深水钻井装置浅水区动力定位方式风险研究.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology dynamic positioning; risks; observation scope; emergency release 基金项目国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究” （编号51434009） 。 作者简介 姜清兆， 1975年生。 2006年毕业于石油大学， 现主要从事海洋钻完井技术和管理工作， 工程师。 电话0755-26022665。 E-mail jiangqzh。 进入 21 世纪， 各大油公司开始进入超深水（作 业水深大于 1 500 m） 区域， 先进的第五代、 第六代大 型深水钻井装置逐渐进入人们的视野， 其超强的环 境适应能力可以在遍布全球海域 3 000 m 甚至 3 500 m水深以内的任何地方作业 ［1-3］ 。 从经济性方面考虑， 业内推荐在水深 1 500 m 范围内使用锚泊定位方式 进行作业， 但从机动性方面考虑， 先进的第五、 六代 深水钻井装置可以高效移动至浅水勘探地区， 节约 了远程作业时间和建井成本， 浅水区作业者通常也 会选用动力定位方式［4］。动力定位平台在浅水区作 173姜清兆等深水钻井装置浅水区动力定位方式风险研究 业存在风险， 作业者需与钻井承包商建立浅水区动 力定位系统安全操作机制。 1 动力定位基本原理 动力定位系统是一种闭环的控制系统， 其采用 推力器来提供抵抗风、 浪、 流等作用在船上的环境 力， 从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置 上， 其定位成本不会随着水深增加而增加， 并且操作 也比较方便。动力定位系统的组成包括 3 个分系统 动力系统、 推力器系统和动力定位控制系统， 基本原 理是利用计算机对采集来的环境参数（风、 浪、 流） ， 根据位置参照系统提供的位置， 自动地进行计算， 控 制各推力器的推力大小， 使船舶保持艏向和船位的 固定。当采用动力定位的深水钻井装置遭遇到强的 环境影响力及动力定位3个系统中某一系统的失效， 或者人为原因的操作失误就会导致钻井装置的漂 移， 给作业带来极大的风险。 2 深水钻井动力定位装置漂移极限 深水钻井动力定位装置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。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。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， 在安全操作范围内对浅水、 深水井完成相同警戒级 别的反应时间使用的方法是相同的， 这种计算根据 钻井装置在普通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确定钻井装置必须安全 解脱条件， 以此反推各阶段的反应时间和相对各阶 段漂移距离。 早在 1974 年， Sedco 445 深水钻井动力定位装 置在 600 m 水深进行作业时， 对装置漂移设定了 3 个阶段。第 1 阶段边界设定装置漂移范围为水深的 3.0， 黄圈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；第 2 阶段边界设定装 置漂移范围为水深的 5.0， 红圈表明隔水管角度不 能保持正常操作范围， 需要立即采取解脱作业， 以避 免人员受伤及对设备环境的损坏；第 3 阶段边界设 定装置漂移范围为水深的 8.7， 蓝圈表明装置在此 处须完成解脱作业， 如果在此处不能完成解脱作业， 将会造成隔水管挠性接头、 伸缩节和张力器等设备 损坏。该以水深为计算依据的方法一直延续到 1995 年， 后来作业者开始逐渐考虑更多的限制因素。 3 隔水管 - 水下井口系统的偏移限制 深水钻井装置通过隔水管系统与水下井口连 接， 隔水管 - 水下井口系统的受力和变形会对深水钻 井装置的漂移产生限制， 在确定漂移极限（断开点， POD） 时， 需要隔水管系统的一些参数， 这些参数可 以用于预测不同波浪流下的系统响应情况。影响漂 移极限的典型限制参数包括隔水管伸缩节和张力器 冲程、 隔水管上部和下部挠性接头转角、 井口头和结 构套管抗弯能力。合适的井口和结构套管可以允许 隔水管 - 井口系统的断开点发生足够大的偏移。钻 井承包商和服务商应通力合作， 确保选择的井口和 结构套管能满足在设计最差工况下的强度和弯矩校 核。在设计计算整个隔水管 - 水下井口系统时考虑 基础设定很重要， 例如分析结构套管时可采用考虑 土壤反应或底部固定的方法， 当采用考虑土壤反应 的方法时， 下部挠性接头角度会有明确降低， 深水钻 井装置漂移范围减小。此外， 分析时采用的是时间 多域法还是准静态方法对结果的产生也很重要， 时 间区域计算表明隔水管顶部的非线性响应（角度和 失效） 不能用准静态分析方法求得。因此， 在浅水的 动力定位钻井时解释清楚以上因素非常重要。 4 浅水环境下漂移分析 漂移分析包括平台漂移范围和时间。图 1 给出 了一个动力定位钻井装置原理上的案例图 1 （a） 提 供了现在的环境方向和深水钻井装置运动朝向， 通 过三轴坐标中时间区间程序去衡量深水钻井装置的 偏离量和漂移速率用以计算其漂移路线。在图 1 中， 注意到起始点是“上环境” 方， 钻机将会在漂移过程 返回到井位正上方。图 1 （b） 是一个把图 1 （a） 用时间 对比于相对井位正中心和定点半径范围位移的二维 表示。隔水管系统的偏斜极限 10.8， 偏离量（相对 于井位正中心） ， 和在动态漂移过程的 180 s。减去应 急解脱反应时间 45 s， 剩余接触红警线的时间为 135 s 对应的隔水管系统偏斜为 6.8。由于环境方向和 强度变化， 范围可以被改变以适应新的情况和确认 各层次的反应时间。 表 1 给出了一个计算警示圈和反应时间与环境 的增量对比的例子， 这个例子说明增加风速时， 相关 联的反应时间的降低。如果要求的应急反应时间为 60 s， 那么当风速达到大约当前环境风速为 35 节时， 不适合继续进行作业， 应尽快做好应急解脱准备工 作。作业区域的风速、 风向变化范围及年度最大概 率性风速须作为设计考虑依据。 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期174 表 1 平台漂移反应时间与风速的关系对比表 风速 / 节 漂移至断开 点时间 /s 反应 时间 /s 红圈漂移范围 / m（ 水深） 备注 1030025525 （8.8）可行 2017713219 （6.7）可行 301207513 （4.7）可行 4092478.8 （3.2）临界状态 5073285.0 （1.8）等待天气 6061162.3 （0.8）等待天气 5 浅水钻井作业风险及应对措施 5.1 存在的风险 （1） 应急反应时间不够。相对于深水井位， 水深 较浅的井位同样的下部挠性接头偏移角度， 船位允 许偏移量将减少；漂移限制中对应的绿圈、 黄圈、 红 圈相对减小， 预解脱和解脱的反应及采取相应措施 可支配的时间都相应减少。如海洋石油 981 平台在 白云某水深小于 700 m 的井位作业时， 经计算得到 的应急反应时间为 49 s， 也就是准备解脱的时间只 有 49 s 可支配。这在一些作业工况下反应时间就不 够， 比如下部钻具过防喷器期间、 下套管期间等。 （2） 增加了应急解脱的几率， 使得复杂情况变得 不可预测， 增加了作业难度， 无形中加大了队伍的操 作压力， 也是潜在的危险源。 （3） 作业过程中也增加了扰性接头和隔水管磨损 的概率。大尺寸井下工具如回收抗磨补心工具、 套 管头等通过防喷器可能损坏防喷器及井下工具。 （4） 应急解脱属于极端情况下的操作， 可以保护 井口、 实现对井的控制， 但是对设备的损坏程度都是 无法预估的。 5.2 应对措施 （1） 获取准确的应急反应时间。深水动力定位钻 井装置在新井位作业时， 需要模拟不同的作业工况 和海洋环境条件下的应急反应时间 ， 并对比钻井装 置在钻进、 下套管和下防喷器组等作业工况下所需 的应急解脱时间， 以确定水深能否满足深水钻井装 置的安全作业要求；（2） 设备选择及系统测试。选用 合适的结构套管， 保证具有足够的强度和抗弯能力， 若套管强度太弱， 最大偏移量将会减少， 同时产生一 个限制性的警戒区， 由于缺乏足够的时间拆卸而导 致作业暂停， 增加了与天气相关的停机时间。对套 管和对井口系统进行核查， 确保满足详细的隔水管 分析。动力系统系统应该进行彻底地检查。建立一 个差分全球定位系统天线， 以确保吊车工作时不会 有信号遮蔽。确保声学定位系统的安装和运作期间 的精度；（3） 建立动力定位安全操作规程。深水动力 定位钻井装置开始作业前， 作业者和装置使用者之 间建立动力定位安全操作规程。动力定位安全操作 规程须明确在平台漂移范围到达限值、 失去动力、 断 电和失去通讯联络等多种情况下的应急操作方案。 6 结论 深水动力定位钻井装置由于其良好的机动性和 环境适应能力， 在某些特定浅水钻井项目中也得到 了应用。为有效克服浅水区水深对动力定位装置漂 移范围和时间的限制， 需要对隔水管 - 水下井口系 统进行合理设计， 以满足在最恶劣工况下水下井口 和结构套管的强度和抗弯能力要求。此外， 获取准 确的应急反应时间、 合适的设备选择及钻前系统测 试和建立动力定位安全操作规程被证明能有效降低 深水动力定位钻井装置在浅水区作业的风险。 参考文献 ［1］ 2H offshore. HYSY981 Drilling riser and conductor analysis report［R］. 2013. ［2］ COSL DP Department. HYSY981 Dynamic positioning operation manual 2.0 ［R］. 2012. ［3］ AMBROSE Bill, KEENER Chip, FARR Dan. Deepwater dynamically positioned drillships-how shallow can they go ［C］. OTC15236. ［4］ Stress Engineering Services. Riser analysis for the west hercules semi-submersible in the South China Sea［R］. 2008. （修改稿收到日期 2014-12-31） 〔编辑 薛改珍〕 图 1 深水钻井动力定位装置漂移分析图