海油石油92 系列自升式鉆井平臺(tái)沖樁系統(tǒng)改造升級(jí)研究

張福

(中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300452）

1 基本背景介紹

海洋石油92 系列鉆井平臺(tái)每次在渤海灣不同區(qū)域作業(yè)前，由于作業(yè)區(qū)塊的不同和海床地層結(jié)構(gòu)的差別等因素，平臺(tái)在不同作業(yè)區(qū)塊就位的樁靴入泥情況也難以準(zhǔn)確判定。在遇到地層結(jié)構(gòu)特殊導(dǎo)致平臺(tái)樁靴入泥深度比較深的情況下，受限于平臺(tái)原始設(shè)計(jì)的沖樁系統(tǒng)等原因，平臺(tái)在作業(yè)結(jié)束離開區(qū)塊前，由于沖樁效率難以保證，拔樁作業(yè)一般較為困難，且在整個(gè)拔樁作業(yè)過程中，平臺(tái)始終處在高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的過程中，平臺(tái)只有通過高效快速將樁靴拔出淤泥，平臺(tái)才能減少所面臨環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間，往往一但遇到惡劣海況情況下，平臺(tái)受海浪及風(fēng)力綜合因素影響明顯，平臺(tái)將劇烈晃動(dòng)，因樁靴的入泥深度較深導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)不能離場，給平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)及平臺(tái)升降系統(tǒng)造成較大隱患，同時(shí)拔樁作業(yè)時(shí)間過長，平臺(tái)整個(gè)拖航作業(yè)的進(jìn)度難以預(yù)測，就會(huì)給甲方作業(yè)者的作業(yè)計(jì)劃帶來逾期，也會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失。為解決這一問題，平臺(tái)研究制定了專門的應(yīng)對(duì)改造方案。

2 改造方案研究

平臺(tái)根據(jù)歷次拔樁作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合在樁靴入泥深度超過10 米后，平臺(tái)沖樁效率較低的實(shí)際情況，研究設(shè)計(jì)增加了高壓分級(jí)沖樁系統(tǒng)布置進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，見圖1。

圖1 單個(gè)樁靴入泥深度與拔樁時(shí)間對(duì)比

2.1 基本原理分析

通過對(duì)平臺(tái)拔樁原理分析，拔樁作業(yè)中，樁靴受到4 個(gè)作用力，見圖2。

圖2 拔樁受力分析示意圖

作用力1（向上）：加大平臺(tái)吃水所增加浮力（可變）

作用力2（向下）：樁腿重量（固定）

作用力3（向下）：樁靴與淤泥吸附力（可變）

作業(yè)力4（向下）：樁靴頂部淤泥重量（可變）

拔樁條件：

增加的浮力（可變）＞樁腿重力（固定）+樁靴與淤泥吸附力（可變）+ 樁靴頂部淤泥重量（可變）

根據(jù)以上分析得出拔樁作業(yè)效率是通過三方面來實(shí)現(xiàn)：

一是通過增大平臺(tái)單個(gè)樁腿位置的吃水深度來增大平臺(tái)浮力作用，二是通過對(duì)樁靴附近淤泥進(jìn)行高壓大排量沖刷，減少吸附阻力的情況，三是通過減少樁靴頂部淤泥重量，通過這三個(gè)作業(yè)力同時(shí)作用來提高拔樁效率。

首先按照平臺(tái)出廠的操船手冊(cè)要求，平臺(tái)在拔樁作業(yè)時(shí)的最大吃水深度是有極限要求的，最大吃水深度的考慮是基于兩點(diǎn)：一是由于平臺(tái)出廠設(shè)計(jì)計(jì)算要求這個(gè)深度為極限安全深度，二是來根據(jù)每次實(shí)際情況，一旦接近極限吃水時(shí)，平臺(tái)單樁偏斜較大過大造成升降裝置負(fù)荷也接近極限負(fù)荷，在繼續(xù)提高吃水深度，升降系統(tǒng)將會(huì)過載停機(jī)。所以無限增加吃水深度來改變作用力1-加大平臺(tái)吃水所增加最大浮力的方案不可行。

其次通過改變樁靴與淤泥吸附力來提高沖樁效率是否可行，原有系統(tǒng)對(duì)克服樁靴與淤泥的吸附力作用較為明顯，而且隨著樁靴入泥量的增加，樁靴與淤泥的吸附力并沒有增加，改善作用力3-樁靴與淤泥的吸附力也無法實(shí)現(xiàn)。

最后平臺(tái)經(jīng)過討論分析，隨著樁靴入泥深度的增加，樁靴壓坑側(cè)壁上淤泥垮塌，樁靴上部的淤泥重量相應(yīng)增加，成為拔樁阻力的一個(gè)重要組成部分，樁靴入泥深時(shí)，拔樁效率降低最主要的阻力因素為樁靴頂部淤泥重量的增加導(dǎo)致的，通過改變作用力4 樁靴頂部淤泥重量方案可以實(shí)現(xiàn)，且可以提高沖樁效率。

2.2 沖樁系統(tǒng)改造方案

根據(jù)平臺(tái)拔樁作業(yè)原理的分析，平臺(tái)計(jì)劃設(shè)計(jì)改進(jìn)樁靴沖樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案。由于原沖樁系統(tǒng)噴淋裝置噴射范圍的局限性，如在原樁靴結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，投入成本巨大且效果不佳，平臺(tái)決定在原沖樁系統(tǒng)外部增加一套多級(jí)分層噴淋系統(tǒng)，針對(duì)樁靴入泥較深的情況下，通過對(duì)樁靴頂部過多淤泥量的沖刷，來減少樁靴頂部淤泥阻力，同時(shí)減少樁靴入泥的相對(duì)深度的方法來提高沖樁效率。且在不同入泥情況下，拔樁作業(yè)方案實(shí)現(xiàn)了可選擇性，見表1。

表1 高壓分級(jí)沖樁系統(tǒng)使用方案

平臺(tái)重點(diǎn)針對(duì)克服影響拔樁效率的主要因素——樁靴頂部增加的淤泥重量來設(shè)計(jì)了如下分級(jí)沖樁改造方案（圖3）。噴嘴設(shè)計(jì)位置根據(jù)樁腿結(jié)構(gòu)的實(shí)際距離及噴淋最佳位置的考慮，正好在樁腿中間兩層環(huán)形支撐分別距離樁靴底面7 和12.6 米位置布置，至少可以滿足平臺(tái)入泥在20 米情況下，將樁靴頂部淤泥沖刷至平臺(tái)快速達(dá)到漂浮狀態(tài)。噴嘴的位置確定后，噴嘴布局方式選擇了環(huán)形布置，同向角度分布，使多個(gè)噴嘴在使用中形成環(huán)流，起到最大程度上沖刷淤泥的作用。

圖3：上圖中1、2 新增兩路分級(jí)噴淋管線，3 是原三路噴淋管線（出口為底部全部紅色箭頭示意噴嘴），4 是樁靴，藍(lán)色橢圓為原樁靴噴淋有效區(qū)域

本次改造方案創(chuàng)新思路如下（圖4）：

圖4 改造前后噴淋有效區(qū)域?qū)Ρ葓D

創(chuàng)新思路1：本次改造，沒有通過對(duì)大型主體樁靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過對(duì)增加輔助分級(jí)裝置，既更好的處理了平臺(tái)以往拔樁困難的問題，同時(shí)節(jié)省了大量資金投入。

創(chuàng)新思路2：通過對(duì)平臺(tái)沖樁管匯的高壓分級(jí)布置，使平臺(tái)在不同區(qū)域作業(yè)情況下，選用更有效沖拔樁方式，提高了機(jī)動(dòng)能力，原系統(tǒng)在任何區(qū)域作業(yè)下，都只能選用固有的沖拔樁方式，功能比較單一，在特殊地層困境下沒有有效方案選擇。

創(chuàng)新思路3：通過對(duì)沖樁系統(tǒng)噴淋裝置高度的增加，擴(kuò)大了沖拔樁擴(kuò)散噴淋范圍，實(shí)現(xiàn)了樁靴在深入泥情況下，同樣可以將阻力淤泥進(jìn)行有效沖刷，來提高沖拔樁效率。同時(shí)兩套系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，相互協(xié)作，又互不干涉。

創(chuàng)新思路4：以往平臺(tái)樁靴入泥較深時(shí)，提升樁靴高度到一個(gè)截距中間位置，由于噴淋裝置方向不合理導(dǎo)致管線與二層走道干涉需中途拆卸的情況，管線拆卸浪費(fèi)大量時(shí)間，人員站在懸空位置，操作很不安全，通過對(duì)新系統(tǒng)接口由壬角度的調(diào)整，確保沖拔樁過程中，一個(gè)截距范圍內(nèi)無需倒換管線，節(jié)省大量管線拆卸時(shí)間，保障人員操作安全，同時(shí)提高沖拔樁時(shí)效。

創(chuàng)新思路5：新增高壓多級(jí)分層沖樁管匯，維護(hù)方便，在作業(yè)條件允許條件下，也可以正常檢查維護(hù)，維護(hù)周期最短可為1 個(gè)月，維護(hù)方便，原系統(tǒng)只有在進(jìn)船塢時(shí)，才能進(jìn)行檢查，檢查周期為2-3 年。

3 系統(tǒng)改造使用效果

高壓分級(jí)沖樁系統(tǒng)改造后，在渤海灣曹妃甸2-2-16 區(qū)塊入泥13 米時(shí)，拔樁至單個(gè)樁恢復(fù)漂浮狀態(tài)時(shí)間平均為8小時(shí)，改造前，入泥在10 米左右時(shí)，沖拔樁時(shí)間就會(huì)有8 小時(shí)，平臺(tái)高壓分級(jí)沖樁系統(tǒng)加裝后，沖拔樁提效明顯。

平臺(tái)利用曹妃甸2-2-16 區(qū)塊入泥深度平均為13 米的情況下，對(duì)三個(gè)樁使用了分級(jí)沖樁方案，進(jìn)行對(duì)比測試實(shí)用效果，此次沖樁過程中使用分級(jí)沖樁系統(tǒng)，在3 個(gè)樁入泥較為平均的情況下，對(duì)2#、3#樁使用了分級(jí)沖樁方案，1#樁仍使用原設(shè)計(jì)沖樁方案，通過對(duì)比，分級(jí)沖樁方案使單個(gè)樁靴拔樁平均時(shí)間縮短了5 個(gè)小時(shí)，對(duì)比效果較明顯，見表2。

表2 不同方案的拔樁時(shí)間對(duì)比表

通過沖樁系統(tǒng)的分級(jí)布置，大大提升了平臺(tái)的沖樁效率，提高了平臺(tái)拖航作業(yè)的安全保障。

4 實(shí)踐總結(jié)

通過對(duì)海洋石油92 系列自升式鉆井平臺(tái)沖樁管線系統(tǒng)的改造，充分解決了在渤海灣區(qū)域樁靴入泥超過10 米后沖樁效率不能夠得到保障的問題。平臺(tái)在樁靴入泥較深的情況下，該方案不僅縮短了拔樁作業(yè)的時(shí)間，也避免了在拖航作業(yè)中出現(xiàn)拔樁困難，造成平臺(tái)作業(yè)逾期，影響平臺(tái)拖航作業(yè)時(shí)效等一系列問題。通過改進(jìn)沖樁系統(tǒng)性能，對(duì)平臺(tái)后期作業(yè)前景提供了有利條件，將產(chǎn)生較為長遠(yuǎn)的效益，同時(shí)得到了甲方作業(yè)者的高度認(rèn)可，該方案目前在同類型的92 系列平臺(tái)已全部進(jìn)行推廣使用。