深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析*

金學義 溫紀宏 李浪清 郭衛華 周國林

(中海油田服務股份有限公司鉆井事業部 河北三河 065201)

深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析*

金學義 溫紀宏 李浪清 郭衛華 周國林

(中海油田服務股份有限公司鉆井事業部 河北三河 065201)

深水鉆井動力定位平臺在推進器由于失電或自然環境惡劣且超過其能力的情況下，會失去對位置的控制而產生漂移，對正常鉆井作業產生重大的影響?；谏钏@井平臺隔水管系統撓性接頭和伸縮節沖程、隔水管連接器解鎖角度、平臺應急解脫程序和作業經驗，建立了深水鉆井動力定位平臺應急解脫允許漂移范圍的系統計算流程，針對目標平臺(1 500 m作業水深的DP3鉆井平臺)使用ABAQUS軟件對LMRP及下BOP組進行建模，并進行了不同工況下的動態分析，結果表明：目標平臺在過提711 kN情況下LMRP傾斜6°可完成解鎖；在應急解脫前，可用的解脫時間隨著蒲福氏等級的增大與水深的減小而降低，海流流速與蒲福等級對平臺漂移產生的影響規律相似，海流流速對平臺漂移產生的影響較小。

深水鉆井動力定位平臺;應急解脫范圍;解鎖角度；漂移分析

深水鉆井面臨惡劣的環境條件和復雜的作業工況，正常鉆井作業過程中深水鉆井平臺在動力定位系統的作用下保持與海底井口對應位置，以確保隔水管系統的結構完整性及鉆井作業的順利進行。但是在可用的推進器推力小于環境載荷或動力定位 (DP)能力完全失效的情況下，深水鉆井平臺會發生遠離井口的漂移運動[1]，漂移過程中如果無法成功實現應急解脫系統 (EDS)的相關工作，可能造成如下問題發生：①鉆井作業突然中斷導致卡鉆等嚴重的操作問題；②沒有正確關閉防噴器、采油樹或其他設備導致發生地面或水下井噴事故；③井毀；④鉆井隔水管、鉆桿折斷并墜落至井口、管匯；⑤與鄰近的地面或水下的障礙物碰撞；⑥環境污染。因此，對深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍進行分析，合理確定目標平臺的解脫范圍顯得尤為重要。

目前國內外針對深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析開展了大量的研究工作，在深水鉆井隔水管系統漂移預警界限方面已建立隔水管系統連接作業窗口、懸掛作業窗口和安裝作業窗口[2-5]，并分析了內波流引起平臺漂移對隔水管系統產生的影響[6]及遇臺風時平臺應急解脫后的撤離分析[7]。在平臺漂移方面，根據隔水管系統與水下井口解脫時的物理極限計算平臺應急解脫完成時距離設定井位的范圍[8]，開展了深水鉆井平臺-隔水管耦合動力學特性及耦合作用規律分析，闡述了漂移預警界限分析方法[9]。本文在已有研究的基礎上，提出深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析流程，研究確定平臺隔水管底部總成(LMRP)解鎖所需的最小頂張力及解鎖最大角度，以此確定平臺漂移分析的邊界條件，進而通過漂移分析確定平臺應急解脫范圍(啟動應急解脫與完成應急解脫)。

1 應急解脫范圍分析流程

深水鉆井動力平臺應急解脫范圍影響因素與船體結構和平臺設備有關，實現解脫功能的EDS反應時間決定漂移時間，同時在不同的作業海域和不同的自然環境條件下，應急解脫范圍也不盡相同，具體影響因素如下：

1) 平臺設備。包括船體結構、伸縮節、張力器沖程、月池凈空尺寸、撓性接頭轉角、隔水管解鎖角度、防噴器(BOP)、井口頭強度等。

2) 環境條件。包括水深、風浪流等海況。

3) EDS性能。對于DP定位的深水半潛式平臺，當平臺失控漂移超過設定范圍時，在司鉆房或隊長辦公室觸發EDS按鈕，即可在設定時間內實現LMRP與下BOP組的解脫。EDS的程序、時間及功能的設定是根據鉆井設備、海域等條件的不同而不同，時間設置決定著平臺失控后的漂移時間。

從平臺結構與設備組成出發，根據影響平臺應急解脫范圍的因素，提出了深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析流程(圖1)。其中，防噴器有限元分析須對LMRP、下BOP組進行建模，并細化各插入頭在該模型中的作用；進行LMRP解鎖角度分析，主要考慮頂張力及解鎖角度的影響，通過分析確定最小頂張力下的最大解鎖角度，即解鎖極限，該極限角度與伸縮節和張力器沖程、月池凈空尺寸、撓性接頭轉角、BOP和井口頭強度等一起作為平臺漂移分析的邊界條件，通過分析不同工況下的漂移分析，從而確定應急解脫范圍。

圖1 深水鉆井動力定位平臺應急解鎖范圍分析流程Fig .1 Flow chart of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations emergency disconnect range analysis

2 應急解脫范圍的確定

以某作業水深1 500 m的DP3鉆井平臺為研究對象。

2.1 LMRP解鎖角度分析

2.1.1 LMRP有限元分析模型的建立

采用ABAQUS[10]對LMRP解鎖進行建模分析。

1) 幾何模型。LMRP解鎖最大角度的確定應建立在不損壞設備的基礎上，因此，采取LMRP與下BOP組整體建模并進行有限元分析，通過對阻流插入頭、壓井插入頭、乙二醇插入頭和聲吶插入頭及導向樁等關鍵結構進行細化，建立LMRP與下BOP組連接的三維模型。在進行網格離散時，分別采用C3D10M、C3D8R、C3D4、C3D6、C3D8單元。幾何網格模型如圖2所示。

圖2 目標平臺LMRP解鎖有限元分析模型Fig .2 Target platform LMRP disconnect analysis FEA model

2) 材料模型。根據建立模型的部件可變形性進行以下假設：①下BOP組總成不變形；②BOP連接短節不變形；③隔水管連接器不變形。

3) 邊界載荷條件。邊界條件為BOP連接短節底部進行固定，各插入頭及導向樁底部縱向固定，即U2=0，如圖3所示。為了確定LMRP解鎖的最大角度及同時需要的最小頂張力，載荷條件包括3個方面：① 重力載荷Agravity=9.8 m/s2；②隔水管連接器頂部總張力FT傾斜角度后的縱向分力FTY；③隔水管連接器頂部總張力FT傾斜角度后的橫向分力FTZ。所建立的載荷模型如圖4所示，總體施加載荷包括LMRP提起需要的力與過提力之和，此過提力也作為有限元分析的輸出結果，LMRP提起所需載荷等于LMRP分析模型重量外加一定比例的附加重量。

圖3 目標平臺LMRP解鎖分析邊界條件模型Fig .3 Boundary conditions of LMRP disconnect analysis model of the target platform

圖4 目標平臺LMRP解鎖分析載荷模型Fig .4 Load model for LMRP disconnect analysis of the target platform

鑒于LMRP解鎖過程中受到下BOP組不斷變化的接觸界面作用，分析采用顯式積分動態解決方案，考慮LMRP在空間移動的動能。顯式積分方案須使用臨界時間分析步才能穩定，而臨界時間步長是材料最小特征元素長度和膨脹波速度的函數。由于臨界時間步長極小，并且應力場需要精確捕捉，LMRP解鎖分析的整體時間設定為0.3 s。

載荷在一定時間內施加到模型上，以保證在解脫分析中捕捉到實時的情況。重力加速度在分析開始時(0 s)施加在整個模型上。頂張力引起的橫向載荷呈直線增加，并在0.000 01 s全部施加到模型上，從0.000 01～0.001 00 s，垂向載荷呈直線上升，可得到最快、最精確的載荷。

2.1.2 解鎖角度分析

通過在Y-Z與X-Z平面施加頂張力及不同角度工況進行分析，得出在最小過提力711 kN，最大解鎖角度6°的情況下，LMRP可滿足各工況下的安全解鎖。本文只提取在最小過提力711 kN和最大解鎖角度6°工況下的有限元分析結果，如圖5所示。由圖5可知，Y-Z平面峰值應力出現在阻流插入頭與母頭接觸邊緣，不影響使用，峰值應力是由角度引起的彎矩導致，應力小于屈服強度345 MPa；X-Z平面峰值應力出現在乙二醇插入頭與母頭接觸邊緣，不影響使用，拋出該峰值應力，應力均小于屈服強度517 MPa，滿足要求。

圖5 目標平臺LMRP解鎖分析結果Fig .5 LMRP disconnect analysis results of the target platform

2.2 漂移分析

使用的基礎數據包括：①DS激活后，12 s完成LMRP解鎖(不包括反應時間)；②月池凈空尺寸為24.2 m×8.7 m；③LMRP在6°前須完成解鎖(下撓性接頭角度)；④上撓性接頭角度為15°；⑤伸縮節、張力器中沖程為7.62 m；⑥作業吃水為17.50 m，生存吃水為15.50 m；⑦橫蕩慣性力系數為2.06；縱蕩慣性力系數為1.29；垂蕩慣性力系數為2.16；⑧平臺質量為40 848×107kg；⑨上撓性接頭轉動剛度為12.9 kN·m/(°)，下撓性接頭轉動剛度為92.0 kN·m/(°)。應用Deepriser軟件，針對目標平臺在水深300～1 500 m的平臺-隔水管系統進行分析。表1為目標平臺開展平臺漂移分析時的海況條件。

表1 目標平臺漂移分析時海況條件Table 1 Target platform drift analgsis sea condition

通過分析,得出不同工況(蒲福氏等級)下的漂移范圍、漂移時間與解鎖角度(流速=1.5 m/s,圖6),同時對不同流速下的漂移范圍、漂移時間與解鎖角度(BF9)進行了對比分析(圖7)，獲得以下認識：

1) 在應急解脫前，所允許的漂移范圍隨著蒲福等級的增大而減小，隨著水深的增加而增大；對于解鎖時間、解鎖角度，則隨著蒲福等級的增大而降低，隨著水深的增加而增大，但變化逐漸平緩。

2) 海流流速與蒲福等級對平臺漂移產生的影響規律相似，但對比可以看出，海流流速對平臺漂移產生的影響較小。

3) 對于水深較淺的海域，由于解鎖角度較小，允許的漂移范圍窗口較窄，反應時間較短，因此，在淺水作業須對操作程序、人為因素進行考慮以合理確定允許的漂移范圍，建議在此區間將EDS設為自動。

圖6 不同工況下目標平臺應急解脫范圍對比Fig .6 Drift-off comparisons under different conditions

圖7 不同流速下目標平臺應急解脫范圍對比Fig .7 Drift-off comparisons under different flow

3 結論與建議

1) 本文建立了深水動力定位平臺應急解脫范圍分析流程，并針對目標平臺開展了實例分析。使用ABAQUS軟件對目標平臺的LMRP及下BOP組進行建模，通過不同工況下的動態分析，得出該平臺在過提711 kN情況下LMRP傾斜6°可完成解鎖；在應急解脫前，可用的解脫時間隨著蒲福氏等級的增大與水深的減小而減少，海流流速與蒲福等級對平臺漂移產生的影響規律相似，但海流流速對平臺漂移產生的影響較小。

2) 為了防止EDS系統失效(無法啟動、啟動后未實現LMRP解鎖)，建議增加自動解脫系統(ADS)。由于ADS設置的解鎖角度大于EDS解鎖角度，在EDS失效后可以作為補充實現LMRP自動解鎖，從而保證深水鉆井動力定位平臺系統的安全。

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(編輯：葉秋敏)

Analysis of the emergency disconnection range of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations

JIN Xueyi WEN Jihong LI Langqing GUO Weihua ZHOU Guolin

(COSLDrillingDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

Dynamically positioned platforms for deep water drilling will be out of control and drift in the cases of electricity outage or adverse natural conditions exceeding the DP (dynamic position) capacity, which will cause serious impact on the normal drilling operations. Based on the flexible joint angle, slip joint stroke, riser connector disconnection angle, EDS (emergency disconnection system) procedure, and operation experiences, the systematic procedures for calculating the allowable drift-off range of dynamically positioned platforms were established. The analysis model of LMRP and the lower BOP stack for the drilling platform in question (1 500 m rated DP3) were established with ABAQUS software. The results of dynamic analysis under different conditions shows that LMRP can be disconnected at 6 degrees under overload of 711 kN. With increasing Beaufort scale level or decreasing water depth, drift-off limited time for drilling platforms decreases. Current velocity has similar but lower influence than Beaufort scale level.

dynamically positioned drilling platform; emergency disconnection range; disconnection angle; drift-off analysis

金學義,男,工程師，2001年畢業于西南石油大學,主要從事水下及井控裝備管理工作。地址:河北省三河市燕郊經濟技術開發區海油大街201號鉆井事業部(郵編：065201)。 電話:010-84528471。E-mail：jinxy5@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0116-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.019

TE52

A

2016-10-31 改回日期：2016-12-12

*國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎研究 (編號：2015CB251200) ”部分研究成果。

金學義,溫紀宏,李浪清，等.深水鉆井動力定位平臺應急解脫范圍分析[J].中國海上油氣，2017,29(3)：116-121.

JIN Xueyi,WEN Jihong,LI Langqing,et al.Analysis of the emergency disconnection range of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):116-121.