hercules semi-submersible in the South China Sea［R］. 2008. ［2］ Mcskenny. Seadrill west aquarius chevron Liwan well study report［R］. 2011. ［3］ Archer. CNOOC HYSY 981 riser management plan［R］. 2013 ［4］ 2H offshore. HYSY981 drilling riser and conductor analysis report［R］. 2013. ［5］ 沈雁松， 赵立中 . 海洋动力定位钻井平台失控漂移的 安全应急处置对策［J］. 钻采工艺 . 2013， 36 （1） 118- 120. ［6］ 周俊昌 . 海洋深水钻井隔水管系统分析［D］. 成都 西南石油大学， 2001. （收稿日期 2014-12-29） 〔编辑 薛改珍〕