姜清兆　張新平　張星星　嚴　德　張玉山　趙維青（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水鉆井裝置淺水區(qū)動力定位方式風險研究

姜清兆1張新平1張星星2嚴德2張玉山2趙維青2
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳518067）

當今世界上先進的深水鉆完井裝置具有錨泊及動力定位2種方式作業(yè)能力，業(yè)內(nèi)推薦做法為水深小于1 500 m都可以使用錨泊方式定位，對于動力定位方式在淺水區(qū)的適應性和風險則缺少分析。通過對動力定位方式的原理及其漂移限制進行論述，包括了淺水定位的理論限制以及規(guī)避風險的措施，提出如何設定觀察圈范圍及淺水作業(yè)使用動力定位方式時應考慮因素、作業(yè)風險及應對措施，除了環(huán)境及深水鉆井裝置應急解脫時間影響因素外，還將考慮隔水管系統(tǒng)極限、水下井口和結構套管強度、通訊系統(tǒng)、定位傳感器系統(tǒng)等影響因素，應對措施包括井口設備選擇、隔水管系統(tǒng)分析、人員交流培訓和使用者和承包商協(xié)議等，對淺水區(qū)使用定位方式作業(yè)有一定的指導意義。

深水；動力定位；風險；觀察圈；應急解脫

進入21世紀，各大油公司開始進入超深水（作業(yè)水深大于1 500 m）區(qū)域，先進的第五代、第六代大型深水鉆井裝置逐漸進入人們的視野，其超強的環(huán)境適應能力可以在遍布全球海域3 000 m甚至3 500 m水深以內(nèi)的任何地方作業(yè)［1-3］。從經(jīng)濟性方面考慮，業(yè)內(nèi)推薦在水深1 500 m范圍內(nèi)使用錨泊定位方式進行作業(yè)，但從機動性方面考慮，先進的第五、六代深水鉆井裝置可以高效移動至淺水勘探地區(qū)，節(jié)約了遠程作業(yè)時間和建井成本，淺水區(qū)作業(yè)者通常也會選用動力定位方式［4］。動力定位平臺在淺水區(qū)作業(yè)存在風險，作業(yè)者需與鉆井承包商建立淺水區(qū)動力定位系統(tǒng)安全操作機制。

1　動力定位基本原理

動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其采用推力器來提供抵抗風、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上，其定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。動力定位系統(tǒng)的組成包括3個分系統(tǒng)：動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)，基本原理是利用計算機對采集來的環(huán)境參數(shù)（風、浪、流），根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置，自動地進行計算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的固定。當采用動力定位的深水鉆井裝置遭遇到強的環(huán)境影響力及動力定位3個系統(tǒng)中某一系統(tǒng)的失效，或者人為原因的操作失誤就會導致鉆井裝置的漂移，給作業(yè)帶來極大的風險。

2　深水鉆井動力定位裝置漂移極限

深水鉆井動力定位裝置發(fā)生漂移由海洋環(huán)境或自身設備情況引起，出現(xiàn)強大的自然力或平臺斷電、推進器和動力定位系統(tǒng)失效時，平臺將會發(fā)生失控漂移。大的漂移范圍將對鉆井作業(yè)帶來防噴器組和張力器系統(tǒng)損壞、無法解脫井口、井口損壞和油井失控等安全風險。鉆井作業(yè)時通過在以井位為中心設定多組漂移范圍警戒圈來指導平臺動力定位作業(yè)，在安全操作范圍內(nèi)對淺水、深水井完成相同警戒級別的反應時間使用的方法是相同的，這種計算根據(jù)鉆井裝置在普通環(huán)境下的漂移速度及漂移過程設備承載、應急解脫反應時間等確定鉆井裝置必須安全解脫條件，以此反推各階段的反應時間和相對各階段漂移距離。

早在1974年，Sedco 445深水鉆井動力定位裝置在600 m水深進行作業(yè)時，對裝置漂移設定了3個階段。第1階段邊界設定裝置漂移范圍為水深的3.0%，黃圈表明動力定位已失去部分保持位置的能力，非?？赡苄枰饷摬僮?；第2階段邊界設定裝置漂移范圍為水深的5.0%，紅圈表明隔水管角度不能保持正常操作范圍，需要立即采取解脫作業(yè)，以避免人員受傷及對設備環(huán)境的損壞；第3階段邊界設定裝置漂移范圍為水深的8.7%，藍圈表明裝置在此處須完成解脫作業(yè)，如果在此處不能完成解脫作業(yè)，將會造成隔水管撓性接頭、伸縮節(jié)和張力器等設備損壞。該以水深為計算依據(jù)的方法一直延續(xù)到1995年，后來作業(yè)者開始逐漸考慮更多的限制因素。

3　隔水管-水下井口系統(tǒng)的偏移限制

深水鉆井裝置通過隔水管系統(tǒng)與水下井口連接，隔水管-水下井口系統(tǒng)的受力和變形會對深水鉆井裝置的漂移產(chǎn)生限制，在確定漂移極限（斷開點，POD）時，需要隔水管系統(tǒng)的一些參數(shù)，這些參數(shù)可以用于預測不同波浪流下的系統(tǒng)響應情況。影響漂移極限的典型限制參數(shù)包括隔水管伸縮節(jié)和張力器沖程、隔水管上部和下部撓性接頭轉(zhuǎn)角、井口頭和結構套管抗彎能力。合適的井口和結構套管可以允許隔水管-井口系統(tǒng)的斷開點發(fā)生足夠大的偏移。鉆井承包商和服務商應通力合作，確保選擇的井口和結構套管能滿足在設計最差工況下的強度和彎矩校核。在設計計算整個隔水管-水下井口系統(tǒng)時考慮基礎設定很重要，例如分析結構套管時可采用考慮土壤反應或底部固定的方法，當采用考慮土壤反應的方法時，下部撓性接頭角度會有明確降低，深水鉆井裝置漂移范圍減小。此外，分析時采用的是時間多域法還是準靜態(tài)方法對結果的產(chǎn)生也很重要，時間區(qū)域計算表明隔水管頂部的非線性響應（角度和失效）不能用準靜態(tài)分析方法求得。因此，在淺水的動力定位鉆井時解釋清楚以上因素非常重要。

4　淺水環(huán)境下漂移分析

漂移分析包括平臺漂移范圍和時間。圖1給出了一個動力定位鉆井裝置原理上的案例：圖1（a）提供了現(xiàn)在的環(huán)境方向和深水鉆井裝置運動朝向，通過三軸坐標中時間區(qū)間程序去衡量深水鉆井裝置的偏離量和漂移速率用以計算其漂移路線。在圖1中，注意到起始點是“上環(huán)境”方，鉆機將會在漂移過程返回到井位正上方。圖1（b）是一個把圖1（a）用時間對比于相對井位正中心和定點半徑范圍位移的二維表示。隔水管系統(tǒng)的偏斜極限10.8%，偏離量（相對于井位正中心），和在動態(tài)漂移過程的180 s。減去應急解脫反應時間45 s，剩余接觸紅警線的時間為135 s對應的隔水管系統(tǒng)偏斜為6.8%。由于環(huán)境方向和強度變化，范圍可以被改變以適應新的情況和確認各層次的反應時間。

表1給出了一個計算警示圈和反應時間與環(huán)境的增量對比的例子，這個例子說明增加風速時，相關聯(lián)的反應時間的降低。如果要求的應急反應時間為60 s，那么當風速達到大約當前環(huán)境風速為35節(jié)時，不適合繼續(xù)進行作業(yè)，應盡快做好應急解脫準備工作。作業(yè)區(qū)域的風速、風向變化范圍及年度最大概率性風速須作為設計考慮依據(jù)。

圖1　深水鉆井動力定位裝置漂移分析圖

表1　平臺漂移反應時間與風速的關系對比表

5　淺水鉆井作業(yè)風險及應對措施

5.1存在的風險

（1）應急反應時間不夠。相對于深水井位，水深較淺的井位同樣的下部撓性接頭偏移角度，船位允許偏移量將減少；漂移限制中對應的綠圈、黃圈、紅圈相對減小，預解脫和解脫的反應及采取相應措施可支配的時間都相應減少。如海洋石油981平臺在白云某水深小于700 m的井位作業(yè)時，經(jīng)計算得到的應急反應時間為49 s，也就是準備解脫的時間只有49 s可支配。這在一些作業(yè)工況下反應時間就不夠，比如下部鉆具過防噴器期間、下套管期間等。

（2）增加了應急解脫的幾率，使得復雜情況變得不可預測，增加了作業(yè)難度，無形中加大了隊伍的操作壓力，也是潛在的危險源。

（3）作業(yè)過程中也增加了擾性接頭和隔水管磨損的概率。大尺寸井下工具如回收抗磨補心工具、套管頭等通過防噴器可能損壞防噴器及井下工具。

（4）應急解脫屬于極端情況下的操作，可以保護井口、實現(xiàn)對井的控制，但是對設備的損壞程度都是無法預估的。

5.2應對措施

（1）獲取準確的應急反應時間。深水動力定位鉆井裝置在新井位作業(yè)時，需要模擬不同的作業(yè)工況和海洋環(huán)境條件下的應急反應時間 ，并對比鉆井裝置在鉆進、下套管和下防噴器組等作業(yè)工況下所需的應急解脫時間，以確定水深能否滿足深水鉆井裝置的安全作業(yè)要求；（2）設備選擇及系統(tǒng)測試。選用合適的結構套管，保證具有足夠的強度和抗彎能力，若套管強度太弱，最大偏移量將會減少，同時產(chǎn)生一個限制性的警戒區(qū)，由于缺乏足夠的時間拆卸而導致作業(yè)暫停，增加了與天氣相關的停機時間。對套管和對井口系統(tǒng)進行核查，確保滿足詳細的隔水管分析。動力系統(tǒng)系統(tǒng)應該進行徹底地檢查。建立一個差分全球定位系統(tǒng)天線，以確保吊車工作時不會有信號遮蔽。確保聲學定位系統(tǒng)的安裝和運作期間的精度；（3）建立動力定位安全操作規(guī)程。深水動力定位鉆井裝置開始作業(yè)前，作業(yè)者和裝置使用者之間建立動力定位安全操作規(guī)程。動力定位安全操作規(guī)程須明確在平臺漂移范圍到達限值、失去動力、斷電和失去通訊聯(lián)絡等多種情況下的應急操作方案。

6　結論

深水動力定位鉆井裝置由于其良好的機動性和環(huán)境適應能力，在某些特定淺水鉆井項目中也得到了應用。為有效克服淺水區(qū)水深對動力定位裝置漂移范圍和時間的限制，需要對隔水管-水下井口系統(tǒng)進行合理設計，以滿足在最惡劣工況下水下井口和結構套管的強度和抗彎能力要求。此外，獲取準確的應急反應時間、合適的設備選擇及鉆前系統(tǒng)測試和建立動力定位安全操作規(guī)程被證明能有效降低深水動力定位鉆井裝置在淺水區(qū)作業(yè)的風險。

［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）

〔編輯薛改珍〕

Study on dynamic positioning risks of deepwater drilling device in shallow water area

JIANG Qingzhao1, ZHANG Xinping1, ZHANG Xingxing2, YAN De2, ZHANG Yushan2, ZHAO Weiqing2
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology & Services Co., Shenzhen 518067, China）

The world’s advanced deepwater drilling and completion devices are divided into mooring and dynamic positioning. The industry recommended practice is mooring locating for water depth less than 1 500 m, while the adaptability and risk of dynamic positioning in shallow waters are little studied. This paper describes the principle and drift limitations of dynamic positioning, including the theoretical limitations and the measures to avoid risks. It also suggests on how to set the observation scope and proposes the factors, operational risks and countermeasures to be considered in using dynamic positioning for operations in shallow waters. In addition to the environmental factors and those that affect the emergence release time of deepwater drilling device, the extreme limits of riser system, strength of subsea well head and structural casing, communication system, and positioning sensor system also need to be considered. The countermeasures include well head device selection, riser system analysis, staff communication and training, user and contractor agreement, etc. The research results can provide some guidance on the use of locating method in shallow waters.

deepwater; dynamic positioning; risks; observation scope; emergency release

TE 52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0172 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.044

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

姜清兆，1975年生。 2006年畢業(yè)于石油大學， 現(xiàn)主要從事海洋鉆完井技術和管理工作，工程師。電話：0755-26022665。E-mail：jiangqzh@cnooc.com.cn。

引用格式：姜清兆，張新平，張星星，等.深水鉆井裝置淺水區(qū)動力定位方式風險研究［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：172-174.