平臺場址硬殼層處理方法初探
——以南海番禺某油田為例

劉 賓，張振波，羅進華，蔣衛(wèi)焱，周楊銳

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067； 2.中海油田服務股份有限公司，天津 300451)

平臺場址硬殼層處理方法初探
——以南海番禺某油田為例

劉 賓1，張振波1，羅進華2，蔣衛(wèi)焱2，周楊銳2

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067； 2.中海油田服務股份有限公司，天津 300451)

在南海番禺某存在硬殼層的平臺場址內，使用工作級ROV搭載多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側掃聲納等設備進行高精度工程物探調查，為鉆孔作業(yè)提供可靠信息；使用動力定位船及其鉆井設備裝載大鉆頭直接鉆松淺表砂層(硬殼層)，使用ROV在水下為鉆桿精確定位，最終消除硬殼層對鉆井平臺插樁造成的穿刺威脅。

硬殼層；鉆孔；插樁；穿刺；ROV搭載

自升式鉆井平臺適用于不同海洋環(huán)境和較大范圍水深條件，移動靈活且便于建造，因此在海洋石油鉆采中得到了廣泛應用[1-2]。典型的自升式鉆井平臺的3個獨立樁腿均在其根部設計有樁靴，樁靴插入海底地基承載平臺重量。自升式鉆井平臺鉆井前要進行壓載作業(yè)。所謂壓載，是指鉆井平臺樁靴插入海底地基后，平臺裝載水用以模擬平臺可能遇到的最大重量荷載和環(huán)境荷載。在壓載過程中，一個主要的潛在風險存在于上硬下軟的“硬殼層”地層[1,3]，即俗稱的“雞蛋殼”地層[4]上。在鉆井平臺壓載該地層的過程中，當某個樁靴承載力超過硬土層的極限承載力時，該樁靴就會穿過硬土層，隨后迅速下沉，形成“穿刺”[1-5]。嚴重的穿刺會導致船體傾斜失衡，樁腿齒條及升降機構受損[3]。據統(tǒng)計，全世界95%的穿刺事故都發(fā)生在硬-軟粘土層[3]。以三腿自升式的某JU2000型自升式鉆井平臺為例，其樁靴式基礎的最寬部分面積為254 m2，有效直徑為18.0 m。預壓載時，每只樁靴的最大預壓載為112.2 MN。某日，該JU2000型自升式鉆井平臺首次在番禺某場址導管架成功就位后，平臺升船至壓載作業(yè)氣隙開始按照預定程序進行壓載作業(yè)，平臺對2#樁加壓載水，加水至設計預壓載樁腿反力后開始停泵觀察，20分鐘后2#樁突然發(fā)生穿刺，樁腿入泥從4.7 m下沉至13.3 m，造成鉆井平臺樁腿變形。

對于海上某一預定鉆井位置實施壓載作業(yè)前通常要進行工程物探和工程地質調查，并進行鉆井平臺樁靴插入深度的計算，分析插樁壓力是否滿足基底土極限承載力[2]。對于單一地層的極限承載力，采用美國石油協(xié)會關于固定式近海平臺構造設計規(guī)范(API RP 2A-2000)推薦的方法計算[6]，得到整個土層的承載力曲線。穿刺分析方面，對于上硬下軟土層的刺穿分析，國內外應用的方法很多，比較普遍應用的有Hanna和Meyerhof法以及Young和Focht投影面積法(3∶1方法)[7-9](如圖1所示)。根據國內外的規(guī)范或推薦做法，一般認為安全系數(shù)足夠大(如Fs1≥1.5或Fs2≥1.2)是可以作業(yè)的，但不能保證作業(yè)中不穿刺、還需要按照穿刺情況下插樁程序作業(yè)；如果安全系數(shù)中等(如Fs1<1.5及Fs2<1.2)[1,10-14]，一般不建議平臺插樁作業(yè)。但實際作業(yè)表明，安全系數(shù)小不代表不能作業(yè)。只要預計穿刺深度小于平臺結構可承受值，或經計算，平臺任何結構的應力水平在材料的屈服極限范圍內，可進行壓載嘗試[1]。如果分析表明某處穿刺危害性較大，國內外一般采取以下三個措施：換井位、換平臺、減壓載，另外插樁前進行周密布置，制定應急預案，以減少穿刺對人員和平臺結構的傷害[1,10]。如果采取上述三個措施后經專家決策仍不能消除穿刺風險，則分析穿刺帶來的危害是否可接受，若不能接受，或嘗試壓載造成穿刺，造成設備損傷以致無法繼續(xù)作業(yè)，則停止作業(yè)。

在如何主動處理“雞蛋殼”地層的問題上，國外有“采用勘察船鉆孔來擾動上部淺層土以避免穿刺”的類似成功經驗[15-18]，國內尚無該類嘗試；且國外提供的案例中海底淺層土全部為粘性土層。淺表層為砂土時如何實施及實施效果如何，國內外尚未見報道。本文將介紹南海首個鉆孔作業(yè)消除穿刺風險的成功案例，可為類似問題提供參考。

1 工程地質條件

預定平臺中心處的水深約103 m，附近的水深變化平緩，側掃聲納資料顯示平臺場址內聲反射均勻。由地質鉆孔資料可知，淺部地層主要分為兩層，A層沉積物的上部為松散的褐灰色細砂，下部為中密實的褐灰色粉質細砂。整個調查區(qū)(1 km×1 km范圍)A層的厚度約為3.8～5.4 m，在預定平臺中心位置A層厚度約為5.3 m。B層(A層的下覆地層)沉積成分上部為稍硬的褐灰色粉質粘土與砂質粉土互層，下部為稍硬的褐灰色粉質粘土含粉土包。調查區(qū)B層的厚度約在14.3～18.5 m之間變化，在預定平臺位置B層厚度約為18.2 m。井位中心極限樁靴荷載與樁靴尖入泥深度關系曲線及井位中心取樣成分描述分別如圖1與圖2所示。

圖1 極限樁靴荷載與樁靴尖入泥深度關系曲線Fig. 1 Ultimate leg load vs footing tip penetration curve

圖2 井位中心取樣成分描述 Fig. 2 Histogram of borehole at the well location

對圖1說明如下：該曲線是根據鉆井平臺的參數(shù)，以及粘土的不排水抗剪強度、砂土的內摩擦角、土的容重等計算得出的。曲線表述了當插樁船的樁靴插入海底不同深度時，土能承受的最大壓力。圖中的最大預壓荷載(灰色粗線)即平臺裝載水后的最大重量荷載，地層能承受該壓力并持續(xù)一段時間，則插樁作業(yè)完成。當?shù)貙拥臉O限樁靴荷載小于最大預壓荷載，則樁會繼續(xù)往下，直到下層土能承受樁靴的壓力。曲線中的下限(圖中細實線)和上限(圖中細虛線)是分別把土視為粘土和砂土時，計算得出的極限樁靴荷載。該處地層既含粘土又含有砂，因此極限樁靴荷載應位于上限和下限之間。由于所用分析方法的局限性，一般還引入一個安全系數(shù)Fs。圖1可看出在海底泥面以下4 m左右時，土層的極限樁靴荷載值突然變小，且該臨界值與極限樁靴荷載接近，如果第一層硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井平臺樁靴尖將穿過硬土層并迅速進入下覆層位，最后“坐”在海底以下13 m左右的土上。為此，當從勘探石油的角度不宜移井位時，需破壞該硬質殼層，使插樁順利進行。為徹底破壞剩余1#、3#樁靴印范圍內硬地層，使上述JU2000型自升式鉆井平臺順利進行插樁鉆井作業(yè)，首次決定采用大口徑鉆孔施工方法，鉆穿1#、3#樁腿處海底面以下表層砂質硬地層。

2 項目籌劃與作業(yè)

2.1 船舶選取

圖3 “海洋石油708”深水勘察船F(xiàn)ig. 3 “HYSY708” deep water survey vessel

如使用不具有DP定位功能的船，只能進行拋錨鉆孔作業(yè)。本次作業(yè)區(qū)域離生產平臺較近(距離已安裝導管架最近處僅3 m)，需要輔助船進行拋錨。拋錨前需確認生產平臺附近海底管線的具體位置，避免船舶拋錨破壞海底管線。另外，由于作業(yè)區(qū)域為砂質海底，存在走錨的風險。冬季南海東部海域風浪較大，所選船舶需能抵抗一定的風浪。綜合考慮以上因素，最終確定使用“海洋石油708”船(見圖3)進行作業(yè)。該船長105 m，型寬23.4 m，排水量1.16萬噸，甲板面積約1 100 m2，裝配DP2動力定位系統(tǒng)，無限航區(qū)。動力定位條件下，鉆機能力為在作業(yè)水深3 000 m時鉆孔深度可達海底以下200 m；在1 000 m作業(yè)水深時鉆孔深度可達海底以下600 m，作業(yè)環(huán)境為蒲氏風力7級，有效波高3 m，流速2 kn。

2.2 現(xiàn)場工程物探調查

盡管插樁前已進行過工程物探調查，考慮到插樁后砂層可能會被下壓，為了獲得鉆井平臺就位位置水深、樁腿坑位置、形態(tài)、當前上覆砂層的厚度及壓實情況，鉆孔前進行了工程物探調查。本次使用Sealion重型ROV系統(tǒng)搭載的調查設備主要包括EdgeTech 2200M側掃聲納和淺地層剖面儀、Kongsberg EM2040高精度多波束測深儀和彩色攝像頭等。調查前所有設備均進行了校準：在碼頭使用高精度全站儀對羅經進行了校準，在工區(qū)對Ranger2 Pro型超短基線水下定位系統(tǒng)(USBL)和多普勒計程儀(DVL)進行了校準。由USBL和DVL獲取的水下ROV位置通過卡爾曼濾波后，進行偏移距改正，并輸出到淺剖、側掃和多波束原始數(shù)據中。調查過程中，ROV離海底高度保持在12 m左右。

側掃聲納(410 kHz高頻)鑲嵌圖(如圖4所示)和多波束測深圖像均清晰地顯示了該區(qū)海底的三個樁腿坑。多波束測深數(shù)據表明，1#樁腿(圖5右上)和3#樁腿(圖5左)比周圍海底凹下1.5 m左右。根據淺地層剖面分析，經過第一次插樁后，樁靴下第1層砂(0～2.4 m)被排開，第2層砂(2.4～5.3 m)部分被排開，部分隨著樁靴整體下移，樁靴下砂層比全部排開情況稍厚，砂層下的粘土層部分被壓實。從淺地層剖面上黑色的反射底界面可推斷出被壓實的厚度約為10 m，故設計本次鉆孔的深度為10 m。

圖4 調查區(qū)側掃聲納鑲嵌圖Fig. 4 Side scan sonar mosaic of the survey area

圖5 調查區(qū)多波束地形圖Fig. 5 Multibeam bathymetry map of the survey area

2.3 鉆孔作業(yè)

考慮到上述JU2000型自升式鉆井平臺的樁靴直徑為18.0 m，本次鉆孔范圍設計為以樁靴中心為圓心，直徑20 m的圓內。設計鉆孔方案如下：孔直徑約1 m，孔-孔中心距為2.5 m，一個樁腿坑內布置62個鉆孔(如圖7所示，環(huán)內圈直徑18 m，等于樁靴的有效直徑)。鉆頭達到海底后，ROV進行觀測，確保鉆孔位置在約定范圍內。

圖6 1#樁腿處淺地層剖面Fig. 6 Sub-bottom profile passing the footprint 1

圖7 設計鉆孔圖Fig. 7 The plan boreholes layout

圖8 26″ 鉆頭和36″ 擴眼器Fig. 8 26″ drill and 36″ reamer

圖9 ROV在水下為鉆桿精確定位Fig. 9 Under-water position of the drill determined by ROV

圖10 實際鉆孔分布圖Fig. 10 The actual boreholes layout

由于缺少鉆孔數(shù)量及距離分布與地層承載力降低的量化關系，現(xiàn)場采取了較為保守的策略，即增多鉆孔數(shù)量，將每個樁腿坑內鉆孔數(shù)量增多至110個。因現(xiàn)場海況較差(浪高2.5 m，風速25 kn)，實際鉆孔與設計位置有一定偏差，如圖10所示。

3 插樁結果

完成預定鉆孔作業(yè)后，JU2000型自升式鉆井平臺隨即在原插樁位置就位并開始升船作業(yè)。在可控情況下，樁腿入泥緩慢增加至預定深度，現(xiàn)場判斷所有樁腿均已穿過上部硬夾層。插樁作業(yè)成功。

4 結 語

本文介紹了在南海番禺某平臺場址內，采用勘察船鉆孔來擾動上部硬地層土以避免穿刺的一個成功案例。采用ROV搭載物探設備進行調查，為設計鉆孔深度及位置提供了參考。另外，設計的孔距及其分布、鉆井方式也是保證此項目圓滿完成的因素。

由于國內外在這方面的研究極少，此前也未查到鉆孔孔徑、數(shù)量及距離分布與地層承載力降低的量化關系。在達到預期效果的前提下，如何確定鉆孔數(shù)量的最小值，以及如何使鉆孔分布進一步優(yōu)化，是下一步研究的內容。

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Preliminary study on treating methods of hard ground crust at a fixed platform site——a case study of Panyu oilfield

LIU Bin1, ZHANG Zhenbo1, LUO Jinhua2, JIANG Weiyan2, ZHOU Yangrui2

(1. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. China Oilfield Services Limited，Tianjin 300451, China)

A method of treating the hard ground crust in spudcan craters adjacent to a fixed platform is introduced. A large diameter drill bit was used for drilling through the near seafloor shallow hard crust so as to reduce risk of spudcan punch-through by weakening the hard crust. A dedicated deepwater geotechnical drilling vessel with dynamic positioning capability and a working class ROV were employed for the project. Prior to the drilling，a geophysical survey was carried out using a work class ROV mounted multibeam echo sounder，side scan sonar and sub-bottom profiler equipment. Final results of the jack-up installation show the method works.

hard ground crust; borehole drilling; spudcan penetration; punch-through; ROV mounted

P752

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.015

1005-9865(2015)02-0116-06

2014-03-10

劉 賓(1983-)，男，河南輝縣人，工程師，主要從事海上現(xiàn)場地震采集和井場調查工作。

羅進華。E-mail:luojinhua001@163.com