動力定位鉆井平臺井口作業指南的分析與計算

李文華，王冬石，顏波，蓋鳳喜，陳海泉

（1.大連海事大學輪機工程學院 大連 116026；2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部 廊坊 065201）

動力定位鉆井平臺井口作業指南的分析與計算

李文華1，王冬石2，顏波2，蓋鳳喜2，陳海泉1

（1.大連海事大學輪機工程學院 大連 116026；2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部 廊坊 065201）

動力定位鉆井平臺已逐步被廣泛應用于深水和超深水油氣資源的勘探開發。由于面臨復雜的海洋環境和作業環境，鉆井平臺可能會出現動力定位失效移位的緊急情況。文章在分析井口作業指南發展歷史的基礎上，基于國際上對井口作業指南的要求，研究鉆井平臺動力定位失效移位模式并對其進行分析，建立鉆井平臺井口作業指南紅色界限值的計算方法，并自主開發相應計算軟件；該軟件可對鉆井平臺紅色界限值、黃色界限值和警告界限值進行全面計算，完善井口作業指南，保證深水動力定位鉆井平臺的作業安全。

動力定位；鉆井平臺；井口作業指南；油氣開采；海洋工程；裝備技術

1 井口作業指南的發展歷史

井口作業指南（well specific operating guidelines，W S O G）是用來明確在發生某些變化的情況下，定位師（dynamic positioning operator，D P O）應采取的措施以保障動力定位（ddyna mic positioning，D P）系統的定位能力，同時也作為D P O的主要動力定位應急響應文件和“準備-估計檢查清單”加以使用，在動力定位鉆井平臺上有時也被稱為具體活動作業指南（activity specific operating guidelines，A S O G）［1］。

1982年第一個半正式的D P井口作業指南由英國能源部發布，強調對D P鉆井平臺有效操作范圍進行定義的必要性。W S O G的正式使用始于20世紀90年代末，其在1997—1998年的海洋聯盟活動中被首次發布。2004年殼牌公司將A S O G引入到工程船，目前W S O G／A S O G已經被應用到所有D P船舶和D P鉆井平臺。巴西石油公司在1995年引入W S O G的概念之一是所有D P鉆井平臺的降級狀態標準，如今降級狀態標準已經在D P鉆井平臺、D P生產平臺和D P穿梭油輪上廣泛使用。2010年海洋技術協會（M arineTechnology Society，M T S）在發布D P操作指南時首次提出將W S O G／A S O G作為國際行業指南的一部分。2000年挪威國家石油公司首次將W S O G作為其內部程序部分引進使用。此后W S O G／A S O G已被列入幾個石油巨頭的D P程序，如殼牌、BP和雪佛龍等［2-6］。

2 國際行業規范對井口作業指南的要求

國際海事承包商協會（International M arine Contractors Association，I M C A）于2012年發布“操作活動計劃指南”（I M C A M 220 guidance on operational activity planning），該指南要求對于進行具體操作的D P船舶，A S O G應當為其定義操作、環境和設備狀態限制以及每一個活動和位置開發［7］。

A S O G一般包括4種狀態，即綠色、藍色、黃色和紅色。其中，綠色定義為正常操作，即所有系統功能完整并在性能極限內運行；相應反應為開始或繼續D P操作必須滿足綠色欄中的條件。藍色定義為警告狀態，即達到性能極限或可報警狀態，可以繼續運行但應同時對風險進行評估，故障已經發生但未影響D P冗余；相應反應為進行風險評估來決定是否繼續、改變位置或停止操作。黃色定義為降低狀態，即達到預定性能極限，元件或系統由于冗余損失發生故障，船舶失去冗余但仍能保持位置；相應反應為停止運行并開啟意外事故程序，減少斷開連接的準備時間，在船舶重新獲得冗余或對所有風險進行充分評估，以確定其是否達到可接受的具備折中冗余恢復操作之前，不可重新運行。紅色定義為緊急狀態，即超過預定的運行或性能極限，元件或系統由于失去控制或位置發生故障；相應反應為放棄操作并立即采取行動，如開啟應急斷開連接程序，以確保人員、環境、操作和船舶安全，將船舶移動至安全地點，在完成全面調查并對故障進行處理和測試之前，不可重新開始D P運行。

M T S于2012年發布“活動操作計劃”（activity operational planning，A O P），詳細規定：當D P船舶／平臺在井口工作時的有關操作、環境和設備性能的具體要求［8］。D N V G L集團于2015年7月發布的“《動力定位系統——操作指南》推薦做法”（D N V G L-R P-E307，reco m mended practice dyna mic positioning systems-operation guidance，）對W S O G提出要求［9］。美國船級社（A merican Bureau of Shipping，A BS）于2015年9月發布的《動力定位系統指南》也提到W S O G［10］。

3 鉆井平臺動力定位失效移位模式

移位（loss of position，L O P）是指船舶無法維持其所需的位置。對于D P操作來說有兩個主要的故障模式，即驅離（drive off）和漂移（drift off），這兩種情況都可能造成嚴重的經濟和生態后果。無鉆柱安全斷開的L O P可能導致井屏障以及暴露在水下的設備嚴重損壞，最終的結果可能是井噴以及海底生產系統（如生產模塊）的嚴重損壞，從而導致人員傷害、環境破壞和經濟損失。此外，與附近的船舶發生碰撞也是潛在后果之一。

驅離是指船舶在動力的作用下從預設的位置移走，可以在全功率時發生。驅離是D P系統接受錯誤的位置信息輸入，并試圖通過利用其推進器來糾正，原因包括位置參考系統、推進器、風傳感器、D P計算機的故障以及操作人員的失誤。

漂移是指電力喪失引起的船舶在當時環境作用下離開位置。漂移使船舶的推力不足以保持位置，主要由于全部斷電、部分斷電、推進器損失、不正確的推進指令以及外力（如環境）。漂移停止前船舶移動的

距離取決于船舶正在經受的力和導致漂移的問題多久得到解決。當DP系統不能保持位置時，力將被轉移到連接井口的隔水管，這將造成大量的拉力和水平力（因為鉆機的偏移量），從而可能破壞鉆井。

4 鉆井平臺動力定位失效移位

鉆井平臺動力定位失效移位的范圍主要有3種情形（圖1）［11］。

圖1 動力定位鉆井平臺失效移位示意

綠色區域內為可接受的位置偏離，是正常工作時允許偏離的理想位置區域，保持在此區域內的偏移為正常偏移。通常指水平偏移半徑為水深的3.5%以內、偏角為2°，正常的鉆井作業可以進行［12］。

黃色界限區為作業受限的位置偏移區，平臺位置在此區域時，可能造成起下鉆困難和摩擦阻力增加，或導致鉆具與隔水管偏磨等情況。通常指水平偏移半徑為水深的3.5%～5%、偏角為3°，屬于需隨時做好應急解脫的階段。一旦進入此偏移區域，需根據漂移趨勢和可控范圍決定是否立即按照應急程序或預案采取應急解脫，且必須在達到紅色界限警報前完成應急準備程序，直接由現場指定人員操作。應急解脫黃色警報準備程序為：①當正在鉆井時，停泵，上提鉆具到合適位置，調整補償器位置，關閉鉆桿閘板，等待下步命令；②當鉆鋌過防噴器時，關閉萬能防噴器，使鉆具不下滑，如果上提能使鉆頭離開防噴器，最好上提鉆具；③當套管過防噴器時，需要考慮剪切閘板能力，如有能力剪切則關閉防噴器，使套管不下滑并等待下步命令，如無能力剪切，則按照鉆鋌過防噴器的方法操作［12］。

紅色界限區為平臺偏離井位中心接近或達到水下設備（隔水管撓性接頭等）允許的工作極限區域，即最大允許偏移量。最大允許偏移量是水下設備能夠被解脫時的最大允許偏移角度，通常指水平偏移半徑為水深的5%～7%、偏角為4°，屬于應立即采取應急解脫措施的狀況［12］，否則可能導致應急解脫失效而損壞井口和防噴器組等現象發生。一旦按下應急解脫按鈕，則應急解脫動作自動完成。

5 鉆井平臺井口作業指南紅色界限的計算

W S O G中的紅色界限值是重要數據。根據隔水管系統與水下井口解脫時的物理極限計算該值，并開發相應計算軟件（圖2和圖3）。

圖2 鉆井平臺井口數據

圖3 鉆井平臺伸縮接頭

已知條件為：①鉆井平臺作業水深h1，單位為m；②下部隔水管總成解脫需要時間t1，單位為s；③最大隔水管角度β，單位為°；④伸縮接頭長度h2，

單位為m；⑤最大升沉量h3，單位為m；⑥潮汐（幅度）h4，單位為m；⑦D P O記錄斷電后環境作用力使鉆井平臺產生漂移的數據，并繪制漂移曲線；⑧D P O記錄推進器全部在最大推力下運行，停止30 s后開始記錄驅離的數據，并繪制驅離曲線。

根據漂移曲線和驅離曲線，分別計算下面3種輸出結果，并且可以對這兩種結果進行比較，紅色界限值h紅取兩種情況中較小者作為最壞的情況。開發軟件計算輸出結果為：①紅色界限值（red status）h紅，單位為m；②黃色界限值（yellow status）h黃，單位為m；③警告界限值（advisory）h警，單位為m。

分別根據最大隔水管角度β和可獲得的最大伸縮接頭行程h5求得h解1和h解2值，為安全考慮，取二者中較小者，即可求得解脫隔水管時平臺離開設定井位的距離h解。

根據h解分別從漂移曲線和驅離曲線中查找對應時間t2（單位：s），t2減去下部隔水管總成解脫需要時間t1可獲得時間t3，根據時間t3分別從漂移曲線和驅離曲線中查找對應的漂移距離即紅色界限值h紅。

黃色警戒線距離設定井位范圍可根據隔水管撓性接頭轉角為2°求得，或根據作業經驗取紅色警戒線距離設定井位范圍的60%，二者取較小值［13］。

6 結論

目前動力定位鉆井平臺井口作業指南紅色界限值的計算需委托國外專業公司分析進行，但計算過程保密、結果考慮不全。本文在分析國際行業對井口作業要求的基礎上，分析鉆井平臺動力定位失效移位模式，建立鉆井平臺井口作業指南紅色界限值的計算方法，并自主開發相應計算軟件；該軟件可對鉆井平臺紅色界限值、黃色界限值和警告界限值進行全面的計算，完善井口作業指南，保證深水動力定位鉆井平臺的作業安全。

［1］ A D A M SO N A，A B R A H A M SE N B.W S O G-history&futurea su m mary ofthe develop ment&world wide use of W ell-Specific O perating G uidelines［C］／／Dynamic Positioning Conference. H ouston：Dynamic Positioning Co m mittee，2006：176-190.

［2］ A B R A H A M SE N B，A D A M S O N A.Statoil world wide D P requirements im plementation and operational experience［C］／／Dynamic Positioning Conference.H ouston：Dyna mic Positioning Co m mittee，2002：190-207.

［3］ A B R A H A M SE N B.D P requirements for drilling and intervention units［C］／／Dyna mic Positioning Conference.H ouston：Dynamic Positioning Co m mittee，2002：240-279.

［4］ W EIN G A R T H L.Refining the D P watch circle［C］／／Dyna mic Positioning Conference.H ouston：Dyna mic Positioning Co mmittee，2006：270-284.

［5］ C R U Z D F.New Petrobras concepts for W SO G［C］／／Dyna mic Positioning Conference.H ouston：Dyna mic Positioning Co mmittee，2014：170-186.

［6］ C A S T R O A，R O BE R TS M.D P operations&risk management tools（C A M O-A SO G）［C］／／1st Brazilian Conference on Dynamic Positioning，2013：190-200.

［7］ IM C A.IM C A M 220 2012 Guidance on Operational Activity Planning［S］.International M arine Contractors Association，2012.

［8］ M TS Ver 2.0 2012 D P operations guidance Part 2 A ppendix 1（D P M O U Ds）［S］.M arine Technology Society Dyna mic Positioning Co m mittee，2012.

［9］ D N V G L.D N V G L-R P-E307 2015 Reco m mended Practice dynamic positioning systems-operation guidance［S］.D N VG L A S，2015.

［10］ A BS.2015 G uide for dynamic positioning systems［S］.New York：A merican Bureau of Shipping，2015.

［11］ C H E N H，M O A N T，V E R H O E V E N H.Safety of dynamic positioning operations on mobi le offshore dri l l ing units［J］.Rel iabi l ity Engineering and System Safety，2008，93（3）：1072-1090.

［12］ 沈雁松，趙立中.海洋動力定位鉆井平臺失控漂移的安全應急處置對策［J］.鉆采工藝，2013，36（1）：118-120.

［13］ 寇貝貝，劉正禮，姜清兆，等.深水鉆井動力定位平臺允許漂移范圍分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：36-38.

Analysis and Calculation of the W ell Specific Operating Guidelines for the Dynamic Positioning Drilling Platform

LI W enhua1，W A N G Dongshi2，Y A N Bo2，G AI Fengxi2，C H E N H aiquan1
（1.Department of M arine Engineering，Dalian M aritime U niversity，Dalian 116026，China；2.China Oilfield Services Ltd.，Langfang 065201，China）

Dynamic positioning drilling platform has been widely used in deep-water and ultradeep-water oil and gas resources exploration and develop ment.Facing with co m plex ocean environ ment and working environ ment，loss of position emergency might occur in the drilling platform.O n the basis of the analysis of the history and requirements of well specific operating guidelines，the paper studied the failure m ode of positioning loss in drilling platform dyna mic positioning，established red limit calculation method for the drilling platformwell specific operating guidelines，and developed the corresponding software，w hich can calculate the value of red limit，yellow limit and advisory limit of drilling platform.It has im proved the well specific operating guidelines to ensure the safe operation of deep-water dyna mically positioned drilling platform.

Dynamic positioning，Drilling platform，W ell specific operating guidelines，Oil and gas exploitation，Ocean engineering，Equip ment technology

U66；P7

A

1005-9857（2016）11-0044-04

2016-06-30；

2016-09-27

中央高校基本科研業務費專項（3132016344，3132016356，3132016345）；遼寧省自然科學基金項目（2015020132）.

李文華，副教授，博士研究生，研究方向為海洋工程裝備與動力定位，電子信箱：liwenhua992＠aliyun.co m