規(guī)模化主動穿刺在南中國海的應(yīng)用

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(fā)是近年來我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)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(jù)統(tǒng)治地位[1]。

插樁作業(yè)是自升式鉆井平臺鉆探作業(yè)中的必要前置步驟，如果在海岸或海中進(jìn)行修建碼頭、海堤、平臺等施工時，必須了解海底十幾米以內(nèi)的地層情況。在插樁時，平臺常見的地質(zhì)問題之一是硬黏土-軟黏土呈上下層狀分布的地質(zhì)現(xiàn)象（俗稱“雞蛋殼”地層）[2]。這類海底土層表面很硬，但實(shí)際上只是薄薄的一層"硬殼"，而硬質(zhì)層下面則是較軟的地質(zhì)層。樁腿穿透上層硬質(zhì)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(guān)問題，造成人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失[3]。如果在這種地層上進(jìn)行自升式鉆井平臺插樁就位或修采油平臺等作業(yè)，將面臨傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。在應(yīng)對自升式平臺插樁遇“雞蛋殼”地層而引起的平臺失穩(wěn)時，主動穿刺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用于解決這一困擾全球自升式平臺的地質(zhì)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(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用是提高生產(chǎn)效率、降低事故概率的有效手段。本文將結(jié)合恩平M無人平臺生產(chǎn)實(shí)際，探究規(guī)模化主動穿刺技術(shù)在南海油氣鉆探中的應(yīng)用。

無人平臺是指海上無人駐守的油氣生產(chǎn)平臺，是海上石油勘探開發(fā)的一項(xiàng)新型助力設(shè)施。與傳統(tǒng)的有人平臺相比，無人平臺提供了成本效益和生產(chǎn)效率兼具的解決方案，可節(jié)約大量建造和維護(hù)成本，并促進(jìn)對于傳統(tǒng)開發(fā)模式下不具備經(jīng)濟(jì)性的油氣藏的開發(fā)利用。

恩平M平臺是我國首個標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)建造的無人平臺，在恩平M油田開發(fā)項(xiàng)目中應(yīng)用。該平臺減少了油水處理系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、生活樓和模塊鉆機(jī)等大型設(shè)備，從而將設(shè)備維保工作量降低了近30%。在油田生產(chǎn)的初期，進(jìn)行鉆井作業(yè)是一個具有挑戰(zhàn)的問題。恩平M油田使用海洋石油943鉆井平臺來實(shí)施鉆完井作業(yè)。

恩平M平臺所在海域地層呈現(xiàn)“雞蛋殼”結(jié)構(gòu)，這給自升式鉆井平臺的插樁就位帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，因此設(shè)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(dá)89米，工程勘察作業(yè)公司完成了恩平M油田場址工程地質(zhì)勘察，預(yù)先在3個樁靴位置各布設(shè)了1個40m的取樣鉆孔和1個40m的CPT測試孔，進(jìn)行了土工試驗(yàn)及自升式鉆井平臺插樁分析。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，目標(biāo)場址淺部可能埋藏古河道，土質(zhì)非均質(zhì)性強(qiáng)，橫向差異大，在1#和2#樁腿，0～9.5m（9.9m）深度范圍內(nèi)土層為稍硬的砂質(zhì)粘土(承載力系數(shù)Nq=3.9，粘性抗剪強(qiáng)度變化范圍為2～35kPa），從9.5m（9.9m）～16.5m深度范圍內(nèi)土層為強(qiáng)度相對較低的粉質(zhì)粘土（32kPa～35kPa)；在3#樁腿，0～16.1m深度范圍內(nèi)土層為稍硬的砂質(zhì)粘土和粘質(zhì)砂，粒狀土顆粒含量增加明顯(承載力系數(shù)Nq=3.9，粘性抗剪強(qiáng)度變化范圍為2～45kPa），且現(xiàn)有土質(zhì)承載力參數(shù)無法精準(zhǔn)刻畫真實(shí)地層，存在″雞蛋殼″地層，有穿刺風(fēng)險(xiǎn)。自升式鉆井平臺海洋石油943在目標(biāo)場址樁腿初始入泥約10.5m，穿刺安全系數(shù)0.61存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，若穿刺，行程可達(dá)6.8m。考慮鉆井平臺就位安全，插樁就位需要工程船主動穿刺進(jìn)行鉆孔服務(wù)。

根據(jù)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(nèi)，采用工程船鉆一定數(shù)量的孔眼作業(yè)，單個樁靴位置鉆孔數(shù)量為150個孔，鉆孔深度設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。

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(yè)風(fēng)險(xiǎn)，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(kuò)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(nèi)的布置圖見圖1，破壞1、2、3號預(yù)定樁靴范圍內(nèi)0-15m深度范圍內(nèi)的硬地層。

圖1 恩平M油田場址鉆孔工程實(shí)施方案平面布置圖

圖2 1#樁靴鉆孔范圍實(shí)際鉆孔位置圖

圖3 2#樁靴鉆孔范圍實(shí)際鉆孔位置圖

圖4 3#樁靴鉆孔范圍實(shí)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(shè)計(jì)鉆孔150個，每個孔深度15m，3個樁靴位置共鉆450個孔。

3 作業(yè)船舶和主要設(shè)備

主動穿刺使用的機(jī)具是W工程船，具備DP-II動力定位系統(tǒng)，擁有深水工程鉆機(jī)，最大作業(yè)水深3000m。

Sealion是重工作型ROV。Sealion的多功能性，讓其擁有的作業(yè)能力、良好的適應(yīng)性，可在復(fù)雜海況下作業(yè)。它具有100匹的馬力且有水平方向4個，垂直方向4個推進(jìn)器，2個7功能機(jī)械手，另可選配置先進(jìn)的7功能Shilling-Orion機(jī)械手和5功能Rig Master功能手，1000米的水深作業(yè)能力等。

工程物探調(diào)查設(shè)備（ROV搭載）有Klein3000旁掃聲吶系統(tǒng)、IXSEA 3.5kHz淺地層剖面儀、EM302多波束測深系統(tǒng)。

4 主動穿刺作業(yè)實(shí)際情況

使用W工程船實(shí)施恩平M油田主動穿刺鉆孔作業(yè)，在三個樁靴插樁的位置進(jìn)行鉆孔破壞“雞蛋殼”地層，累計(jì)鉆孔463個，進(jìn)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(nèi)實(shí)際鉆孔位置如下圖所示。

本次ROV系統(tǒng)所搭載的調(diào)查設(shè)備主要包括Klein3000旁掃聲吶系統(tǒng)、IXSEA 3.5kHz淺地層剖面儀和EM302多波束測深系統(tǒng)。所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輔助定位系統(tǒng)，如聲學(xué)定位、光纖羅經(jīng)、運(yùn)動傳感器等都集成于ROV載體上。調(diào)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(xù)，地層界面清楚，鉆孔之后地層反射在鉆孔范圍內(nèi)不明顯，說明主動刺穿鉆孔對原地層在一定深度范圍內(nèi)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(yàn)證

恩平M平臺共有20個槽口，要使懸臂梁全部覆蓋作業(yè)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(yán)苛，要達(dá)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(wèi)星定位系統(tǒng)等多套系統(tǒng)設(shè)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(shè)計(jì)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(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)井槽全覆蓋。

海洋石油943鉆井平臺的成功就位，有效驗(yàn)證主動穿刺作業(yè)對破壞“雞蛋殼”地層效果顯著，確保后續(xù)作業(yè)的安全可靠。

6 結(jié)束語

（1）規(guī)模化主動穿刺對破壞“雞蛋殼”地層效果顯著。

（2）通過南中國海首次采用規(guī)模化主動穿刺的方式高質(zhì)量完成插樁精就位，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的空白，為油田后期順利開發(fā)和增儲上產(chǎn)提供了有力支撐。

（3）成功實(shí)施中國海油范圍內(nèi)最大規(guī)模的主動穿刺作業(yè)，并順利完成自升式鉆井平臺2次精就位，為后續(xù)類似開發(fā)模式鉆完井作業(yè)提供樣板參考。