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2024-01-22 11:16王家棟鄧成輝左坤
石化技術 2024年1期
王家棟 鄧成輝 左坤
中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518000
海洋石油勘探開發是近年來我國海洋強國戰略的重要組成部分，而其中自升式鉆井平臺在近海油氣鉆探中占據統治地位[1]。
插樁作業是自升式鉆井平臺鉆探作業中的必要前置步驟，如果在海岸或海中進行修建碼頭、海堤、平臺等施工時，必須了解海底十幾米以內的地層情況。在插樁時，平臺常見的地質問題之一是硬黏土-軟黏土呈上下層狀分布的地質現象（俗稱“雞蛋殼”地層）[2]。這類海底土層表面很硬，但實際上只是薄薄的一層"硬殼"，而硬質層下面則是較軟的地質層。樁腿穿透上層硬質黏土后，會在下層軟黏土層中加速沉降，并引起船身受損、船體傾覆等一系列相關問題，造成人員傷害和經濟損失[3]。如果在這種地層上進行自升式鉆井平臺插樁就位或修采油平臺等作業，將面臨傾覆的風險。在應對自升式平臺插樁遇“雞蛋殼”地層而引起的平臺失穩時，主動穿刺技術應運而生，用于解決這一困擾全球自升式平臺的地質難題[4]。
在我國南海海域，“雞蛋殼”地層普遍存在且廣泛分布[5]，對主動穿刺技術進行研究和應用是提高生產效率、降低事故概率的有效手段。本文將結合恩平M無人平臺生產實際，探究規?；鲃哟┐碳夹g在南海油氣鉆探中的應用。
無人平臺是指海上無人駐守的油氣生產平臺，是海上石油勘探開發的一項新型助力設施。與傳統的有人平臺相比，無人平臺提供了成本效益和生產效率兼具的解決方案，可節約大量建造和維護成本，并促進對于傳統開發模式下不具備經濟性的油氣藏的開發利用。
恩平M平臺是我國首個標準化設計建造的無人平臺，在恩平M油田開發項目中應用。該平臺減少了油水處理系統、公用系統、生活樓和模塊鉆機等大型設備，從而將設備維保工作量降低了近30%。在油田生產的初期，進行鉆井作業是一個具有挑戰的問題。恩平M油田使用海洋石油943鉆井平臺來實施鉆完井作業。
恩平M平臺所在海域地層呈現“雞蛋殼”結構，這給自升式鉆井平臺的插樁就位帶來了嚴重的挑戰，因此設施的安全保證被置于首要位置。
1 恩平M 油田海域“雞蛋殼”地層情況
恩平M平臺所在海域水深達89米，工程勘察作業公司完成了恩平M油田場址工程地質勘察，預先在3個樁靴位置各布設了1個40m的取樣鉆孔和1個40m的CPT測試孔，進行了土工試驗及自升式鉆井平臺插樁分析。
根據調查結果，目標場址淺部可能埋藏古河道，土質非均質性強，橫向差異大，在1#和2#樁腿，0～9.5m（9.9m）深度范圍內土層為稍硬的砂質粘土(承載力系數Nq=3.9，粘性抗剪強度變化范圍為2～35kPa），從9.5m（9.9m）～16.5m深度范圍內土層為強度相對較低的粉質粘土（32kPa～35kPa)；在3#樁腿，0～16.1m深度范圍內土層為稍硬的砂質粘土和粘質砂，粒狀土顆粒含量增加明顯(承載力系數Nq=3.9，粘性抗剪強度變化范圍為2～45kPa），且現有土質承載力參數無法精準刻畫真實地層，存在″雞蛋殼″地層，有穿刺風險。自升式鉆井平臺海洋石油943在目標場址樁腿初始入泥約10.5m，穿刺安全系數0.61存在穿刺風險，若穿刺，行程可達6.8m?？紤]鉆井平臺就位安全，插樁就位需要工程船主動穿刺進行鉆孔服務。
根據海洋石油943鉆井平臺樁靴尺寸，以樁尖站立位置為圓心，在樁靴覆蓋面積范圍內，采用工程船鉆一定數量的孔眼作業，單個樁靴位置鉆孔數量為150個孔，鉆孔深度設計為泥線以下15m。將易造成自升式鉆井平臺穿刺的″雞蛋殼″地層鉆穿，降低鉆井平臺插樁就位穿刺風險。
2 工程方案
為了將淺部相對較硬地層破壞，降低海洋石油943鉆井平臺插樁作業風險，采用工程船以鉆孔主動穿刺方式鉆松表層地層、破壞硬地層。
底部鉆具組合采用6 6 0.4 m m 牙輪鉆頭加1066.8mm擴眼器，鉆孔直徑1.067m，鉆孔深度至泥線以下15m，孔間距為1.5～2m。海洋石油943平臺的樁靴直徑為18m，鉆孔在樁靴范圍內的布置圖見圖1，破壞1、2、3號預定樁靴范圍內0-15m深度范圍內的硬地層。
圖1 恩平M油田場址鉆孔工程實施方案平面布置圖
圖2 1#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖3 2#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖4 3#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖5 1#樁靴鉆孔前淺地層剖面（對角線，方向：剖面左上-右下）
圖6 1#樁靴鉆孔后淺地層剖面（對角線，方向：剖面左上-右下）
每樁靴位置設計鉆孔150個，每個孔深度15m，3個樁靴位置共鉆450個孔。
3 作業船舶和主要設備
主動穿刺使用的機具是W工程船，具備DP-II動力定位系統，擁有深水工程鉆機，最大作業水深3000m。
Sealion是重工作型ROV。Sealion的多功能性，讓其擁有的作業能力、良好的適應性，可在復雜海況下作業。它具有100匹的馬力且有水平方向4個，垂直方向4個推進器，2個7功能機械手，另可選配置先進的7功能Shilling-Orion機械手和5功能Rig Master功能手，1000米的水深作業能力等。
工程物探調查設備（ROV搭載）有Klein3000旁掃聲吶系統、IXSEA 3.5kHz淺地層剖面儀、EM302多波束測深系統。
4 主動穿刺作業實際情況
使用W工程船實施恩平M油田主動穿刺鉆孔作業，在三個樁靴插樁的位置進行鉆孔破壞“雞蛋殼”地層，累計鉆孔463個，進尺6.7公里。其中在1#樁靴鉆孔位置范圍鉆孔170個，2#樁靴鉆孔142個，3#樁靴鉆孔151個，各個樁靴鉆孔范圍內實際鉆孔位置如下圖所示。
本次ROV系統所搭載的調查設備主要包括Klein3000旁掃聲吶系統、IXSEA 3.5kHz淺地層剖面儀和EM302多波束測深系統。所有的數據采集系統和輔助定位系統，如聲學定位、光纖羅經、運動傳感器等都集成于ROV載體上。調查過程中，ROV離海底高度一般保持在8m左右。
本次淺地層剖面分析，主動穿刺效果解釋如下：通過鉆孔前后的淺地層剖面對比可以看出，鉆孔前地層比較連續，地層界面清楚，鉆孔之后地層反射在鉆孔范圍內不明顯，說明主動刺穿鉆孔對原地層在一定深度范圍內有較好的破壞效果，有效消除了雞蛋殼地層影響。以下兩圖是1#樁靴鉆孔前后淺地層剖面情況。
5 主動穿刺效果驗證
恩平M平臺共有20個槽口，要使懸臂梁全部覆蓋作業井槽，對自升式鉆井平臺就位提出了更高的要求，就位精度更嚴苛，要達到橫向誤差0.3米、縱向誤差0.5米的要求。就位過程采用全站儀、衛星定位系統等多套系統設備，高精度完成海洋石油943鉆井平臺靠恩平M無人平臺第一次精就位，艏向較設計偏差小于0.04°，橫向偏差～0.08m，縱向偏差0.25m；安全順利完成鉆井平臺與無人平臺距離僅有3米的第二次精就位作業，實現作業井槽全覆蓋。
海洋石油943鉆井平臺的成功就位，有效驗證主動穿刺作業對破壞“雞蛋殼”地層效果顯著，確保后續作業的安全可靠。
6 結束語
（1）規?；鲃哟┐虒ζ茐摹半u蛋殼”地層效果顯著。
（2）通過南中國海首次采用規?；鲃哟┐痰姆绞礁哔|量完成插樁精就位，填補了國內相關作業經驗的空白，為油田后期順利開發和增儲上產提供了有力支撐。
（3）成功實施中國海油范圍內最大規模的主動穿刺作業，并順利完成自升式鉆井平臺2次精就位，為后續類似開發模式鉆完井作業提供樣板參考。
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插樁作業是自升式鉆井平臺鉆探作業中的必要前置步驟，如果在海岸或海中進行修建碼頭、海堤、平臺等施工時，必須了解海底十幾米以內的地層情況。在插樁時，平臺常見的地質問題之一是硬黏土-軟黏土呈上下層狀分布的地質現象（俗稱“雞蛋殼”地層）[2]。這類海底土層表面很硬，但實際上只是薄薄的一層"硬殼"，而硬質層下面則是較軟的地質層。樁腿穿透上層硬質黏土后，會在下層軟黏土層中加速沉降，并引起船身受損、船體傾覆等一系列相關問題，造成人員傷害和經濟損失[3]。如果在這種地層上進行自升式鉆井平臺插樁就位或修采油平臺等作業，將面臨傾覆的風險。在應對自升式平臺插樁遇“雞蛋殼”地層而引起的平臺失穩時，主動穿刺技術應運而生，用于解決這一困擾全球自升式平臺的地質難題[4]。
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恩平M平臺是我國首個標準化設計建造的無人平臺，在恩平M油田開發項目中應用。該平臺減少了油水處理系統、公用系統、生活樓和模塊鉆機等大型設備，從而將設備維保工作量降低了近30%。在油田生產的初期，進行鉆井作業是一個具有挑戰的問題。恩平M油田使用海洋石油943鉆井平臺來實施鉆完井作業。
恩平M平臺所在海域地層呈現“雞蛋殼”結構，這給自升式鉆井平臺的插樁就位帶來了嚴重的挑戰，因此設施的安全保證被置于首要位置。
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恩平M平臺所在海域水深達89米，工程勘察作業公司完成了恩平M油田場址工程地質勘察，預先在3個樁靴位置各布設了1個40m的取樣鉆孔和1個40m的CPT測試孔，進行了土工試驗及自升式鉆井平臺插樁分析。
根據調查結果，目標場址淺部可能埋藏古河道，土質非均質性強，橫向差異大，在1#和2#樁腿，0～9.5m（9.9m）深度范圍內土層為稍硬的砂質粘土(承載力系數Nq=3.9，粘性抗剪強度變化范圍為2～35kPa），從9.5m（9.9m）～16.5m深度范圍內土層為強度相對較低的粉質粘土（32kPa～35kPa)；在3#樁腿，0～16.1m深度范圍內土層為稍硬的砂質粘土和粘質砂，粒狀土顆粒含量增加明顯(承載力系數Nq=3.9，粘性抗剪強度變化范圍為2～45kPa），且現有土質承載力參數無法精準刻畫真實地層，存在″雞蛋殼″地層，有穿刺風險。自升式鉆井平臺海洋石油943在目標場址樁腿初始入泥約10.5m，穿刺安全系數0.61存在穿刺風險，若穿刺，行程可達6.8m?？紤]鉆井平臺就位安全，插樁就位需要工程船主動穿刺進行鉆孔服務。
根據海洋石油943鉆井平臺樁靴尺寸，以樁尖站立位置為圓心，在樁靴覆蓋面積范圍內，采用工程船鉆一定數量的孔眼作業，單個樁靴位置鉆孔數量為150個孔，鉆孔深度設計為泥線以下15m。將易造成自升式鉆井平臺穿刺的″雞蛋殼″地層鉆穿，降低鉆井平臺插樁就位穿刺風險。
2 工程方案
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圖1 恩平M油田場址鉆孔工程實施方案平面布置圖
圖2 1#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖3 2#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖4 3#樁靴鉆孔范圍實際鉆孔位置圖
圖5 1#樁靴鉆孔前淺地層剖面（對角線，方向：剖面左上-右下）
圖6 1#樁靴鉆孔后淺地層剖面（對角線，方向：剖面左上-右下）
每樁靴位置設計鉆孔150個，每個孔深度15m，3個樁靴位置共鉆450個孔。
3 作業船舶和主要設備
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本次ROV系統所搭載的調查設備主要包括Klein3000旁掃聲吶系統、IXSEA 3.5kHz淺地層剖面儀和EM302多波束測深系統。所有的數據采集系統和輔助定位系統，如聲學定位、光纖羅經、運動傳感器等都集成于ROV載體上。調查過程中，ROV離海底高度一般保持在8m左右。
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海洋石油943鉆井平臺的成功就位，有效驗證主動穿刺作業對破壞“雞蛋殼”地層效果顯著，確保后續作業的安全可靠。
6 結束語
（1）規?；鲃哟┐虒ζ茐摹半u蛋殼”地層效果顯著。
（2）通過南中國海首次采用規?；鲃哟┐痰姆绞礁哔|量完成插樁精就位，填補了國內相關作業經驗的空白，為油田后期順利開發和增儲上產提供了有力支撐。
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