自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

付建民，韋龍貴，張寶平，楊 進(jìn)，胡南丁

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

目前渤海海域有數(shù)百座生產(chǎn)平臺，勘探井近千口。鉆井平臺首先進(jìn)行拖航就位作業(yè)，然后進(jìn)行鉆井作業(yè)[1]。拖航過程中涉及到航線和臨時(shí)升船點(diǎn)的選擇、海上障礙物的避讓等。插樁就位過程中涉及到就位相關(guān)信息，主要包括生產(chǎn)平臺位置和圖紙、管道和電纜的軌跡、插樁就位歷史，精就位前還要進(jìn)行初就位位置選擇；井別等鉆井基本信息一般以報(bào)告的形式展現(xiàn)，查找和讀取不夠方便[2]。另外，實(shí)時(shí)掌握鉆井平臺和供應(yīng)船位置，合理調(diào)配鉆機(jī)資源和供應(yīng)船只資源，達(dá)到最優(yōu)配置，也是海上作業(yè)者共同關(guān)心的問題[3]。

為了提高自升式鉆井平臺選型水平、就位和鉆井信息的存儲(chǔ)和可視化讀取，有必要開發(fā)一套平臺選型和控制就位安全的系統(tǒng)，保證自升式鉆井平臺就位安全和后續(xù)作業(yè)安全，并提供可視化的平臺信息讀取和計(jì)算模塊供作業(yè)者進(jìn)行決策和分析[4]。

1 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)建立意義

自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)對渤海內(nèi)重點(diǎn)作業(yè)平臺信息、管道電纜走向、樁靴印跡等重要數(shù)據(jù)的保存和管理，全面的數(shù)據(jù)使得鉆井平臺就位時(shí)需要考慮的覆蓋、插樁、氣隙情況以及其他安全因素清晰呈現(xiàn)[5]；根據(jù)鉆修井平臺參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能化選型和鉆機(jī)資源配置；并且能夠根據(jù)地質(zhì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行插樁入泥深度計(jì)算，作為就位前插樁安全的參考。此外系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)鉆井平臺就位平臺的有效分析、簡化就位分析和計(jì)算過程，提高就位方案設(shè)計(jì)效率。在進(jìn)行自升式鉆井平臺拖航就位時(shí)，可以從系統(tǒng)中提取用于就位分析的信息，優(yōu)選最適合作業(yè)的鉆修井船，并能對自升式鉆井平臺合理入泥深度進(jìn)行安全評估，對自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估和安全控制具有前瞻性的指導(dǎo)意義[6]。

2 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)計(jì)算模型

自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)主要是以適應(yīng)自升式平臺就位作業(yè)需求，優(yōu)選自升式鉆井平臺、保障就位作業(yè)安全與高效為目的[7]。該系統(tǒng)通過建立智能化分析模型，對自升式鉆井平臺智能化選型，提高鉆井作業(yè)效率，減少因平臺選型與現(xiàn)場作業(yè)要求不符而導(dǎo)致的工期延誤，從而降低作業(yè)成本。

開發(fā)的軟件為數(shù)據(jù)庫軟件，應(yīng)用到的數(shù)據(jù)算法主要有兩種：插樁入泥深度計(jì)算算法和鉆井平臺優(yōu)選算法。

2.1.1 自升式鉆井平臺就位海底土承載力計(jì)算模型

考慮了樁腿下入的動(dòng)載因素、回流土體因素和群樁效應(yīng)等因素的自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計(jì)算公式[8]，其海底土承載力計(jì)算為：

式中：Q為樁極限承載力，kN；Qf為樁側(cè)阻力，kN；Qp為樁端阻力，kN；f為樁側(cè)單位表面積摩擦力，kN/m2；As為埋入泥線以下樁側(cè)總表面積，m2；q為樁端單位橫截面積承載力，kN/m2；u（t）為樁腿下入速度影響系數(shù)，m/s；δ（u，t）為群樁效應(yīng)影響系數(shù)；Ap為樁端（樁靴）橫向截面積，m2；α為回填土的壓力折減系數(shù)，α=0.3～0.6；P0為樁腳深度處的有效上覆壓力，kPa；A′p為樁靴有效面積與樁腿有效面積之差，m2；t為樁腿有效下入時(shí)間，s。

2.1.2 自升式鉆井平臺優(yōu)選模型

（1）豎向優(yōu)選：

式中：H為懸臂梁縱向覆蓋范圍，m；h為槽口到平臺邊沿最大距離，m；H頂為平臺頂甲板高度，m。

（2） 水平向優(yōu)選：

式中：D1為懸臂梁縱向覆蓋范圍，m；d1為槽口到平臺邊沿最大距離，m。

式中：D2為懸臂梁橫向覆蓋范圍，m；d2為槽口橫向間距之和，m。

2.2 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)主要由平臺信息收集、鉆井平臺信息存儲(chǔ)與管理以及鉆井平臺優(yōu)選系統(tǒng)組成，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖1，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖2 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

3 自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)應(yīng)用步驟

3.1 平臺信息錄入

在此模塊界面下可進(jìn)行平臺有關(guān)信息的查閱。

3.1.1 平臺基本信息

此軟件系統(tǒng)中的平臺基本信息主要包括：平臺處大地坐標(biāo)、垂直坐標(biāo)、水深以及鉆井平臺優(yōu)選相關(guān)參數(shù)（見圖3）。

圖3 平臺基本信息界面示意

3.1.2 平臺圖紙信息

軟件設(shè)計(jì)過程中，考慮到圖紙信息可能不全，所以設(shè)計(jì)時(shí)對圖紙的命名放開了限制，用戶可以自由輸入圖紙名稱，通過平臺名和圖紙名檢索所有該平臺的圖紙信息。

3.1.3 平臺就位史信息

在平臺就位史信息界面（見圖4）下，可以根據(jù)鉆井平臺名，檢索所有在該平臺處進(jìn)行過就位作業(yè)的鉆井平臺及相關(guān)樁腿入泥深度信息。

圖4 平臺就位史信息界面示意

3.1.4 平臺井位地質(zhì)信息

平臺井位地質(zhì)信息包含兩類：平臺工程地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)（見圖5）和平臺地質(zhì)承載力計(jì)算（見圖 6）。

圖5 平臺工程地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)界面示意

圖6 平臺地質(zhì)承載力計(jì)算界面示意

3.1.5 平臺周邊管道電纜信息

平臺周邊管道電纜信息界面為軟件設(shè)計(jì)放開了對管道名稱的限制，用戶可以對圖紙名稱自行命名。

在此模塊下，還可能包括一項(xiàng)平臺管道打點(diǎn)記錄（見圖7）的數(shù)據(jù)。如果平臺包含管道打點(diǎn)記錄，則可以通過相應(yīng)軟件生成平臺管道電纜軌跡圖（見圖8）。

3.2 鉆井平臺信息存儲(chǔ)

鉆井平臺信息包含的數(shù)據(jù)信息較多，分別為：鉆井平臺名、船體長度、船體寬度、樁腿數(shù)、橫向樁間距、縱向樁間距、樁直徑、樁靴截面積、樁腿長度、最大適應(yīng)水深、最小適應(yīng)水深、樁腿允許入泥深度、型深、升船氣隙、吃水深度、懸臂梁橫向覆蓋能力、懸臂梁縱向覆蓋能力、單樁最大預(yù)壓載荷等。直接點(diǎn)擊相應(yīng)的鉆井平臺名，可以查看其具體的尺寸以及作業(yè)參數(shù)（見圖9）。

圖7 平臺管道打點(diǎn)記錄界面示意

圖8 平臺管道電纜軌跡圖界面示意

圖9 鉆井平臺基本信息界面示意

鉆井平臺信息主要分兩類：圖紙信息與數(shù)據(jù)信息。圖紙信息可以通過手動(dòng)導(dǎo)入的方式進(jìn)行，數(shù)據(jù)信息可以通過手動(dòng)錄入或者Excel導(dǎo)入的方式進(jìn)行，操作界面如圖10所示。

3.3 鉆井平臺優(yōu)選

建立此軟件系統(tǒng)的主要目的就是為了在作業(yè)之前，方便地選擇合適的鉆井平臺進(jìn)行作業(yè)。鉆井平臺優(yōu)選亦是此系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。

（1）確定待選的平臺：直接在樹形列表中選擇待選平臺。

圖10 鉆井平臺信息操作界面示意

（2） 確定待選槽口：點(diǎn)擊“單個(gè)槽口計(jì)算”，進(jìn)入槽口選擇界面；標(biāo)記“選擇槽口”復(fù)選框，直接在示意圖中點(diǎn)擊，選擇待選槽口，選擇的同時(shí)會(huì)進(jìn)行計(jì)算，確定槽口到平臺邊沿最大縱向距離與槽口橫向間距之和；點(diǎn)擊確定，將數(shù)據(jù)傳回。見圖11。

圖11 數(shù)據(jù)傳回查看界面示意

（3）進(jìn)行鉆井平臺優(yōu)選：點(diǎn)擊“開始優(yōu)選”，進(jìn)行優(yōu)選計(jì)算。優(yōu)選完成后，可以查看優(yōu)選結(jié)果（見圖12）。

圖12 優(yōu)選結(jié)果界面示意

（4）生成初步就位方案與優(yōu)選報(bào)告：優(yōu)選完成以后，經(jīng)過“初始界面”、“選定平臺參考點(diǎn)”、“選擇鉆井船參考點(diǎn)”和“確定船向”的操作后，得到初步就位方案（如圖13所示）或者生成優(yōu)選報(bào)告（如圖14所示）。

圖13 初步就位方案界面示意

圖14 生成優(yōu)選報(bào)告界面示意

4 現(xiàn)場應(yīng)用案例分析及經(jīng)濟(jì)效益

4.1 應(yīng)用案例分析

該系統(tǒng)開發(fā)完成后已成功應(yīng)用于數(shù)百座生產(chǎn)平臺就位。南海一號就位南海某平臺是成功應(yīng)用的典型案例。

該生產(chǎn)平臺處水深28.6 m，平臺頂甲板最高障礙物海拔高度30.6 m，井槽數(shù)為6，井口數(shù)為10，井口橫向間距和縱向間距均為2.5 m。擬就位于該生產(chǎn)平臺的自升式鉆井平臺選型依據(jù)見表1。

（1）符合升船氣隙要求的鉆井平臺有：南海一號、HYSY92系列、渤海十號、Gulfdriller1；不符合的有：渤海四號、渤海十二號。

（2）符合覆蓋對比要求的鉆井平臺有：渤海四號、南海一號、HYSY92系列、渤海十號、Gulfdriller1；不符合的有：渤海十二號。

表1 自升式鉆井平臺風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)選型依據(jù)

（3）符合頂甲板避讓要求的鉆井平臺（左避讓）有：渤海十二號、HYSY92系列、南海一號。

經(jīng)過系統(tǒng)選型后，符合要求的鉆井平臺有HYSY92系列（921～924）及南海一號，但是根據(jù)鉆機(jī)資源安排，只有南海一號有檔期，其就位方案如圖15所示。

圖15 南海一號就位方案

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

2014—2018年，海上油田自升式鉆井平臺風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制技術(shù)在渤海海域的渤中、東海的天外天、南海的番禺和潿洲等油田進(jìn)行了推廣使用，實(shí)現(xiàn)了不同鉆井平臺與100座生產(chǎn)平臺就位對接，應(yīng)用情況見表2。在上述油田的應(yīng)用過程中，自升式鉆井平臺選型成功率從原來的75%提高到了95%，鉆井平臺就位方案和拋錨方案設(shè)計(jì)效率平均提高50%，現(xiàn)場鉆井平臺就位時(shí)間平均縮短2天，累積節(jié)約時(shí)間200天，降低了鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)，提高了就位效率。在上述油田應(yīng)用中，在保證現(xiàn)場安全就位的前提下，節(jié)約了就位時(shí)間，降低了就位成本，獲得直接經(jīng)濟(jì)效益1.6億元，新增利潤1.558 0億元。

表2 自升式鉆井平臺風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)應(yīng)用情況

計(jì)算依據(jù)：

（1）經(jīng)濟(jì)效益=應(yīng)用平臺數(shù)×節(jié)約時(shí)間×就位綜合日費(fèi)。

（2）新增利潤=經(jīng)濟(jì)效益-鉆井平臺就位技術(shù)單平臺費(fèi)用×應(yīng)用平臺數(shù)。

（3） 就位綜合日費(fèi)：80萬元/d。

（4） 就位技術(shù)單平臺費(fèi)用：4.2萬元/平臺。

綜上所述：經(jīng)濟(jì)效益=100×2×80=16 000（萬元）；新增利潤=16 000-100×4.2=15 580（萬元）。

5 結(jié)論與建議

（1）自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井平臺智能優(yōu)選與插樁深度計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)評估，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。

（2）自升式鉆井平臺就位風(fēng)險(xiǎn)評估與安全控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于中海油海內(nèi)外作業(yè)點(diǎn)的自升式平臺就位作業(yè)過程中，應(yīng)用結(jié)果表明：該套系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確優(yōu)選適用的自升式平臺，提高就位成功率和選型效率，節(jié)省鉆井日費(fèi)和創(chuàng)造利潤；同時(shí)計(jì)算平臺插樁深度以及評估平臺刺穿風(fēng)險(xiǎn)，降低了平臺不適用或刺穿風(fēng)險(xiǎn)評估誤差導(dǎo)致的工期延誤。