自升式鉆井船就位前風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及應(yīng)用

霍宏博，岳明，劉靜辰，王曉雷，齊琳

1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川 成都 610500）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

隨著我國(guó)海洋油氣資源開發(fā)的不斷深入，自升式鉆井船就位的難題逐漸暴露[1]。受自然條件限制，由于海洋風(fēng)暴、涌浪導(dǎo)致平臺(tái)倒伏；海底淺層氣、海底古河道、淺部斷層等使自升式鉆井船插樁就位時(shí)出現(xiàn)海底薄弱地層刺穿或者海底塌陷[2]，使鉆井船有傾斜甚至傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于人為因素，樁靴附近形成坑洞，反復(fù)拔插樁使海底地形起伏多變，或海底的工程垃圾會(huì)影響平臺(tái)樁靴插入海底或錘入隔水導(dǎo)管[3]。

海洋油氣資源勘探開發(fā)對(duì)鉆井平臺(tái)的就位要求越來(lái)越嚴(yán)格，就位前的安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別顯得非常重要。以往高就位風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域限制了很多勘探開發(fā)項(xiàng)目，甚至影響了整個(gè)油田整體的開發(fā)方案。

為了應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)，在我國(guó)海洋油氣田開發(fā)過(guò)程中，自升式鉆井船就位前風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)逐步成熟，取得了一系列的技術(shù)突破，就位前井場(chǎng)資料精確分析及風(fēng)險(xiǎn)控制分析、預(yù)案編制，使我國(guó)海洋油田在受限插樁區(qū)域的就位安全得到了極大保障，降低了鉆井船就位的風(fēng)險(xiǎn)。自升式鉆井船就位前風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)對(duì)類似區(qū)域的海洋油氣開發(fā)具有非常重要的意義。

1 自升式鉆井船就位難點(diǎn)分析

海洋自升式鉆井船就位存在很多難點(diǎn)，包括自然因素、地質(zhì)因素和人為因素。其中，颶風(fēng)、大浪等突發(fā)海洋自然災(zāi)害對(duì)海洋平臺(tái)安全造成了極大危害，自然災(zāi)害導(dǎo)致的船毀人亡屢見(jiàn)不鮮。1980 年3月27 日，“亞歷山大·基蘭”鉆井平臺(tái)所處的挪威北海，突發(fā)9級(jí)大風(fēng)，5根樁腿中的一根斷裂平臺(tái)呈40°傾斜，15 min后，平臺(tái)沉沒(méi)，123人遇難[4]（圖1）。

圖1 沉入海底的“亞歷山大·基蘭”殘骸

1979年11月25日，我國(guó)的“渤海2號(hào)”鉆井船拖航過(guò)程中突遇10級(jí)暴風(fēng)傾覆沉沒(méi)。平臺(tái)上74名職工只有2 人得救，72 人遇難，這是我國(guó)海洋油田開發(fā)史中最慘痛的一次事故[5]。1982 年2 月15 日，在加拿大紐芬蘭近海作業(yè)的“海洋徘徊者”半潛式鉆井平臺(tái)遭遇190 km/h 颶風(fēng)，被吹翻傾覆，平臺(tái)上84人全部遇難，無(wú)一生還[4]。

此外，海底刺穿也是造成平臺(tái)傾覆的重要原因，海底地層在沉積過(guò)程中，隨著各地質(zhì)時(shí)期水動(dòng)力強(qiáng)弱不同，薄層強(qiáng)度也各不相同，在自升式鉆井平臺(tái)預(yù)壓載過(guò)程中，樁靴有可能會(huì)因?yàn)榇檀?qiáng)度較高，而快速下沉至較軟地層，導(dǎo)致平臺(tái)失穩(wěn)。2010年9 月7 日，勝利油田埕島區(qū)域勝利作業(yè)三號(hào)修井平臺(tái)，在臺(tái)風(fēng)天氣受波浪流和平臺(tái)自身載荷作用，艏樁樁腿將地層刺穿，艏部甲板沒(méi)入海底，后船只救援無(wú)法挽回平臺(tái)傾斜的趨勢(shì)，平臺(tái)最終傾覆，導(dǎo)致2人溺水身亡[6]（圖2）。

圖2 勝利作業(yè)三號(hào)鉆井平臺(tái)傾覆現(xiàn)場(chǎng)

在海洋平臺(tái)幾十年的生產(chǎn)中，鉆井平臺(tái)反復(fù)插拔樁使海底遍布坑洞，且平臺(tái)周圍海底堆積了一些障礙物[7]，底層海流會(huì)造成平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷，掏空樁基，使海底坑洼不平，海底打撈出的雜物如圖3所示。

圖3 鉆井船就位前撈出的海底雜物

綜上所述，自升式鉆井平臺(tái)就位存在多重影響因素，若無(wú)準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)分析，將存在很大的問(wèn)題。在海洋油田開發(fā)過(guò)程中，針對(duì)自然氣候、海底地貌、海底地層情況的分析有助于自升式鉆井平臺(tái)就位前的安全。

2 海上井場(chǎng)調(diào)查分析技術(shù)

2.1 海底地貌聲納掃描技術(shù)

海上油田隨著幾十年的開發(fā)，經(jīng)過(guò)了勘探開發(fā)階段、調(diào)整階段，鉆井船在平臺(tái)周圍反復(fù)就位插拔樁，地貌地形已經(jīng)改變[8-9]。平臺(tái)周圍海管、海纜及附近掉落的工業(yè)垃圾等障礙物，嚴(yán)重影響鉆井船就位作業(yè)安全[10]。

海底聲納掃描技術(shù)具有精度高、可視度好的特點(diǎn)，可以很好地探測(cè)海底地貌。該技術(shù)采用聲納作為探測(cè)手段，射入海底的聲波由于地形變化會(huì)發(fā)生散射，用以判斷海底障礙物和樁靴影響。

海底聲納掃描通過(guò)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到阻礙后進(jìn)行反射，反射信號(hào)被接收器接收后，會(huì)進(jìn)行聲波信號(hào)的處理，根據(jù)延時(shí)及強(qiáng)度變化形成圖像，以測(cè)試點(diǎn)為中心，沿四周進(jìn)行360°掃測(cè)，對(duì)海底區(qū)域反復(fù)重復(fù)這一過(guò)程，就會(huì)得到海底地形的完整影像[11]，鉆井船樁靴的樁靴印掃測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鉆井船樁靴的樁靴印掃測(cè)結(jié)果

將海底掃測(cè)結(jié)果與海洋導(dǎo)管架、海底管線進(jìn)行復(fù)合，可形成海底地形圖，得到海底路由管線與海洋結(jié)構(gòu)物的相對(duì)位置，指導(dǎo)鉆井船就位，如圖5所示。

圖5 海底地形圖與海底管纜復(fù)合圖

結(jié)合聲納掃描判斷，進(jìn)行海底障礙物打撈、海底地貌復(fù)原，就可避免由于老樁靴印造成的鉆井船插樁滑移、就位破壞海纜等事故發(fā)生。

2.2 高分辨率海上淺層地震探測(cè)技術(shù)

為解決古河道、海底斷層、淺層氣等海底地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的影響，研發(fā)出高分辨率海上淺層地震探測(cè)技術(shù)[12]。高分辨率海上淺層地震探測(cè)技術(shù)由震源發(fā)生系統(tǒng)、聲波接收系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)構(gòu)成[13]。通過(guò)人工激發(fā)地震波，地震波在不同的地層界面?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，地震儀接收到反射波之后記錄其傳播的時(shí)間，可反映出不同的地層性質(zhì)。高分辨率海上淺層地震探測(cè)技術(shù)不同于深層油氣勘探所用的聲波系統(tǒng)，其探測(cè)的主要目標(biāo)為海底附近地層。因此，淺層地震探測(cè)技術(shù)的震源能量小，且其頻帶較寬、主頻較高。海洋作業(yè)船舶拖帶著地震電纜，由壓力約14 MPa 的空氣槍激發(fā)信號(hào)，同時(shí)收集目標(biāo)區(qū)域的地震信號(hào)。收集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)校深、降噪、速度迭代實(shí)驗(yàn)、動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)等步驟進(jìn)行精確分析，地震探測(cè)船示意圖如圖6所示。

和碩特廟是參加1812年俄國(guó)衛(wèi)國(guó)戰(zhàn)爭(zhēng)的英雄、和碩特兀魯思首領(lǐng)色熱卜扎布圖門(Серебджаб Тюмень)倡議修建的，其設(shè)計(jì)者是著名僧人和歷史學(xué)家巴圖爾-烏巴什圖門(Батур-Убуши Тюмень)，該寺廟于1814年開始興建，至1818年竣工。該廟于20世紀(jì)20年代被關(guān)閉，30年代被用作俱樂(lè)部，50年代卻被當(dāng)做倉(cāng)庫(kù)。1957年，卡爾梅克自制共和國(guó)得以恢復(fù)，但是和碩特廟以及和碩特廟所在整個(gè)地區(qū)被劃歸阿斯特拉罕州，和碩特廟也遭到破壞，只剩下主體建筑的中心殿宇。2004年，在卡爾梅克出現(xiàn)了恢復(fù)重建和碩特廟的呼聲。

圖6 地震探測(cè)船示意圖

三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)是由一條鉆井船同時(shí)拖帶多條等間距平行布放電纜，同時(shí)接收同一震源地震反射的信號(hào)。二維、三維地震技術(shù)的綜合判斷，可有效對(duì)海底淺部氣層情況進(jìn)行分析。

根據(jù)淺層氣的聲學(xué)特征，進(jìn)行淺層氣分析，淺層氣具有反射渾濁、亮點(diǎn)等特點(diǎn)。反射渾濁是由于淺層氣導(dǎo)致強(qiáng)反射界面完全屏蔽下部地震信號(hào)，地震信號(hào)呈“窗簾”狀；“亮點(diǎn)”是由于淺層氣上部地層強(qiáng)反射所致[14-15]，如圖7所示。

圖7 淺層氣導(dǎo)致的“窗簾”和“亮點(diǎn)”

海底淺層地震可以為海底淺層氣提供預(yù)判，有助于平臺(tái)位置的選擇和插樁的分析，但是海底淺層地震具有多解性，還需要進(jìn)行海底鉆孔輔助淺層氣以及地層強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 海底鉆孔工程地質(zhì)調(diào)查技術(shù)

如果工程地質(zhì)、物探資料顯示目標(biāo)區(qū)域淺層氣，通過(guò)地震參數(shù)無(wú)法對(duì)淺層氣壓力和氣量進(jìn)行精確分析，也無(wú)法對(duì)地層薄層的強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

因此淺層地震調(diào)查主要通過(guò)工程物探方法定性評(píng)價(jià)淺層氣分布范圍及成因。對(duì)于含淺層氣區(qū)域，如果直接進(jìn)行鉆井平臺(tái)移位，將增加油氣勘探開發(fā)成本，進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)或者通過(guò)鉆孔排氣可以對(duì)淺層氣能量進(jìn)行定量判斷，也可減輕淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。

海上鉆孔CPT(Cone Penetration Testing)測(cè)試可以很好地為地震分析做校核，鉆孔從海底泥面開始，鉆入至目標(biāo)深度，并連續(xù)測(cè)試，每次鉆進(jìn)3 m，鉆進(jìn)速度2 cm/s[16]。作業(yè)前對(duì)CPT 探頭標(biāo)定，用于校核現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，同時(shí)對(duì)探頭抽真空，以提高地層壓力測(cè)量精度。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可連續(xù)、快速地獲取海底地層的工程特性及力學(xué)性質(zhì)，避免室內(nèi)試驗(yàn)擾動(dòng)土樣產(chǎn)生不良影響。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式校正，可解釋海底地層特性。較慢的鉆進(jìn)速度，以2 cm為間隔的實(shí)驗(yàn)分析，可以精準(zhǔn)地識(shí)別薄弱地層或者硬質(zhì)薄層。

3 自升式鉆井船就位前風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海A油田井場(chǎng)采用二維高分辨率數(shù)字地震資料分析，顯示在區(qū)域分布淺層氣，地震圖顯示呈“煙囪”狀，是由淺層氣引發(fā)的聲學(xué)屏蔽，且分布在斷層附近，據(jù)分析是通過(guò)斷層面運(yùn)移到淺部地層，具備高壓淺層氣特征，淺層氣的平面和垂向分布如圖8所示。針對(duì)存在上部障礙物的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查，采用拖纜與海洋節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集的作業(yè)方式獲取地層資料[17]。

圖8 淺層氣的平面和垂向分布

為進(jìn)一步判斷該區(qū)域淺層氣的強(qiáng)度情況，采用海上鉆孔方式進(jìn)行輔助判斷。在8～150 m的深度范圍內(nèi)進(jìn)行海底鉆孔，自鉆進(jìn)至50 m 開始，海底出現(xiàn)氣泡，氣泡最大直徑約3 cm，如圖9 所示，氣泡一直持續(xù)返出。

圖9 鉆孔期間海底氣泡

綜合上述風(fēng)險(xiǎn)，最后將平臺(tái)位置移出淺層氣區(qū)域，避免發(fā)生就位及鉆完井風(fēng)險(xiǎn)。

4 自升式鉆井船風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)展望

雖然多種新技術(shù)的應(yīng)用使自升式鉆井船就位風(fēng)險(xiǎn)得到控制，但是未來(lái)隨著較深水、國(guó)際海域的勘探開發(fā)，將涉及越來(lái)越多的陌生海域，自升式鉆井船的就位風(fēng)險(xiǎn)依然存在，需要以技術(shù)進(jìn)步解決自升式鉆井船的就位難題。

鉆井船插樁對(duì)隔水導(dǎo)管群樁的影響，得到了間距超過(guò)鉆井船樁靴直徑一倍，群樁效應(yīng)可以不考慮的結(jié)論[18]。近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步，無(wú)人水下航行器技術(shù)發(fā)展迅速，小型化、可靠性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)型的水下無(wú)人機(jī)技術(shù)將對(duì)海洋油氣開發(fā)提供極大幫助[19]。水下航行器可按照控制要求在海水中上、下、前、后運(yùn)動(dòng)，可實(shí)時(shí)傳輸水下信號(hào)，在清澈海域可傳輸海底視頻、圖片，在渾濁海域可傳播聲波等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下海底情況的控制。并可在多個(gè)礦區(qū)區(qū)間航行，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)海底地圖的繪制和更新。

通過(guò)大數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)天氣案例分析，運(yùn)用天氣學(xué)原理，將國(guó)家氣象觀測(cè)站信息及衛(wèi)星云圖等資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)行海洋天氣預(yù)報(bào)，分析大風(fēng)、大霧、強(qiáng)對(duì)流天氣的不利因素，作為海洋鉆井平臺(tái)就位的分析基礎(chǔ)，依托天氣預(yù)測(cè)的進(jìn)一步精細(xì)化，可增加平臺(tái)就位風(fēng)險(xiǎn)的控制[20]。

已經(jīng)有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就防刺穿鉆井船樁靴進(jìn)行了研制，例如楊進(jìn)等[21]人提出的裙式可自棄抗刺穿自升式鉆井平臺(tái)樁靴，通過(guò)對(duì)樁靴增加裙式樁靴塊體設(shè)計(jì)，可抵抗自升式鉆井平臺(tái)樁靴刺穿。該設(shè)想雖未進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)，但是為自升式鉆井船的安全就位拓展了思路。

自升式鉆井船安全就位不僅僅是海洋油氣專業(yè)能夠解決的，還需要跨學(xué)科技術(shù)的輔助，比如海洋坐標(biāo)定位系統(tǒng)可以結(jié)合導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)原理，將就位精度提高[22]；或者采用激光測(cè)距等技術(shù)輔助判斷海底障礙物與樁靴之間的距離，而不必動(dòng)員大量海洋工程船舶輔助清障。

總之，海洋平臺(tái)就位需要發(fā)散思維，引入新技術(shù)、新方法，解決現(xiàn)有及未來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

5 結(jié)論和建議

海洋油田開發(fā)對(duì)自升式鉆井平臺(tái)就位精度要求越來(lái)越高，就位前安全風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)體現(xiàn)出其重要作用。但自升式鉆井平臺(tái)就位技術(shù)只是提前預(yù)防的技術(shù)手段，對(duì)未來(lái)降低就位風(fēng)險(xiǎn)研究和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)就位技術(shù)還有以下建議。

1）自升式鉆井船就位風(fēng)險(xiǎn)分析要擴(kuò)展視野，利用軍工、航天科技，解決海洋鉆井船就位難題。

2）建議國(guó)家繪制海底地貌地圖，不但有利于海洋油氣資源開發(fā)，還有利于航運(yùn)、漁業(yè)等行業(yè)。

3）鉆井船就位風(fēng)險(xiǎn)分析可運(yùn)用大數(shù)據(jù)，依托海洋信息數(shù)字化，對(duì)自升式鉆井船就位風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析。