从移位事故谈深水钻井平台动力定位系统的安全设计

刘 潇冯 舒

（1.中海石油气电集团有限责任公司 北京100027；2.中海油研究总院 北京100027）

从移位事故谈深水钻井平台动力定位系统的安全设计

刘 潇1冯 舒2

（1.中海石油气电集团有限责任公司 北京100027；2.中海油研究总院 北京100027）

移位风险是动力定位钻井平台作业过程中面临的主要风险之一，对动力定位平台移位事故进行系统的统计与分析，是识别风险、提高动力定位系统可靠性的重要手段。文中通过对国际海事承包商协会（IMCA）最新发布的钻井平台移位事故进行分析，重点讨论了深水钻井平台动力定位系统安全设计中应关注的几个关键点。

深水钻井平台；移位；动力定位；可靠性

引 言

深水钻井平台的最大技术特点之一就是在动力定位模式下进行相关的钻完井作业。因此，平台在作业过程中可能面临由动力定位系统失效而导致的移位风险（如图1所示）。

在正常作业期间，平台定位于绿色区域；如果平台发生移位进入黄色区域，钻井作业必须停止，同时相关人员准备启动应急解脱；如果平台进入红区，应急解脱被触发，未能在平台移位超出红区前及时解脱立管和防喷器的连接并关闭井口，则可能导致井喷［1］。

图1 动力定位钻井平台作业区域

通过对动力定位平台移位事故进行系统的统计与分析，是识别风险、提高动力定位系统可靠性的重要手段［2］。本文通过对国际海事承包商协会（IMCA）2009年最新发布的2007年钻井平台移位事故案例进行分析［3］，重点讨论了深水钻井平台动力定位系统安全设计中应关注的几个关键点。

1 钻井平台移位事故概况

2007年，22个国际海事承包商协会会员单位共提供67次移位事故报告，发生事故的海域主要集中在北海、墨西哥湾和东南亚三个海域，这三个海域中报告的DP事故数分别占总数的36%、15%和9%。在全部67次移位事故中，有15次事故来自深水钻井平台。根据移位事故发生的主因对深水钻井平台事故进行分类统计如图2所示。

图2 事故原因统计

采用配备高级别动力定位系统的钻井平台进行相关的钻完井作业是国外油公司进行风险管理的重要手段。以挪威国家石油公司为例，公司要求所有在包括挪威、丹麦、德国、荷兰和英国大陆架在内的西北欧范围作业的钻井平台的动力定位系统级别应为DP Class 3。本文中发生事故的钻井平台均为DP2或DP3。总体而言，电力系统、DP控制系统和人员因素是造成钻井平台移位事故的最主要原因。在第2节至第6节，对5个典型的事故进行叙述并分别讨论了与DP主控室、DP备用控制室、DP控制系统、电力系统及环境条件相关的安全设计内容。

2 DP主控制室

2.1 事故描述

事故发展如图3所示。某深水钻井平台正在动力定位模式下进行钻井作业，在作业过程中，DP操作员误触纵荡约束按钮，从而使动力定位系统此后只自动控制横荡和艏摇两个自由度的运动。平台随即发生偏移。事故最终导致应急解脱程序被触发，平台偏离目标位置135 m。

图3 事故发展简图

2.2 讨论与建议

动力定位系统作为一种高度集成、复杂的自动控制系统，其归根结底仍然需要作业人员对其进行操作、维护和管理。由于动力定位系统设计本身的高冗余度，由单个设备故障引起的移位风险已经从一定程度上得到了有效控制。统计表明：相当比例的移位事故是由于人员的失误而引起，例如在国际海事组织公布的2007年移位事故统计报告中，有13%来自于人员因素。工业界也越来越倾向于将动力定位系统操作员作为除电力系统、控制系统和推进系统之外的动力定位系统第四大组成部分。

本文涉及的事故是人为因素导致事故的典型例子。随着各方对安全、可靠、高效运营要求的不断提高，以及对设备、人为失误所引发严重后果的日益重视，要求在实现动力定位系统功能性要求的同时，应充分开展工作任务分析与控制台布局分析，最大程度减少人为因素事故。此类事故究其实质也是人因工程设计中应当关注和解决的问题。

3 DP备用控制室

3.1 事故描述

事故发展如图4所示。某深水钻井平台正在动力定位模式下进行钻井作业，启用了三套DGPS作为位置参考系统，作业时由于DGPS2离线一次后无法再次被DP控制系统启用，DP操作员计划重启控制器。设置过程中误将DP控制权转移至位于主机控制室的DP备用控制台，由于DP备用控制面板上的推进器选择按钮未被及时启动，造成平台在一定时间内发生移位。事故最终导致平台进入黄色警戒区域，偏离目标位置28 m。

图4 事故发展简图

3.2 讨论与建议

DP3等级的动力定位系统要求设计中考虑由于火灾或水侵导致的舱室失效，因此，除DP主控室之外，设计还要求平台拥有一套独立的DP备用控制系统位于备用控制室，以便在主控室不能执行控制的火灾情形下仍能对平台进行定位控制。根据过去相关项目的经验，很多动力定位控制系统当控制权限从DP主控台转换至备用控制台后，DP操作员必须同时在备用控制台上及时选择计划受控的推进器，否则推进器将不被DP备用控制台控制。本文所述的事故正是由于没有及时选择受控推进器这一原因造成。

鉴于DP备用控制台在火灾情形下的重要作用，其位置设计的不合理也会导致平台失控时间延长，发生严重移位。因此建议DP备用控制台在设计时，应重点关注其位置的选择，既能保证DP操作员在紧急情况下迅速从主控室抵达，以缩短平台达到完全受控状态的时间，又能使备用控制室对外部环境的工作视线尽可能达到和主控室相近的水平，以满足安全作业的需要。

4 DP控制系统

4.1 事故描述

事故发展如图5所示。某深水钻井平台正在动力定位模式下进行钻井作业，DP操作员发出指令试图顺时针旋转平台180°，在此期间，当平台艏向旋转至与海流垂直方向时，推进器输出功率开始增加，同时平台开始移位。事故最终导致平台进入红色警戒区域。

图5 事故发展简图

4.2 讨论与建议

动力定位控制系统是整个动力定位系统的核心，其根据位置参考系统和环境参考系统的相关信息，计算输出推进器的控制指令，以达到定位的目的。本文事故的主要原因是动力定位控制系统的相关控制算法不能快速及时地计算出旋转状态下平台所受到的环境载荷，从而使推进器所分配的推力和实际外载荷产生差异。

由于在实际钻完井作业中，平台常常需要根据作业需要或者相应的环境条件进行艏向的变换，因此，建议在DP控制系统的设计和相关测试工作中，不仅应关注平台相对静止状态下的定位精度等指标，改变艏向等平台运动过程中的动力定位稳定性、定位精度，也要作为评判系统性能的重要技术指标，并与平台作业的海域条件和工作要求等对应起来。

5 电力系统

5.1 事故描述

事故发展如图6所示。某深水钻井平台在动力定位模式下准备进行钻井作业。此时，平台发出机舱火灾警报，作业人员在现场确认5号发电机组起火。此时，与该发电机相连接的数条高压电缆接地导致了电力系统的不稳定，从而使所有汇流盘和推进器的断路器打开。事故最终导致平台偏离目标位置2 490 m。

图6 事故发展简图

5.2 讨论与建议

该事故体现了DP3平台电力系统设计时应重点关注的两方面问题：防火分隔和功率管理系统。

事件营销，在企业界运用广泛。企业界将事件营销定义为：企业围绕一定主体，借助社会热点、重大活动，或有意识地组织和策划一定活动和事件，形成一定时间内的传播效应，从而达到迅速提高企业知名度和美誉度、促进企业商品销售的策略。从城市营销的角度来看，事件营销就是利用具有吸引力的事件，从事件中吸引社会大众关注及参与，社会大众从此类事件传递的信息积累对城市的印象，从而形成社会大众认同的具体形象，再通过各种有效的传播途径，将城市形象传播出去的过程。

同第3节中介绍的关于备用DP控制室的概念。由于DP3等级的动力定位系统设计所考虑的单一故障包括失舱故障模式。因此，在设计的过程中，应根据国际海事组织和船级社的要求保证构成冗余的设备或系统的电缆和相关公用管线不应通过同一个舱室。若确实无法避免，这些电缆和管线应在防火等级为A-60的电缆槽或管道中铺设。上述事故中，如果受影响高压电缆被有效分隔，一台主机的火灾或者所在舱室的失效都不应导致全船失电。

功率管理系统是保障动力定位钻井平台安全作业的又一重要控制系统，作为电力系统的一部分，其最主要的功能就是预防失电。在实际作业的过程中，功率管理系统通过网络与DP控制系统进行通讯，将发电机组的负载情况等相关信息传递给DP系统用于其计算可用的载荷和在必要的情形下进行功率限制。就安全设计而言，应该重点关注功率管理系统在平台发配电系统发生故障后的响应速度，例如当两台发电机组中的一台发生故障停机后，功率管理系统应迅速反应，避免另一台发电机应过载而被停机保护，从而造成更严重的后果。因此，建议功率管理系统的设计应充分考虑作业过程中发配电系统可能出现的故障模式，并在平台海上试航期间，加强对于故障模式下功率管理系统性能的测试。

6 环境条件

6.1 事故描述

事故发展如图7所示。某深水钻井平台正在动力定位模式下进行钻井作业。由于海涌和海流的作用，平台的艏向发生偏移。推进器输出功率增加以平衡环境条件的变化直至发出高载荷报警。事故最终使平台进入黄色警戒区域。

图7 事故发展简图

6.2 讨论与建议

近年来，因环境条件突然变化导致的动力定位平台移位事故屡见不鲜。这类移位事故不仅同DP控制系统的响应时间、事故发生时电力和推力储备情况密切相关，更关键的是平台动力定位系统控位能力计算所依据的环境条件并不考虑作业区域潜在的特殊环境条件。以南海为例，内波是南海海域特有的环境条件，虽然对于内波的演化及机理学术界尚存争议，但最新的研究成果表明，内孤立波可能对平台产生较大的载荷。例如半潜式平台GVA5800M的水平最大内孤立波载荷可达一年一遇表面波载荷的37.7%［4］。

因此，从动力定位系统安全设计和作业的角度提出三点建议：首先，应进一步对环境条件进行监测，根据平台对环境的响应进行收集分析，进一步优化控制系统的输入；第二，在平台设计和作业期间，考虑为平台预留足够的推力和电力储备，以平衡环境力的增加。第三，类似文中所讨论的，在DP控制系统的设计中重点关注系统的响应速度。

7 结 论

（1）鉴于DP2和DP3设计时所要考虑的单点故障包括人为误操作，因此动力定位系统在设计时应充分开展人因可靠性分析，最大程度减少人为因素事故。

（2）DP3设计所要考虑的单点故障包括单个房间的的火灾及水淹，因此需另行设置DP备用控制室。DP备用控制台在设计时，应重点关注其位置的选择，既能保证DP操作员能够在紧急情况下迅速从主控室抵达，又能使备用控制室对外部环境的工作视线尽可能达到和主控室相近的水平。同时，DP3等级的动力定位系统在配置时应确保冗余设备和相关电缆被有效分隔。

（3）建议在DP控制系统的设计和相关测试工作中，不仅应关注平台相对静止状态下的定位精度等指标，改变艏向等平台运动过程中的动力定位稳定性、定位精度，也要作为评判系统性能的重要技术指标，并与平台作业的海域条件和工作要求等对应起来。

（4）功率管理系统的设计应充分考虑作业过程中发配电系统可能出现的故障模式，并在平台海上试航期间，加强对于故障模式下功率管理系统性能的测试。

（5）对特殊环境条件对于动力定位系统的影响进行进一步的分析和研究，并在设计和作业中加以考虑。

［1］ 刘潇，谢彬.深水动力定位钻完井作业的风险管理探述［J］. 中国海洋平台，2012（1）：1-3.

［2］ 张舒蓉.船舶动力定位系统中的测量设备［J］.船舶，2013（4）：49-55.

［3］ International Marine Contractors Association. Dynamic Positioning Station Keeping Incidents-Incidents Reported for 2007［R］. London：IMCA，2009.

［4］ 周济福.南海特殊环境条件影响评估研究报告［R］.北京：中海石油研究中心，2010：106-107.

Safety design of DP system for deepwater drilling units – lessons learned from position loss accidents

LIU Xiao1FENG Shu2
(1. CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100027, China; 2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Position loss is one of the main risks during the operation of DP drilling units. The systematic statistics and analysis of the position loss accidents of DP drilling units are an important method to identify risk and improve the reliability of DP system. This paper analyzes the accidents published by IMCA, and discusses several key aspects of the safety design of DP system for the deepwater drilling units.

deepwater drilling unit; position loss; DP; reliability

U666.12+4

A

1001-9855（2014）02-0080-05

2013-05-13；

2013-07-17

刘 潇（1982- ），男，高级工程师，主要从事海洋工程及液化天然气领域工程管理相关工作。