平臺場址硬殼層處理方法初探
——以南海番禺某油田為例

劉 賓，張振波，羅進(jìn)華，蔣衛(wèi)焱，周楊銳

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451)

平臺場址硬殼層處理方法初探
——以南海番禺某油田為例

劉 賓1，張振波1，羅進(jìn)華2，蔣衛(wèi)焱2，周楊銳2

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451)

在南海番禺某存在硬殼層的平臺場址內(nèi)，使用工作級ROV搭載多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納等設(shè)備進(jìn)行高精度工程物探調(diào)查，為鉆孔作業(yè)提供可靠信息；使用動力定位船及其鉆井設(shè)備裝載大鉆頭直接鉆松淺表砂層(硬殼層)，使用ROV在水下為鉆桿精確定位，最終消除硬殼層對鉆井平臺插樁造成的穿刺威脅。

硬殼層；鉆孔；插樁；穿刺；ROV搭載

自升式鉆井平臺適用于不同海洋環(huán)境和較大范圍水深條件，移動靈活且便于建造，因此在海洋石油鉆采中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。典型的自升式鉆井平臺的3個(gè)獨(dú)立樁腿均在其根部設(shè)計(jì)有樁靴，樁靴插入海底地基承載平臺重量。自升式鉆井平臺鉆井前要進(jìn)行壓載作業(yè)。所謂壓載，是指鉆井平臺樁靴插入海底地基后，平臺裝載水用以模擬平臺可能遇到的最大重量荷載和環(huán)境荷載。在壓載過程中，一個(gè)主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)存在于上硬下軟的“硬殼層”地層[1,3]，即俗稱的“雞蛋殼”地層[4]上。在鉆井平臺壓載該地層的過程中，當(dāng)某個(gè)樁靴承載力超過硬土層的極限承載力時(shí)，該樁靴就會穿過硬土層，隨后迅速下沉，形成“穿刺”[1-5]。嚴(yán)重的穿刺會導(dǎo)致船體傾斜失衡，樁腿齒條及升降機(jī)構(gòu)受損[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界95%的穿刺事故都發(fā)生在硬-軟粘土層[3]。以三腿自升式的某JU2000型自升式鉆井平臺為例，其樁靴式基礎(chǔ)的最寬部分面積為254 m2，有效直徑為18.0 m。預(yù)壓載時(shí)，每只樁靴的最大預(yù)壓載為112.2 MN。某日，該JU2000型自升式鉆井平臺首次在番禺某場址導(dǎo)管架成功就位后，平臺升船至壓載作業(yè)氣隙開始按照預(yù)定程序進(jìn)行壓載作業(yè)，平臺對2#樁加壓載水，加水至設(shè)計(jì)預(yù)壓載樁腿反力后開始停泵觀察，20分鐘后2#樁突然發(fā)生穿刺，樁腿入泥從4.7 m下沉至13.3 m，造成鉆井平臺樁腿變形。

對于海上某一預(yù)定鉆井位置實(shí)施壓載作業(yè)前通常要進(jìn)行工程物探和工程地質(zhì)調(diào)查，并進(jìn)行鉆井平臺樁靴插入深度的計(jì)算，分析插樁壓力是否滿足基底土極限承載力[2]。對于單一地層的極限承載力，采用美國石油協(xié)會關(guān)于固定式近海平臺構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范(API RP 2A-2000)推薦的方法計(jì)算[6]，得到整個(gè)土層的承載力曲線。穿刺分析方面，對于上硬下軟土層的刺穿分析，國內(nèi)外應(yīng)用的方法很多，比較普遍應(yīng)用的有Hanna和Meyerhof法以及Young和Focht投影面積法(3∶1方法)[7-9](如圖1所示)。根據(jù)國內(nèi)外的規(guī)范或推薦做法，一般認(rèn)為安全系數(shù)足夠大(如Fs1≥1.5或Fs2≥1.2)是可以作業(yè)的，但不能保證作業(yè)中不穿刺、還需要按照穿刺情況下插樁程序作業(yè)；如果安全系數(shù)中等(如Fs1<1.5及Fs2<1.2)[1,10-14]，一般不建議平臺插樁作業(yè)。但實(shí)際作業(yè)表明，安全系數(shù)小不代表不能作業(yè)。只要預(yù)計(jì)穿刺深度小于平臺結(jié)構(gòu)可承受值，或經(jīng)計(jì)算，平臺任何結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平在材料的屈服極限范圍內(nèi)，可進(jìn)行壓載嘗試[1]。如果分析表明某處穿刺危害性較大，國內(nèi)外一般采取以下三個(gè)措施：換井位、換平臺、減壓載，另外插樁前進(jìn)行周密布置，制定應(yīng)急預(yù)案，以減少穿刺對人員和平臺結(jié)構(gòu)的傷害[1,10]。如果采取上述三個(gè)措施后經(jīng)專家決策仍不能消除穿刺風(fēng)險(xiǎn)，則分析穿刺帶來的危害是否可接受，若不能接受，或嘗試壓載造成穿刺，造成設(shè)備損傷以致無法繼續(xù)作業(yè)，則停止作業(yè)。

在如何主動處理“雞蛋殼”地層的問題上，國外有“采用勘察船鉆孔來擾動上部淺層土以避免穿刺”的類似成功經(jīng)驗(yàn)[15-18]，國內(nèi)尚無該類嘗試；且國外提供的案例中海底淺層土全部為粘性土層。淺表層為砂土?xí)r如何實(shí)施及實(shí)施效果如何，國內(nèi)外尚未見報(bào)道。本文將介紹南海首個(gè)鉆孔作業(yè)消除穿刺風(fēng)險(xiǎn)的成功案例，可為類似問題提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

預(yù)定平臺中心處的水深約103 m，附近的水深變化平緩，側(cè)掃聲納資料顯示平臺場址內(nèi)聲反射均勻。由地質(zhì)鉆孔資料可知，淺部地層主要分為兩層，A層沉積物的上部為松散的褐灰色細(xì)砂，下部為中密實(shí)的褐灰色粉質(zhì)細(xì)砂。整個(gè)調(diào)查區(qū)(1 km×1 km范圍)A層的厚度約為3.8～5.4 m，在預(yù)定平臺中心位置A層厚度約為5.3 m。B層(A層的下覆地層)沉積成分上部為稍硬的褐灰色粉質(zhì)粘土與砂質(zhì)粉土互層，下部為稍硬的褐灰色粉質(zhì)粘土含粉土包。調(diào)查區(qū)B層的厚度約在14.3～18.5 m之間變化，在預(yù)定平臺位置B層厚度約為18.2 m。井位中心極限樁靴荷載與樁靴尖入泥深度關(guān)系曲線及井位中心取樣成分描述分別如圖1與圖2所示。

圖1 極限樁靴荷載與樁靴尖入泥深度關(guān)系曲線Fig. 1 Ultimate leg load vs footing tip penetration curve

圖2 井位中心取樣成分描述 Fig. 2 Histogram of borehole at the well location

對圖1說明如下：該曲線是根據(jù)鉆井平臺的參數(shù)，以及粘土的不排水抗剪強(qiáng)度、砂土的內(nèi)摩擦角、土的容重等計(jì)算得出的。曲線表述了當(dāng)插樁船的樁靴插入海底不同深度時(shí)，土能承受的最大壓力。圖中的最大預(yù)壓荷載(灰色粗線)即平臺裝載水后的最大重量荷載，地層能承受該壓力并持續(xù)一段時(shí)間，則插樁作業(yè)完成。當(dāng)?shù)貙拥臉O限樁靴荷載小于最大預(yù)壓荷載，則樁會繼續(xù)往下，直到下層土能承受樁靴的壓力。曲線中的下限(圖中細(xì)實(shí)線)和上限(圖中細(xì)虛線)是分別把土視為粘土和砂土?xí)r，計(jì)算得出的極限樁靴荷載。該處地層既含粘土又含有砂，因此極限樁靴荷載應(yīng)位于上限和下限之間。由于所用分析方法的局限性，一般還引入一個(gè)安全系數(shù)Fs。圖1可看出在海底泥面以下4 m左右時(shí)，土層的極限樁靴荷載值突然變小，且該臨界值與極限樁靴荷載接近，如果第一層硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井平臺樁靴尖將穿過硬土層并迅速進(jìn)入下覆層位，最后“坐”在海底以下13 m左右的土上。為此，當(dāng)從勘探石油的角度不宜移井位時(shí)，需破壞該硬質(zhì)殼層，使插樁順利進(jìn)行。為徹底破壞剩余1#、3#樁靴印范圍內(nèi)硬地層，使上述JU2000型自升式鉆井平臺順利進(jìn)行插樁鉆井作業(yè)，首次決定采用大口徑鉆孔施工方法，鉆穿1#、3#樁腿處海底面以下表層砂質(zhì)硬地層。

2 項(xiàng)目籌劃與作業(yè)

2.1 船舶選取

圖3 “海洋石油708”深水勘察船F(xiàn)ig. 3 “HYSY708” deep water survey vessel

如使用不具有DP定位功能的船，只能進(jìn)行拋錨鉆孔作業(yè)。本次作業(yè)區(qū)域離生產(chǎn)平臺較近(距離已安裝導(dǎo)管架最近處僅3 m)，需要輔助船進(jìn)行拋錨。拋錨前需確認(rèn)生產(chǎn)平臺附近海底管線的具體位置，避免船舶拋錨破壞海底管線。另外，由于作業(yè)區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)海底，存在走錨的風(fēng)險(xiǎn)。冬季南海東部海域風(fēng)浪較大，所選船舶需能抵抗一定的風(fēng)浪。綜合考慮以上因素，最終確定使用“海洋石油708”船(見圖3)進(jìn)行作業(yè)。該船長105 m，型寬23.4 m，排水量1.16萬噸，甲板面積約1 100 m2，裝配DP2動力定位系統(tǒng)，無限航區(qū)。動力定位條件下，鉆機(jī)能力為在作業(yè)水深3 000 m時(shí)鉆孔深度可達(dá)海底以下200 m；在1 000 m作業(yè)水深時(shí)鉆孔深度可達(dá)海底以下600 m，作業(yè)環(huán)境為蒲氏風(fēng)力7級，有效波高3 m，流速2 kn。

2.2 現(xiàn)場工程物探調(diào)查

盡管插樁前已進(jìn)行過工程物探調(diào)查，考慮到插樁后砂層可能會被下壓，為了獲得鉆井平臺就位位置水深、樁腿坑位置、形態(tài)、當(dāng)前上覆砂層的厚度及壓實(shí)情況，鉆孔前進(jìn)行了工程物探調(diào)查。本次使用Sealion重型ROV系統(tǒng)搭載的調(diào)查設(shè)備主要包括EdgeTech 2200M側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀、Kongsberg EM2040高精度多波束測深儀和彩色攝像頭等。調(diào)查前所有設(shè)備均進(jìn)行了校準(zhǔn)：在碼頭使用高精度全站儀對羅經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，在工區(qū)對Ranger2 Pro型超短基線水下定位系統(tǒng)(USBL)和多普勒計(jì)程儀(DVL)進(jìn)行了校準(zhǔn)。由USBL和DVL獲取的水下ROV位置通過卡爾曼濾波后，進(jìn)行偏移距改正，并輸出到淺剖、側(cè)掃和多波束原始數(shù)據(jù)中。調(diào)查過程中，ROV離海底高度保持在12 m左右。

側(cè)掃聲納(410 kHz高頻)鑲嵌圖(如圖4所示)和多波束測深圖像均清晰地顯示了該區(qū)海底的三個(gè)樁腿坑。多波束測深數(shù)據(jù)表明，1#樁腿(圖5右上)和3#樁腿(圖5左)比周圍海底凹下1.5 m左右。根據(jù)淺地層剖面分析，經(jīng)過第一次插樁后，樁靴下第1層砂(0～2.4 m)被排開，第2層砂(2.4～5.3 m)部分被排開，部分隨著樁靴整體下移，樁靴下砂層比全部排開情況稍厚，砂層下的粘土層部分被壓實(shí)。從淺地層剖面上黑色的反射底界面可推斷出被壓實(shí)的厚度約為10 m，故設(shè)計(jì)本次鉆孔的深度為10 m。

圖4 調(diào)查區(qū)側(cè)掃聲納鑲嵌圖Fig. 4 Side scan sonar mosaic of the survey area

圖5 調(diào)查區(qū)多波束地形圖Fig. 5 Multibeam bathymetry map of the survey area

2.3 鉆孔作業(yè)

考慮到上述JU2000型自升式鉆井平臺的樁靴直徑為18.0 m，本次鉆孔范圍設(shè)計(jì)為以樁靴中心為圓心，直徑20 m的圓內(nèi)。設(shè)計(jì)鉆孔方案如下：孔直徑約1 m，孔-孔中心距為2.5 m，一個(gè)樁腿坑內(nèi)布置62個(gè)鉆孔(如圖7所示，環(huán)內(nèi)圈直徑18 m，等于樁靴的有效直徑)。鉆頭達(dá)到海底后，ROV進(jìn)行觀測，確保鉆孔位置在約定范圍內(nèi)。

圖6 1#樁腿處淺地層剖面Fig. 6 Sub-bottom profile passing the footprint 1

圖7 設(shè)計(jì)鉆孔圖Fig. 7 The plan boreholes layout

圖8 26″ 鉆頭和36″ 擴(kuò)眼器Fig. 8 26″ drill and 36″ reamer

圖9 ROV在水下為鉆桿精確定位Fig. 9 Under-water position of the drill determined by ROV

圖10 實(shí)際鉆孔分布圖Fig. 10 The actual boreholes layout

由于缺少鉆孔數(shù)量及距離分布與地層承載力降低的量化關(guān)系，現(xiàn)場采取了較為保守的策略，即增多鉆孔數(shù)量，將每個(gè)樁腿坑內(nèi)鉆孔數(shù)量增多至110個(gè)。因現(xiàn)場海況較差(浪高2.5 m，風(fēng)速25 kn)，實(shí)際鉆孔與設(shè)計(jì)位置有一定偏差，如圖10所示。

3 插樁結(jié)果

完成預(yù)定鉆孔作業(yè)后，JU2000型自升式鉆井平臺隨即在原插樁位置就位并開始升船作業(yè)。在可控情況下，樁腿入泥緩慢增加至預(yù)定深度，現(xiàn)場判斷所有樁腿均已穿過上部硬夾層。插樁作業(yè)成功。

4 結(jié) 語

本文介紹了在南海番禺某平臺場址內(nèi)，采用勘察船鉆孔來擾動上部硬地層土以避免穿刺的一個(gè)成功案例。采用ROV搭載物探設(shè)備進(jìn)行調(diào)查，為設(shè)計(jì)鉆孔深度及位置提供了參考。另外，設(shè)計(jì)的孔距及其分布、鉆井方式也是保證此項(xiàng)目圓滿完成的因素。

由于國內(nèi)外在這方面的研究極少，此前也未查到鉆孔孔徑、數(shù)量及距離分布與地層承載力降低的量化關(guān)系。在達(dá)到預(yù)期效果的前提下，如何確定鉆孔數(shù)量的最小值，以及如何使鉆孔分布進(jìn)一步優(yōu)化，是下一步研究的內(nèi)容。

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Preliminary study on treating methods of hard ground crust at a fixed platform site——a case study of Panyu oilfield

LIU Bin1, ZHANG Zhenbo1, LUO Jinhua2, JIANG Weiyan2, ZHOU Yangrui2

(1. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. China Oilfield Services Limited，Tianjin 300451, China)

A method of treating the hard ground crust in spudcan craters adjacent to a fixed platform is introduced. A large diameter drill bit was used for drilling through the near seafloor shallow hard crust so as to reduce risk of spudcan punch-through by weakening the hard crust. A dedicated deepwater geotechnical drilling vessel with dynamic positioning capability and a working class ROV were employed for the project. Prior to the drilling，a geophysical survey was carried out using a work class ROV mounted multibeam echo sounder，side scan sonar and sub-bottom profiler equipment. Final results of the jack-up installation show the method works.

hard ground crust; borehole drilling; spudcan penetration; punch-through; ROV mounted

P752

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.015

1005-9865(2015)02-0116-06

2014-03-10

劉 賓(1983-)，男，河南輝縣人，工程師，主要從事海上現(xiàn)場地震采集和井場調(diào)查工作。

羅進(jìn)華。E-mail:luojinhua001@163.com