“深水地平線”沉沒(méi)事故帶來(lái)的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的思考

李 陽(yáng),趙晶瑞,謝 彬,張 威,謝文會(huì)

(中海油研究總院，北京 100028)

“深水地平線”沉沒(méi)事故帶來(lái)的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的思考

李 陽(yáng),趙晶瑞,謝 彬,張 威,謝文會(huì)

(中海油研究總院，北京 100028)

2010年4月20日，美國(guó)墨西哥灣 “深水地平線”號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸事故，引發(fā)平臺(tái)破損并最終導(dǎo)致平臺(tái)傾覆。針對(duì)這一事故，以某型深水半潛式鉆井平臺(tái)為例，分析了平臺(tái)破艙穩(wěn)性以及如何合理地對(duì)平臺(tái)進(jìn)行分艙以有效減小平臺(tái)破艙傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，提出了一些海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的新思路和今后海洋石油開(kāi)發(fā)需注意的問(wèn)題。

半潛式鉆井平臺(tái)；“深水地平線”；穩(wěn)性；爆炸事故；沉沒(méi)；漏油

0 引 言

2010年4月20日，位于美國(guó)路易斯安那州東南約82 km處海域上密西西比峽谷252區(qū)塊、正在進(jìn)行鉆井作業(yè)的“深水地平線”號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸事故。爆炸瞬間引發(fā)大火。事故發(fā)生后當(dāng)?shù)睾０堆策夑?duì)直升飛機(jī)迅速趕到出事地點(diǎn)救助傷員。事發(fā)時(shí)平臺(tái)上共有126人，大部分平臺(tái)工作人員獲救，17人受傷，11人死亡。在大火持續(xù)燃燒36 h后，“深水地平線”鉆井平臺(tái)嚴(yán)重傾斜，最終失穩(wěn)而沉入海底。

“深水地平線”鉆井平臺(tái)傾覆后，水下石油泄漏速度大大超出預(yù)期，被視為美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的石油泄漏事件。平臺(tái)發(fā)生爆炸事故沉沒(méi)幾個(gè)月內(nèi)，美國(guó)政府和英國(guó)石油公司(BP公司)采取數(shù)種補(bǔ)救措施封堵漏油，以減少對(duì)環(huán)境造成的污染，但均收效甚微。墨西哥灣漏油事故發(fā)生后，截至2010年7月，BP公司的市值縮水超過(guò)千億美元。墨西哥灣上千平方公里的海域遭到污染，魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、珊瑚和哺乳動(dòng)物等海陸生物物種受到原油威脅，受污染水域的生態(tài)環(huán)境可能至少需要5年時(shí)間才能恢復(fù)，而這又嚴(yán)重拖累了墨西哥灣沿岸的旅游業(yè)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)。此次事件對(duì)美國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、海洋環(huán)境及政治等各方面造成了巨大影響。

近年來(lái)，我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)蓬勃發(fā)展。如何保障海洋平臺(tái)的安全避免“深水地平線”這類(lèi)事故的發(fā)生，是非常值得探討的。本文從這起事故出發(fā)，重點(diǎn)進(jìn)行破艙穩(wěn)性分析，提出了一些海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的新思路。

1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺(tái)介紹

“深水地平線”鉆井平臺(tái)為第五代半潛式鉆井平臺(tái)，采用DP3動(dòng)力定位，由Ramp;B Falcon公司設(shè)計(jì)，2001年在韓國(guó)現(xiàn)代重工制造，由越洋鉆探公司(Transocean Ltd.)所有，當(dāng)時(shí)造價(jià)3.5億美元。作業(yè)中的“深水地平線”半潛式鉆井平臺(tái)如圖1所示。其主要參數(shù)如表1所示。

圖1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺(tái)Fig.1 Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

“深水地平線”鉆井平臺(tái)進(jìn)入墨西哥灣后，一直為BP公司服務(wù)。它主要工作于2006年發(fā)現(xiàn)的Kaskida油田的Atlantis區(qū)域和2009年發(fā)現(xiàn)的Tiber油田的Thunder Horse區(qū)域。在2009年2月2日，“深水地平線”鉆井平臺(tái)在Tiber油田鉆井深度達(dá)到史上最深的35 055英尺(10 685 m)，當(dāng)時(shí)作業(yè)水深為4 132英尺(1 259 m)。在2009年10月，BP公司簽訂了“深水地平線”鉆井平臺(tái)3年續(xù)約合同，租期自2010年9月開(kāi)始，租金共5.44億美元，平均每天49.68萬(wàn)美元。但2010年4月該平臺(tái)即發(fā)生事故。

2 “深水地平線”爆炸事故救援方案及爆炸原因簡(jiǎn)析

事故發(fā)生后，美國(guó)政府、BP公司及社會(huì)各界迅速展開(kāi)救援工作，主要圍繞著救援平臺(tái)人員、平臺(tái)的滅火以及封堵井下漏油以減少環(huán)境污染三方面展開(kāi)。平臺(tái)傾覆后，井下漏油造成的環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，封堵漏油以及清理泄漏的石油成為工作重點(diǎn)。美國(guó)政府和BP公司投入了大量的人力、物力進(jìn)行封堵漏油及環(huán)境救援工作。環(huán)境救援工作主要針對(duì)水上浮油清理、水下漏油封堵及井下減壓井采油三方面進(jìn)行。

表1 “深水地平線”半潛式鉆井平臺(tái)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

美國(guó)內(nèi)務(wù)部、BP公司及各有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)事故發(fā)生原因進(jìn)行了廣泛的調(diào)查。調(diào)查初步結(jié)果表明，由于技術(shù)、管理失誤，以下多種原因綜合造成了該次事故：(1)環(huán)空水泥塞未能有效封隔油氣層；(2)套管鞋未能有效阻隔油氣；(3)對(duì)負(fù)試壓結(jié)果解讀不準(zhǔn)確，誤認(rèn)為井筒完整性已建立；(4)直到油氣進(jìn)入隔水管才發(fā)現(xiàn)井涌；(5)井控措施不當(dāng)導(dǎo)致錯(cuò)失井控機(jī)會(huì)；(6)分流到液氣分離器導(dǎo)致油氣排放到平臺(tái)；(7)火災(zāi)及可燃?xì)馓綔y(cè)系統(tǒng)未能探測(cè)可燃?xì)怏w，從而未能阻止油氣被點(diǎn)燃；(8)防噴器(BOP)應(yīng)急模式未能封住井筒；(9)固井后將隔水管內(nèi)泥漿替換為海水，使井底壓力低于地層壓力；(10)BP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)水平存在缺陷和不足。

3 “深水地平線”半潛式海洋平臺(tái)破艙穩(wěn)性分析

“深水地平線”鉆井平臺(tái)從爆炸發(fā)生開(kāi)始至嚴(yán)重傾斜直到發(fā)生傾覆沉沒(méi)與平臺(tái)的破艙穩(wěn)性有關(guān)。半潛式海洋平臺(tái)正浮于海上時(shí)，重力與浮力處于平衡的狀態(tài)，即重力與浮力大小相等，且作用在同一直線上，如圖2所示。“深水地平線”鉆井平臺(tái)傾斜的過(guò)程持續(xù)36 h，因而可假定角速度為零，屬于靜穩(wěn)性范疇。

圖2 正浮狀態(tài)下的海洋平臺(tái)Fig.2 Offshore platform under the balance floating condition

圖3 海洋平臺(tái)可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)Fig.3 Stable state of the offshore platform

圖4 海洋平臺(tái)不穩(wěn)定狀態(tài)Fig.4 Instable state of the offshore platform

引起深水地平線鉆井平臺(tái)爆炸后重量分布改變導(dǎo)致平臺(tái)傾斜的主要因素如下。

(1) 根據(jù)美國(guó)化學(xué)安全與危害調(diào)查委員會(huì)事故調(diào)研分析報(bào)告[4]，平臺(tái)甲板受到爆炸載荷沖擊，上甲板及部分艙壁破裂海水進(jìn)入艙室導(dǎo)致平臺(tái)重量分布的改變，進(jìn)而平臺(tái)發(fā)生傾斜，如圖5所示。

圖5 海洋平臺(tái)爆炸導(dǎo)致甲板及艙室破裂進(jìn)水Fig.5 Sea water burst into offshore platform deck and cabin due to explosion

(2) 消防船持續(xù)不斷地對(duì)“深水地平線”半潛式鉆井海洋平臺(tái)噴水滅火過(guò)程中，大量的消防水順著甲板及艙壁破裂處進(jìn)入海洋平臺(tái)，加劇了海洋平臺(tái)傾斜程度，而傾斜程度增大又會(huì)導(dǎo)致更多的海水進(jìn)入艙室，如圖6所示。

(3) “深水地平線”海洋平臺(tái)傾斜的過(guò)程中，海平面若浸沒(méi)進(jìn)水口，海水又會(huì)改變船體的重量分布，加劇傾斜，海水持續(xù)進(jìn)入。并且傾斜后，平臺(tái)及甲板上諸多設(shè)備都會(huì)提供傾覆力矩。

隨著海洋平臺(tái)重量分布改變，重力作用線向傾斜方向移動(dòng)，當(dāng)重力與浮力形成的復(fù)原力矩變?yōu)樨?fù)值時(shí)，海洋平臺(tái)達(dá)到不穩(wěn)定平衡狀態(tài)而傾覆。如何在平臺(tái)受到爆炸載荷作用后，要維持平臺(tái)不至于傾覆，就需避免更多的海水進(jìn)入艙室引起傾覆力矩。可采取的方法和措施如下。

(1) 劃分危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)，在危險(xiǎn)區(qū)配備應(yīng)急增浮裝備，如可考慮在艙室布置緊急情況防爆防火氣囊，在爆炸起火狀態(tài)下可以打開(kāi)氣囊充氣填滿艙室，這樣可以使較少的海水進(jìn)入并且氣囊可提供浮力。

(2) 在滿足結(jié)構(gòu)和布置需求的條件下，改變水密艙壁結(jié)構(gòu)形式并將危險(xiǎn)區(qū)域艙室細(xì)化劃分，能夠更好地抵抗爆炸及撞擊載荷沖擊，使破裂范圍更小，如圖7所示。

(3) 控制上甲板進(jìn)水口處位置，消防滅火應(yīng)確保甲板水密性，以防止大量消防水進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)。

圖6 海洋平臺(tái)進(jìn)水后失穩(wěn)傾覆Fig.6 Platform overturning instability after being flooded

圖7 海洋平臺(tái)進(jìn)水后穩(wěn)定平衡Fig.7 Platform in stable balance after being flooded

5 典型半潛式鉆井平臺(tái)破艙穩(wěn)性分析

下面對(duì)某半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行破艙穩(wěn)性分析。

表2某半潛式鉆井平臺(tái)主尺度參數(shù)

Table2Mainparametersofacertainsemi-submersibledrillingplatformm

表3 某半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)工況參數(shù)Table 3 Design parameters of the semi-submersible drilling platform

平臺(tái)外形與艙室模型如圖8與9所示。

圖8 平臺(tái)3D模型Fig.8 Platform 3D model

圖9 平臺(tái)艙室及分艙模型Fig.9 Platform and cabin compartment model

根據(jù)美國(guó)船級(jí)社(ABS) MODU 2012與國(guó)際海事組織(IMO) MODU 2001規(guī)范，半潛式鉆井平臺(tái)破艙可分為兩種類(lèi)型，穩(wěn)性衡準(zhǔn)如下所述。

對(duì)于碰撞及爆炸破艙而言：

(1) 回復(fù)力矩曲線在第一交點(diǎn)至第二交點(diǎn)或第一個(gè)非保護(hù)進(jìn)水點(diǎn)間的距離大于7°，此時(shí)的風(fēng)速為25.8 m/s(50 kn)。

(2) 回復(fù)力矩曲線在第一交點(diǎn)至第二交點(diǎn)或第一個(gè)非保護(hù)進(jìn)水點(diǎn)間至少存在某一角度，此處回復(fù)力矩可達(dá)到風(fēng)傾力矩的2倍或以上，此時(shí)的風(fēng)速為25.8 m/s(50 kn)。

(3) 發(fā)生破艙后，在50 kn風(fēng)力作用下風(fēng)雨密完整性應(yīng)至少高于靜水面4 m且最終進(jìn)水角大于目前的平衡角至少7°。

(4) 發(fā)生破艙后在50 kn風(fēng)力作用下平臺(tái)傾斜角度不大于17°。

對(duì)于累積進(jìn)水而言：

(1) 浸水后無(wú)風(fēng)條件下平臺(tái)的傾角應(yīng)不大于25°。

(2) 位于最終水線以下的任何開(kāi)口均應(yīng)為水密。

(3) 回復(fù)力矩曲線在第一交點(diǎn)至第二交點(diǎn)或第一個(gè)非保護(hù)進(jìn)水點(diǎn)間的距離大于7°。

以下對(duì)該平臺(tái)極端破艙條件下進(jìn)行規(guī)范校核，給出相關(guān)的工程建議。

假定立柱和浮箱接合部出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)其周邊的6個(gè)艙室均有發(fā)生累計(jì)進(jìn)水的可能。這里將假設(shè)6艙均發(fā)生進(jìn)水, 根據(jù)平臺(tái)裝載計(jì)算書(shū) ，確定當(dāng)平臺(tái)發(fā)生6艙進(jìn)水時(shí)所需要進(jìn)行的重心高度調(diào)整值如表4所示。

表4 半潛式鉆井平臺(tái)極端破艙工況重心調(diào)整值表Table 4 Adjustment of the center of gravity of the semi-submersible drilling platform under extreme damage condition m

通過(guò)極端破艙條件下的穩(wěn)性校核，得到結(jié)論如下：

(1) 平臺(tái)未發(fā)生破艙時(shí)，穩(wěn)性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，需要注意的是，在作業(yè)與生存工況下，平臺(tái)重心高度的安全裕度較小(即平臺(tái)的實(shí)際重心高度僅比許用重心高度高1～2 m)，最不利載荷入射方向?yàn)?5°～115°方向，實(shí)際作業(yè)工況盡量避免風(fēng)力沿船寬方向作用。

(2) 由于分艙較多，因此當(dāng)平臺(tái)發(fā)生1～2艙破艙后，穩(wěn)性指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求，此外由于破艙穩(wěn)性的校核風(fēng)速遠(yuǎn)小于完整穩(wěn)性，因此平臺(tái)的許用重心高度將主要由完整穩(wěn)性計(jì)算所決定。

(3) 當(dāng)平臺(tái)在立柱與浮箱結(jié)合部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致周?chē)l(fā)生多艙破損進(jìn)水時(shí)，平臺(tái)船體將嚴(yán)重傾斜并伴隨穩(wěn)性的大量損失，必須盡量降低重心高度并減小吃水。若平臺(tái)處于生存工況時(shí)，平臺(tái)整體重心需降低0.91 m；當(dāng)平臺(tái)處于作業(yè)工況時(shí)，重心高度則需降低4 m以上。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)回顧 “深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸后墨西哥灣的漏油及平臺(tái)傾覆事件，分析了事故原因及事故后所采取的救援措施。討論了深水半潛式鉆井平臺(tái)破艙穩(wěn)性的原理，最后以典型半潛式鉆井平臺(tái)為例，分析了破艙穩(wěn)性。通過(guò)極端破艙條件下的穩(wěn)性校核，得到結(jié)論如下：

(1) 由于深水鉆井風(fēng)險(xiǎn)非常高，海洋平臺(tái)發(fā)生井噴失控爆炸事故后果是災(zāi)難性的，對(duì)海洋平臺(tái)安全檢查監(jiān)測(cè)千萬(wàn)不能掉以輕心，要警鐘長(zhǎng)鳴，時(shí)刻將海洋平臺(tái)的安全放在第一位。當(dāng)海洋平臺(tái)發(fā)生爆炸后，能夠保證平臺(tái)不發(fā)生傾覆非常重要，要求平臺(tái)有針對(duì)性的應(yīng)急壓載預(yù)案，這樣既可以使海洋平臺(tái)上各種設(shè)備得到重新利用以減少損失，也可以減少海洋平臺(tái)沉沒(méi)后造成的環(huán)境污染。

(2) 由于鉆井平臺(tái)破壞后，海水會(huì)進(jìn)入艙室破裂的平臺(tái)內(nèi)，重量分布的改變將導(dǎo)致平臺(tái)穩(wěn)定性失衡，因此在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，應(yīng)在結(jié)構(gòu)布置形式方面做好準(zhǔn)備，劃分平臺(tái)上安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)，合理對(duì)進(jìn)水點(diǎn)(非保護(hù)開(kāi)口與風(fēng)雨密開(kāi)口)危險(xiǎn)區(qū)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化，以防止不同艙室接連進(jìn)水導(dǎo)致的穩(wěn)性惡化。發(fā)生危機(jī)性事故后，應(yīng)采取有效的應(yīng)急設(shè)備和措施以減少海水進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)，使平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生更少的破損。合理布置進(jìn)水口位置，消防前確定甲板水密，防止消防水進(jìn)入海洋平臺(tái)內(nèi)部加劇平臺(tái)傾覆。

(3) 通過(guò)對(duì)典型半潛式鉆井平臺(tái)破艙穩(wěn)性進(jìn)行分析，得到平臺(tái)未發(fā)生破艙時(shí)，穩(wěn)性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。需要注意的是，在作業(yè)與生存工況下，平臺(tái)重心高度的安全裕度較小，最不利載荷的風(fēng)力作用方向?yàn)?5°～115°，實(shí)際作業(yè)工況盡量避免風(fēng)力沿船寬方向作用。由于分艙較多，因此當(dāng)平臺(tái)發(fā)生1～2艙破艙后，穩(wěn)性指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求，此外由于破艙穩(wěn)性的校核風(fēng)速遠(yuǎn)小于完整穩(wěn)性，因此平臺(tái)的許用重心高度將主要由完整穩(wěn)性計(jì)算決定。可見(jiàn)合理地分艙及在滿足平臺(tái)功能的情況下盡可能多地分艙對(duì)平臺(tái)破艙穩(wěn)性有利。當(dāng)平臺(tái)在立柱與浮箱結(jié)合部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致周?chē)l(fā)生多艙破損進(jìn)水時(shí)，平臺(tái)船體將嚴(yán)重傾斜并伴隨穩(wěn)性的大量損失，必須盡量降低重心高度并減小吃水。

[1] BP. Deepwater horizon accident investigation report[R]. 2010.

[2] Det Norski Veritas. Forensic examination of Deepwater Horizon blowout preventer[R]. 2011.

[3] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2006.

[4] US Chemical Safety and Hazard Investigation Board. Investigation report on Deepwater Horizon explosion accident[R]. 2010.

DesignConsiderationsofOceanPlatformComingfromtheSinkingAccidentofDeepwaterHorizonSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LI Yang, ZHAO Jing-rui, XIE Bin, ZHANG Wei, XIE Wen-hui

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

For the continual oil leakage incidents in Gulf of Mexico resulting from the Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform explosion accident on April 20th, 2010, we analyze the causes of the accident, rescue methods, environmental pollutions and profound influence brought out by the accident. In order to study the causes of platform sinking, case study is performed the damaged stability of a certain deepwater semi-submersible platform. Cabin compartment scheme is discussed, which can lower the risk of damaged sinking. Some offshore engineering thoughts and oil exploration problems which need attention in the future are put forward.

semi-submersible drilling platform; Deepwater Horizon; stability; explosion accident; sink; oil leakage

2015-11-27

李陽(yáng)(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事深水浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力分析方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0405-06