自升式鉆井平臺(tái)就位安全性與覆蓋能力要求分析*

鄭清華，楊向前，郭 華，徐國(guó)賢，周 超，張 甫

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

海上油氣田多采用導(dǎo)管架平臺(tái)以叢式井形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，當(dāng)選用自升式鉆井平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鉆井平臺(tái)”)作為導(dǎo)管架平臺(tái)鉆完井作業(yè)機(jī)具時(shí)，需要根據(jù)作業(yè)要求對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行選型[1]。鉆井平臺(tái)按有無(wú)懸臂梁可分為凹槽式和懸臂梁式，懸臂梁式又分為傳統(tǒng)型懸臂梁、X-Y型懸臂梁和旋轉(zhuǎn)型懸臂梁[2]。本文只針對(duì)傳統(tǒng)型懸臂梁鉆井平臺(tái)和X-Y型懸臂梁鉆井平臺(tái)。鉆井平臺(tái)通過(guò)靠近導(dǎo)管架平臺(tái)就位，壓載插樁后，配有鉆機(jī)裝備的懸臂梁推出鉆井平臺(tái)艉部一定距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)井槽的覆蓋。因此，鉆井平臺(tái)就位及插樁作業(yè)安全性與覆蓋能力是鉆井平臺(tái)選型必須考慮的重要因素。

鉆井平臺(tái)就位及插樁作業(yè)安全性主要指鉆井平臺(tái)在就位導(dǎo)管架平臺(tái)過(guò)程中避免樁靴掛碰海底管纜；根據(jù)海域海況確定鉆進(jìn)平臺(tái)就位導(dǎo)管架平臺(tái)安全距離以避免精就位過(guò)程平臺(tái)碰撞；壓載插樁過(guò)程避免樁腿穿刺導(dǎo)致鉆井平臺(tái)產(chǎn)生橫向位移與導(dǎo)管架平臺(tái)相撞[3-10]；再就位時(shí)避免樁靴滑移。鉆井平臺(tái)覆蓋能力是指鉆井平臺(tái)通過(guò)懸臂梁和鉆臺(tái)縱向及橫向移動(dòng)以覆蓋所有叢式井口進(jìn)行作業(yè)的能力。覆蓋能力要求除受井口排列、井口在平臺(tái)的方位以及鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架平臺(tái)之間的安全距離等固有物理?xiàng)l件和安全限制條件影響以外，鉆井平臺(tái)的實(shí)際就位誤差也會(huì)對(duì)覆蓋能力要求產(chǎn)生較大影響。目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)鉆井平臺(tái)就位誤差產(chǎn)生的原因及防控進(jìn)行了研究[11-14]，但在就位誤差對(duì)鉆井平臺(tái)覆蓋能力要求的影響方面的研究尚較為少見(jiàn)。目前，在鉆井平臺(tái)選型及就位分析設(shè)計(jì)時(shí)，多采用附加經(jīng)驗(yàn)安全余量的方法對(duì)就位誤差的影響進(jìn)行保守處理，得到的結(jié)果帶有一定的主觀經(jīng)驗(yàn)，不夠精確，實(shí)際就位作業(yè)過(guò)程中多有發(fā)生干涉的事例。本文通過(guò)對(duì)鉆井平臺(tái)就位及插樁作業(yè)過(guò)程各環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，同時(shí)研究就位誤差對(duì)鉆井平臺(tái)覆蓋能力影響的計(jì)算方法，為鉆井平臺(tái)就位及插樁安全作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 就位安全性分析

為保證鉆井平臺(tái)就位精度，通常在距離就位目標(biāo)導(dǎo)管架平臺(tái)1 km左右進(jìn)行預(yù)插樁，之后將樁靴提離泥面一定距離向目標(biāo)平臺(tái)靠近，在此期間，由于鉆井平臺(tái)樁靴至泥面距離較小，如果就位路徑上存在海底管纜，可能發(fā)生鉆井平臺(tái)樁靴刮碰海底管纜事故，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)施損壞，甚至危及生產(chǎn)安全和海洋環(huán)境。為避免就位過(guò)程中鉆井平臺(tái)樁靴刮碰海底管纜，通常在導(dǎo)管架平臺(tái)和海底管纜設(shè)計(jì)初期，要求在導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行鉆井平臺(tái)就位一側(cè)的一定區(qū)域范圍內(nèi)禁止設(shè)計(jì)布置海底管纜。

鉆井平臺(tái)在靠近導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行精就位過(guò)程中，鉆井平臺(tái)船體處于漂浮狀態(tài)，在風(fēng)、浪、流作用下，鉆井平臺(tái)會(huì)突然出現(xiàn)較大的位移波動(dòng)，同時(shí)，為保證鉆井平臺(tái)就位精度，鉆井平臺(tái)通常采用多次精就位靠近的措施[15]，因此，實(shí)際就位過(guò)程出現(xiàn)鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)相撞的風(fēng)險(xiǎn)很大。為保證鉆井平臺(tái)精就位安全性，通常鉆井平臺(tái)在設(shè)計(jì)就位點(diǎn)時(shí)，鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)的最近距離需要滿(mǎn)足合理的安全距離，該安全距離受作業(yè)海域影響較大，通常在渤海海域一般為1.5 m，在東海和南海海域一般要求不小于2.5～3 m。

鉆井平臺(tái)達(dá)到預(yù)定就位精度之后，為保證鉆井平臺(tái)作業(yè)需要的承載力，需要按操船手冊(cè)要求進(jìn)行升船壓載插樁。該階段最大的風(fēng)險(xiǎn)是鉆井平臺(tái)樁腿突然穿刺并發(fā)生較大垂向位移，導(dǎo)致鉆井平臺(tái)樁腿發(fā)生塑性變形、船體產(chǎn)生較大傾角和橫向位移，造成鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)相撞，如果在漂浮期間穿刺，若貫穿速度較快，鉆井平臺(tái)甚至將以樁靴泥線位為基點(diǎn)向延長(zhǎng)線方向傾倒，進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟(jì)和人員損失。鉆井平臺(tái)樁基穿刺后引起上部船體傾斜和橫向位移示意如圖1所示。

圖1 鉆井平臺(tái)樁基穿刺后引起上部船體傾斜和橫向位移示意Fig.1 Schematic diagram of inclination and lateral displacement of upper hull caused by pile foundation puncture of jack-up drilling platform

鉆井平臺(tái)壓載插樁的穿刺風(fēng)險(xiǎn)主要受插樁位置的地層土壤性質(zhì)、鉆井平臺(tái)壓載量及樁靴面積影響。通常插樁穿刺是由于插樁位置地層土壤存在硬薄層，硬薄層承載力較大，硬薄層以下存在較大厚度承載力較低的軟層，俗稱(chēng)“雞蛋殼”地層，樁靴穿越硬薄層后，因下部土壤層承載力迅速下降，鉆井平臺(tái)樁腿快速下沉，導(dǎo)致穿刺事故。為避免鉆井平臺(tái)壓載插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)施工前，需要在鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)就位位置附近進(jìn)行工程物探與工程地質(zhì)調(diào)查，獲取鉆井平臺(tái)插樁位置附近的地層土壤樣本，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的鉆井平臺(tái)插樁承載力計(jì)算方法，計(jì)算候選鉆井平臺(tái)在設(shè)計(jì)插樁位置處的承載力曲線及最大可能的穿刺行程和穿刺相對(duì)安全系數(shù)，按表1確定穿刺風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。表1中Fs指穿刺相對(duì)安全系數(shù)，計(jì)算方法見(jiàn)SY/T 6707；H指最大可能穿刺行程，單位為m；Ⅰ表示穿刺風(fēng)險(xiǎn)低，Ⅱ表示穿刺風(fēng)險(xiǎn)中等，Ⅲ表示穿刺風(fēng)險(xiǎn)中高，Ⅳ表示穿刺風(fēng)險(xiǎn)高，級(jí)別越高，風(fēng)險(xiǎn)越大。鉆井平臺(tái)樁靴至導(dǎo)管架樁腿距離也會(huì)影響穿刺風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，當(dāng)該距離小于5 m時(shí)，穿刺風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別宜在表1基礎(chǔ)上提高1級(jí)[16]。樁腿穿刺可能導(dǎo)致重大災(zāi)難事故，是鉆井平臺(tái)就位安全分析的首要考慮因素，通常對(duì)于存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)的鉆井平臺(tái)不建議作為候選資源，如果確實(shí)沒(méi)有符合要求的鉆井平臺(tái)資源，可以通過(guò)在插樁位置將硬薄層預(yù)鉆穿的方法，人為控制穿越硬薄層，避免出現(xiàn)突然穿刺造成事故。

表1 井場(chǎng)穿刺風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別分類(lèi)Table 1 Classification for risk levels of wellsite puncture

由于采用鉆井平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整井作業(yè)或修井作業(yè)，導(dǎo)管架平臺(tái)會(huì)面臨同一鉆井平臺(tái)或不同鉆井平臺(tái)的再就位，由于之前鉆井平臺(tái)就位樁坑的存在，再就位時(shí)，可能發(fā)生鉆井平臺(tái)樁靴滑移，導(dǎo)致鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)碰撞。為避免鉆井平臺(tái)再就位時(shí)樁靴滑移，對(duì)于前后采用同一鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)的情況，通常采用踩原腳印的方法；對(duì)于不同鉆井平臺(tái)再就位的情況，建議采用樁靴比之前就位鉆井平臺(tái)樁靴大的鉆井平臺(tái)，如果只有樁靴比之前就位平臺(tái)樁靴小的鉆井平臺(tái)資源，通?；骑L(fēng)險(xiǎn)會(huì)較大，一般應(yīng)提前采取樁坑回填的方式進(jìn)行處理。

2 考慮就位誤差的覆蓋能力分析

2.1 就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)是鉆井平臺(tái)覆蓋能力設(shè)計(jì)和實(shí)際就位作業(yè)過(guò)程進(jìn)行鉆井平臺(tái)定位的重要參考點(diǎn)，通常設(shè)置在鉆井平臺(tái)上甲板艉部船體中軸線上，實(shí)際就位時(shí)，相對(duì)于設(shè)計(jì)就位位置，鉆井平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生縱向就位誤差±δL，橫向就位誤差±δT，艏向旋轉(zhuǎn)誤差±α，如圖2所示。

圖2 鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)及就位誤差示意Fig.2 Schematic diagram of drilling platform positioning datum point and positioning deviation

就位基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)定義為確定就位基準(zhǔn)點(diǎn)至固定平臺(tái)最內(nèi)側(cè)井口中心的縱向距離Lb。單從幾何尺度覆蓋要求考慮，由于固定平臺(tái)最內(nèi)側(cè)井口中心至平臺(tái)甲板邊緣的距離L0是固定的，因此，鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)的約束條件是平臺(tái)間的安全距離Sbij，如圖3所示，分析時(shí)需要考慮3種誤差的疊加影響。式(1)～(3)給出了考慮橫向就位誤差和艏向旋轉(zhuǎn)誤差疊加條件下，滿(mǎn)足平臺(tái)間最小安全距離條件的就位基準(zhǔn)點(diǎn)至固定平臺(tái)甲板邊緣距離的計(jì)算方法。

(1)

(2)

(3)

式中：Sbij為滿(mǎn)足平臺(tái)間最小安全距離條件下的就位基準(zhǔn)點(diǎn)至固定平臺(tái)甲板邊緣的距離，m；s為鉆井平臺(tái)和固定平臺(tái)間的最小安全距離，m；WJ為鉆井平臺(tái)船體艉部寬度，m；WPL為固定平臺(tái)在設(shè)計(jì)就位基準(zhǔn)線左舷的甲板寬度，m；WPR為固定平臺(tái)在設(shè)計(jì)就位基準(zhǔn)線右舷的甲板寬度，m；i取1表示鉆井平臺(tái)向左舷橫移，取2表示鉆井平臺(tái)向右舷橫移；j取1表示鉆井平臺(tái)艏向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取2表示鉆井平臺(tái)艏向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3 鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意Fig.3 Schematic diagram of design on positioning datum point of drilling platform

(4)

2.2 縱向覆蓋分析

如圖4所示，鉆井平臺(tái)實(shí)際就位后，不同就位誤差疊加條件下，轉(zhuǎn)盤(pán)中心覆蓋固定平臺(tái)最內(nèi)側(cè)井口中心時(shí)，懸臂梁的伸出長(zhǎng)度可通過(guò)式(5)算得，取所有計(jì)算值的最大值，即為幾何尺寸上鉆井平臺(tái)的縱向覆蓋能力要求。

圖4 考慮就位誤差的鉆井平臺(tái)覆蓋能力要求分析示意Fig.4 Schematic diagram of analysis on coverage capability requirements of drilling platform considering positioning deviation

Lij(Lx)=[Tj-(-1)i+j·δT]·sinα+Lx·cosα
Lb-δL≤Lx≤Lb+δL

(5)

式中：Lij表示覆蓋縱向最內(nèi)側(cè)井口中心時(shí)，鉆井平臺(tái)懸臂梁縱向伸出的距離，m；Tj表示橫向最外側(cè)井口中心至鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)就位位置船體中軸線的距離，m。

由式(5)可知，當(dāng)鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)值確定時(shí)，鉆井平臺(tái)縱向幾何尺度覆蓋能力要求受就位誤差影響，其取值是一個(gè)范圍。

2.3 橫向覆蓋分析

鉆井平臺(tái)橫向覆蓋能力要求是指橫向最外側(cè)井口中心至鉆井平臺(tái)船體中軸線的距離，如圖4所示。不考慮就位誤差時(shí)，對(duì)于確定的井槽分布，鉆井平臺(tái)橫向覆蓋能力要求只與鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)就位中軸線的位置有關(guān)?？紤]3種就位誤差疊加后，橫向最外側(cè)井口中心至鉆井平臺(tái)船體中軸線的距離可通過(guò)式(6)求得，取其最大值即為鉆井平臺(tái)橫向覆蓋能力要求。

(6)

由式(6)可知，當(dāng)鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)值確定時(shí)，鉆井平臺(tái)橫向幾何尺度覆蓋能力要求受就位誤差影響，其取值也是一個(gè)范圍。

3 算例分析

某海域新建1座導(dǎo)管架平臺(tái)，采用自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行鉆完井作業(yè)。導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)置12個(gè)井槽，井槽排列4(行)×3(列)，行方向(平臺(tái)東西方向)井槽間距2 m，列方向井槽間距2.5 m，鉆井平臺(tái)從導(dǎo)管架平臺(tái)西側(cè)就位，導(dǎo)管架平臺(tái)所在海域鉆井平臺(tái)就位誤差按縱向±0.4 m、橫向±0.4 m，艏向±1.5°考慮，鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架平臺(tái)間的最小安全距離按2 m考慮。表2為導(dǎo)管架平臺(tái)和擬采用鉆井平臺(tái)的就位關(guān)鍵尺寸參數(shù)，分析擬采用的鉆井平臺(tái)是否能夠覆蓋導(dǎo)管架平臺(tái)所有井槽。

表2 導(dǎo)管架平臺(tái)和擬采用鉆井平臺(tái)的就位關(guān)鍵尺寸參數(shù)Table 2 Key dimension parameters of positioning for jacket platform and drilling platform to be used m

根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算滿(mǎn)足平臺(tái)間最小安全距離條件下的就位基準(zhǔn)點(diǎn)至導(dǎo)管架平臺(tái)甲板邊緣的距離，計(jì)算結(jié)果如表3所示。根據(jù)式(4)算得Lbmin為19.37 m。

表3 滿(mǎn)足平臺(tái)間最小安全距離條件下的就位基準(zhǔn)點(diǎn)至固定平臺(tái)甲板邊緣的距離Table 3 Distance from positioning datum point to edge of fixed platform deck under condition of meeting minimum safety distance between platforms m

根據(jù)式(5)和式(6)分別計(jì)算考慮就位誤差條件下的鉆井平臺(tái)縱向和橫向覆蓋要求，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 考慮就位誤差條件下的鉆井平臺(tái)縱向和橫向覆蓋要求Table 4 Longitudinal and transversal coverage requirements of drilling platform considering positioning deviation m

根據(jù)計(jì)算，要求自升式鉆井平臺(tái)縱向覆蓋能力應(yīng)不小于19.45 m，橫向覆蓋能力應(yīng)不小于±4.55 m，擬采用的自升式鉆井平臺(tái)縱向最大覆蓋能力為22.86 m，橫向最大覆蓋能力為±4.572 m，滿(mǎn)足覆蓋固定平臺(tái)所有井槽的要求，可以選用并進(jìn)行其他需求分析。

4 結(jié)論

1)插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)是鉆井平臺(tái)就位安全和選型的首要考慮因素。

2)就位誤差會(huì)明顯提高對(duì)鉆井平臺(tái)覆蓋能力的要求，進(jìn)而影響鉆井平臺(tái)選型。

3)井槽布局、平臺(tái)間安全距離、就位誤差等客觀條件確定后，鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)值存在1個(gè)最小值。

4)鉆井平臺(tái)就位基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)值直接影響鉆井平臺(tái)橫向和縱向幾何尺度覆蓋要求，從而影響可供選擇的鉆井平臺(tái)資源范圍，需要根據(jù)實(shí)際情況，選取合理的就位基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)值。