一種雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)構(gòu)及其作業(yè)方法

張寶平，劉書杰，徐榮強(qiáng)，何玉慶，劉 卓

（1.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；2.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

隨著國(guó)家能源七年行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，國(guó)內(nèi)各大石油公司都加大了勘探開(kāi)發(fā)力度，自升式鉆井平臺(tái)是海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的主要鉆探設(shè)備[1]，在鉆完井作業(yè)中占據(jù)了非常重要的地位，中國(guó)近海近80%的油氣勘探開(kāi)發(fā)井都是通過(guò)自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)完成的[2]，自升式鉆井平臺(tái)通過(guò)初就位和精就位，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)平臺(tái)對(duì)接，然后推出懸臂梁進(jìn)行鉆井作業(yè)。自升式鉆井平臺(tái)在海上油田進(jìn)行插樁就位作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遭遇插樁位置的地層上部為硬土層下面為軟土層——俗稱“雞蛋殼地層”[3]的情況，這種情況往往會(huì)引發(fā)穿刺事故[4]，造成平臺(tái)受損、作業(yè)進(jìn)度受阻，嚴(yán)重情況下甚至發(fā)生船體傾覆和人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

地層穿刺風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)目前是通過(guò)海上工程地質(zhì)勘察作業(yè)[6]，然后根據(jù)鉆孔取樣參數(shù)進(jìn)行插樁計(jì)算來(lái)完成的。而實(shí)際插樁時(shí)，由于樁靴排開(kāi)土及對(duì)下部地層壓實(shí)與擠壓的影響，導(dǎo)致地層情況發(fā)生了改變，因此無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際插樁過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生穿刺[7]；另一方面，如果發(fā)生穿刺，穿刺的深度很難預(yù)估。

由于雞蛋殼地層的不可預(yù)見(jiàn)性[8]，增加了海上鉆井平臺(tái)插樁風(fēng)險(xiǎn)，需要一種新的穿刺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)插樁作業(yè)，提高插樁安全，并對(duì)存在的穿刺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

為了解決以上難題，海洋石油工程技術(shù)人員提出了利用靜力觸探作業(yè)（CPT）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雞蛋殼層段，精確分析雞蛋殼以及上部地層在預(yù)壓載達(dá)到最大預(yù)壓載荷70%以上時(shí)變形情況以及承載力，進(jìn)而分析穿刺發(fā)生可能性，并進(jìn)行插樁作業(yè)預(yù)警。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜力觸探（CPT）（圖1）是一種作業(yè)速度快、數(shù)據(jù)連續(xù)、再現(xiàn)性好、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)的原位測(cè)試方法[9]，CPT數(shù)據(jù)不僅可用于土層劃分、土類判分，并可用于估算黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度、超固結(jié)比、靈敏度、砂土的相對(duì)密實(shí)度以及內(nèi)摩擦角等參數(shù)。

圖1 CPT作業(yè)Fig.1 CPT operation

常規(guī)靜力觸探設(shè)備包括反力基架、壓入設(shè)備、探桿、探頭、臍帶纜以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[10]。

根據(jù)常規(guī)靜力觸探結(jié)構(gòu)，并結(jié)合自升式鉆井平臺(tái)桁架式樁腿和樁靴的特點(diǎn)，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)，把靜力觸探設(shè)備內(nèi)置在鉆井平臺(tái)桁架內(nèi)，即將反力基架焊接在桁架和弦管上，常規(guī)CPT的探桿下行推力是由反力基架提供的，新的結(jié)構(gòu)是靠桁架提供反力，并且該反力穩(wěn)定且足夠大。然后在樁靴上表面和下表面開(kāi)孔，形成探頭探桿通道，上表面的孔焊接一根比探桿直徑大的導(dǎo)向管，同時(shí)具備隔水功能，下表面開(kāi)孔處有開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頂部有圓錐形凹槽，作業(yè)時(shí)開(kāi)啟，不作業(yè)時(shí)關(guān)閉，CPT圓錐探頭固定在凹槽內(nèi)，自升式鉆井平臺(tái)移位時(shí)保持設(shè)備固定不被損壞。膠帶纜沿著樁腿連接到自升式鉆井平臺(tái)中控室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

一種雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.2 Side view of the monitoring and early warning structure of egg shell formations

圖3 雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.3 The top view of the structure for the puncture monitoring and early warning egg shell formations

2 作業(yè)方法與步驟

該結(jié)構(gòu)適用于鉆井平臺(tái)插樁預(yù)測(cè)結(jié)果存在穿刺的情況，實(shí)施前先對(duì)作業(yè)鉆井平臺(tái)就位處工程地質(zhì)報(bào)告中的插樁入泥深度曲線進(jìn)行分析，根據(jù)插樁預(yù)測(cè)曲線判斷是否需要進(jìn)行穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，可以綜合分析曲線和刺穿安全系數(shù)確定初次壓載入泥深度，即主要是確定在距離預(yù)測(cè)穿刺位置以上多少米停止壓載；其次是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)CPT作業(yè)過(guò)程中需要根據(jù)地質(zhì)勘察工程師的分析結(jié)果來(lái)決定探頭的實(shí)際鉆探貫入深度；最后，通過(guò)凹槽固定探頭探桿，做好探頭、探桿等儀器設(shè)備的保護(hù)工作。通過(guò)靜力觸探儀實(shí)時(shí)分析真實(shí)壓載環(huán)境下雞蛋殼地層是否存在以及雞蛋殼地層的穿刺風(fēng)險(xiǎn)，保證鉆井平臺(tái)插樁穩(wěn)性與安全，從而保護(hù)海上自升式鉆井平臺(tái)設(shè)施安全。

具體實(shí)施步驟如下：

（1）室內(nèi)分析研究，作業(yè)方案制定。根據(jù)地質(zhì)參數(shù)分析是否為雞蛋殼地層來(lái)決定是否將結(jié)構(gòu)貫入樁靴下部地層進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

（2）鉆井平臺(tái)升船壓樁，樁靴開(kāi)始入泥（圖4）。在插樁深度即樁靴底深度距離預(yù)測(cè)穿刺深度3～5 m時(shí)，停止插樁。

圖4 樁靴壓載入泥Fig.4 Leg shoe preload depth

（3）桁架樁腿內(nèi)置靜力觸探儀的探桿和探頭在電動(dòng)摩擦輪推動(dòng)下，穿過(guò)樁靴導(dǎo)向管與導(dǎo)向孔，插入樁靴以下地層；至少在樁靴以下下行5 m（圖5），根據(jù)探頭傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，決定是否加深至10 m。

圖5 CPT探頭入泥5～10 mFig.5 CPT probe penetration 5～10 m

（4）CPT探頭獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)膠帶纜傳輸?shù)街锌厥业臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，地質(zhì)工程師實(shí)時(shí)分析，給出穿刺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并進(jìn)行穿刺判斷，以及是否加深CPT鉆探深度。

（5）作業(yè)結(jié)束后，探頭立于導(dǎo)向孔開(kāi)關(guān)頂部錐形凹槽，起到固定作用，防止探頭、探桿、電纜在拖航和插樁過(guò)程中受到侵蝕或者損壞。

（6）作業(yè)者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)CPT結(jié)果和地質(zhì)工程師給出的風(fēng)險(xiǎn)分析，決定是否繼續(xù)壓載及撤離。

3 作業(yè)模擬計(jì)算

該結(jié)構(gòu)目前處于研制階段，因此需要通過(guò)仿真計(jì)算軟件來(lái)模擬CPT探頭壓入樁靴下被壓實(shí)地層后地基承載力的變化以及壓載對(duì)雞蛋殼層段影響，從而判定穿刺是否發(fā)生并進(jìn)行作業(yè)決策。

FLAC 3D是一個(gè)三維有限差分程序，它通過(guò)收集與分析大量不同土體強(qiáng)度組合條件下的層狀土地基承載力數(shù)據(jù)樣本，訓(xùn)練形成自咀嚼模式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）代理模型來(lái)預(yù)測(cè)層狀土地基承載力，代理模型預(yù)測(cè)承載力結(jié)果跟FLAC3D的平均誤差在1%以內(nèi)，因此該仿真計(jì)算軟件可靠性和準(zhǔn)確性很高。

本文以海洋石油941鉆井平臺(tái)（作業(yè)水深400 ft）在中國(guó)南海某井位為例進(jìn)行雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警模擬計(jì)算（圖6）。

圖6 某井鉆孔柱狀圖及極限樁腳載荷與樁腳尖入泥深度曲線Fig.6 Bore hole column diagram of a well and ultimate leg load versus footing tip penetration curve

從曲線圖中看出，在壓載到5 500～7 500 t之間存在穿刺的可能性，模擬計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)鉆孔柱狀圖參數(shù)，在應(yīng)力分析軟件中建立層狀土模型；

（2）模擬樁靴入泥1 m，CPT鉆探樁靴底以下2 m時(shí)地層承載力變化（圖7）；

圖7 樁靴壓載到泥面以下1 m應(yīng)力情況Fig.7 Stress state when foot is penetration to 1 m below the mud line

（3）模擬樁靴入泥2 m，CPT鉆探到樁靴底以下1 m地層承載力變化（圖8）。

圖8 樁靴壓載到泥面以下2 m應(yīng)力情況Fig.8 Stress state when foot is penetration to 2 m below the mud line

從應(yīng)力分析模擬計(jì)算結(jié)果看出，樁靴壓入泥面以下2 m時(shí)，下部3～7 m內(nèi)的軟弱土層已經(jīng)發(fā)生了剪切破壞，地層壓載存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，其承載力不適合繼續(xù)加載壓載水，該井位不適合繼續(xù)插樁，需要拔樁撤離。通過(guò)對(duì)壓實(shí)后的地層進(jìn)行CPT試驗(yàn)和數(shù)值模擬，能夠監(jiān)測(cè)與預(yù)警穿刺風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文提出了一種雞蛋殼地層穿刺監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)構(gòu)及其作業(yè)方法，創(chuàng)新性地將靜力觸探結(jié)構(gòu)內(nèi)置到鉆井平臺(tái)桁架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓實(shí)地層實(shí)時(shí)CPT作業(yè)來(lái)監(jiān)測(cè)雞蛋殼地層承載力，并對(duì)穿刺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、作業(yè)方法與數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論。

（1）該結(jié)構(gòu)內(nèi)置于鉆井平臺(tái)桁架內(nèi)，改變了傳統(tǒng)CPT的作業(yè)工況，能夠?qū)簩?shí)地層進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)，更加能夠發(fā)揮CPT作業(yè)數(shù)據(jù)連續(xù)再現(xiàn)性好的特點(diǎn)，從而反映真實(shí)壓載情況下地層承載力的變化以及壓載對(duì)雞蛋殼地層產(chǎn)生的影響。

（2）該結(jié)構(gòu)對(duì)壓實(shí)后地層進(jìn)行CPT試驗(yàn)，然后對(duì)獲取地層參數(shù)進(jìn)行處理與數(shù)值模擬，能夠很好地對(duì)地層穿刺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警，并且能夠判斷雞蛋殼破壞情況，可以為作業(yè)者提供決策依據(jù)，能夠起到插樁作業(yè)安全與穿刺風(fēng)險(xiǎn)警示的效果。

（3）該結(jié)構(gòu)與方法能夠在海上油田400 ft水深作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)上進(jìn)行推廣應(yīng)用。由于實(shí)際作業(yè)中自升式鉆井平臺(tái)的多樣性，平臺(tái)的樁靴截面積、樁靴形狀、桁架結(jié)構(gòu)等條件不同，所以需要不同的數(shù)值模型以及針對(duì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。