渤海油田自升式鉆井平臺就位精準(zhǔn)選型技術(shù)

張寶平， 許 杰， 徐榮強， 于忠濤， 孫旭彤， 王金明

(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)有限公司 天津分公司， 天津 300459)

0 引 言

隨著國家能源七年行動計劃的實施，國內(nèi)各大石油公司加大了勘探開發(fā)力度。自升式鉆井平臺是海上油氣勘探開發(fā)的主要鉆探設(shè)備[1]，在鉆完井作業(yè)中占據(jù)非常重要的地位，中國近海近80%的油氣井開發(fā)都是通過自升式鉆井平臺作業(yè)完成的[2]。不同的自升式鉆井平臺在升船氣隙、覆蓋能力和插樁能力等方面不一樣，因此在自升式鉆井平臺就位時需要對水深、升船氣隙、生產(chǎn)平臺頂甲板設(shè)施、井口布局、插樁等情況進(jìn)行詳細(xì)計算和分析，才能選擇合適的鉆井平臺進(jìn)行鉆完井作業(yè)[3]。

渤海油田年均就位達(dá)150次，龐大的作業(yè)量需要精準(zhǔn)的前期研究和可行性分析[4]，從而保證作業(yè)的連續(xù)性和高效性。某鉆井平臺在渤海中部某區(qū)塊避風(fēng)臨時升船，由于實際插樁超出預(yù)測深度，也超出該鉆井平臺的插樁極限值，因此只能緊急撤離尋找周圍其他井位，在海上超過安全拖航風(fēng)力等級的大風(fēng)情況下，出現(xiàn)這種情況非常危險[5]。另外，在作業(yè)者安排鉆機時，由于選型過程與實際情況存在出入，臨時換船的情況時有發(fā)生，會影響作業(yè)進(jìn)度。針對計劃就位位置的海洋地球物理條件、作業(yè)工況和作業(yè)要求選擇匹配的自升式鉆井平臺可對海上鉆井作業(yè)順利進(jìn)行提供前期基礎(chǔ)性保障[6]。在實際自升式鉆井平臺就位方案預(yù)研究、分析和設(shè)計時，往往由于鉆機資源檔期和人為因素，出現(xiàn)“大船小用、小船大用”的情況。因此，如何選擇匹配的鉆機，從而高效、安全地對渤海整裝油田進(jìn)行開發(fā)，是重大且關(guān)鍵的課題。

為解決以上難題，有必要開展自升式鉆井平臺精準(zhǔn)選型研究。綜合考慮選型中的水深、氣隙、插樁、覆蓋、避讓等要素，建立選型模型、方法和公式，從空間的豎直方向和水平方向為選型提供計算依據(jù)和理論準(zhǔn)則，以保證海上油田高效快速開發(fā)。

1 水深選型

自升式鉆井平臺在海上被動航行，是被拖物，需要主拖船拖航。自升式鉆井平臺和主拖船都有最小吃水深度以避免擱淺。海洋鉆井平臺在海上進(jìn)行拖航、就位、插樁和鉆井作業(yè)，水深是需要考慮的重要因素[7]。

7 m以淺和120 m以深是進(jìn)行海洋平臺選型和匹配的2個重要參考值。水深過淺容易導(dǎo)致主拖船和鉆井平臺拖底擱淺；若水深過深，由于自升式鉆井平臺樁腿長度有限，則在插樁過程中容易導(dǎo)致滑移和樁腿變形[8]。船體和樁腿受涌浪影響非常大，對自升式鉆井平臺的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，插樁和防碰風(fēng)險陡增。在就位作業(yè)前須進(jìn)行井場調(diào)查，明確就位區(qū)域范圍內(nèi)水深隨著潮汐和涌浪的變化范圍，以保證航行和就位安全。

在進(jìn)行水深選型時，需建立自升式鉆井平臺與水深匹配模型和計算公式，并同時滿足如下條件：

(1)

式中：Dw為就位處水深，m；Lz為樁腿長度，m；Dm為自升式鉆井平臺樁腿插樁入泥預(yù)測深度，m；Lq為自升式鉆井平臺升船氣隙高度，m；Dx為自升式鉆井平臺型深深度，m；Lgz為自升式鉆井平臺樁腿固樁區(qū)高度，m；Lyl為自升式鉆井平臺樁腿預(yù)留長度，一般為一節(jié)，m。

2 氣隙選型

氣隙選型也稱為升船能力選型。氣隙是指自升式鉆井平臺船體底部至海水波面間的垂直距離。在充分考慮自升式鉆井平臺樁腿結(jié)構(gòu)、尺寸、壓載量等因素的前提下，結(jié)合海底土承載能力，建立自升式鉆井平臺升船能力評價數(shù)學(xué)模型，為自升式鉆井平臺氣隙選型提供合理有效的方法。

升船能力評價模型充分考慮鉆井平臺在豎向上的樁腿長度控制能力和作業(yè)安全，需同時滿足如下控制方程(升船能力計算公式)

(2)

式中：Hp為樁腿入泥深度，m；Hw為水深，m；Hg為升船跨越高度，m；Hh為自升式鉆井平臺船體型深，m；Hl為自升式鉆井平臺樁腿的有效長度，m；Ht為就位平臺頂甲板高度，m；Hs為懸臂梁底部與需要跨越頂甲板最高障礙物頂部的間距，m。

式(2)充分考慮鉆井平臺在垂直方向上的作業(yè)能力，保證鉆井平臺懸臂梁高度高于生產(chǎn)平臺頂甲板且頂甲板上面可跨越和避讓障礙物。在升船能力評價模型中，在垂直方向上考慮0.5～1.0 m的安全裕量，從而避免在鉆井作業(yè)過程中鉆井載荷過大導(dǎo)致鉆井平臺與生產(chǎn)平臺之間發(fā)生干涉的可能。

氣隙選型實現(xiàn)了自升式鉆井平臺從海平面到平臺底部豎向的安全。

3 覆蓋能力選型

自升式鉆井平臺依靠懸臂梁將鉆臺推出，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤中心對井口區(qū)的縱向移動，鉆臺有上下底座，通過上底座的移動實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤中心對井口的橫向覆蓋。

覆蓋能力分為縱向覆蓋能力和橫向覆蓋能力，需分別建立選型公式。

根據(jù)自升式鉆井平臺懸臂梁尺寸和載荷分布特征，結(jié)合生產(chǎn)平臺結(jié)構(gòu)和空間展布，建立自升式鉆井平臺懸臂梁覆蓋能力評價模型。該模型考慮鉆修井船與生產(chǎn)平臺距離的安全控制、懸臂梁載荷分布和海況條件等，使懸臂梁覆蓋能力評價精度由原來的70%提高至90%。

目前海上叢式井井口數(shù)量不一，井口排列分布多樣，主要有4×9、4×5、4×4等3種，井口縱向間距為1.8 m、橫向間距為2.0 m。

(1) 縱向覆蓋選型公式

在自升式鉆井平臺壓載升船時，受地層地質(zhì)情況、老腳印與涌浪影響，自升式鉆井平臺可能會發(fā)生滑移，導(dǎo)致縱向覆蓋能力變大或者變小，如果覆蓋能力變大，說明鉆井平臺尾部和生產(chǎn)平臺就位立面的安全間距變小。另一方面，由于在測量和就位實施過程中都會產(chǎn)生誤差，在能夠覆蓋縱向最遠(yuǎn)端井的條件上，在總的覆蓋長度內(nèi)，須預(yù)留一定的縱向裕量。因此，縱向覆蓋選型公式為

(3)

式中：Lza為懸臂梁縱向覆蓋預(yù)留量，m；Ls為自升式鉆井平臺船尾與生產(chǎn)平臺的安全間距(含±0.3 m就位偏差)，m；L1為平臺邊緣至第一排井口距離，m；Nz為整數(shù)，平臺槽口列數(shù)減1；dc為槽口縱向間距，m；Lc為懸臂梁縱向覆蓋長度，m；α為船首向允許偏差；Lch為槽口至后方障礙物距離，m；Lzw為轉(zhuǎn)盤中心至鉆臺尾部距離，m。

(2) 橫向覆蓋選型公式

目前渤海油田生產(chǎn)平臺井口一般為4列，橫向跨度為6 m，渤海油田作業(yè)的自升式鉆井平臺橫向覆蓋能力有4種尺寸：6.00 m、7.00 m、7.32 m和9.14 m，其中橫向覆蓋能力為7.32 m的占所有鉆井平臺的90%。由于就位艏向和橫向誤差的限制，選擇橫向覆蓋選型。橫向覆蓋選型公式為

(4)

式中：Lha為懸臂梁橫向覆蓋裕量(含±0.3 m就位偏差)，m；Lt為懸臂梁橫向覆蓋長度，m；Nh為槽口橫向排數(shù)減1，m；dt為槽口橫向間距，m；Lcz為槽口至左方障礙物距離，m；Lzz為轉(zhuǎn)盤中心至鉆臺左邊緣距離，m；Lcy為槽口至右方障礙物距離，m；Lzy為轉(zhuǎn)盤中心至鉆臺右邊緣距離，m。

覆蓋能力選型實現(xiàn)了就位懸臂梁推出方向即水平橫向空間的安全，與水深選型和插樁選型相對應(yīng)。

4 插樁預(yù)測選型

綜合考慮樁腿間相互作用、動載、回填土等因素，建立全新的自升式鉆井平臺插樁深度預(yù)測方法。目前渤海油田使用美國石油學(xué)會(API)傳統(tǒng)計算方法，計算結(jié)果現(xiàn)場符合度僅70%，新的插樁深度預(yù)測精度達(dá)90%，鉆井平臺插樁、升船作業(yè)均未出現(xiàn)重大事故和險情。

與API方法相比，新算法考慮樁間相互作用、動載、回填土效應(yīng)等3個要素，插樁深度計算式為

Qzy≤fAs+qAp-aP0A′p

(5)

式中：Qzy為鉆修船樁腿最大壓載量，kN；f為鉆修船樁腿側(cè)向摩擦力，N/m2；As為樁腿側(cè)向有效面積，m2；q為海底土某深度的樁腿端承載力，N/m2；Ap為樁靴面積，m2；a為回填土無量綱因數(shù)(0.3～0.6)；P0為上覆土體壓力，N/m2；A′p為樁腿回填有效面積，m2。

5 懸臂梁鉆井載荷能力選型

懸臂梁鉆井載荷能力選型衡量當(dāng)鉆井平臺轉(zhuǎn)盤中心處于極限位置時，鉆井載荷是否滿足作業(yè)要求。一般根據(jù)鉆井平臺載荷分布表，結(jié)合轉(zhuǎn)盤中心處于極限井位時縱向和橫向移動距離，判定是否滿足鉆井作業(yè)要求，公式為

(6)

式中：T1和T3分別為懸臂梁縱向和橫向可承載的載荷極限值，t；T2和T4分別為鉆井作業(yè)時縱向和橫向最遠(yuǎn)端井需要的載荷，t。

6 避讓選型

生產(chǎn)平臺頂甲板上有許多設(shè)施，不僅有比較大的模塊，如生活區(qū)、飛機甲板、修井機、起重機等，而且有冷放空管、變電箱、高架槽等小的設(shè)施。懸臂梁和鉆臺推出后在頂甲板進(jìn)行橫向和縱向移動，會與頂甲板設(shè)施發(fā)生干涉，在設(shè)施無法移動或拆除的情況下，需采用避讓計算進(jìn)行合理避讓。計算公式為

(7)

避讓選型與覆蓋選型相輔相成。

7 選型過程

以渤海油田渤中區(qū)塊某生產(chǎn)平臺為例，進(jìn)行水深、氣隙、覆蓋和插樁等方面的選型。該平臺處水深為19.5 m，槽口數(shù)量為20個，井口間距為3.6 m，頂甲板高度為29.0 m。平臺側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 平臺側(cè)視圖

7.1 水深選型

由于平臺處水深為19.5 m，且所有插樁不超過允許深度的自升式鉆井平臺都可在此作業(yè)，因此渤海內(nèi)的可作業(yè)自升式鉆井平臺有HYSY92系列、HYSY281、渤海四號、渤海十號、渤海十二號、南海一號、HYSY941等。

7.2 氣隙選型

由于頂甲板標(biāo)高為29.5 m，頂甲板有修井機、泥漿罐等設(shè)備，泥漿罐高度為4.1 m，因此需要跨越的高度為29.5 m+4.1 m+0.5 m=34.1 m。根據(jù)式(2)匹配合適的鉆井平臺，符合的鉆井平臺有南海一號、HYSY92系列和HYSY941。

7.3 覆蓋選型

經(jīng)計算，平臺最里面的井口距平臺邊緣(擋風(fēng)墻)為12.1 m，加上安全裕量2.1 m，懸臂梁共需縱向覆蓋能力為14.2 m，根據(jù)各鉆井平臺懸臂梁縱向覆蓋能力，匹配后得出南海一號、HYSY281、HYSY932和HYSY941可供選擇。

然后計算橫向覆蓋能力，由于平臺槽口橫向間距為2 m，總共為6 m，經(jīng)過與渤海鉆井平臺橫向覆蓋匹配，得出結(jié)論，除了渤海十二號不滿足要求外，其他鉆井平臺均滿足要求。

7.4 避讓選型

經(jīng)過調(diào)研和計算，需避開修井機，經(jīng)匹配，HYSY281和渤海十二號轉(zhuǎn)盤中心至鉆臺尾部的距離不會碰到修井機。

7.5 載荷能力

根據(jù)渤海十二和號HYSY281載荷分布圖，2個鉆井平臺的載荷能力都滿足作業(yè)井口需要的載荷。

7.6 選型結(jié)果

經(jīng)過水深、氣隙和覆蓋等計算和匹配，最終HYSY281符合整體作業(yè)要求。

7.7 現(xiàn)場應(yīng)用

自2016年至2020年，自升式鉆井平臺精準(zhǔn)選型技術(shù)在渤海油田的渤中、錦州、金縣、秦皇島等區(qū)塊進(jìn)行推廣使用，實現(xiàn)30余座不同自升式鉆井平臺與150余座生產(chǎn)平臺的精準(zhǔn)選型并成功就位。在選型過程中，選型成功率從75%提高至95%，覆蓋成功率提高了，插樁風(fēng)險降低了，就位效率提高了。在各區(qū)塊生產(chǎn)平臺實際就位應(yīng)用中，在保證現(xiàn)場安全就位的前提下，獲得直接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)千萬元。

8 結(jié) 論

研究渤海油田自升式鉆井平臺精準(zhǔn)選型技術(shù)的難點和創(chuàng)新點，建立選型模型，分析精準(zhǔn)選型的各種影響因素，創(chuàng)造性地提出自升式鉆井平臺選型方法和計算公式。研究自升式鉆井平臺精準(zhǔn)選型技術(shù)，得出如下結(jié)論：

(1) 水深是自升式鉆井平臺選型的首要考慮因素，水深選型同時影響氣隙選型和插樁選型。研究水深和自升式鉆井平臺樁腿合理匹配問題，建立水深選型方法和公式，為鉆機資源合理安排提供依據(jù)和準(zhǔn)則。

(2) 自升式鉆井平臺氣隙、覆蓋、避讓選型模型、方法和公式的建立為自升式鉆井平臺就位提供豎向空間的理論依據(jù)和準(zhǔn)則，保證就位設(shè)施不會發(fā)生碰撞。

(3) 鉆井平臺懸臂梁覆蓋能力選型模型、方法和公式的建立為鉆井平臺選型和就位提供橫向空間的理論依據(jù)和準(zhǔn)則，保證鉆井平臺不會與生產(chǎn)平臺重要設(shè)備發(fā)生干涉。