中國近海自升式鉆井平臺選型影響因素分析

袁光宇

(中國海洋石油總公司)

1 問題的提出

中國近海，特別是渤海海域經歷了近50年的勘探開發，自升式鉆井平臺在鉆完井作業中占據了主導地位。自升式鉆井平臺之所以能成為鉆井施工中的主力軍，是因為其具有機動能力強、定位方便、穩定性好等突出的優點。自上個世紀70年代，中國海油針對渤海海域海況和地質條件，通過調研分析和優化選型，在渤海油田選擇了三腿和四腿結構2種鉆井平臺類型，升船方式為液壓舉升或齒輪齒條舉升。

我國于1967年設計了中國第一艘自升式鉆井平臺“渤海1號”，于1972年在大連造船廠建成交船，隨后作業水深逐步得到提升的自升式鉆井平臺相繼出現，如“渤海5號”和“渤海7號”兩艘自升式鉆井平臺作業水深從30 m提高到40 m，就位一次可以完成9口井的作業，最大鉆井深度也達到了6000 m。隨著渤海海域勘探區域擴大，作業水深不斷加深，鉆井深度逐步提高，使得鉆井平臺具有更強的作業能力和更好的性能。為了適應更復雜的海底條件，具有較強的就位能力，鉆井平臺樁腿數量主要采用三腿結構型式，樁腿結構主要為配帶樁靴的桁架式端承結構樁。從渤海海域近50年的鉆井實踐來看，帶有樁靴桁架式樁腿結構的自升式鉆井平臺已成為該區域鉆井作業的主要平臺類型。

近年來中國海油油氣產量高速增長，鉆井工作量劇增，許多油田的勘探與開發都需要自升式鉆井平臺去完成，而原有鉆井平臺在數量和能力上均不能完全滿足工作需求。因此，需要新建一批鉆井平臺，中國近海自升式鉆井平臺選型和適應性的問題就提了出來。中國海油現有的自升式鉆井平臺情況如表1所示。

表1 中國海油現有的自升式鉆井平臺情況

2 中國近海自升式鉆井平臺選型影響因素分析

針對預定井位的環境條件(包括海況、海底土質條件等)、作業工況以及作業要求選擇合適的自升式鉆井平臺，會對鉆井作業的順利實施提供保障。目前在選擇自升式鉆井平臺進行預定井位的作業時，水深和鉆井平臺動復原是否方便作為選擇平臺的依據，很少考慮鉆井平臺其他結構上的適合性。經過分析可知，在中國近海選擇合適的自升式鉆井平臺不僅需要考慮水深條件，還要根據海底地質條件、平臺鉆井能力以及海況條件來綜合分析。

(1)水深條件

水深是選擇自升式鉆井平臺首先要考慮的因素，它直接影響著平臺樁腿長度的選擇，而樁腿又是自升式鉆井平臺的關鍵組成部分［1］。在自升式鉆井平臺設計和改進換代方面，適應的作業水深是最突出和最為主要的參數，因此，在一定程度上可以將水深條件作為選擇平臺和判斷適用性的唯一初始參數。

同時，水深條件也影響著樁腿的結構形式。截至目前，所設計和建造出的自升式鉆井平臺樁腿結構形式有柱體式和桁架式兩大類。柱體式樁腿由鋼板焊接成封閉式結構，按照截面形式又分為圓柱形和方箱形2種［2］，一般用于作業水深在60 m以下。水深加大，波浪載荷增大，對樁腿和船體都提出了抗傾覆穩定性的要求;樁腿在保證穩定性的同時加長，其橫截面必然加大而導致結構重量增大，這種條件下適合采用桁架式設計形式的樁腿。

(2)海底地質條件

樁腿可按海底地質條件需要設置樁靴，海底土質特性也是設計樁靴結構形式的依據。樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形幾種［3］，帶有樁靴的桁架式樁腿結構的自升式平臺適用于淤泥、粘土、砂土等多種海底地質條件。在自升式鉆井平臺就位升船前應依據有關部門提供的工程地質調查資料，進行自升式鉆井平臺樁靴入泥深度和拔樁阻力計算和預測研究，給出鉆井船樁腿入泥深度窗口。

結合水深條件來判斷預定井位是否適合自升式鉆井平臺就位插樁。自升式鉆井平臺樁腿的有效長度必須滿足樁靴入泥深度、水深和設計氣隙三要素的要求。樁腿有效長度是指樁腿總長度減去樁腿最小剩余長度(不同平臺最小剩余長度不同，一般為1.5～3.5 m)、提升系統框架頂部高出船體甲板的高度和船體型深，如圖1所示。自升式鉆井平臺撤離時需要進行拔樁作業，樁靴入泥深度越深，拔樁阻力越大，當拔樁阻力超過平臺自身的拔樁能力時將出現拔樁困難，甚至不能實現拔樁，導致拔樁失敗的風險。通常對于每一艘自升式鉆井平臺來說，不論海底地質條件如何，設計中都會設定容許的最大入泥深度，即樁靴的入泥深度不得超過鉆井船最大入泥深度。

圖1 樁腿長度計算示意圖

近年來，自升式鉆井平臺遭遇海底表層硬砂層——“鐵板砂”海底土層，因插樁過淺導致樁靴底部被海流掏空而引起船體傾覆，以及遭遇很厚的軟土層因插樁過深而導致平臺無法自拔樁的事故時有發生，可以通過自升式鉆井平臺選型和結合相應的安全措施來避免或降低此類事故的風險。

海底工程地質條件、平臺入泥深度限制以及穿刺風險共同構成自升式鉆井平臺選型的影響因素。鉆前應認真分析物探井場調查的結果，確認樁腿有無“穿刺”的可能，預測平臺樁腿“穿刺”可能下沉的最大深度等，還可以通過選用不同自升式平臺來打破平臺入泥深度的限制，降低甚至避免穿刺風險。若分析結論認為無法避免穿刺，且樁腿“穿刺”達到較大深度，應考慮選擇坐底式自升式鉆井平臺作業，而不能選用插樁式自升式鉆井平臺作業［4］。

(3)平臺鉆井能力

平臺的鉆井能力除了與平臺上配置的鉆井設備有關外，還與平臺的結構設計有關。每艘自升式平臺都具備自身特定的鉆井能力，如“渤海3號”鉆井船鉆井能力4000 m，工作水深40 m，鉆井最大可變荷載1556 t，大鉤負荷180 t。可以根據預定待鉆井的設計方案選用能夠勝任的自升式平臺，或通過改變平臺結構實現鉆井能力的提升。也就是說，選用不同結構的自升式平臺可以獲得不同的鉆井能力。

加大樁腿可以提高自升式鉆井平臺的負荷能力。例如，休思南斯鉆井公司的2個新鉆井平臺，即“前衛1號”和“前衛2號”，原平臺鉆井能力為7620 m，通過改進樁腿和鉆機底座結構提高了其運轉能力。資料表明，這2個新鉆井平臺樁腿直徑增至15.24 m，支撐面積則增加了69%，即在同樣負荷情況下降低了海底負荷，從而相對負荷減輕，實際鉆井負荷得以增加;同時改進后的鉆機底座易于移動，方便鉆井平臺井位之間的移動和定位［5］。

(4)海況條件

這里提到的海況條件主要包括風、浪、流和冰的情況。每個海域都有其特有的海況條件，不同的海況條件對不同的自升式鉆井平臺作用載荷不同。也可以說，不同的自升式鉆井平臺對海況的敏感度不同。

自升式鉆井平臺在預定井位就位插樁前，需要進行抗風、浪、流，甚至抗冰的穩定性分析，研究和計算平臺在預定井位風、浪、流和冰作用下樁腿受到的反力與傾覆力矩。對于作業水深在60 m以上的自升式鉆井平臺，通常采用桁架式樁腿。與殼體式樁腿相比，桁架式樁腿不僅重量輕，而且可以有效降低波浪力作用，從而降低平臺結構的位移和應力響應［6］。從這個角度上來看，海況條件也是自升式鉆井平臺選型的依據。例如，結合南海西部目標井位水深和海底地質條件，參考該海域的海況條件［7］，對所選擇的“海洋石油941”平臺(最大作業水深122 m)進行了可行性分析，假定了3種工況，并按照中國船級社規范進行平臺抗風暴校核，其結果1)為:①在入泥小于 14.7 m、氣隙 14 m、最大水深小于99 m的條件下，“海洋石油941”平臺可以滿足抗50年一遇的臺風風暴要求;②在入泥小于7.7 m、氣隙30 m、最大水深小于95 m的條件下，“海洋石油941”平臺可以滿足抗50年一遇的臺風風暴要求;③在入泥小于5.5m、氣隙13 m、最大水深小于122 m的條件下，“海洋石油941”平臺可以滿足抗100年一遇的冬季風暴要求。

3 結束語

就目前認識來看，考慮平臺的海況適應能力、廣泛的使用能力以及鉆機最適用的鉆井能力，是自升式鉆井平臺選型分析的三要素。自升式鉆井平臺選型是涉及到平臺的建造、使用和鉆完井工作滿足勘探開發需求的大事情，因此必須要花大力氣做好。對于僅限于渤海海域作業水深建造的海洋石油92系列平臺，由于水深和懸臂能力有限，就目前的使用情況來看，應增加懸臂梁的覆蓋能力，以18.3 m為好，這樣充分兼顧生產井和調整井的需要，有利于今后的長期使用，提高鉆井平臺的使用率。而對于海洋石油94系列平臺，由于其可變載荷大，水深適應性強，將成為南北海域兼顧的主力平臺類型。

［1］ 李征.自升式平臺樁靴開孔強度的分析研究［D］.大連:大連理工大學，2009.

［2］ 羅宏志，蒙占彬.國內深水自升式鉆井平臺發展概況［J］.中國海洋平臺，2010，25(4):4-7.

［3］ 汪張棠，趙建亭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發中的應用和發展［J］.船舶，2008，2(1):10-15.

［4］ 周俊昌.南黃海鐵板砂海床插樁問題分析與對策［J］.中國海上油氣(工程)，2003，15(4):1-4.

［5］ 蔣麟湘.革新技術 擴大鉆井能力［J］.石油鉆采工藝，1982，2(5):33-36.

［6］ 王瑜.基于有限元分析的自升式平臺桁架腿選型優化設計［J］.船舶設計通訊，2010，4:60-64.

［7］ 趙文華，胡志強，楊建明，等.FPSO系泊系統載荷計算與分析——基于南海“奮進號”FPSO運動特性實船測量結果［J］.中國海上油氣，2011，23(2):116-121.