自升式鉆井船就位前風險識別及應用

霍宏博，岳明，劉靜辰，王曉雷，齊琳

1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（四川 成都 610500）

2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

隨著我國海洋油氣資源開發的不斷深入，自升式鉆井船就位的難題逐漸暴露[1]。受自然條件限制，由于海洋風暴、涌浪導致平臺倒伏；海底淺層氣、海底古河道、淺部斷層等使自升式鉆井船插樁就位時出現海底薄弱地層刺穿或者海底塌陷[2]，使鉆井船有傾斜甚至傾覆的風險。此外，由于人為因素，樁靴附近形成坑洞，反復拔插樁使海底地形起伏多變，或海底的工程垃圾會影響平臺樁靴插入海底或錘入隔水導管[3]。

海洋油氣資源勘探開發對鉆井平臺的就位要求越來越嚴格，就位前的安全風險識別顯得非常重要。以往高就位風險區域限制了很多勘探開發項目，甚至影響了整個油田整體的開發方案。

為了應對這些風險，在我國海洋油氣田開發過程中，自升式鉆井船就位前風險識別技術逐步成熟，取得了一系列的技術突破，就位前井場資料精確分析及風險控制分析、預案編制，使我國海洋油田在受限插樁區域的就位安全得到了極大保障，降低了鉆井船就位的風險。自升式鉆井船就位前風險識別技術對類似區域的海洋油氣開發具有非常重要的意義。

1 自升式鉆井船就位難點分析

海洋自升式鉆井船就位存在很多難點，包括自然因素、地質因素和人為因素。其中，颶風、大浪等突發海洋自然災害對海洋平臺安全造成了極大危害，自然災害導致的船毀人亡屢見不鮮。1980 年3月27 日，“亞歷山大·基蘭”鉆井平臺所處的挪威北海，突發9級大風，5根樁腿中的一根斷裂平臺呈40°傾斜，15 min后，平臺沉沒，123人遇難[4]（圖1）。

圖1 沉入海底的“亞歷山大·基蘭”殘骸

1979年11月25日，我國的“渤海2號”鉆井船拖航過程中突遇10級暴風傾覆沉沒。平臺上74名職工只有2 人得救，72 人遇難，這是我國海洋油田開發史中最慘痛的一次事故[5]。1982 年2 月15 日，在加拿大紐芬蘭近海作業的“海洋徘徊者”半潛式鉆井平臺遭遇190 km/h 颶風，被吹翻傾覆，平臺上84人全部遇難，無一生還[4]。

此外，海底刺穿也是造成平臺傾覆的重要原因，海底地層在沉積過程中，隨著各地質時期水動力強弱不同，薄層強度也各不相同，在自升式鉆井平臺預壓載過程中，樁靴有可能會因為刺穿強度較高，而快速下沉至較軟地層，導致平臺失穩。2010年9 月7 日，勝利油田埕島區域勝利作業三號修井平臺，在臺風天氣受波浪流和平臺自身載荷作用，艏樁樁腿將地層刺穿，艏部甲板沒入海底，后船只救援無法挽回平臺傾斜的趨勢，平臺最終傾覆，導致2人溺水身亡[6]（圖2）。

圖2 勝利作業三號鉆井平臺傾覆現場

在海洋平臺幾十年的生產中，鉆井平臺反復插拔樁使海底遍布坑洞，且平臺周圍海底堆積了一些障礙物[7]，底層海流會造成平臺基礎沖刷，掏空樁基，使海底坑洼不平，海底打撈出的雜物如圖3所示。

圖3 鉆井船就位前撈出的海底雜物

綜上所述，自升式鉆井平臺就位存在多重影響因素，若無準確的風險分析，將存在很大的問題。在海洋油田開發過程中，針對自然氣候、海底地貌、海底地層情況的分析有助于自升式鉆井平臺就位前的安全。

2 海上井場調查分析技術

2.1 海底地貌聲納掃描技術

海上油田隨著幾十年的開發，經過了勘探開發階段、調整階段，鉆井船在平臺周圍反復就位插拔樁，地貌地形已經改變[8-9]。平臺周圍海管、海纜及附近掉落的工業垃圾等障礙物，嚴重影響鉆井船就位作業安全[10]。

海底聲納掃描技術具有精度高、可視度好的特點，可以很好地探測海底地貌。該技術采用聲納作為探測手段，射入海底的聲波由于地形變化會發生散射，用以判斷海底障礙物和樁靴影響。

海底聲納掃描通過發射聲脈沖，聲波遇到阻礙后進行反射，反射信號被接收器接收后，會進行聲波信號的處理，根據延時及強度變化形成圖像，以測試點為中心，沿四周進行360°掃測，對海底區域反復重復這一過程，就會得到海底地形的完整影像[11]，鉆井船樁靴的樁靴印掃測結果如圖4所示。

圖4 鉆井船樁靴的樁靴印掃測結果

將海底掃測結果與海洋導管架、海底管線進行復合，可形成海底地形圖，得到海底路由管線與海洋結構物的相對位置，指導鉆井船就位，如圖5所示。

圖5 海底地形圖與海底管纜復合圖

結合聲納掃描判斷，進行海底障礙物打撈、海底地貌復原，就可避免由于老樁靴印造成的鉆井船插樁滑移、就位破壞海纜等事故發生。

2.2 高分辨率海上淺層地震探測技術

為解決古河道、海底斷層、淺層氣等海底地質風險的影響，研發出高分辨率海上淺層地震探測技術[12]。高分辨率海上淺層地震探測技術由震源發生系統、聲波接收系統以及數據采集分析系統構成[13]。通過人工激發地震波，地震波在不同的地層界面傳播速度不同，地震儀接收到反射波之后記錄其傳播的時間，可反映出不同的地層性質。高分辨率海上淺層地震探測技術不同于深層油氣勘探所用的聲波系統，其探測的主要目標為海底附近地層。因此，淺層地震探測技術的震源能量小，且其頻帶較寬、主頻較高。海洋作業船舶拖帶著地震電纜，由壓力約14 MPa 的空氣槍激發信號，同時收集目標區域的地震信號。收集到的信號，經過校深、降噪、速度迭代實驗、動平衡實驗等步驟進行精確分析，地震探測船示意圖如圖6所示。

和碩特廟是參加1812年俄國衛國戰爭的英雄、和碩特兀魯思首領色熱卜扎布圖門(Серебджаб Тюмень)倡議修建的，其設計者是著名僧人和歷史學家巴圖爾-烏巴什圖門(Батур-Убуши Тюмень)，該寺廟于1814年開始興建，至1818年竣工。該廟于20世紀20年代被關閉，30年代被用作俱樂部，50年代卻被當做倉庫。1957年，卡爾梅克自制共和國得以恢復，但是和碩特廟以及和碩特廟所在整個地區被劃歸阿斯特拉罕州，和碩特廟也遭到破壞，只剩下主體建筑的中心殿宇。2004年，在卡爾梅克出現了恢復重建和碩特廟的呼聲。

圖6 地震探測船示意圖

三維高分辨率數字地震技術是由一條鉆井船同時拖帶多條等間距平行布放電纜，同時接收同一震源地震反射的信號。二維、三維地震技術的綜合判斷，可有效對海底淺部氣層情況進行分析。

根據淺層氣的聲學特征，進行淺層氣分析，淺層氣具有反射渾濁、亮點等特點。反射渾濁是由于淺層氣導致強反射界面完全屏蔽下部地震信號，地震信號呈“窗簾”狀；“亮點”是由于淺層氣上部地層強反射所致[14-15]，如圖7所示。

圖7 淺層氣導致的“窗簾”和“亮點”

海底淺層地震可以為海底淺層氣提供預判，有助于平臺位置的選擇和插樁的分析，但是海底淺層地震具有多解性，還需要進行海底鉆孔輔助淺層氣以及地層強度進行驗證。

2.3 海底鉆孔工程地質調查技術

如果工程地質、物探資料顯示目標區域淺層氣，通過地震參數無法對淺層氣壓力和氣量進行精確分析，也無法對地層薄層的強度進行準確計算。

因此淺層地震調查主要通過工程物探方法定性評價淺層氣分布范圍及成因。對于含淺層氣區域，如果直接進行鉆井平臺移位，將增加油氣勘探開發成本，進行鉆孔實驗或者通過鉆孔排氣可以對淺層氣能量進行定量判斷，也可減輕淺層氣對基礎穩定性的影響。

海上鉆孔CPT(Cone Penetration Testing)測試可以很好地為地震分析做校核，鉆孔從海底泥面開始，鉆入至目標深度，并連續測試，每次鉆進3 m，鉆進速度2 cm/s[16]。作業前對CPT 探頭標定，用于校核現場參數，同時對探頭抽真空，以提高地層壓力測量精度。通過實測數據的分析，可連續、快速地獲取海底地層的工程特性及力學性質，避免室內試驗擾動土樣產生不良影響。通過經驗公式校正，可解釋海底地層特性。較慢的鉆進速度，以2 cm為間隔的實驗分析，可以精準地識別薄弱地層或者硬質薄層。

3 自升式鉆井船就位前風險識別技術的現場應用

渤海A油田井場采用二維高分辨率數字地震資料分析，顯示在區域分布淺層氣，地震圖顯示呈“煙囪”狀，是由淺層氣引發的聲學屏蔽，且分布在斷層附近，據分析是通過斷層面運移到淺部地層，具備高壓淺層氣特征，淺層氣的平面和垂向分布如圖8所示。針對存在上部障礙物的區域風險調查，采用拖纜與海洋節點聯合采集的作業方式獲取地層資料[17]。

圖8 淺層氣的平面和垂向分布

為進一步判斷該區域淺層氣的強度情況，采用海上鉆孔方式進行輔助判斷。在8～150 m的深度范圍內進行海底鉆孔，自鉆進至50 m 開始，海底出現氣泡，氣泡最大直徑約3 cm，如圖9 所示，氣泡一直持續返出。

圖9 鉆孔期間海底氣泡

綜合上述風險，最后將平臺位置移出淺層氣區域，避免發生就位及鉆完井風險。

4 自升式鉆井船風險分析技術展望

雖然多種新技術的應用使自升式鉆井船就位風險得到控制，但是未來隨著較深水、國際海域的勘探開發，將涉及越來越多的陌生海域，自升式鉆井船的就位風險依然存在，需要以技術進步解決自升式鉆井船的就位難題。

鉆井船插樁對隔水導管群樁的影響，得到了間距超過鉆井船樁靴直徑一倍，群樁效應可以不考慮的結論[18]。近年來，隨著技術進步，無人水下航行器技術發展迅速，小型化、可靠性強，經濟型的水下無人機技術將對海洋油氣開發提供極大幫助[19]。水下航行器可按照控制要求在海水中上、下、前、后運動，可實時傳輸水下信號，在清澈海域可傳輸海底視頻、圖片，在渾濁海域可傳播聲波等信號，實現對水下海底情況的控制。并可在多個礦區區間航行，實現礦區海底地圖的繪制和更新。

通過大數據，結合區域內天氣案例分析，運用天氣學原理，將國家氣象觀測站信息及衛星云圖等資料進行系統分析，進行海洋天氣預報，分析大風、大霧、強對流天氣的不利因素，作為海洋鉆井平臺就位的分析基礎，依托天氣預測的進一步精細化，可增加平臺就位風險的控制[20]。

已經有相關研究機構就防刺穿鉆井船樁靴進行了研制，例如楊進等[21]人提出的裙式可自棄抗刺穿自升式鉆井平臺樁靴，通過對樁靴增加裙式樁靴塊體設計，可抵抗自升式鉆井平臺樁靴刺穿。該設想雖未進行實際產品的生產，但是為自升式鉆井船的安全就位拓展了思路。

自升式鉆井船安全就位不僅僅是海洋油氣專業能夠解決的，還需要跨學科技術的輔助，比如海洋坐標定位系統可以結合導彈的精確制導原理，將就位精度提高[22]；或者采用激光測距等技術輔助判斷海底障礙物與樁靴之間的距離，而不必動員大量海洋工程船舶輔助清障。

總之，海洋平臺就位需要發散思維，引入新技術、新方法，解決現有及未來可能出現的問題。

5 結論和建議

海洋油田開發對自升式鉆井平臺就位精度要求越來越高，就位前安全風險分析技術體現出其重要作用。但自升式鉆井平臺就位技術只是提前預防的技術手段，對未來降低就位風險研究和實際現場就位技術還有以下建議。

1）自升式鉆井船就位風險分析要擴展視野，利用軍工、航天科技，解決海洋鉆井船就位難題。

2）建議國家繪制海底地貌地圖，不但有利于海洋油氣資源開發，還有利于航運、漁業等行業。

3）鉆井船就位風險分析可運用大數據，依托海洋信息數字化，對自升式鉆井船就位風險進行量化分析。