自升式平臺穿刺風(fēng)險隨鉆評估機制及其應(yīng)用

龍 黎劉 賓劉 錚薛志剛孫永全鄭前進陳垚森

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067;2.深圳市寶安區(qū)大空港新城發(fā)展事務(wù)中心,廣東 深圳 518101;3.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510610)

在全球海洋油氣資源的勘探開發(fā)中,自升式鉆井平臺以其移動靈活、造價較低且適用不同海底條件和較大水深變化范圍等優(yōu)勢,在海洋石油鉆井裝備中占據(jù)了重要的地位。典型的自升式鉆井平臺由3根樁腿支持其鉆井平臺模塊,每個樁腿上都有其專屬的“樁靴”。平臺拖航就位后,通過抽水至甲板上實行壓載,在此過程中樁靴緩慢插入海底泥面以下,直到達到最大預(yù)壓載荷,實現(xiàn)平臺穩(wěn)定。

當(dāng)海底泥面下存在著上硬下軟且硬地層厚度較薄的層狀地層時,自升式平臺將會發(fā)生不可控的快速沉降,即發(fā)生“穿刺”(punch-through)。而一旦鉆井平臺作業(yè)水深和樁腿入泥深度之和超過平臺作業(yè)極限時,將會導(dǎo)致自升式鉆井平臺發(fā)生如樁腿損壞、船體傾斜,甚至翻沉等重大安全事故。因此在自升式鉆井平臺壓載作業(yè)前,要先進行井場工程地質(zhì)調(diào)查,其工作內(nèi)容主要為根據(jù)平臺樁腿數(shù)量進行若干個40 m 的PCPT 作業(yè),其原理是利用一根安裝了傳感器的圓錐形探頭在地層中以準(zhǔn)靜力勻速貫入,所采集的各項應(yīng)力數(shù)據(jù)如錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)可連續(xù)、實時地反映地層變化特征,再結(jié)合1個40 m 的海底地層鉆孔取樣結(jié)果,根據(jù)經(jīng)驗公式來進行土質(zhì)分類和特性分析、推斷地層的設(shè)計強度參數(shù),為自升式鉆井平臺插樁深度計算提供基礎(chǔ)資料。

前人的研究主要集中在研究穿刺的機理和優(yōu)化運用PCPT 測試中獲取的參數(shù)進行地層承載力的計算等[1-5],需較長的現(xiàn)場作業(yè)時間和室內(nèi)計算時間方能得到可靠結(jié)論。南海東部海域每年10月至翌年3月進入冬季季風(fēng)期,海況惡劣,海上現(xiàn)場作業(yè)時窗較窄,如何運用PCPT 測試所獲取的參數(shù)快速實現(xiàn)自升式平臺插樁壓載作業(yè)安全評估,對于提升季風(fēng)期井場調(diào)查的工作效率具有十分現(xiàn)實的意義。

1 穿刺機理及其計算原理

自升式鉆井平臺穿刺,是指平臺在升船壓載過程中,樁腿之下的樁靴遇到硬地層之下存在軟地層的層狀地基,當(dāng)樁靴施加的壓載超過層狀地基承載力時,地基土發(fā)生沖剪破壞,樁靴穿過硬地層進入軟地層后,由于承載力的大幅度下降,造成平臺樁腿發(fā)生迅速且不可控的下沉現(xiàn)象。因此當(dāng)?shù)貙拥某休d力曲線出現(xiàn)隨著深度增加而降低的情況,必須對樁靴穿刺可能性進行評價。下列3種情況均有可能導(dǎo)致平臺樁腿在壓載過程中發(fā)生穿刺:①均一厚層黏性地層中的穿刺破壞;②上硬下軟的地層,且硬地層較薄,當(dāng)樁靴穿過上部硬層時的穿刺破壞;③上硬下軟的黏性地層,樁靴位于硬層中,壓載完成后,由于鉆井作業(yè)過程中的震動和循環(huán)荷載等原因,上部硬層土產(chǎn)生漸進破壞導(dǎo)致硬地層土的強度降低,承載力下降,出現(xiàn)穿刺破壞。

其中第2種情況即所謂的硬殼地層,俗稱“雞蛋殼”地層。當(dāng)自升式平臺的樁靴接觸硬殼地層的頂層時,因下覆軟地層的存在,硬殼地層的承載力不足以支撐樁腿的壓載量,致使硬殼地層發(fā)生沖剪破壞,其土層從樁靴兩側(cè)擠出,樁靴會快速穿透硬殼地層而進入下覆軟地層,這是自升式鉆井平臺插樁壓載作業(yè)中最常見且危害性最大的穿刺情況。

關(guān)于硬殼地層穿刺分析計算,國內(nèi)普遍采用的《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[6]和SNAMe(The Society of Naval Architects and Marine Engineers)[7]推薦的方法。2種方法大致相同,都采用由Young和Focht提出的1∶3載荷擴展法進行計算[8],這個方法的原理是假設(shè)施加在上層硬地層的基礎(chǔ)載荷被擴展通過硬層,在下層軟地層的頂面產(chǎn)生一個假設(shè)的等效基礎(chǔ),通過硬地層的擴展比例因子為1∶3(水平方向∶垂直方向)(圖1)。在這種情況下,上部硬地層的承載力由下層軟地層的強度決定,穿刺的安全性主要取決于上層硬地層的厚度。其計算公式為:

圖1 3∶1載荷擴展法示意圖Fig.1 A sketch map of 3∶1 load spread method

式中:Nkt為PCPT 測試所用的錐頭系數(shù);qt為校正后的PCPT 錐尖阻力,qt=qc+(1-a)×u2,其中,qc為PCPT 測試錐尖阻力(MPa)、u2為PCPT 測試孔隙壓力(MPa)、a為PCPT 測試所用探頭圓錐面積比;σvo為總上覆壓力。

由此可見,當(dāng)自升式鉆井平臺類型、樁腿樁靴大小和井口位置確定后,PCPT 測試中實測到的錐尖阻力qc和孔隙壓力u2可作為判斷硬殼地層的關(guān)鍵參數(shù):當(dāng)其隨鉆曲線出現(xiàn)明顯高于上下地層的異常波動,且地層厚度較薄時(據(jù)南海東部海域經(jīng)驗,一般小于4 m),則可基本判斷該地層為硬殼地層。

2 案例分析

目前,南海東部海域常規(guī)自升式井場工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)的主要內(nèi)容為:依次對自升式鉆井平臺的3個樁腿進行40 m PCPT 測試,再在井口位置完成1個40 m 鉆孔取樣,現(xiàn)場作業(yè)時間約為2 d。然后將取樣結(jié)果和PCPT 測試結(jié)果返回陸地進行室內(nèi)分析和計算,室內(nèi)分析需2～3 d,方能得到可靠的結(jié)論及建議報告(圖2)。

圖2 南海東部海域常規(guī)自升式井場工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)流程Fig.2 The flow chart of conventional engineering geological survey at the jack-up well site in the eastern South China Sea

2.1 案例1

某年10月,南海東部海域已進入冬季季風(fēng)期,H 平臺計劃3 d后鉆探HZ井,該井位水深110 m。H 平臺是一艘三樁腿的自升式平臺,最大壓載載荷112.2 MN,作業(yè)極限為122 m,考慮平臺作業(yè)安全,H 平臺在HZ井完成壓載后其樁腿入泥深度不得超過12 m。若按常規(guī)方法開展HZ井的工程地質(zhì)調(diào)查,現(xiàn)場作業(yè)時間需2 d,而受季風(fēng)影響當(dāng)時海上作業(yè)時窗只有不到1 d的時間。因此現(xiàn)場決策在進行HZ井工程地質(zhì)作業(yè)時優(yōu)先開展H 平臺1#樁腿的PCPT 測試作業(yè),重點關(guān)注其錐尖阻力和孔隙壓力這2個可用于判斷該地層下是否存有硬殼地層關(guān)鍵數(shù)據(jù)的隨鉆曲線,進而分析其地層變化,評估在壓載過程中平臺樁腿穿刺的可能性。

現(xiàn)場PCPT 測試隨鉆結(jié)果表明:在HZ井1#樁腿預(yù)定位置泥面以下8～10 m 處,存在一個厚度約為2 m的硬質(zhì)地層,其錐尖阻力qc值明顯大于上下相鄰地層,說明該地層具有明顯的硬殼地層特征(圖3)。

圖3 H 平臺1#樁腿PCPT 測試隨鉆曲線Fig.3 The while-drilling curve of PCPT at 1#pile leg of Platform H

H 平臺在該地層內(nèi)的插樁作業(yè)中一旦發(fā)生穿刺,H 平臺1#樁腿將快速沉降至泥面以下19.2 m,穿刺行程達到11.2 m,超過了H 平臺的作業(yè)極限(圖4)。因此在完成HZ井1#樁腿的PCPT 測試后,立即停止該井后續(xù)工程地質(zhì)作業(yè),調(diào)查船轉(zhuǎn)場至其他備用井開展作業(yè),整個現(xiàn)場作業(yè)耗時8 h。

圖4 H 平臺1#樁靴壓載載荷與其入泥深度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the pressure load and the depth into the mud at 1#pile shoe of Platform H

2.2 案例2

某年12月,F平臺計劃2 d后鉆探LD 井,該井位水深76.3 m。F平臺是一艘三樁腿的自升式平臺,最大壓載載荷64.7 MN,作業(yè)極限為90 m,考慮平臺作業(yè)安全,F平臺在LD 井完成壓載后其樁腿入泥深度不得超過14 m。

現(xiàn)場PCPT 測試隨鉆結(jié)果表明:在LD 井1#樁腿預(yù)定位置泥面以下8～12 m 處,存在一個厚度約為4 m 的硬質(zhì)地層,其錐尖阻力qc值明顯大于上下相鄰地層,但其絕對值并不大,說明該地層具有明顯的硬殼地層特征,且其地層承載力不大(圖5)。

圖5 F平臺1#樁腿PCPT 測試隨鉆曲線Fig.5 The while-drilling curve of PCPT at 1#pile leg of Platform F

根據(jù)現(xiàn)場計算,F平臺在該地層內(nèi)的插樁作業(yè)中一旦發(fā)生穿刺,該硬殼地層以下12～40 m 的下覆地層均不足以支撐F平臺樁靴的壓載載荷,F平臺將發(fā)生不可預(yù)期的快速沉降(圖6)。考慮到平臺作業(yè)安全的因素,現(xiàn)場評估該井場不適合F平臺承鉆,整個現(xiàn)場作業(yè)耗時約7 h。

圖6 F平臺1#樁靴壓載載荷與其入泥深度關(guān)系Fig.6 The relationship between the pressure load and the depth into the mud at 1#pile shoe of Platform F

目前,南海東部海域采用了一套新的自升式鉆井平臺壓載穿刺風(fēng)險隨鉆評估機制,該機制在逐個對平臺樁腿進行PCPT 測試時,密切觀察其隨鉆曲線的變化,結(jié)合平臺的實際作業(yè)能力,可實時判斷自升式平臺壓載穿刺的風(fēng)險(圖7)。

圖7 自升式鉆井平臺壓載穿刺風(fēng)險隨鉆評估機制流程Fig.7 The flow chart of the while-drilling evaluation system for the punch-through risk of jack-up drilling platform during preloading

對比2015-2019年南海東部海域井場調(diào)查單井作業(yè)時效和案例一HZ 井、案例二LD 井的作業(yè)時效(圖8)可知,相對于常規(guī)井場工程地質(zhì)作業(yè),該機制在提升井場工程地質(zhì)現(xiàn)場作業(yè)時效和節(jié)約成本方面具有明顯的優(yōu)勢,尤其是在季風(fēng)期其優(yōu)勢更加明顯。

圖8 HZ井、LD 井及2015-2019年南海東部海域單井工程地質(zhì)作業(yè)時效對比Fig.8 The histograms of the time-effectiveness of the engineering geological survey operations at Well HZ,Well LD and the single-wells drilled in the eastern South China Sea during 2015-2019

3 結(jié) 論

本文根據(jù)南海東部海域多年的工作經(jīng)驗,結(jié)合具體工程案例,總結(jié)了自升式鉆井平臺壓載穿刺朵險評估機制,得到以下結(jié)論:

1)PCPT 測試中其錐尖阻力qc曲線和孔隙壓力u2隨鉆曲線的異常波動,可作為定性識別硬殼地層的重要指標(biāo)。在冬季季風(fēng)期現(xiàn)場作業(yè)時窗較短的情況下,通過合理安排作業(yè)順序,重點關(guān)注qc和u2隨鉆曲線的變化,可實現(xiàn)快速地評估平臺插樁壓載過程中穿刺風(fēng)險的目的,提升現(xiàn)場工作效率。

2)作業(yè)能力類似H 或F的自升式鉆井平臺的插樁壓載過程中,在厚度小于4 m 的硬殼地層中極易發(fā)生穿刺。但對于不同海域,需要研究人員在對本地區(qū)沉積背景和平臺作業(yè)能力進行充分總結(jié),探究本地區(qū)硬殼地層厚度的一般規(guī)律。