李文华，王冬石，颜波，盖凤喜，陈海泉

（1.大连海事大学轮机工程学院 大连 116026；2.中海油田服务股份有限公司钻井事业部 廊坊 065201）

动力定位钻井平台井口作业指南的分析与计算

李文华1，王冬石2，颜波2，盖凤喜2，陈海泉1

（1.大连海事大学轮机工程学院 大连 116026；2.中海油田服务股份有限公司钻井事业部 廊坊 065201）

动力定位钻井平台已逐步被广泛应用于深水和超深水油气资源的勘探开发。由于面临复杂的海洋环境和作业环境，钻井平台可能会出现动力定位失效移位的紧急情况。文章在分析井口作业指南发展历史的基础上，基于国际上对井口作业指南的要求，研究钻井平台动力定位失效移位模式并对其进行分析，建立钻井平台井口作业指南红色界限值的计算方法，并自主开发相应计算软件；该软件可对钻井平台红色界限值、黄色界限值和警告界限值进行全面计算，完善井口作业指南，保证深水动力定位钻井平台的作业安全。

动力定位；钻井平台；井口作业指南；油气开采；海洋工程；装备技术

1 井口作业指南的发展历史

井口作业指南（well specific operating guidelines，W S O G）是用来明确在发生某些变化的情况下，定位师（dynamic positioning operator，D P O）应采取的措施以保障动力定位（ddyna mic positioning，D P）系统的定位能力，同时也作为D P O的主要动力定位应急响应文件和“准备-估计检查清单”加以使用，在动力定位钻井平台上有时也被称为具体活动作业指南（activity specific operating guidelines，A S O G）［1］。

1982年第一个半正式的D P井口作业指南由英国能源部发布，强调对D P钻井平台有效操作范围进行定义的必要性。W S O G的正式使用始于20世纪90年代末，其在1997—1998年的海洋联盟活动中被首次发布。2004年壳牌公司将A S O G引入到工程船，目前W S O G／A S O G已经被应用到所有D P船舶和D P钻井平台。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钻井平台的降级状态标准，如今降级状态标准已经在D P钻井平台、D P生产平台和D P穿梭油轮上广泛使用。2010年海洋技术协会（M arineTechnology Society，M T S）在发布D P操作指南时首次提出将W S O G／A S O G作为国际行业指南的一部分。2000年挪威国家石油公司首次将W S O G作为其内部程序部分引进使用。此后W S O G／A S O G已被列入几个石油巨头的D P程序，如壳牌、BP和雪佛龙等［2-6］。

2 国际行业规范对井口作业指南的要求

国际海事承包商协会（International M arine Contractors Association，I M C A）于2012年发布“操作活动计划指南”（I M C A M 220 guidance on operational activity planning），该指南要求对于进行具体操作的D P船舶，A S O G应当为其定义操作、环境和设备状态限制以及每一个活动和位置开发［7］。

A S O G一般包括4种状态，即绿色、蓝色、黄色和红色。其中，绿色定义为正常操作，即所有系统功能完整并在性能极限内运行；相应反应为开始或继续D P操作必须满足绿色栏中的条件。蓝色定义为警告状态，即达到性能极限或可报警状态，可以继续运行但应同时对风险进行评估，故障已经发生但未影响D P冗余；相应反应为进行风险评估来决定是否继续、改变位置或停止操作。黄色定义为降低状态，即达到预定性能极限，元件或系统由于冗余损失发生故障，船舶失去冗余但仍能保持位置；相应反应为停止运行并开启意外事故程序，减少断开连接的准备时间，在船舶重新获得冗余或对所有风险进行充分评估，以确定其是否达到可接受的具备折中冗余恢复操作之前，不可重新运行。红色定义为紧急状态，即超过预定的运行或性能极限，元件或系统由于失去控制或位置发生故障；相应反应为放弃操作并立即采取行动，如开启应急断开连接程序，以确保人员、环境、操作和船舶安全，将船舶移动至安全地点，在完成全面调查并对故障进行处理和测试之前，不可重新开始D P运行。

M T S于2012年发布“活动操作计划”（activity operational planning，A O P），详细规定：当D P船舶／平台在井口工作时的有关操作、环境和设备性能的具体要求［8］。D N V G L集团于2015年7月发布的“《动力定位系统——操作指南》推荐做法”（D N V G L-R P-E307，reco m mended practice dyna mic positioning systems-operation guidance，）对W S O G提出要求［9］。美国船级社（A merican Bureau of Shipping，A BS）于2015年9月发布的《动力定位系统指南》也提到W S O G［10］。

3 钻井平台动力定位失效移位模式

移位（loss of position，L O P）是指船舶无法维持其所需的位置。对于D P操作来说有两个主要的故障模式，即驱离（drive off）和漂移（drift off），这两种情况都可能造成严重的经济和生态后果。无钻柱安全断开的L O P可能导致井屏障以及暴露在水下的设备严重损坏，最终的结果可能是井喷以及海底生产系统（如生产模块）的严重损坏，从而导致人员伤害、环境破坏和经济损失。此外，与附近的船舶发生碰撞也是潜在后果之一。

驱离是指船舶在动力的作用下从预设的位置移走，可以在全功率时发生。驱离是D P系统接受错误的位置信息输入，并试图通过利用其推进器来纠正，原因包括位置参考系统、推进器、风传感器、D P计算机的故障以及操作人员的失误。

漂移是指电力丧失引起的船舶在当时环境作用下离开位置。漂移使船舶的推力不足以保持位置，主要由于全部断电、部分断电、推进器损失、不正确的推进指令以及外力（如环境）。漂移停止前船舶移动的

距离取决于船舶正在经受的力和导致漂移的问题多久得到解决。当DP系统不能保持位置时，力将被转移到连接井口的隔水管，这将造成大量的拉力和水平力（因为钻机的偏移量），从而可能破坏钻井。

4 钻井平台动力定位失效移位

钻井平台动力定位失效移位的范围主要有3种情形（图1）［11］。

图1 动力定位钻井平台失效移位示意

绿色区域内为可接受的位置偏离，是正常工作时允许偏离的理想位置区域，保持在此区域内的偏移为正常偏移。通常指水平偏移半径为水深的3.5%以内、偏角为2°，正常的钻井作业可以进行［12］。

黄色界限区为作业受限的位置偏移区，平台位置在此区域时，可能造成起下钻困难和摩擦阻力增加，或导致钻具与隔水管偏磨等情况。通常指水平偏移半径为水深的3.5%～5%、偏角为3°，属于需随时做好应急解脱的阶段。一旦进入此偏移区域，需根据漂移趋势和可控范围决定是否立即按照应急程序或预案采取应急解脱，且必须在达到红色界限警报前完成应急准备程序，直接由现场指定人员操作。应急解脱黄色警报准备程序为：①当正在钻井时，停泵，上提钻具到合适位置，调整补偿器位置，关闭钻杆闸板，等待下步命令；②当钻铤过防喷器时，关闭万能防喷器，使钻具不下滑，如果上提能使钻头离开防喷器，最好上提钻具；③当套管过防喷器时，需要考虑剪切闸板能力，如有能力剪切则关闭防喷器，使套管不下滑并等待下步命令，如无能力剪切，则按照钻铤过防喷器的方法操作［12］。

红色界限区为平台偏离井位中心接近或达到水下设备（隔水管挠性接头等）允许的工作极限区域，即最大允许偏移量。最大允许偏移量是水下设备能够被解脱时的最大允许偏移角度，通常指水平偏移半径为水深的5%～7%、偏角为4°，属于应立即采取应急解脱措施的状况［12］，否则可能导致应急解脱失效而损坏井口和防喷器组等现象发生。一旦按下应急解脱按钮，则应急解脱动作自动完成。

5 钻井平台井口作业指南红色界限的计算

W S O G中的红色界限值是重要数据。根据隔水管系统与水下井口解脱时的物理极限计算该值，并开发相应计算软件（图2和图3）。

图2 钻井平台井口数据

图3 钻井平台伸缩接头

已知条件为：①钻井平台作业水深h1，单位为m；②下部隔水管总成解脱需要时间t1，单位为s；③最大隔水管角度β，单位为°；④伸缩接头长度h2，

单位为m；⑤最大升沉量h3，单位为m；⑥潮汐（幅度）h4，单位为m；⑦D P O记录断电后环境作用力使钻井平台产生漂移的数据，并绘制漂移曲线；⑧D P O记录推进器全部在最大推力下运行，停止30 s后开始记录驱离的数据，并绘制驱离曲线。

根据漂移曲线和驱离曲线，分别计算下面3种输出结果，并且可以对这两种结果进行比较，红色界限值h红取两种情况中较小者作为最坏的情况。开发软件计算输出结果为：①红色界限值（red status）h红，单位为m；②黄色界限值（yellow status）h黄，单位为m；③警告界限值（advisory）h警，单位为m。

分别根据最大隔水管角度β和可获得的最大伸缩接头行程h5求得h解1和h解2值，为安全考虑，取二者中较小者，即可求得解脱隔水管时平台离开设定井位的距离h解。

根据h解分别从漂移曲线和驱离曲线中查找对应时间t2（单位：s），t2减去下部隔水管总成解脱需要时间t1可获得时间t3，根据时间t3分别从漂移曲线和驱离曲线中查找对应的漂移距离即红色界限值h红。

黄色警戒线距离设定井位范围可根据隔水管挠性接头转角为2°求得，或根据作业经验取红色警戒线距离设定井位范围的60%，二者取较小值［13］。

6 结论

目前动力定位钻井平台井口作业指南红色界限值的计算需委托国外专业公司分析进行，但计算过程保密、结果考虑不全。本文在分析国际行业对井口作业要求的基础上，分析钻井平台动力定位失效移位模式，建立钻井平台井口作业指南红色界限值的计算方法，并自主开发相应计算软件；该软件可对钻井平台红色界限值、黄色界限值和警告界限值进行全面的计算，完善井口作业指南，保证深水动力定位钻井平台的作业安全。

［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，赵立中.海洋动力定位钻井平台失控漂移的安全应急处置对策［J］.钻采工艺，2013，36（1）：118-120.

［13］ 寇贝贝，刘正礼，姜清兆，等.深水钻井动力定位平台允许漂移范围分析［J］.石油钻采工艺，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

中央高校基本科研业务费专项（3132016344，3132016356，3132016345）；辽宁省自然科学基金项目（2015020132）.

李文华，副教授，博士研究生，研究方向为海洋工程装备与动力定位，电子信箱：liwenhua992＠aliyun.co m