“深水地平线”沉没事故带来的海洋平台设计的思考

李 阳,赵晶瑞,谢 彬,张 威,谢文会

(中海油研究总院，北京 100028)

“深水地平线”沉没事故带来的海洋平台设计的思考

李 阳,赵晶瑞,谢 彬,张 威,谢文会

(中海油研究总院，北京 100028)

2010年4月20日，美国墨西哥湾 “深水地平线”号半潜式钻井平台发生爆炸事故，引发平台破损并最终导致平台倾覆。针对这一事故，以某型深水半潜式钻井平台为例，分析了平台破舱稳性以及如何合理地对平台进行分舱以有效减小平台破舱倾覆的风险，提出了一些海洋平台设计的新思路和今后海洋石油开发需注意的问题。

半潜式钻井平台；“深水地平线”；稳性；爆炸事故；沉没；漏油

0 引 言

2010年4月20日，位于美国路易斯安那州东南约82 km处海域上密西西比峡谷252区块、正在进行钻井作业的“深水地平线”号半潜式钻井平台发生爆炸事故。爆炸瞬间引发大火。事故发生后当地海岸巡逻队直升飞机迅速赶到出事地点救助伤员。事发时平台上共有126人，大部分平台工作人员获救，17人受伤，11人死亡。在大火持续燃烧36 h后，“深水地平线”钻井平台严重倾斜，最终失稳而沉入海底。

“深水地平线”钻井平台倾覆后，水下石油泄漏速度大大超出预期，被视为美国历史上最严重的石油泄漏事件。平台发生爆炸事故沉没几个月内，美国政府和英国石油公司(BP公司)采取数种补救措施封堵漏油，以减少对环境造成的污染，但均收效甚微。墨西哥湾漏油事故发生后，截至2010年7月，BP公司的市值缩水超过千亿美元。墨西哥湾上千平方公里的海域遭到污染，鱼类、鸟类、珊瑚和哺乳动物等海陆生物物种受到原油威胁，受污染水域的生态环境可能至少需要5年时间才能恢复，而这又严重拖累了墨西哥湾沿岸的旅游业，相关产业链的经济损失难以估计。此次事件对美国社会经济、海洋环境及政治等各方面造成了巨大影响。

近年来，我国海洋油气开发蓬勃发展。如何保障海洋平台的安全避免“深水地平线”这类事故的发生，是非常值得探讨的。本文从这起事故出发，重点进行破舱稳性分析，提出了一些海洋平台设计的新思路。

1 “深水地平线”半潜式钻井平台介绍

“深水地平线”钻井平台为第五代半潜式钻井平台，采用DP3动力定位，由Ramp;B Falcon公司设计，2001年在韩国现代重工制造，由越洋钻探公司(Transocean Ltd.)所有，当时造价3.5亿美元。作业中的“深水地平线”半潜式钻井平台如图1所示。其主要参数如表1所示。

图1 “深水地平线”半潜式钻井平台Fig.1 Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

“深水地平线”钻井平台进入墨西哥湾后，一直为BP公司服务。它主要工作于2006年发现的Kaskida油田的Atlantis区域和2009年发现的Tiber油田的Thunder Horse区域。在2009年2月2日，“深水地平线”钻井平台在Tiber油田钻井深度达到史上最深的35 055英尺(10 685 m)，当时作业水深为4 132英尺(1 259 m)。在2009年10月，BP公司签订了“深水地平线”钻井平台3年续约合同，租期自2010年9月开始，租金共5.44亿美元，平均每天49.68万美元。但2010年4月该平台即发生事故。

2 “深水地平线”爆炸事故救援方案及爆炸原因简析

事故发生后，美国政府、BP公司及社会各界迅速展开救援工作，主要围绕着救援平台人员、平台的灭火以及封堵井下漏油以减少环境污染三方面展开。平台倾覆后，井下漏油造成的环境污染愈发严重，封堵漏油以及清理泄漏的石油成为工作重点。美国政府和BP公司投入了大量的人力、物力进行封堵漏油及环境救援工作。环境救援工作主要针对水上浮油清理、水下漏油封堵及井下减压井采油三方面进行。

表1 “深水地平线”半潜式钻井平台主要参数Table 1 Main parameters of Deepwater Horizon semi-submersible drilling platform

美国内务部、BP公司及各有关机构对事故发生原因进行了广泛的调查。调查初步结果表明，由于技术、管理失误，以下多种原因综合造成了该次事故：(1)环空水泥塞未能有效封隔油气层；(2)套管鞋未能有效阻隔油气；(3)对负试压结果解读不准确，误认为井筒完整性已建立；(4)直到油气进入隔水管才发现井涌；(5)井控措施不当导致错失井控机会；(6)分流到液气分离器导致油气排放到平台；(7)火灾及可燃气探测系统未能探测可燃气体，从而未能阻止油气被点燃；(8)防喷器(BOP)应急模式未能封住井筒；(9)固井后将隔水管内泥浆替换为海水，使井底压力低于地层压力；(10)BP技术标准、管理规定及现场作业领导技术水平存在缺陷和不足。

3 “深水地平线”半潜式海洋平台破舱稳性分析

“深水地平线”钻井平台从爆炸发生开始至严重倾斜直到发生倾覆沉没与平台的破舱稳性有关。半潜式海洋平台正浮于海上时，重力与浮力处于平衡的状态，即重力与浮力大小相等，且作用在同一直线上，如图2所示。“深水地平线”钻井平台倾斜的过程持续36 h，因而可假定角速度为零，属于静稳性范畴。

图2 正浮状态下的海洋平台Fig.2 Offshore platform under the balance floating condition

图3 海洋平台可恢复稳定状态Fig.3 Stable state of the offshore platform

图4 海洋平台不稳定状态Fig.4 Instable state of the offshore platform

引起深水地平线钻井平台爆炸后重量分布改变导致平台倾斜的主要因素如下。

(1) 根据美国化学安全与危害调查委员会事故调研分析报告[4]，平台甲板受到爆炸载荷冲击，上甲板及部分舱壁破裂海水进入舱室导致平台重量分布的改变，进而平台发生倾斜，如图5所示。

图5 海洋平台爆炸导致甲板及舱室破裂进水Fig.5 Sea water burst into offshore platform deck and cabin due to explosion

(2) 消防船持续不断地对“深水地平线”半潜式钻井海洋平台喷水灭火过程中，大量的消防水顺着甲板及舱壁破裂处进入海洋平台，加剧了海洋平台倾斜程度，而倾斜程度增大又会导致更多的海水进入舱室，如图6所示。

(3) “深水地平线”海洋平台倾斜的过程中，海平面若浸没进水口，海水又会改变船体的重量分布，加剧倾斜，海水持续进入。并且倾斜后，平台及甲板上诸多设备都会提供倾覆力矩。

随着海洋平台重量分布改变，重力作用线向倾斜方向移动，当重力与浮力形成的复原力矩变为负值时，海洋平台达到不稳定平衡状态而倾覆。如何在平台受到爆炸载荷作用后，要维持平台不至于倾覆，就需避免更多的海水进入舱室引起倾覆力矩。可采取的方法和措施如下。

(1) 划分危险区与安全区，在危险区配备应急增浮装备，如可考虑在舱室布置紧急情况防爆防火气囊，在爆炸起火状态下可以打开气囊充气填满舱室，这样可以使较少的海水进入并且气囊可提供浮力。

(2) 在满足结构和布置需求的条件下，改变水密舱壁结构形式并将危险区域舱室细化划分，能够更好地抵抗爆炸及撞击载荷冲击，使破裂范围更小，如图7所示。

(3) 控制上甲板进水口处位置，消防灭火应确保甲板水密性，以防止大量消防水进入平台内。

图6 海洋平台进水后失稳倾覆Fig.6 Platform overturning instability after being flooded

图7 海洋平台进水后稳定平衡Fig.7 Platform in stable balance after being flooded

5 典型半潜式钻井平台破舱稳性分析

下面对某半潜式钻井平台进行破舱稳性分析。

表2某半潜式钻井平台主尺度参数

Table2Mainparametersofacertainsemi-submersibledrillingplatformm

表3 某半潜式钻井平台设计工况参数Table 3 Design parameters of the semi-submersible drilling platform

平台外形与舱室模型如图8与9所示。

图8 平台3D模型Fig.8 Platform 3D model

图9 平台舱室及分舱模型Fig.9 Platform and cabin compartment model

根据美国船级社(ABS) MODU 2012与国际海事组织(IMO) MODU 2001规范，半潜式钻井平台破舱可分为两种类型，稳性衡准如下所述。

对于碰撞及爆炸破舱而言：

(1) 回复力矩曲线在第一交点至第二交点或第一个非保护进水点间的距离大于7°，此时的风速为25.8 m/s(50 kn)。

(2) 回复力矩曲线在第一交点至第二交点或第一个非保护进水点间至少存在某一角度，此处回复力矩可达到风倾力矩的2倍或以上，此时的风速为25.8 m/s(50 kn)。

(3) 发生破舱后，在50 kn风力作用下风雨密完整性应至少高于静水面4 m且最终进水角大于目前的平衡角至少7°。

(4) 发生破舱后在50 kn风力作用下平台倾斜角度不大于17°。

对于累积进水而言：

(1) 浸水后无风条件下平台的倾角应不大于25°。

(2) 位于最终水线以下的任何开口均应为水密。

(3) 回复力矩曲线在第一交点至第二交点或第一个非保护进水点间的距离大于7°。

以下对该平台极端破舱条件下进行规范校核，给出相关的工程建议。

假定立柱和浮箱接合部出现局部结构破坏，此时其周边的6个舱室均有发生累计进水的可能。这里将假设6舱均发生进水, 根据平台装载计算书 ，确定当平台发生6舱进水时所需要进行的重心高度调整值如表4所示。

表4 半潜式钻井平台极端破舱工况重心调整值表Table 4 Adjustment of the center of gravity of the semi-submersible drilling platform under extreme damage condition m

通过极端破舱条件下的稳性校核，得到结论如下：

(1) 平台未发生破舱时，稳性指标均满足规范要求，需要注意的是，在作业与生存工况下，平台重心高度的安全裕度较小(即平台的实际重心高度仅比许用重心高度高1～2 m)，最不利载荷入射方向为75°～115°方向，实际作业工况尽量避免风力沿船宽方向作用。

(2) 由于分舱较多，因此当平台发生1～2舱破舱后，稳性指标仍满足规范要求，此外由于破舱稳性的校核风速远小于完整稳性，因此平台的许用重心高度将主要由完整稳性计算所决定。

(3) 当平台在立柱与浮箱结合部出现结构破坏导致周围发生多舱破损进水时，平台船体将严重倾斜并伴随稳性的大量损失，必须尽量降低重心高度并减小吃水。若平台处于生存工况时，平台整体重心需降低0.91 m；当平台处于作业工况时，重心高度则需降低4 m以上。

6 结 语

本文通过回顾 “深水地平线”钻井平台爆炸后墨西哥湾的漏油及平台倾覆事件，分析了事故原因及事故后所采取的救援措施。讨论了深水半潜式钻井平台破舱稳性的原理，最后以典型半潜式钻井平台为例，分析了破舱稳性。通过极端破舱条件下的稳性校核，得到结论如下：

(1) 由于深水钻井风险非常高，海洋平台发生井喷失控爆炸事故后果是灾难性的，对海洋平台安全检查监测千万不能掉以轻心，要警钟长鸣，时刻将海洋平台的安全放在第一位。当海洋平台发生爆炸后，能够保证平台不发生倾覆非常重要，要求平台有针对性的应急压载预案，这样既可以使海洋平台上各种设备得到重新利用以减少损失，也可以减少海洋平台沉没后造成的环境污染。

(2) 由于钻井平台破坏后，海水会进入舱室破裂的平台内，重量分布的改变将导致平台稳定性失衡，因此在平台设计中，应在结构布置形式方面做好准备，划分平台上安全区与危险区，合理对进水点(非保护开口与风雨密开口)危险区结构型式进行优化，以防止不同舱室接连进水导致的稳性恶化。发生危机性事故后，应采取有效的应急设备和措施以减少海水进入平台内，使平台结构发生更少的破损。合理布置进水口位置，消防前确定甲板水密，防止消防水进入海洋平台内部加剧平台倾覆。

(3) 通过对典型半潜式钻井平台破舱稳性进行分析，得到平台未发生破舱时，稳性指标均满足规范要求。需要注意的是，在作业与生存工况下，平台重心高度的安全裕度较小，最不利载荷的风力作用方向为75°～115°，实际作业工况尽量避免风力沿船宽方向作用。由于分舱较多，因此当平台发生1～2舱破舱后，稳性指标仍满足规范要求，此外由于破舱稳性的校核风速远小于完整稳性，因此平台的许用重心高度将主要由完整稳性计算决定。可见合理地分舱及在满足平台功能的情况下尽可能多地分舱对平台破舱稳性有利。当平台在立柱与浮箱结合部出现结构破坏导致周围发生多舱破损进水时，平台船体将严重倾斜并伴随稳性的大量损失，必须尽量降低重心高度并减小吃水。

[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

李阳(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事深水浮式平台结构及水动力分析方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0405-06