隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)研究與應(yīng)用

程 仲 牟小軍 馬英文 劉正禮 程 昆 李曉剛

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司鉆井部；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司鉆井部； 4.德克薩斯農(nóng)業(yè)與機(jī)械大學(xué)石油工程學(xué)院）

隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)研究與應(yīng)用

程 仲1牟小軍1馬英文2劉正禮3程 昆4李曉剛1

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司鉆井部；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司鉆井部； 4.德克薩斯農(nóng)業(yè)與機(jī)械大學(xué)石油工程學(xué)院）

針對(duì)現(xiàn)有浮吊等大型海洋作業(yè)資源不能滿足渤海地區(qū)鉆井打樁作業(yè)需求的問題，研究了隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)包括：采用“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”作業(yè)模式進(jìn)行隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)；配合“邊鉆邊完”鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)打樁作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)；研制了特殊螺紋扣實(shí)現(xiàn)隔水導(dǎo)管安全、快速連接；打樁作業(yè)過程采用實(shí)時(shí)水下監(jiān)控等措施保證打樁作業(yè)準(zhǔn)確、高效。該項(xiàng)技術(shù)已在錦州25－1南油氣田A平臺(tái)獲得了成功應(yīng)用。

錦州25－1南油氣田 隔水導(dǎo)管 打樁作業(yè) 模塊鉆機(jī)

隨著渤海海域油氣田開發(fā)力度的加大，現(xiàn)有浮吊設(shè)備資源不能滿足鉆井打樁作業(yè)的需求，如何在有限的作業(yè)資源條件下完成打樁作業(yè)任務(wù)，就成為亟待解決的問題。

研究了隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)采用“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”這一作業(yè)模式進(jìn)行隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)；配合“邊鉆邊完”鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)打樁作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)；研制了特殊螺紋扣實(shí)現(xiàn)隔水導(dǎo)管安全、快速連接；打樁作業(yè)過程采用實(shí)時(shí)水下監(jiān)控等措施，保證打樁作業(yè)準(zhǔn)確、高效。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)順利完成了錦州25－1南油氣田A平臺(tái)首批12口井隔水導(dǎo)管錘入作業(yè)，緩解了海洋吊裝設(shè)備資源緊張的局面，成功解決了浮托法安裝組塊后無法采用傳統(tǒng)作業(yè)模式安裝隔水導(dǎo)管的問題，保證了后續(xù)作業(yè)的順利開展。

1 隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)

隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)主要包括“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)模式、打樁作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)、隔水導(dǎo)管快速連接和隔水導(dǎo)管實(shí)時(shí)水下監(jiān)控等。

1.1 “生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)模式

模塊鉆機(jī)具有運(yùn)輸方便，安裝、就位快捷，作業(yè)費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在生活支持平臺(tái)或者生產(chǎn)平臺(tái)的配合下，利用模塊鉆機(jī)能夠完成鉆完井、修井增產(chǎn)作業(yè)，因此在渤海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。但利用模塊鉆機(jī)進(jìn)行打樁作業(yè)還沒有成功案例。錦州25－1南油氣田A平臺(tái)模塊鉆機(jī)配備完善的吊裝設(shè)備，包括：有效高度為47 m、最大鉤載為6050 k N的HJJ450型井架，南北兩側(cè)最大鉤載為40 t的柴油吊車及主甲板等。生活支持平臺(tái)為HYSY281，可供人員住宿和動(dòng)力供應(yīng)，保證平臺(tái)正常生產(chǎn)。圖1為“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)模式示意圖。

圖1 “生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)模式示意圖

為保證A平臺(tái)模塊鉆機(jī)能滿足隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)需要，對(duì)平臺(tái)模塊鉆機(jī)打樁可行性進(jìn)行了論證。

錦州25－1南油氣田A平臺(tái)隔水導(dǎo)管下入的地層主要是淤泥、粘土、粉砂及砂泥混層等海底淺層土質(zhì)，成巖性差。

打樁是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，與打樁過程中的錘－樁－土相互作用密切相關(guān)。根據(jù)波動(dòng)理論[1]，樁身最大錘擊拉應(yīng)力可按式（1）計(jì)算

式（1）中：σt為樁身最大錘擊拉應(yīng)力，k Pa；x為計(jì)算點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的距離，m；t1為速度峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間，ms；F為作用截面處的受力，k N；v為作用截面處的沖擊速度，m/s；Z為樁身截面力學(xué)阻抗，k N·s/m；c為樁身平均波速，m/s；L 為作用截面以下的樁長，m。

打樁錘實(shí)際傳遞給樁的能量可按式（2）計(jì)算

式（2）中：E為樁錘實(shí)際傳遞給樁的能量，kJ；T為采樣結(jié)束時(shí)間，ms。

在連續(xù)的錘擊作用下，樁身不斷下沉，樁周土和樁端土阻力不斷增大，應(yīng)用一維波動(dòng)方程和樁－土體系的數(shù)學(xué)模型能夠確定單樁豎向極限承載力。根據(jù)隔水導(dǎo)管打樁處土質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)選用D80－32筒式柴油打樁錘進(jìn)行打樁試驗(yàn)，打樁試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 錦州25－1南油氣田A平臺(tái)打樁試驗(yàn)結(jié)果（D80－32筒式柴油打樁錘）

結(jié)合表1拒錘阻力和拒錘深度可以得出，在正常作業(yè)連續(xù)打樁情況下，在平臺(tái)BH1和BH2試打孔位用D80－32筒式柴油打樁錘可分別將1829 mm、2134 mm和2438 mm直徑鋼管樁打入至滿足抗冰強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)入泥深度（外排槽口762.0 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)入泥深度為30 m，內(nèi)排槽口508.0 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)入泥深度為25 m），說明平臺(tái)模塊鉆機(jī)現(xiàn)有鉆井裝備能夠滿足打樁作業(yè)的需要。試驗(yàn)結(jié)果可為在300擊/0.3 m拒錘限度下選擇錘可克服的最大打入阻力提供依據(jù)。

為了更好地在模塊鉆機(jī)打樁時(shí)記錄打樁參數(shù)，將2個(gè)應(yīng)力傳感器和2個(gè)加速度傳感器對(duì)稱固定在打樁錘底，利用波動(dòng)理論計(jì)算方法處理所得數(shù)據(jù)并反饋至打樁錘，從而實(shí)現(xiàn)了在最優(yōu)參數(shù)條件下進(jìn)行打樁作業(yè)。

1.2 打樁作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”進(jìn)行隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)具有可以根據(jù)地質(zhì)、油藏資料和現(xiàn)場(chǎng)施工情況合理優(yōu)化打樁順序的優(yōu)勢(shì)。以錦州25－1南油氣田A平臺(tái)為例，為了達(dá)到“隔水導(dǎo)管錘入設(shè)計(jì)深度后，井斜小于0.5°”這一作業(yè)要求，必須減少打樁作業(yè)過程中由群樁效應(yīng)引起的應(yīng)力集中?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)打樁設(shè)備不適于頻繁移動(dòng)、對(duì)正作業(yè)槽口，在第一批打樁作業(yè)過程中采用優(yōu)化的從中心向外圍錘入、盡可能整排施工的打樁線路，錘入12口井的隔水導(dǎo)管，大幅度提高了錘入效率。模塊鉆機(jī)打樁作業(yè)模式具有較大的靈活性，后續(xù)打樁作業(yè)時(shí)，作業(yè)者可以根據(jù)前一批次鉆完井作業(yè)情況隨時(shí)優(yōu)化鉆井平臺(tái)布井設(shè)計(jì)及其表層作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)打樁作業(yè)與鉆完井作業(yè)能夠在最優(yōu)工況下交替進(jìn)行，可以大大提高鉆完井質(zhì)量。第一批次打樁順序見圖2。

圖2 錦州25－1南油氣田A平臺(tái)第一批次打樁優(yōu)化順序圖

1.3 隔水導(dǎo)管特殊螺紋扣快速連接

傳統(tǒng)作業(yè)模式中，隔水導(dǎo)管依靠焊接方式連接。在打樁過程中，由于焊接這種大直徑樁需要較長時(shí)間（短則幾小時(shí)，長則若干天甚至更多），會(huì)造成打樁出現(xiàn)間歇，打樁過程中出現(xiàn)間歇可能導(dǎo)致拒錘情況發(fā)生。

為了防止拒錘情況發(fā)生，有針對(duì)性地研發(fā)了特殊螺紋扣——四頭螺紋扣，對(duì)錦州25－1南油氣田A平臺(tái)隔水導(dǎo)管進(jìn)行連接，四頭螺紋扣能夠?qū)崿F(xiàn)隔水導(dǎo)管間安全、快速連接，使連接作業(yè)時(shí)間大大縮短（只需要30～40 min就能完成上扣作業(yè)），導(dǎo)管連接處的抗壓應(yīng)力強(qiáng)度和密封性能完全滿足打樁作業(yè)和鉆完井作業(yè)要求，極大地降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和打樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，這種新研制的螺紋扣安裝時(shí)不宜大力碰撞或在不對(duì)正的情況下蠻力擰接。

1.4 隔水導(dǎo)管實(shí)時(shí)水下監(jiān)控

遼東灣地區(qū)秋冬季海況條件惡劣，海底地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，海水流向多變，嚴(yán)重影響到該地區(qū)的打樁作業(yè)[2]，為了保證打樁質(zhì)量，錦州25－1南油氣田A平臺(tái)打樁時(shí)采取了以下幾項(xiàng)措施：①在打樁作業(yè)前由潛水員確認(rèn)并清掃導(dǎo)向槽及對(duì)應(yīng)的海底區(qū)域，保證海底平整、無雜物；②為了減少海流對(duì)打樁的影響，打樁作業(yè)盡量選擇平潮；③打樁作業(yè)過程中采取實(shí)時(shí)水下監(jiān)控措施，作業(yè)者可通過水下攝像機(jī)在平臺(tái)觀察到水下隔水導(dǎo)管打樁情況。

2 新技術(shù)應(yīng)用及其效果

2.1 新技術(shù)應(yīng)用保障措施

隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)在錦州25－1南油氣田A平臺(tái)應(yīng)用時(shí)有以下保障措施：

（1）打樁作業(yè)前 核查φ508.0 mm、φ762.0 mm、φ914.4 mm隔水導(dǎo)管數(shù)量及錘入引鞋尺寸；檢查隔水導(dǎo)管內(nèi)徑及外徑，保證隔水導(dǎo)管兩端螺紋和端面完好無損；丈量隔水導(dǎo)管，填寫套管表，按順序排放；連接好應(yīng)急鉆具組合（φ444.5 mm牙輪鉆頭＋配合接頭＋φ444.5 mm扶正器＋φ203.2 mm 鉆鋌×6根＋配合接頭＋φ127 mm加重鉆桿×15根），在發(fā)生拒錘情況下做沖樁、拔樁應(yīng)急使用；對(duì)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)防腐段采用可靠、經(jīng)濟(jì)的熱收縮包覆防蝕技術(shù)進(jìn)行防護(hù)[3]。

（2）打樁作業(yè)實(shí)施 移井架至設(shè)計(jì)井槽；游車慢慢提升打樁錘至合適高度；連接隔水導(dǎo)管。四頭螺紋扣隔水導(dǎo)管連接的步驟為：將上下接頭中心對(duì)正（圖3a）；將上接頭的標(biāo)志與下接頭4個(gè)標(biāo)志中的任意標(biāo)志對(duì)齊（誤差0～20 mm）（圖3b）；緩慢放上接頭使上下接頭臺(tái)肩距離l為30～40 mm（圖3c）；用專用量具測(cè)量下接頭在4個(gè)標(biāo)識(shí)處上下接頭臺(tái)肩的距離，調(diào)整這4點(diǎn)的距離使之相差不超過3 mm（圖3d）；將上下接頭擰接至要求扭矩，最后將3個(gè)防脫螺栓擰緊。

圖3 特殊螺紋扣隔水導(dǎo)管安裝示意圖

隔水導(dǎo)管下入過程中，作業(yè)者通過水下攝像機(jī)觀察水下情況，在潛水員的幫助下完成隔水導(dǎo)管的定位工作。隔水導(dǎo)管進(jìn)入泥面后打樁錘開始工作，先是小能量錘擊，隨著隔水導(dǎo)管入泥深度增加，根據(jù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化、調(diào)整打樁作業(yè)。

（3）打樁作業(yè)后 對(duì)已錘入的隔水導(dǎo)管進(jìn)行防冰、抗沖擊處理。錦州25－1南油氣田A平臺(tái)模塊鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心海拔為39 m，井口小平臺(tái)距轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心為22 m。為了保證隔水導(dǎo)管滿足冬季作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了局部雙層隔水導(dǎo)管方案“φ762.0 mm隔水導(dǎo)管（壁厚38 mm）＋φ609.6 mm 加厚套管（壁厚25 mm）”。為了保證內(nèi)層φ609.6 mm的加厚套管長度控制在冰區(qū)范圍內(nèi)，一開下套管作業(yè)時(shí)先將局部雙層隔水導(dǎo)管與φ339.7 mm表層套管進(jìn)行連接（稱為復(fù)合隔水導(dǎo)管），在復(fù)合隔水導(dǎo)管（圖4）上部連接φ339.7 mm表層套管＋22 m聯(lián)頂節(jié)，在游車的控制下隨φ339.7 mm表層套管一起下入，固井。與隔水導(dǎo)管外壁加裝機(jī)械抗冰裝置方案相比，該方案的采用可確保復(fù)合隔水導(dǎo)管的下深精度，增加外圍隔水導(dǎo)管潮間帶部分的抗冰強(qiáng)度，并大大降低作業(yè)成本。錦州25－1南油氣田A平臺(tái)雙層隔水導(dǎo)管成功抵御了2009年初50年一遇的渤海大冰潮。結(jié)果證明雙層隔水導(dǎo)管方案可以滿足遼東灣地區(qū)冬季抗冰要求。

圖4 復(fù)合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 應(yīng)用效果

隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)在渤海錦州25－1南油氣田A平臺(tái)第一批和第二批隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)中得到應(yīng)用，累計(jì)節(jié)省浮吊資源長達(dá)50船天，加快了項(xiàng)目作業(yè)進(jìn)度。

3 結(jié)束語

研究了隔水導(dǎo)管打樁新技術(shù)，該技術(shù)采用“生活支持平臺(tái)＋模塊鉆機(jī)”作業(yè)模式進(jìn)行隔水導(dǎo)管定位和打樁作業(yè)；配合“邊鉆邊完”鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了打樁作業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；有針對(duì)性地研發(fā)了特殊螺紋扣，實(shí)現(xiàn)了隔水導(dǎo)管安全、快速連接；打樁作業(yè)過程中采用實(shí)時(shí)水下監(jiān)控等措施，保證了打樁作業(yè)準(zhǔn)確、高效。該技術(shù)已在錦州25－1南油氣田A平臺(tái)獲得成功應(yīng)用并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 陳波，閆澍旺，樊之夏.樁基平臺(tái)樁的可打入性和自由站立強(qiáng)度分析[J].中國海上油氣（工程），2001，13（6）：1－5.

[2] 馬毓倩，劉澤菁，魯紅革.淺談渤海自然災(zāi)害對(duì)海洋石油安全生產(chǎn)的影響及對(duì)策[J].海洋預(yù)報(bào)，2005，22（4）：66－72.

[3] 李勝利，李自力，周長李.海洋油氣田水線以上設(shè)施的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2009，26（3）：19－22.

The study and application of a new drilling riser pile driving technology

Cheng Zhong1Mou Xiaojun1Ma Yingwen2Liu Zhengli3Cheng Kun4Li Xiaogang1
（1.CNOOC Energy Technology ＆ Services－Supervision＆Technology Co.，Guangdong，518067；2.Drilling Department，Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin，300452；3.Drilling Department，Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067；4.School of Petroleum Engineering，Texas Agricultural ＆Mechanical University，Texas，TX77843）

The current floating cranes and other large marine resources can not satisfy the requirements of the drilling riser driving operation at Bohai Sea.According to this problem，a new drilling riser pile driving technology was studied.This technology contains：using the “accommodation platform plus rig module”to perform the riser driving operation；optimizing the design of drilling riser driving according to the modern“fast drilling and completion”tecnnique；developing the special thread to make the safe and fast connection of the riser；conducting real－time monitoring while driving to ensure the accurate and efficient riser driving.This technology has been applied in platform A of JZ25－1S oil and gas field.

JZ25－1S oil and gas field；drilling riser；pile driving；rig module

程仲，男，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海上石油鉆采技術(shù)監(jiān)督工作。地址：深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路海洋石油大廈B座（郵編：518067）。E－mail：chengzhong＠cnooc.com.cn。

2010－06－25改回日期：2010－11－04

（編輯：夏立軍）