海上安全就位風(fēng)險識別技術(shù)在渤海油田的應(yīng)用

張寶平，張吉江，徐榮強，郭 家，楊旭才

(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.中海油中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 神府分公司，陜西 榆林 719313)

0 引 言

隨著國家能源七年行動計劃的實施，海上油田勘探開發(fā)力度加大，中海油能源發(fā)展股份有限公司也在渤海油田進(jìn)行大力挖潛鉆探。自升式鉆井平臺是我國近海油氣勘探開發(fā)的主要鉆探設(shè)備[1]，80%以上的海上油氣田都由自升式鉆井平臺進(jìn)行開發(fā)[2]。自升式鉆井平臺以其工作性能佳、機動性好、適應(yīng)性強的優(yōu)勢牢牢地占據(jù)了120 m水深以內(nèi)海域的石油天然氣勘探開發(fā)市場[3]。在自升式鉆井平臺就位前須先對海底地貌進(jìn)行勘察，規(guī)避災(zāi)害性地質(zhì)條件，保證就位作業(yè)安全。盡管自升式鉆井平臺在風(fēng)暴自存工況下具有足夠的抗滑移能力和抗傾覆能力[4]，但是海上鉆井平臺在插樁就位過程中出現(xiàn)平臺傾斜、樁腿穿刺和拔樁困難的情況越來越多，其中穿刺事故危害較大，會導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)受損，造成重大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡[5]。因此，如何在識別平臺安全就位風(fēng)險上取得較大的進(jìn)步成為平臺就位受限區(qū)域勘探開發(fā)面臨的重要問題。

渤海油田鉆完井工程領(lǐng)域技術(shù)人員經(jīng)過多年積累與關(guān)鍵技術(shù)研究，形成一套針對淺水海域自升式鉆井平臺安全就位風(fēng)險的綜合識別技術(shù)[6]，主要技術(shù)包括井場調(diào)查高分辨率數(shù)字地震探測技術(shù)、海上靜力觸探試驗(Cone Penetration Testing，CPT)技術(shù)和海底聲吶掃描技術(shù)。

1 井場調(diào)查高分辨率數(shù)字地震探測技術(shù)

該技術(shù)主要分為二維和三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)。二維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)主要原理為使用氣槍陣列激發(fā)地震波[7]，地震波在海底地層傳播遇到敏感特征界面后發(fā)生反射，使用地震儀記錄反射波在地層中的傳播和返回時間。該技術(shù)具有高頻成分豐富、主頻高、地層穿透能力強的優(yōu)點。三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)主要通過減小纜間距、提高時間采樣、淺震源/纜深組合、寬頻震源等技術(shù)改進(jìn)方法提高淺層地層的分辨率和精度，通過原始數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)了解淺層氣的范圍、深度等，在天然氣水合物勘探、淺中層油田區(qū)精細(xì)勘探、油田區(qū)流體監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1.1 技術(shù)特點

地震探測系統(tǒng)主要由震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等3部分組成。與油氣勘探不同，高分辨率技術(shù)采樣率高、記錄長度短，大幅降低了現(xiàn)場技術(shù)人員和陸地數(shù)據(jù)處理人員的工作量。與常規(guī)資料對比，高精度地震資料分辨率明顯提高，層位清晰，淺層氣和斷層都能夠較好地反應(yīng)出來。

二維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)與常規(guī)勘探主要技術(shù)指標(biāo)差別如表1所示。

表1 二維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)與常規(guī)勘探主要技術(shù)指標(biāo)差別

三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)主要通過技術(shù)改進(jìn)提高淺層地質(zhì)的分辨率和精度，具體措施如下：

(1)縮小纜間距。常規(guī)三維地震的纜間距在100 m左右，調(diào)整的空間較大；三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)的纜間距在50 m以內(nèi)(見圖1)?？s小纜間距可以降低空間假頻并提高資料連續(xù)性和橫向分辨率。

圖1 三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)電纜分布圖

(2)提高頻寬和時間采樣。該措施有利于提高縱、橫向分辨率。

(3)采用淺源/纜組合。該措施可拓展頻帶。

(4)提高信噪比。盡可能提高高頻能量、增加覆蓋次數(shù)。

與常規(guī)勘探技術(shù)相比，三維高分辨率數(shù)字地震技術(shù)的優(yōu)勢如下：(1)采集技術(shù)分辨率高；(2)震源技術(shù)容量小、頻帶寬；(3)觀測系統(tǒng)具有高密度的空間采樣率；(4)地質(zhì)目標(biāo)的針對性強。

1.2 應(yīng)用效果

PL15-2某預(yù)定井位位于淺層氣區(qū)內(nèi)部。鉆井船在預(yù)定井位就位和鉆井作業(yè)時，在海底以下10 m左右將遇到淺層氣，從海底泥面至泥面以下約850 m都有淺層氣存在，這將對自升式鉆井平臺就位和鉆井作業(yè)造成不利影響。

根據(jù)PL15-2某井場高分辨率數(shù)字地震資料(見圖2和圖3)，建議調(diào)整井位。

圖2 PL15-2某井場調(diào)查地質(zhì)特征圖

圖3 PL15-2某井場調(diào)查原位置剖面圖

建議將PL15-2某井位向西南方向移動684 m(見圖4)，避開災(zāi)害性地質(zhì)條件，滿足就位和鉆井作業(yè)安全需要。

圖4 PL15-2某井場建議位置剖面圖

2 海上CPT技術(shù)

海上CPT技術(shù)[8]是海上油田工程技術(shù)領(lǐng)域的一項重要的原位測試技術(shù)，是一種速度快、再現(xiàn)性強、連續(xù)性好、操作優(yōu)勢大的測試方法，隨著渤海油田開發(fā)速度的加快，CPT技術(shù)在海上工程領(lǐng)域使用越來越普遍。通過對實時鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解釋，可獲得被測試土層相關(guān)的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，其中黏性土不排水抗剪強度估算是鉆井平臺基礎(chǔ)穩(wěn)定性計算和分析的重要依據(jù)之一。國外用于海上作業(yè)的CPT設(shè)備主要有海床CPT和井下CPT測試系統(tǒng)[9]。本文采用井下CPT測試系統(tǒng)。

2.1 技術(shù)參數(shù)

貫入速率：20 mm/s，勻速。

CPT探頭和專用觸探桿：標(biāo)準(zhǔn)10 cm2電子式圓錐探頭，觸探桿直徑為36 mm，每根探桿長度為1 m。

CPT探頭性能：錐尖阻力為0～100 MPa，最大誤差為0.25%；側(cè)摩阻力為0～0.75 MPa，最大誤差為0.5%；孔隙壓力為0～1.0/2.5/5.0 MPa，最大誤差為0.5%；傾斜度為0～15°，最大誤差為0.5°。

CPT測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 CPT測試結(jié)果

黏性土的不排水抗剪強度可根據(jù)圖5進(jìn)行估算。利用式(1)可確定CPT結(jié)果與由實驗室強度試驗所得出的不排水抗剪強度之間的相關(guān)性，進(jìn)而達(dá)到根據(jù)CPT結(jié)果估算黏性土不排水抗剪強度的目的。

(1)

式中：Cu為不排水抗剪強度；qt為校正后的CPT錐尖阻力；σv0為總上覆壓力(包括靜水壓力)；Nkt為錐頭系數(shù)；qnet為凈錐尖阻力。

2.2 應(yīng)用效果

CPT結(jié)果通常用于土質(zhì)類型確定、土質(zhì)分層確定、土質(zhì)狀況解釋和土質(zhì)特性分析，具體應(yīng)用實例如表2所示。

表2 CPT鉆孔測試井位應(yīng)用情況

鉆孔取樣間隔：0～15 m深度，每1.0 m取1個樣；15～30 m深度，每1.5 m取1個樣；30.0 m深度以下，每3.0 m取1個樣。

采用CPT技術(shù)時，每貫入2 cm記錄1個原位測試數(shù)據(jù)，避免取樣帶來的土樣擾動，可獲得連續(xù)的土層剖面，有效彌補取樣間隔大和取樣收率低帶來的土質(zhì)信息缺失，更為精準(zhǔn)地識別軟弱薄層或薄的硬層，為土質(zhì)參數(shù)選取提供更可靠的土質(zhì)信息，避免突然貫入的風(fēng)險。

3 海底聲吶掃描技術(shù)

自升式鉆井平臺在已建平臺就位，由于已建平臺附近復(fù)雜的地質(zhì)條件，如海底管纜眾多且走向復(fù)雜、海底地貌因作業(yè)產(chǎn)生變化等，水下情況越來越復(fù)雜，嚴(yán)重影響自升式鉆井平臺就位作業(yè)安全和大型設(shè)施安全。根據(jù)海上對接就位作業(yè)的特點和范圍引進(jìn)海底聲吶掃描技術(shù)，其高精度、全覆蓋及高效性的近平臺地貌調(diào)查特點有效地解決了常規(guī)物探調(diào)查實現(xiàn)難、精度低等缺點，適用于近平臺鉆井船就位區(qū)域海底管纜和海底地形地貌精細(xì)調(diào)查，為障礙物進(jìn)一步打撈提供位置參考信息，為以后近平臺鉆井船就位區(qū)域地貌精細(xì)調(diào)查項目實施提供指導(dǎo)和參考。

目前海上近生產(chǎn)平臺海底地貌掃測主要使用MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)。

3.1 技術(shù)特點

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)主要包括聲吶操作系統(tǒng)、聲吶控制系統(tǒng)、聲吶探頭、高分辨率波束、通信電纜，其組成及連接方式如圖6所示。

圖6 MS1000掃描聲吶系統(tǒng)組成及連接方式

旋轉(zhuǎn)掃描聲吶工作原理如下：MS1000掃描聲吶系統(tǒng)掃描寬度為7.2°～360°，步長為7.2°，聲脈沖為675 kHz，波束角為0.9°×30°(見圖7)，聲波發(fā)射后遇到海底物體會形成反射回波，聲吶接收器接收反射回波，根據(jù)信號時延不同和強度差異形成圖像。聲吶探頭再次按照一定的角度、步長旋轉(zhuǎn)，發(fā)射聲波和接收回波，并進(jìn)行重復(fù)，經(jīng)過360°旋轉(zhuǎn)形成完整的海底影像，通過機器和技術(shù)人員判斷并標(biāo)識障礙物。MS1000掃描聲吶波束組成如圖8所示。

圖7 MS1000掃描聲吶波束角度示例

圖8 MS1000掃描聲吶波束組成

3.2 應(yīng)用效果

(1)SZ36-1某平臺位于中國渤海灣北部，水深在30 m左右。自升式鉆井平臺在平臺東南方向進(jìn)行初就位和精就位，為確保大型設(shè)施安全，對初就位位置和精就位200 m×200 m區(qū)域進(jìn)行地貌精細(xì)調(diào)查并對障礙物進(jìn)行潛水打撈。就位區(qū)域掃測圖如圖9所示，成功規(guī)避海底管線和電纜。

單位：m圖9 SZ36-1某平臺就位區(qū)域調(diào)查圖

(2)BZ25-1某平臺位于中國渤海灣南部，水深在18 m左右。自升式鉆井平臺在平臺東南方向進(jìn)行初就位和精就位，對初就位位置和精就位200 m×200 m區(qū)域進(jìn)行地貌精細(xì)調(diào)查并對障礙物進(jìn)行潛水打撈。就位區(qū)域掃測圖如圖10所示，成功規(guī)避海底管線和電纜。

單位：m圖10 BZ25-1某平臺就位區(qū)域調(diào)查圖

4 結(jié) 論

利用高分辨率數(shù)字地震探測技術(shù)、CPT技術(shù)、海底聲吶掃描技術(shù)等綜合識別技術(shù)解決了鉆井平臺就位風(fēng)險識別和安全就位難題。通過在渤海油田淺層氣活躍區(qū)域的PL15-2某井成功避開淺層氣，以及生產(chǎn)平臺SZ36-1、BZ25-1等油田礦區(qū)就位時成功規(guī)避海底管線和電纜，充分驗證新技術(shù)綜合識別就位風(fēng)險的準(zhǔn)確性，不僅解決了鉆井平臺的就位難題、順利實施勘探計劃、縮短了拖航就位時間、節(jié)約了勘探費用、取得了良好的經(jīng)濟效益，而且為鉆井平臺插樁受限區(qū)域的風(fēng)險識別和安全就位作業(yè)提供強有力的技術(shù)支持和借鑒經(jīng)驗，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。