張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)及優(yōu)選*

楊 進(jìn) 仝 剛 周 波 孟 煒 劉正禮 陳 斌 張偉國(guó)

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京 100091；3. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054)

張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)及優(yōu)選*

楊 進(jìn)1仝 剛1周 波2孟 煒1劉正禮3陳 斌3張偉國(guó)3

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京 100091；3. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054)

楊進(jìn),仝剛,周波，等.張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)及優(yōu)選[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(6)：72-76.

Yang Jin,Tong Gang,Zhou Bo,et al.Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):72-76.

張力腿平臺(tái)是深海油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要裝備，而表層導(dǎo)管負(fù)責(zé)承載后續(xù)管串及水下防噴器，因此研究張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管的安裝方法對(duì)維持井口穩(wěn)定性具有重要意義。針對(duì)南海某油田深水張力腿平臺(tái)開(kāi)發(fā)模式和水下井口布置方式，從水下井口間距、海底土特性等影響因素出發(fā)，分析了鉆入法、噴射法和水下打樁法等3種表層導(dǎo)管安裝方法的特點(diǎn)及適應(yīng)性，并綜合考慮張力腿平臺(tái)安裝時(shí)間、油田投產(chǎn)時(shí)間等因素，開(kāi)展了張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法優(yōu)選。研究結(jié)果表明，水下打樁法在批量施工中作業(yè)效率較高、經(jīng)濟(jì)性較好，是張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法的首選，可為南海深水油田張力腿表層導(dǎo)管安裝提供借鑒。

張力腿平臺(tái)；表層導(dǎo)管；安裝方法；適應(yīng)性評(píng)價(jià)；方法優(yōu)選；南海深水油田

張力腿平臺(tái)(TLP)主要由平臺(tái)(甲板、立柱、浮箱、鉆完井裝備、生產(chǎn)設(shè)備、生活設(shè)施等)、張力腿系統(tǒng)、海底樁基、生產(chǎn)立管等組成(圖1)，平臺(tái)經(jīng)由張力腿與海底樁基連接，張力筋腱中具有的很大預(yù)張力由平臺(tái)本體的剩余浮力提供，使張力腿始終處于受拉的繃緊狀態(tài)[1-2]，因此平臺(tái)的穩(wěn)定性較好，抵抗惡劣環(huán)境作用能力較強(qiáng)。

目前我國(guó)南海某油田目標(biāo)區(qū)塊計(jì)劃采用帶模塊鉆機(jī)的張力腿平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，平臺(tái)位置水深約400 m。鉆井表層導(dǎo)管安裝方式的選擇對(duì)整個(gè)油氣田的鉆井方案設(shè)計(jì)和鉆井作業(yè)工期具有很大的影響[3-5]，所以開(kāi)展張力腿平臺(tái)表層導(dǎo)管安裝方法研究具有十分重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。筆者基于南海某深水TLP表層導(dǎo)管安裝條件對(duì)深水表層導(dǎo)管安裝影響因素、安裝方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)、安裝方法優(yōu)選等進(jìn)行了分析，可為深水TLP表層導(dǎo)管安裝提供參考。

圖1 TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1 TLP表層導(dǎo)管安裝影響因素分析

綜合考慮作業(yè)環(huán)境要求、后期作業(yè)需求等因素，南海某深水油田計(jì)劃采用TLP配備模塊鉆機(jī)進(jìn)行鉆井、完井及修井作業(yè)。該TLP采用地面防噴器，水下井口經(jīng)生產(chǎn)立管連接到位于平臺(tái)上的采油樹(shù),并且應(yīng)用叢式水下井口和立管系統(tǒng)，立管系統(tǒng)連接平臺(tái)槽口。受干式井口、套管回接及井口間距的影響，TLP開(kāi)發(fā)模式與常規(guī)深水開(kāi)發(fā)模式差異較大，表層導(dǎo)管安裝過(guò)程中主要影響因素有以下幾方面：

1) 海底土特性。海底土特性是影響TLP表層導(dǎo)管安裝的重要因素。對(duì)于我國(guó)南海深水區(qū)來(lái)說(shuō)，海底淺層土通常為粘性土，不排水抗剪強(qiáng)度較低[6]。但如果海底土強(qiáng)度較高，尤其是在TLP多井槽開(kāi)發(fā)模式下，容易產(chǎn)生下入不到位的風(fēng)險(xiǎn)。此外，若井場(chǎng)淺層土存在硬土夾層等“雞蛋殼”地層，須調(diào)整下入方式與下入深度，防止表層導(dǎo)管刺穿硬土層而產(chǎn)生井口下沉。

2) 水下井口間距。在TLP多井槽開(kāi)發(fā)模式(圖2、3)下群樁打樁過(guò)程中表層導(dǎo)管周圍的土層易受到樁的下沉影響，會(huì)產(chǎn)生“拖拽”作用和側(cè)向擠壓應(yīng)力作用，引起樁周土層垂直隆起和側(cè)向位移，從而對(duì)鄰井已安裝完成的表層導(dǎo)管造成損壞，如樁身彎曲、斷裂等問(wèn)題。對(duì)于TLP多井槽開(kāi)發(fā)模式，水下井口間距是方案設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)，尤其是目前在方案設(shè)計(jì)上存在縮小井口間距的傾向，因此，表層導(dǎo)管安裝方法的選擇及表層導(dǎo)管下入過(guò)程更要著重考慮水下井口間距的影響。

3) 作業(yè)時(shí)效和費(fèi)用。TLP多井槽開(kāi)發(fā)模式投資巨大，海上施工作業(yè)時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性是進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與實(shí)施的關(guān)鍵指標(biāo)。在海上動(dòng)用作業(yè)平臺(tái)或作業(yè)船都需要高昂的費(fèi)用，所以若投產(chǎn)時(shí)間允許，則應(yīng)充分利用TLP自身的設(shè)備進(jìn)行表層導(dǎo)管安裝，這樣可大大節(jié)省費(fèi)用。若投產(chǎn)時(shí)間緊張，則需要雇傭合適的作業(yè)船，選取合適的方式進(jìn)行施工作業(yè)。

圖2 水下基盤結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 井槽布置圖

2 安裝方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2.1 鉆入法安裝表層導(dǎo)管

深水鉆入法下入表層導(dǎo)管的方式與常規(guī)淺水地區(qū)的下入方式并沒(méi)有顯著的區(qū)別，但是由于深水地區(qū)海底淺層較為松軟，容易產(chǎn)生井壁坍塌，有井口回填的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于深水淺層低溫的影響，固井水泥漿的候凝時(shí)間大大增加[7]，也就增加了深水鉆井船的作業(yè)成本。此外，鉆入法需要鉆一個(gè)比套管更大的井筒，其塑性區(qū)影響范圍更廣，這在TLP小井間距開(kāi)發(fā)模式下是不利因素。因此，針對(duì)我國(guó)南海深水海底淺層土較松軟、不排水抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，鉆入法不適用作為TLP表層導(dǎo)管的安裝方式。

2.2 噴射法安裝表層導(dǎo)管

表層導(dǎo)管噴射下入技術(shù)是目前單井作業(yè)中比較成熟的導(dǎo)管下入方式，占到了我國(guó)南海海域作業(yè)量的70%～80%，作業(yè)水深從幾百米到1 700多米均有成功的實(shí)踐。噴射法不僅可以完成表層導(dǎo)管下入作業(yè)，還可進(jìn)行二開(kāi)井眼鉆進(jìn)，提高了作業(yè)效率[8]。同時(shí)，噴射法依靠海底土與導(dǎo)管之間的摩擦力作為承載力[9]，無(wú)需固井作業(yè)，避免了深水淺層固井的難題。但是,在噴射過(guò)程中，高壓力水射流對(duì)于地層有明顯的擠壓作用，會(huì)對(duì)樁周一定范圍的土體產(chǎn)生影響[10]，在TLP小井距工況下也可能產(chǎn)生井間干擾，影響正常的作業(yè)。

2.3 水下打樁法安裝表層導(dǎo)管

水下打樁法安裝表層導(dǎo)管技術(shù)是由淺水地區(qū)水上打樁技術(shù)發(fā)展而來(lái)，采用的是大功率水下液壓打樁錘將表層導(dǎo)管打入地層。水下打樁法可以根據(jù)地層的強(qiáng)弱調(diào)整打樁錘的功率，對(duì)于地層強(qiáng)度的適應(yīng)性較好[11]，安裝作業(yè)需要由工作船、液壓打樁錘等多種復(fù)雜設(shè)備配合完成(圖4)。

水下打樁法安裝表層導(dǎo)管技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)墨西哥灣[12]、巴西坎普斯深水盆地[13]等區(qū)域的TLP項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括：

1) 與噴射法相比，通過(guò)水下打樁法下入的導(dǎo)管可獲得的承載力更大，可增強(qiáng)井口穩(wěn)定性。

圖4 表層導(dǎo)管水下打樁錘入工藝示意圖

2) 該技術(shù)可以提高表層導(dǎo)管的安裝時(shí)效，相比噴射法單井能夠節(jié)省10～20 h的作業(yè)時(shí)間。

3) 深水淺層存在地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，而大功率的水下打樁錘可以將導(dǎo)管錘入泥線下幾百米，如墨西哥灣已成功使用水下打樁錘將導(dǎo)管下入到泥線下300 m，封隔了淺部地層，對(duì)于淺層地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防是一種手段。

綜合以上分析，從工藝角度來(lái)說(shuō)，水下打樁法對(duì)于TLP表層導(dǎo)管安裝的適應(yīng)性最好，但在具體設(shè)計(jì)中也要考慮施工環(huán)境是否允許，施工設(shè)備是否齊全以及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是否滿足等優(yōu)選指標(biāo)。

3 安裝方法優(yōu)選

南海某油田目標(biāo)區(qū)塊的自然環(huán)境因素和井槽間距是優(yōu)選TLP表層導(dǎo)管安裝方法的基礎(chǔ)條件。此外，由于該油田開(kāi)發(fā)工程方案中的TLP上安裝了模塊鉆機(jī)，所以表層導(dǎo)管安裝方法優(yōu)選時(shí)還應(yīng)考慮2個(gè)方面：一是油田的投產(chǎn)時(shí)間和TLP投入使用時(shí)間，二是表層導(dǎo)管施工作業(yè)費(fèi)用對(duì)比。

1) 環(huán)境因素。通過(guò)對(duì)南海海底土的研究以及已鉆井資料的調(diào)研，總結(jié)出不同表層導(dǎo)管安裝方式的適應(yīng)條件，如表1所示。由表1可以看出，3種深水表層導(dǎo)管安裝方法都可以進(jìn)行施工作業(yè)，但從作業(yè)的技術(shù)難度與質(zhì)量控制方面考慮，水下打樁法更為適合。

表1 3種深水表層導(dǎo)管安裝方法適應(yīng)性對(duì)比

2) 表層導(dǎo)管安裝時(shí)間選擇。若該油田的投產(chǎn)時(shí)間和TLP投入使用時(shí)間一致或接近，則要求所有鉆完井作業(yè)要在模塊鉆機(jī)投入使用之前完成，所有鉆完井作業(yè)工作應(yīng)使用一個(gè)浮式鉆井平臺(tái)來(lái)完成，表層導(dǎo)管安裝方法可選擇噴射法，充分利用浮式鉆井平臺(tái)裝備的自身優(yōu)勢(shì)，不增加額外設(shè)備，即可按時(shí)完成所有的鉆完井作業(yè)。

如果TLP的投入使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于該油田投產(chǎn)時(shí)間，表層導(dǎo)管安裝就可以利用平臺(tái)模塊鉆機(jī)來(lái)完成，這時(shí)表層導(dǎo)管安裝方法上可選擇噴射法，充分利用模塊鉆機(jī)的自身功能，也可以采用水下打樁法，在水下基盤下入后提前把表層導(dǎo)管打入到海底設(shè)計(jì)深度。

3) 表層導(dǎo)管安裝費(fèi)用對(duì)比。在正常情況下，3種作業(yè)方式的平均費(fèi)用統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。對(duì)于鉆入法和噴射法，按照導(dǎo)管安裝時(shí)間的不同可以選擇使用浮式鉆井平臺(tái)或TLP上的模塊鉆機(jī)作業(yè)。

由表2可以看出，若使用鉆入法和噴射法，使用TLP模塊鉆機(jī)的費(fèi)用比租用浮式鉆井平臺(tái)的費(fèi)用分別節(jié)約36%、48%。相比較鉆入法和噴射法，水下打樁法的費(fèi)用比租用浮式鉆井平臺(tái)的費(fèi)用低，作業(yè)效率高，是TLP表層導(dǎo)管安裝方法的首選。

表2 3種深水表層導(dǎo)管安裝方法費(fèi)用對(duì)比

4 結(jié)論

1) TLP表層導(dǎo)管安裝方式的選擇要綜合考慮作業(yè)環(huán)境、作業(yè)設(shè)備以及作業(yè)時(shí)效和費(fèi)用等因素，鉆入法、噴射法、水下打樁法都可以進(jìn)行施工作業(yè)，但從作業(yè)的技術(shù)難度與質(zhì)量控制方面來(lái)說(shuō)，水下打樁法更為適合。

2) 基于采用水下打樁法安裝表層導(dǎo)管以及應(yīng)用水下基盤的開(kāi)發(fā)模式，由于打樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)使得導(dǎo)管的側(cè)向摩擦力較單樁來(lái)說(shuō)有所增加，表層導(dǎo)管的設(shè)計(jì)下入深度可以適當(dāng)減小，進(jìn)而節(jié)省作業(yè)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)性好；若區(qū)塊的淺層地區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，則可以應(yīng)用大功率的水下打樁錘將表層導(dǎo)管下入到泥線下更深位置，起到封隔住淺部地層作用，這對(duì)于淺層地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防是一種手段。

3) 下入表層導(dǎo)管的施工設(shè)備需根據(jù)TLP建造時(shí)間和油田的投產(chǎn)時(shí)間來(lái)決定。若TLP建造時(shí)間遠(yuǎn)提前于油田投產(chǎn)時(shí)間，可以使用TLP自身的模塊鉆機(jī)進(jìn)行噴射作業(yè)下入導(dǎo)管，也可以在水下基盤下入后使用深水打樁工作船將表層導(dǎo)管錘入設(shè)計(jì)深度；若二者的時(shí)間相近，則需要引進(jìn)半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行噴射作業(yè)以及后續(xù)的所有鉆完井作業(yè)，以保證油田的投產(chǎn)時(shí)間。

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(編輯：孫豐成)

Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms

Yang Jin1Tong Gang1Zhou Bo2Meng Wei1Liu Zhengli3Chen Bin3Zhang Weiguo3

(1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineering,MinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.DrillingResearchInstituteofCNPC,Beijing100091,China; 3.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518054,China)

The tension leg platform (TLP) is crucial equipment for deep water oil and gas exploration, and the conductor plays a vital role for supporting the following casing strings and the subsea BOP, so research on TLP conductor installation methods is of great significance to maintain wellhead stability. Aiming at the TLP development scheme of an oilfield in South China Sea and its subsea wellhead arrangements, and based on factors such as subsea wellhead spacing and seabed soil properties, the characteristics and flexibility of drilling, jetting and underwater piling were evaluated, which are thought of as the three common conductor installation methods. Combining the time when the TLP itself was installed, the time when the oilfield was put on production, and some other factors as well, the optimization of conductor installing methods was carried out. The results show that underwater piling is, for batch work, efficient and economical, and should be the first priority for TLP conductor installation. The work here can provide guidance for conductor installation of TLP in deep water oilfields in South China Sea.

tension leg platform; conductor; installation method; flexibility evaluation; method optimization; deep water oilfield in South China Sea

1673-1506(2016)06-0072-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.012

*國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究(編號(hào)：51434009)”、國(guó)家自然科學(xué)基金“深水鉆井隔水導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究(編號(hào)：51274215)”、國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究(編號(hào)：51221003)”部分研究成果。

楊進(jìn)，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事海上鉆完井技術(shù)的教學(xué)和研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路 18 號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院(郵編：102249)。E-mail:cyjin1018@vip.sina.com。

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2015-12-29 改回日期：2016-03-29