海上油田應急救援自升式平臺就位優(yōu)選關鍵技術

張寶平, 王 贊, 楊旭才, 吳占民, 龔 明

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司, 天津 300452)

0 引 言

海上油田鉆井作業(yè)井噴失控會引起巨大的災難和事故[1-2]。由于海上作業(yè)平臺具有空間受限等特殊性，一旦井噴失控，救援井將是解決井噴問題的重要途徑。打救援井需要在事故井周邊的海面上利用鉆井裝置進行作業(yè)。本文重點介紹關于自升式鉆井平臺在適應水深范圍內打救援井就位的優(yōu)選方法。

對某井噴、著火而失控的井進行搶救而設計施工的定向井被稱為救援井[3]，如圖1所示。救援井須遠離失控井一定距離，位置的選擇就顯得尤為重要，位置決定了救援井鉆井裝置是否安全。井位位置的選擇主要通過自升式鉆井平臺就位位置優(yōu)選來體現，而海洋環(huán)境條件、海底地貌特征、鉆井平臺能力和插樁安全等都是救援井就位優(yōu)選的先決條件。

圖1 救援井示例

然而，在救援井就位優(yōu)選后的位置進行救援通道打通卻并不一定能夠實現救援井井眼與失控井井眼準確對接相交[4]。據文獻統(tǒng)計，1956—2020年世界范圍內共發(fā)生150余次井噴事故[5]，其中北美油氣勘探與生產公司(TXO Energy)作業(yè)的Branton油田某井發(fā)生井噴，鉆了5口救援井才使井噴事故得以控制。國外石油專家綜合考慮海上油田裝備和技術的不確定性，通過概率論方法分析，認為設計2座自升式鉆井平臺同時在就位優(yōu)選位置進行救援井作業(yè)是很有必要的[6]。

1 海洋環(huán)境條件優(yōu)選

海洋環(huán)境條件包括但不限于潮流、潮汐、涌、浪、風等，自升式鉆井平臺在就位時主要受風向、潮流、浪高等因素影響。

根據失控井所在區(qū)塊的潮流表，判斷海底主流向，即流速最大時對應的角度，并結合風向和季節(jié)來確定自升式鉆井平臺就位時的艏向，如圖2和圖3所示。

圖2 考慮風向的救援井井位優(yōu)選

圖3 兼顧風向、海底潮流的井位優(yōu)選

根據潮汐高度和浪高來確定自升式鉆井平臺升船氣隙大小，一般渤海海域氣隙為7～9 m。

由于救援井位置優(yōu)選對鉆井安全、作業(yè)周期、鉆井費用有著較大影響，英國石油公司(BP)總結了兼顧風向和海流進行井位優(yōu)選的方法[7]。

此外，鉆井平臺艏向須選擇上風向，以避開H2S等有毒有害氣體影響，一般夏季艏向為90°～270°，冬季艏向為270°～90°。

2 淺層災害性地質特征避讓

綜合考慮海洋環(huán)境條件下，選定合適的救援井就位區(qū)域，需要在該區(qū)域進行井場調查，即工程物探調查和工程地質調查，可按常規(guī)井場范圍2 000 m×2 000 m進行調查。

常見的災害性地質特征有斷層、埋藏古河道、淺層氣等。

2.1 斷層避讓

斷層是海底地層一種常見的災害性特征，海底地層受力發(fā)生斷裂，沿斷裂面兩側地層發(fā)生顯著相對位移的構造，如圖4所示。

圖4 正斷層、逆斷層

根據電火花震源(Sparker)地層剖面資料，分析斷層傾角和埋藏深度。如果插樁預測深度低于底部埋深，則影響不大。如果插樁深度穿過斷層，就要分析就位處的斷層為正斷層還是逆斷層。如果井位位置位于正斷層的下盤，則插樁安全，反之則不安全；如果井位位置位于逆斷層的下盤，則插樁安全，反之不安全。

自升式鉆井平臺就位時，如果位于正斷層上盤或逆斷層上盤，則需要移位，保證插樁安全。

2.2 古河道避讓

埋藏古河道是指在海底之下被沉積物充填的河床[8]，如圖5所示。

圖5 海底埋藏古河道

海底埋藏古河道有河谷和側緣兩部分。河谷基本位于埋藏古河道中部，側緣位于河谷兩側。對海洋平臺和導管架安裝、海底管線敷設以及鉆井平臺插樁就位等都具有重要影響，處置不當極有可能造成鉆井平臺傾斜等事故。圖6為應急救援井位置與古河道位置關系、移位情況。圖6中灰色斜線為古河，曲線為古河道邊界，標記的數字為古河道的頂部埋深和底部埋深。

圖6 應急救援井位置與古河道位置關系、移位情況

根據工程技術人員對古河道的研究，制定幾條應急救援井位置避讓原則：(1)就位位置位于古河道內部，井位中心距離邊界超過100 m，可不用移出古河道，需要優(yōu)選插樁深度位于頂部埋深以上或插樁深度大于底部埋深的鉆井平臺。(2)就位位置在古河道邊界附近(就位位置與邊界內外距離小于100 m)，需要根據鉆井平臺艏向和樁腿分布進行分析和判斷，在一般情況下需要將鉆井平臺向古河道相反的方向移動，兼顧救援井定向設計要求。

2.3 淺層氣避讓

淺層氣是一種埋藏深度較淺(泥面至泥面以下1 000 m)、儲量小、分散的各種天然氣資源。主要危害是會不同程度地降低地基土的承載力，增加基礎的沉降和變形。淺層氣在鉆孔作業(yè)或插樁就位時會溢出，可能造成地層塌陷、影響鉆井平臺基礎穩(wěn)定性和鉆井裝置安全，在嚴重情況下會井涌，造成設施設備受損和人員傷亡，如圖7和圖8所示。

圖7 淺層氣鉆孔放氣形成海面氣泡

圖8 鉆遇淺層氣

淺層氣屬于典型的高壓、小體積、位于淺層的氣體儲層，通常存在快速沉積的地區(qū)。由于沉積層沉積速度快，因此地層壓力來不及釋放，鉆頭如遇淺層氣后極易導致嚴重的井噴事故。

為降低甚至消除淺層氣對鉆井平臺在救援井就位和鉆井作業(yè)時的影響，需要綜合考慮淺層氣分布范圍、埋深、強度等指標，根據多年經驗，主要有3個方面的原則：(1)范圍小、淺層氣強度小、頂部埋深比插樁深度深，可以不用移井位；(2)范圍小、淺層氣強度不大、插樁深度超過淺層氣頂部埋深時，需要在鉆井作業(yè)前安裝分流器；(3)范圍大、淺層氣強度大(剖面圖呈明顯的氣筒狀)，無論插樁深度是否處于淺層氣埋深范圍內，都需要將淺層氣移出井位。

2.4 多種災害性地質特征避讓

當就位位置同時存在斷層、古河道、淺層氣等災害性地質特征時，本著遠離主要災害的原則，即必須離開淺層氣區(qū)域，其他災害性地質條件可根據避讓原則和救援井要求進行綜合考慮。

圖9中三斜線為古河道，灰色部分為淺層氣，三角形標記的曲線為斷層。圖9中的示例為曹妃甸某探井，該井位同時存在強淺層氣、古河道、淺層斷層等災害性地質條件。首先井位須移出淺層氣范圍，且距離淺層氣邊界100 m以上，其次要遠離古河道和斷層的影響，因此最后選在原井位南偏東399 m處作為應急救援井初選位置。

圖9 淺層氣及其他災害性地質條件并存情況

3 鉆井平臺優(yōu)選

決定自升式鉆井平臺能否在設計救援井位置插樁就位的因素主要包括水深、升船氣隙、插樁安全等3個方面。

3.1 水深優(yōu)選

自升式鉆井平臺作業(yè)水深一般為7～122 m，如何精準匹配自升式鉆井平臺與作業(yè)水深的關系，是進行救援井位置優(yōu)選的首要問題，因此水深是需要考慮的第一要素[9]。

水深較淺，容易引起拖航和就位過程中主拖船和自升式鉆井平臺拖底擱淺；水深較深，容易造成插樁過程中發(fā)生滑移和樁腿變形。涌浪高度對船體和樁腿影響非常大，對鉆井裝置的穩(wěn)定和安全也有較大影響。在救援井就位作業(yè)前須進行工程物探調查，掌握就位區(qū)域內水深變化和潮汐基準點，保證就位作業(yè)安全。

對救援井位置的水深進行優(yōu)選，需要滿足以下條件：

(1)

式中：D1為水深；L1為樁腿總長；D2為插樁預測深度；L2為氣隙高度；D3為船體型深；L3為樁腿固樁區(qū)高度；L4為樁腿預留長度。

3.2 升船氣隙優(yōu)選

氣隙指自升式鉆井平臺船體底部至海水波面間的垂直距離[10]。全面考慮自升式鉆井平臺樁腿長度、水深、入泥、型深和固樁區(qū)高度等因素，建立氣隙優(yōu)選評價數學模型，為救援井井位氣隙優(yōu)選提供有效方法。

氣隙優(yōu)選評價數學模型充分考慮樁腿豎向控制能力，計算方程為

(2)

式中：H1為生產平臺頂甲板至海平面高度；h為懸臂梁底部與頂甲板最高障礙物之間的間隙，取0.5～1.0 m。

氣隙優(yōu)選實現了鉆井裝置從海平面到平臺底部豎向的安全，避免了海面涌浪影響。

3.3 插樁安全優(yōu)選

插樁安全是救援井就位優(yōu)選的關鍵核心技術。傳統(tǒng)API(Application Programming Interface)插樁預測計算公式未考慮樁腿間相互作用、動載、回填土等因素，計算結果現場符合度僅約70%。經系統(tǒng)研發(fā)和計算公式修正，使用新的插樁深度預測計算公式，精度可上升至90%以上，有效保證大型設施插樁就位安全。

新計算公式為

Q≤fAs+qAp1-aP0Ap2

(3)

式中：Q為鉆修船樁腿最大壓載量；f為鉆修船樁腿側向摩擦力，N/m2；As為樁腿側向有效面積，m2；q為海底某深度的樁腿端承載力，N/m2；Ap1為樁靴面積，m2；a為回填百分比，取30%～60%；P0為上覆土體壓力，N/m2；Ap2為樁腿回填有效面積，m2。

插樁深度預測新計算方法(簡稱“新方法”)已在中國近海海域近 50個油氣田近800口井中成功應用，預測精度由原來的 70%提高至90%以上，有效保證插樁精準度和安全。該插樁預測方法改變了以往靠海上插樁作業(yè)經驗的做法，在保證插樁作業(yè)安全的同時，實現合理入泥的目標。表1為API計算方法與新方法預測精度的對比，在中海油渤海油田、東海油田、南海東部油田和南海西部油田均成功應用，效果顯著。

表1 API計算方法與新方法預測精度對比

4 救援井鉆井設計

實施一口海上救援井作業(yè)，要求既能快速高效地與目標井連通，又要保證救援井自身的作業(yè)安全，因此需要進行精細和詳實的救援井鉆井設計。救援井鉆井設計需要從救援井井位優(yōu)選、鉆井裝置優(yōu)選、井身結構、定向井軌跡設計、磁探測工具精準使用、救援井與事故井連通方式、合理的壓井方法等方面進行綜合考慮。

救援井作業(yè)是一項海上油田安全作業(yè)系統(tǒng)工程，救援井鉆井設計是安全高效恢復事故井井控操作的重要基礎。救援井鉆井設計，首要考慮救援井是否安全，包括井眼、井控安全。成功定向并與事故井井眼連通是實施救援作業(yè)的必要條件，連通后采用動態(tài)壓井法對事故井進行控制，最終用水泥漿封固、棄井。

5 結 論

救援井是處理海上油田井噴事故井的有效方法，而進行救援井就位優(yōu)選是保證救援井安全鉆井作業(yè)的前提，通過分析，有以下內容的總結：(1)海洋環(huán)境條件和災害性地質條件影響救援井就位位置，通過風向、潮流、涌浪、斷層、古河道、淺層氣特征，對就位位置進行綜合優(yōu)選，綜合優(yōu)選位置是鉆井裝置安全就位的基礎保障。(2)鉆井平臺優(yōu)選解決了水深與鉆井裝置作業(yè)能力合理匹配問題。(3)插樁深度預測是救援井就位優(yōu)選的核心技術，使用新方法后，預測精度由原來的70%上升至90%，有效保障了海上大型設施安全。