中國(guó)近海自升式鉆井平臺(tái)選型影響因素分析

袁光宇

(中國(guó)海洋石油總公司)

1 問(wèn)題的提出

中國(guó)近海，特別是渤海海域經(jīng)歷了近50年的勘探開(kāi)發(fā)，自升式鉆井平臺(tái)在鉆完井作業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。自升式鉆井平臺(tái)之所以能成為鉆井施工中的主力軍，是因?yàn)槠渚哂袡C(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、定位方便、穩(wěn)定性好等突出的優(yōu)點(diǎn)。自上個(gè)世紀(jì)70年代，中國(guó)海油針對(duì)渤海海域海況和地質(zhì)條件，通過(guò)調(diào)研分析和優(yōu)化選型，在渤海油田選擇了三腿和四腿結(jié)構(gòu)2種鉆井平臺(tái)類(lèi)型，升船方式為液壓舉升或齒輪齒條舉升。

我國(guó)于1967年設(shè)計(jì)了中國(guó)第一艘自升式鉆井平臺(tái)“渤海1號(hào)”，于1972年在大連造船廠建成交船，隨后作業(yè)水深逐步得到提升的自升式鉆井平臺(tái)相繼出現(xiàn)，如“渤海5號(hào)”和“渤海7號(hào)”兩艘自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)水深從30 m提高到40 m，就位一次可以完成9口井的作業(yè)，最大鉆井深度也達(dá)到了6000 m。隨著渤海海域勘探區(qū)域擴(kuò)大，作業(yè)水深不斷加深，鉆井深度逐步提高，使得鉆井平臺(tái)具有更強(qiáng)的作業(yè)能力和更好的性能。為了適應(yīng)更復(fù)雜的海底條件，具有較強(qiáng)的就位能力，鉆井平臺(tái)樁腿數(shù)量主要采用三腿結(jié)構(gòu)型式，樁腿結(jié)構(gòu)主要為配帶樁靴的桁架式端承結(jié)構(gòu)樁。從渤海海域近50年的鉆井實(shí)踐來(lái)看，帶有樁靴桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的自升式鉆井平臺(tái)已成為該區(qū)域鉆井作業(yè)的主要平臺(tái)類(lèi)型。

近年來(lái)中國(guó)海油油氣產(chǎn)量高速增長(zhǎng)，鉆井工作量劇增，許多油田的勘探與開(kāi)發(fā)都需要自升式鉆井平臺(tái)去完成，而原有鉆井平臺(tái)在數(shù)量和能力上均不能完全滿(mǎn)足工作需求。因此，需要新建一批鉆井平臺(tái)，中國(guó)近海自升式鉆井平臺(tái)選型和適應(yīng)性的問(wèn)題就提了出來(lái)。中國(guó)海油現(xiàn)有的自升式鉆井平臺(tái)情況如表1所示。

表1 中國(guó)海油現(xiàn)有的自升式鉆井平臺(tái)情況

2 中國(guó)近海自升式鉆井平臺(tái)選型影響因素分析

針對(duì)預(yù)定井位的環(huán)境條件(包括海況、海底土質(zhì)條件等)、作業(yè)工況以及作業(yè)要求選擇合適的自升式鉆井平臺(tái)，會(huì)對(duì)鉆井作業(yè)的順利實(shí)施提供保障。目前在選擇自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行預(yù)定井位的作業(yè)時(shí)，水深和鉆井平臺(tái)動(dòng)復(fù)原是否方便作為選擇平臺(tái)的依據(jù)，很少考慮鉆井平臺(tái)其他結(jié)構(gòu)上的適合性。經(jīng)過(guò)分析可知，在中國(guó)近海選擇合適的自升式鉆井平臺(tái)不僅需要考慮水深條件，還要根據(jù)海底地質(zhì)條件、平臺(tái)鉆井能力以及海況條件來(lái)綜合分析。

(1)水深條件

水深是選擇自升式鉆井平臺(tái)首先要考慮的因素，它直接影響著平臺(tái)樁腿長(zhǎng)度的選擇，而樁腿又是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵組成部分［1］。在自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)和改進(jìn)換代方面，適應(yīng)的作業(yè)水深是最突出和最為主要的參數(shù)，因此，在一定程度上可以將水深條件作為選擇平臺(tái)和判斷適用性的唯一初始參數(shù)。

同時(shí)，水深條件也影響著樁腿的結(jié)構(gòu)形式。截至目前，所設(shè)計(jì)和建造出的自升式鉆井平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)形式有柱體式和桁架式兩大類(lèi)。柱體式樁腿由鋼板焊接成封閉式結(jié)構(gòu)，按照截面形式又分為圓柱形和方箱形2種［2］，一般用于作業(yè)水深在60 m以下。水深加大，波浪載荷增大，對(duì)樁腿和船體都提出了抗傾覆穩(wěn)定性的要求;樁腿在保證穩(wěn)定性的同時(shí)加長(zhǎng)，其橫截面必然加大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增大，這種條件下適合采用桁架式設(shè)計(jì)形式的樁腿。

(2)海底地質(zhì)條件

樁腿可按海底地質(zhì)條件需要設(shè)置樁靴，海底土質(zhì)特性也是設(shè)計(jì)樁靴結(jié)構(gòu)形式的依據(jù)。樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形幾種［3］，帶有樁靴的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的自升式平臺(tái)適用于淤泥、粘土、砂土等多種海底地質(zhì)條件。在自升式鉆井平臺(tái)就位升船前應(yīng)依據(jù)有關(guān)部門(mén)提供的工程地質(zhì)調(diào)查資料，進(jìn)行自升式鉆井平臺(tái)樁靴入泥深度和拔樁阻力計(jì)算和預(yù)測(cè)研究，給出鉆井船樁腿入泥深度窗口。

結(jié)合水深條件來(lái)判斷預(yù)定井位是否適合自升式鉆井平臺(tái)就位插樁。自升式鉆井平臺(tái)樁腿的有效長(zhǎng)度必須滿(mǎn)足樁靴入泥深度、水深和設(shè)計(jì)氣隙三要素的要求。樁腿有效長(zhǎng)度是指樁腿總長(zhǎng)度減去樁腿最小剩余長(zhǎng)度(不同平臺(tái)最小剩余長(zhǎng)度不同，一般為1.5～3.5 m)、提升系統(tǒng)框架頂部高出船體甲板的高度和船體型深，如圖1所示。自升式鉆井平臺(tái)撤離時(shí)需要進(jìn)行拔樁作業(yè)，樁靴入泥深度越深，拔樁阻力越大，當(dāng)拔樁阻力超過(guò)平臺(tái)自身的拔樁能力時(shí)將出現(xiàn)拔樁困難，甚至不能實(shí)現(xiàn)拔樁，導(dǎo)致拔樁失敗的風(fēng)險(xiǎn)。通常對(duì)于每一艘自升式鉆井平臺(tái)來(lái)說(shuō)，不論海底地質(zhì)條件如何，設(shè)計(jì)中都會(huì)設(shè)定容許的最大入泥深度，即樁靴的入泥深度不得超過(guò)鉆井船最大入泥深度。

圖1 樁腿長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

近年來(lái)，自升式鉆井平臺(tái)遭遇海底表層硬砂層——“鐵板砂”海底土層，因插樁過(guò)淺導(dǎo)致樁靴底部被海流掏空而引起船體傾覆，以及遭遇很厚的軟土層因插樁過(guò)深而導(dǎo)致平臺(tái)無(wú)法自拔樁的事故時(shí)有發(fā)生，可以通過(guò)自升式鉆井平臺(tái)選型和結(jié)合相應(yīng)的安全措施來(lái)避免或降低此類(lèi)事故的風(fēng)險(xiǎn)。

海底工程地質(zhì)條件、平臺(tái)入泥深度限制以及穿刺風(fēng)險(xiǎn)共同構(gòu)成自升式鉆井平臺(tái)選型的影響因素。鉆前應(yīng)認(rèn)真分析物探井場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果，確認(rèn)樁腿有無(wú)“穿刺”的可能，預(yù)測(cè)平臺(tái)樁腿“穿刺”可能下沉的最大深度等，還可以通過(guò)選用不同自升式平臺(tái)來(lái)打破平臺(tái)入泥深度的限制，降低甚至避免穿刺風(fēng)險(xiǎn)。若分析結(jié)論認(rèn)為無(wú)法避免穿刺，且樁腿“穿刺”達(dá)到較大深度，應(yīng)考慮選擇坐底式自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)，而不能選用插樁式自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)［4］。

(3)平臺(tái)鉆井能力

平臺(tái)的鉆井能力除了與平臺(tái)上配置的鉆井設(shè)備有關(guān)外，還與平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。每艘自升式平臺(tái)都具備自身特定的鉆井能力，如“渤海3號(hào)”鉆井船鉆井能力4000 m，工作水深40 m，鉆井最大可變荷載1556 t，大鉤負(fù)荷180 t。可以根據(jù)預(yù)定待鉆井的設(shè)計(jì)方案選用能夠勝任的自升式平臺(tái)，或通過(guò)改變平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆井能力的提升。也就是說(shuō)，選用不同結(jié)構(gòu)的自升式平臺(tái)可以獲得不同的鉆井能力。

加大樁腿可以提高自升式鉆井平臺(tái)的負(fù)荷能力。例如，休思南斯鉆井公司的2個(gè)新鉆井平臺(tái)，即“前衛(wèi)1號(hào)”和“前衛(wèi)2號(hào)”，原平臺(tái)鉆井能力為7620 m，通過(guò)改進(jìn)樁腿和鉆機(jī)底座結(jié)構(gòu)提高了其運(yùn)轉(zhuǎn)能力。資料表明，這2個(gè)新鉆井平臺(tái)樁腿直徑增至15.24 m，支撐面積則增加了69%，即在同樣負(fù)荷情況下降低了海底負(fù)荷，從而相對(duì)負(fù)荷減輕，實(shí)際鉆井負(fù)荷得以增加;同時(shí)改進(jìn)后的鉆機(jī)底座易于移動(dòng)，方便鉆井平臺(tái)井位之間的移動(dòng)和定位［5］。

(4)海況條件

這里提到的海況條件主要包括風(fēng)、浪、流和冰的情況。每個(gè)海域都有其特有的海況條件，不同的海況條件對(duì)不同的自升式鉆井平臺(tái)作用載荷不同。也可以說(shuō)，不同的自升式鉆井平臺(tái)對(duì)海況的敏感度不同。

自升式鉆井平臺(tái)在預(yù)定井位就位插樁前，需要進(jìn)行抗風(fēng)、浪、流，甚至抗冰的穩(wěn)定性分析，研究和計(jì)算平臺(tái)在預(yù)定井位風(fēng)、浪、流和冰作用下樁腿受到的反力與傾覆力矩。對(duì)于作業(yè)水深在60 m以上的自升式鉆井平臺(tái)，通常采用桁架式樁腿。與殼體式樁腿相比，桁架式樁腿不僅重量輕，而且可以有效降低波浪力作用，從而降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)［6］。從這個(gè)角度上來(lái)看，海況條件也是自升式鉆井平臺(tái)選型的依據(jù)。例如，結(jié)合南海西部目標(biāo)井位水深和海底地質(zhì)條件，參考該海域的海況條件［7］，對(duì)所選擇的“海洋石油941”平臺(tái)(最大作業(yè)水深122 m)進(jìn)行了可行性分析，假定了3種工況，并按照中國(guó)船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行平臺(tái)抗風(fēng)暴校核，其結(jié)果1)為:①在入泥小于 14.7 m、氣隙 14 m、最大水深小于99 m的條件下，“海洋石油941”平臺(tái)可以滿(mǎn)足抗50年一遇的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴要求;②在入泥小于7.7 m、氣隙30 m、最大水深小于95 m的條件下，“海洋石油941”平臺(tái)可以滿(mǎn)足抗50年一遇的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴要求;③在入泥小于5.5m、氣隙13 m、最大水深小于122 m的條件下，“海洋石油941”平臺(tái)可以滿(mǎn)足抗100年一遇的冬季風(fēng)暴要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

就目前認(rèn)識(shí)來(lái)看，考慮平臺(tái)的海況適應(yīng)能力、廣泛的使用能力以及鉆機(jī)最適用的鉆井能力，是自升式鉆井平臺(tái)選型分析的三要素。自升式鉆井平臺(tái)選型是涉及到平臺(tái)的建造、使用和鉆完井工作滿(mǎn)足勘探開(kāi)發(fā)需求的大事情，因此必須要花大力氣做好。對(duì)于僅限于渤海海域作業(yè)水深建造的海洋石油92系列平臺(tái)，由于水深和懸臂能力有限，就目前的使用情況來(lái)看，應(yīng)增加懸臂梁的覆蓋能力，以18.3 m為好，這樣充分兼顧生產(chǎn)井和調(diào)整井的需要，有利于今后的長(zhǎng)期使用，提高鉆井平臺(tái)的使用率。而對(duì)于海洋石油94系列平臺(tái)，由于其可變載荷大，水深適應(yīng)性強(qiáng)，將成為南北海域兼顧的主力平臺(tái)類(lèi)型。

［1］ 李征.自升式平臺(tái)樁靴開(kāi)孔強(qiáng)度的分析研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［2］ 羅宏志，蒙占彬.國(guó)內(nèi)深水自升式鉆井平臺(tái)發(fā)展概況［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25(4):4-7.

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