某自升式平臺在淺層氣區(qū)域插樁可行性分析與實踐

和鵬飛

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

某自升式平臺在淺層氣區(qū)域插樁可行性分析與實踐

和鵬飛

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

為實現(xiàn)某海區(qū)的探井評價作業(yè)任務，利用數(shù)字地質(zhì)勘查技術(shù)初步確定鉆井平臺就位區(qū)域內(nèi)淺層氣橫向和縱向分布情況；之后通過鉆孔試驗確定出淺層各段鉆孔過程中的出氣情況以及地層巖性，分析給出各層巖性參數(shù)；通過既定鉆井平臺樁腳形狀、預壓載噸位以及就位區(qū)域表層巖性參數(shù)，模擬計算出鉆井平臺壓載過程中的樁腿入泥情況。在上述基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化鉆井平臺就位后插樁、壓載技術(shù)措施，最終實現(xiàn)了在該淺層氣區(qū)域的鉆井平臺就位任務和鉆探任務。

插樁就位；淺層氣；自升式平臺；海上油田

開采淺層氣容易發(fā)生井涌甚至井噴，且具有易發(fā)生、速度快、危害大、處理難度大以及較難預見等特點[1-3]。含淺層氣的地層壓實程度低，膠結(jié)程度差，氣層層數(shù)眾多，地層孔隙壓力和破裂壓力之間的壓力密度窗口窄。鉆井遇到淺層氣地層時，若鉆井液的密度稍大則容易發(fā)生井漏，密度稍小則容易產(chǎn)生井噴[4-5]。海上鉆完井作業(yè)主要依托鉆井平臺，渤海海域平均水深30 m左右，均采用自升式鉆井平臺實施勘探開發(fā)任務。如果鉆井平臺就位區(qū)域存在淺層氣，則鉆孔揭開淺層氣后將導致海水密度降低，浮力減小，威脅鉆井平臺的安全[6-7]。若鉆井過程中遇淺層氣后采取的措施不當，將會造成極大的經(jīng)濟損失或人員傷亡，因此淺層氣區(qū)域成為海上鉆井平臺就位的“禁區(qū)”。但是，隨著渤海油氣勘探的深入進行，一些構(gòu)造、油藏的評價要求在淺層氣區(qū)域?qū)嵤┿@井平臺就位[8-10]。

1 作業(yè)區(qū)地層概況

為查明某構(gòu)造明下段地層的含油氣情況，擴大儲量規(guī)模，設計在該區(qū)域X井位鉆探一口直井，即評價探井，該區(qū)新近系主要為河流相沉積，發(fā)育多套有利的儲蓋組合，特別是明下段下部和館陶組中部區(qū)域性泥巖蓋層發(fā)育。

自上而下依次鉆遇的地層分別為：平原組（底深500 m）、明化鎮(zhèn)組上段（底深1 000 m）、明化鎮(zhèn)組下段（底深1 400 m）、館陶組（底深預計2 160 m）。

2 就位區(qū)域的地質(zhì)勘察

以鉆井平臺設計就位點為中心，選定邊長為2 000 m的正方形區(qū)域，采用聲波測量，得出地層剖面測量結(jié)果（見圖1），以此確定該區(qū)域是否有淺層氣的存在。

圖1 就位區(qū)域地層剖面測量平面結(jié)果

如圖1所示，在調(diào)查區(qū)域內(nèi)的中淺地層剖面資料（海底至海底以下100 m以內(nèi)地層資料）上發(fā)現(xiàn)3處與淺層氣有關(guān)的異常反射區(qū)，分別命名為A1區(qū)、A2區(qū)和A3區(qū)。

A1區(qū)分布范圍較大，基本上位于調(diào)查區(qū)域的西北部。該異常反射區(qū)大部分的頂部埋深約為8～17 m，局部的頂部埋深約為60～85 m。預定井位位置位于A1區(qū)的外部，到該區(qū)的邊緣最近距離約為138 m。

A2區(qū)在調(diào)查區(qū)域內(nèi)分布范圍較小，位于調(diào)查區(qū)域的東南部。該異常反射區(qū)頂部埋深約為15～18 m；預定井位位置位于A2區(qū)的外部，到該區(qū)的邊緣最近距離約為140 m。

A3區(qū)在調(diào)查區(qū)域內(nèi)分布范圍最小，位于調(diào)查區(qū)域的南部邊緣。該異常反射區(qū)的頂部埋深約為17 m；預定井位位置位于A3區(qū)的外部，到該區(qū)的邊緣最近距離約為1 008 m。

異常反射區(qū)域主要為雜亂反射結(jié)構(gòu)、反射波同相軸連續(xù)性差，或部分地層反射波被屏蔽；異常反射區(qū)以外主要為水平或近似水平的反射結(jié)構(gòu)，反射波同相軸連續(xù)性好。初步分析判斷，異常反射區(qū)地層中可能含有淺層氣。

解釋深度范圍內(nèi)（海底至海底以下100 m）的資料分析得出，預定井位位置位于異常反射區(qū)的外部，到異常反射區(qū)的最近距離約為138 m。

3 鉆孔試驗

為進一步評價淺層氣的危害，在預定井位附近進行鉆孔試驗，鉆孔最深至泥面以下150 m。根據(jù)鉆孔情況看，在海底8～50 m，出現(xiàn)少量氣泡，且持續(xù)時間較短；在海底以下50～70 m，氣泡量稍微增多，氣泡小，持續(xù)時間45～60 s，鉆孔地層巖性情況見圖2。結(jié)合數(shù)字地震勘察結(jié)果，判斷該井位雖然位于大片淺層氣區(qū)域，但淺層氣強度較弱，可以進行試插樁和后續(xù)鉆井作業(yè)。

圖2 鉆孔結(jié)果示意（部分）

4 插樁的可行性分析

自升式鉆井平臺到達就位點后，采用靜壓沉樁的方式進行壓載，即通過在平臺艙室內(nèi)注入海水使樁腿逐步插入海底地層中，達到作業(yè)需要的平臺總載荷時，樁腿與地層之間的相互作用力也逐步達到平衡，此時樁腿插入泥面以下的深度即為樁腿入泥深度。一般認為，樁腿入泥深度與近泥面地層性質(zhì)、壓樁載荷大小和樁靴以及樁腿形狀有直接關(guān)系。中國石油大學（北京）楊進等學者根據(jù)實際作業(yè)統(tǒng)計與實驗分析，在考慮自升式鉆井平臺插樁速度和群樁效應以及樁靴上覆土壓力等因素影響的基礎(chǔ)上，給出了自升式鉆井平臺插樁樁腿入泥深度預測模型[11]。本文根據(jù)此模型進行該區(qū)域插樁深度計算分析。

4.1 土質(zhì)參數(shù)

根據(jù)鉆孔試驗結(jié)果，確定各層土質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 就位區(qū)域土質(zhì)參數(shù)表

4.2 樁腳參數(shù)的確定

實際作業(yè)中，鉆井平臺的選擇需要綜合考慮檔期安排等各方面的因素，在風險可控前提下實現(xiàn)作業(yè)任務。根據(jù)海域鉆井平臺作業(yè)窗口選擇，滿足此區(qū)域就位的為渤海某鉆井平臺，該平臺長期進行探井鉆井作業(yè)，服役時間較長，為四樁腿且無樁靴設計，樁腳直徑為3.0 m，截面積7.07 m2。平臺及樁腳如圖3所示，有關(guān)參數(shù)見表2。

圖3 渤海某鉆井平臺及樁腳示意

表2 渤海某鉆井平臺參數(shù)

4.3 樁腿入泥深度的確定

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查的初步成果，該平臺在極限樁腿荷載（20.6 MN）情況下，樁腿入泥深度為26.4 m。樁腿荷載與入泥深度關(guān)系見圖4。

圖4 樁腿荷載與入泥深度關(guān)系

4.4 可行性分析

一般極限作業(yè)條件下，樁腿總長=平臺甲板面以上預留高度（樁腿提升系統(tǒng)高度+安全裕量（一般為1.5～3.5 m））+型深+氣隙高度+水深+樁腿入泥深度，同時滿足抗環(huán)境載荷要求條件下的最大氣隙高度、最大作業(yè)水深等[12]。

根據(jù)上述計算分析，渤海某平臺在該淺層氣區(qū)域最大預計樁腿入泥深度為27.2 m，考慮型深5.5 m，該區(qū)域水深25 m，作業(yè)氣隙高度10 m，樁腿總長80 m，則甲板面以上剩余樁腿長度為12.3 m，而該平臺甲板面以上最低留高為5 m，因此該平臺滿足在該淺層氣區(qū)域的就位插樁作業(yè)要求。

5 就位插樁應對措施

5.1 插樁技術(shù)措施

（1）插樁前的準備。平臺就位后開始插樁前，觀察海面15 min，確認無異常后開始插樁。

（2）拖船輔助措施。插樁壓載期間主拖船、副拖船備車且不拋錨，主拖纜應適當放長。值班船在平臺附近守護。

（3）插樁過程中的觀察措施。插樁壓載期間每插入0.2 m觀察15 min，觀察各樁腿海面，如果海面無氣泡則繼續(xù)插樁。依據(jù)鉆孔資料，預計淺層氣頂部為泥面下7 m。樁腿下放從接觸泥面開始，每下放1 m，停止下樁，觀察海面15 min。至入泥5 m開始，樁腿每下放0.20 m，停止下樁，觀察海面15 min，確定有無氣泡、氣泡大小、氣泡分布面積、持續(xù)時間，利用手持探測儀確定空氣中有害氣體含量。若無氣泡或氣泡消失，繼續(xù)下樁。

（4）插樁時的船體控制措施。一是滿足吃水要求：保持盡量大的船體吃水，且根據(jù)潮汐調(diào)整吃水（未建立18～21 MPa壓力前至少保持1.5 m的吃水）；第一次壓載至能升空船載荷（預計18 MPa），然后觀察至少12 h。二是滿足船體水平要求：隨時關(guān)注好船體水平，插樁過程中若發(fā)現(xiàn)海面有氣泡時，停止插樁作業(yè)，靜止觀察15 min；繼續(xù)觀察海平面氣泡，氣泡消失，平臺繼續(xù)插樁；如果氣泡斷續(xù)出現(xiàn)，樁腿每次入泥0.20 m，靜止觀察15 min；若氣泡沒有減少反而有增多的現(xiàn)象，繼續(xù)靜止觀察；氣泡持續(xù)增大，則做好拔樁拖離準備。

（5）樁腿實際入泥的跟蹤比對措施。插樁過程中根據(jù)實際數(shù)據(jù)，準確計算樁腿的入泥深度，在樁腿入泥6.8、16.0、21.9 m位置時地層支撐力有變化，通過現(xiàn)象比對，校核深度。

5.2 加載壓載技術(shù)措施

加載壓載時采用樁腿對角壓載方案，可以連續(xù)壓載直到符合升船條件，也可以兩組交替進行。由于地層原因必須單樁操作時要嚴格觀察船體水平度，盡量保持船體水平度控制在0.5°之內(nèi)。

壓載過程中一旦出現(xiàn)樁腿下沉過快或船體傾斜，立即停止壓載，進行調(diào)平，確保平臺處于正常狀態(tài)。

6 現(xiàn)場應用

6.1 就位

鉆井平臺到達就位區(qū)域后，采用逆流上線，就位至設計目標點。

6.2 插樁及空載靜壓

觀察平臺附近海面15 min，確認無異常情況，開始插樁，逐步下放樁腿至接觸泥面，最終各樁腿與地層作用力平衡，樁腿不再有插入進尺，最終1#樁腿入泥26.8 m；2#樁腿入泥26.8 m；3#樁腿入泥26.4 m；4#樁腿入泥26.4 m，此時樁腿所承受重量為平臺總體載荷，無附加載荷。

期間觀察平臺附近海面，未發(fā)現(xiàn)異常情況。此項工作耗時25.5 h。

6.3 加載壓載結(jié)果

對四個樁腿采用對角壓載法壓載，2#、3#樁腿有輕微下沉。1#樁壓載21 000 kN，樁腿入泥26.8 m；2#樁壓載20 600 kN，樁腿入泥27.6 m；3#樁壓載20 600 kN，樁腿入泥27.9 m；4#樁壓載20 600 kN，樁腿入泥26.4 m。此項工作耗時11 h。

靜壓觀察，未發(fā)現(xiàn)異常情況。此項工作耗時6 h。

升船至氣隙9 m，調(diào)平。復測平臺就位數(shù)據(jù)。此項工作耗時1.5 h。

之后釋放壓載水，解開主拖船拖纜，鉆井平臺就位結(jié)束。轉(zhuǎn)入鉆前準備及鉆井作業(yè)任務。

7 結(jié)論

（1）隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，淺層氣區(qū)域不再是自升式鉆井平臺就位的“禁區(qū)”，通過地質(zhì)勘查和鉆孔試驗，在認識淺層氣強度、危害能力的基礎(chǔ)上，如文中所述區(qū)域是可以實施鉆井平臺就位的。

（2）平臺試插樁時，樁腿入泥10 m，插樁速度在滿足淺層氣作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，通過增加觀察時間，控制合理的插樁深度，隨時對比和校正理論插樁深度等可以更好地確定插樁情況。

（3）四樁腿自升式鉆井平臺，壓載時采用樁腿對角壓載方案，操作時要嚴格觀察船體水平度，不能超出允許的范圍1°，盡量將船體水平度控制在0.5°以內(nèi)。

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Piling feasibilityanalysis and practice ofa jack-up platform in shallow gas zone

HE Pengfei
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

In order to realize the task of the explorative drilling evaluation for an offshore region，the digital geological prospecting technique was used to primarily determine the horizontal and vertical distributions of shallow gas in the drilling platform positioning area.Then the gas output and stratum lithology of deferent shallow layers during drilling course were determined with drilling tests，and the lithologic parameters of each layer were analyzed.The pile penetrating state during the drilling platform designated ballasting was simulated and calculated based on the pile shape，ballasting loads and lithologic parameters.On the basis of above-mentioned work，the technical measures of pile penetrating and platform ballasting after platform positioning were optimized.Finally，the task of drilling platform positioning and explorative drilling in shallow gas zone was realized.

piling in position；shallow gas；jack-up platform；offshore oilfield

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.009

和鵬飛（1987-），男，甘肅會寧人，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學（北京）化學工程與工藝、石油工程雙學位，在職研究生，主要從事海洋石油鉆井技術(shù)監(jiān)督與管理工作。

2016-12-09

Email：feier.he@qq.com