張力腿平臺表層導管安裝方法適應性評價及優選*

楊 進 仝 剛 周 波 孟 煒 劉正禮 陳 斌 張偉國

(1. 中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室 北京 102249； 2. 中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京 100091；3. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054)

張力腿平臺表層導管安裝方法適應性評價及優選*

楊 進1仝 剛1周 波2孟 煒1劉正禮3陳 斌3張偉國3

(1. 中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室 北京 102249； 2. 中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京 100091；3. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054)

楊進,仝剛,周波，等.張力腿平臺表層導管安裝方法適應性評價及優選[J].中國海上油氣，2016,28(6)：72-76.

Yang Jin,Tong Gang,Zhou Bo,et al.Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):72-76.

張力腿平臺是深海油氣勘探開發的重要裝備，而表層導管負責承載后續管串及水下防噴器，因此研究張力腿平臺表層導管的安裝方法對維持井口穩定性具有重要意義。針對南海某油田深水張力腿平臺開發模式和水下井口布置方式，從水下井口間距、海底土特性等影響因素出發，分析了鉆入法、噴射法和水下打樁法等3種表層導管安裝方法的特點及適應性，并綜合考慮張力腿平臺安裝時間、油田投產時間等因素，開展了張力腿平臺表層導管安裝方法優選。研究結果表明，水下打樁法在批量施工中作業效率較高、經濟性較好，是張力腿平臺表層導管安裝方法的首選，可為南海深水油田張力腿表層導管安裝提供借鑒。

張力腿平臺；表層導管；安裝方法；適應性評價；方法優選；南海深水油田

張力腿平臺(TLP)主要由平臺(甲板、立柱、浮箱、鉆完井裝備、生產設備、生活設施等)、張力腿系統、海底樁基、生產立管等組成(圖1)，平臺經由張力腿與海底樁基連接，張力筋腱中具有的很大預張力由平臺本體的剩余浮力提供，使張力腿始終處于受拉的繃緊狀態[1-2]，因此平臺的穩定性較好，抵抗惡劣環境作用能力較強。

目前我國南海某油田目標區塊計劃采用帶模塊鉆機的張力腿平臺進行開發，平臺位置水深約400 m。鉆井表層導管安裝方式的選擇對整個油氣田的鉆井方案設計和鉆井作業工期具有很大的影響[3-5]，所以開展張力腿平臺表層導管安裝方法研究具有十分重要的意義和應用價值。筆者基于南海某深水TLP表層導管安裝條件對深水表層導管安裝影響因素、安裝方法適應性評價、安裝方法優選等進行了分析，可為深水TLP表層導管安裝提供參考。

圖1 TLP平臺結構示意圖

1 TLP表層導管安裝影響因素分析

綜合考慮作業環境要求、后期作業需求等因素，南海某深水油田計劃采用TLP配備模塊鉆機進行鉆井、完井及修井作業。該TLP采用地面防噴器，水下井口經生產立管連接到位于平臺上的采油樹,并且應用叢式水下井口和立管系統，立管系統連接平臺槽口。受干式井口、套管回接及井口間距的影響，TLP開發模式與常規深水開發模式差異較大，表層導管安裝過程中主要影響因素有以下幾方面：

1) 海底土特性。海底土特性是影響TLP表層導管安裝的重要因素。對于我國南海深水區來說，海底淺層土通常為粘性土，不排水抗剪強度較低[6]。但如果海底土強度較高，尤其是在TLP多井槽開發模式下，容易產生下入不到位的風險。此外，若井場淺層土存在硬土夾層等“雞蛋殼”地層，須調整下入方式與下入深度，防止表層導管刺穿硬土層而產生井口下沉。

2) 水下井口間距。在TLP多井槽開發模式(圖2、3)下群樁打樁過程中表層導管周圍的土層易受到樁的下沉影響，會產生“拖拽”作用和側向擠壓應力作用，引起樁周土層垂直隆起和側向位移，從而對鄰井已安裝完成的表層導管造成損壞，如樁身彎曲、斷裂等問題。對于TLP多井槽開發模式，水下井口間距是方案設計中需要考慮的重要參數，尤其是目前在方案設計上存在縮小井口間距的傾向，因此，表層導管安裝方法的選擇及表層導管下入過程更要著重考慮水下井口間距的影響。

3) 作業時效和費用。TLP多井槽開發模式投資巨大，海上施工作業時效性與經濟性是進行方案設計與實施的關鍵指標。在海上動用作業平臺或作業船都需要高昂的費用，所以若投產時間允許，則應充分利用TLP自身的設備進行表層導管安裝，這樣可大大節省費用。若投產時間緊張，則需要雇傭合適的作業船，選取合適的方式進行施工作業。

圖2 水下基盤結構模型圖

圖3 井槽布置圖

2 安裝方法適應性評價

2.1 鉆入法安裝表層導管

深水鉆入法下入表層導管的方式與常規淺水地區的下入方式并沒有顯著的區別，但是由于深水地區海底淺層較為松軟，容易產生井壁坍塌，有井口回填的風險。同時，由于深水淺層低溫的影響，固井水泥漿的候凝時間大大增加[7]，也就增加了深水鉆井船的作業成本。此外，鉆入法需要鉆一個比套管更大的井筒，其塑性區影響范圍更廣，這在TLP小井間距開發模式下是不利因素。因此，針對我國南海深水海底淺層土較松軟、不排水抗剪強度低的特點，鉆入法不適用作為TLP表層導管的安裝方式。

2.2 噴射法安裝表層導管

表層導管噴射下入技術是目前單井作業中比較成熟的導管下入方式，占到了我國南海海域作業量的70%～80%，作業水深從幾百米到1 700多米均有成功的實踐。噴射法不僅可以完成表層導管下入作業，還可進行二開井眼鉆進，提高了作業效率[8]。同時，噴射法依靠海底土與導管之間的摩擦力作為承載力[9]，無需固井作業，避免了深水淺層固井的難題。但是,在噴射過程中，高壓力水射流對于地層有明顯的擠壓作用，會對樁周一定范圍的土體產生影響[10]，在TLP小井距工況下也可能產生井間干擾，影響正常的作業。

2.3 水下打樁法安裝表層導管

水下打樁法安裝表層導管技術是由淺水地區水上打樁技術發展而來，采用的是大功率水下液壓打樁錘將表層導管打入地層。水下打樁法可以根據地層的強弱調整打樁錘的功率，對于地層強度的適應性較好[11]，安裝作業需要由工作船、液壓打樁錘等多種復雜設備配合完成(圖4)。

水下打樁法安裝表層導管技術已經在美國墨西哥灣[12]、巴西坎普斯深水盆地[13]等區域的TLP項目中得到成功應用，其技術優勢主要包括：

1) 與噴射法相比，通過水下打樁法下入的導管可獲得的承載力更大，可增強井口穩定性。

圖4 表層導管水下打樁錘入工藝示意圖

2) 該技術可以提高表層導管的安裝時效，相比噴射法單井能夠節省10～20 h的作業時間。

3) 深水淺層存在地質災害的風險，而大功率的水下打樁錘可以將導管錘入泥線下幾百米，如墨西哥灣已成功使用水下打樁錘將導管下入到泥線下300 m，封隔了淺部地層，對于淺層地質災害的預防是一種手段。

綜合以上分析，從工藝角度來說，水下打樁法對于TLP表層導管安裝的適應性最好，但在具體設計中也要考慮施工環境是否允許，施工設備是否齊全以及經濟評價是否滿足等優選指標。

3 安裝方法優選

南海某油田目標區塊的自然環境因素和井槽間距是優選TLP表層導管安裝方法的基礎條件。此外，由于該油田開發工程方案中的TLP上安裝了模塊鉆機，所以表層導管安裝方法優選時還應考慮2個方面：一是油田的投產時間和TLP投入使用時間，二是表層導管施工作業費用對比。

1) 環境因素。通過對南海海底土的研究以及已鉆井資料的調研，總結出不同表層導管安裝方式的適應條件，如表1所示。由表1可以看出，3種深水表層導管安裝方法都可以進行施工作業，但從作業的技術難度與質量控制方面考慮，水下打樁法更為適合。

表1 3種深水表層導管安裝方法適應性對比

2) 表層導管安裝時間選擇。若該油田的投產時間和TLP投入使用時間一致或接近，則要求所有鉆完井作業要在模塊鉆機投入使用之前完成，所有鉆完井作業工作應使用一個浮式鉆井平臺來完成，表層導管安裝方法可選擇噴射法，充分利用浮式鉆井平臺裝備的自身優勢，不增加額外設備，即可按時完成所有的鉆完井作業。

如果TLP的投入使用時間遠遠超前于該油田投產時間，表層導管安裝就可以利用平臺模塊鉆機來完成，這時表層導管安裝方法上可選擇噴射法，充分利用模塊鉆機的自身功能，也可以采用水下打樁法，在水下基盤下入后提前把表層導管打入到海底設計深度。

3) 表層導管安裝費用對比。在正常情況下，3種作業方式的平均費用統計見表2。對于鉆入法和噴射法，按照導管安裝時間的不同可以選擇使用浮式鉆井平臺或TLP上的模塊鉆機作業。

由表2可以看出，若使用鉆入法和噴射法，使用TLP模塊鉆機的費用比租用浮式鉆井平臺的費用分別節約36%、48%。相比較鉆入法和噴射法，水下打樁法的費用比租用浮式鉆井平臺的費用低，作業效率高，是TLP表層導管安裝方法的首選。

表2 3種深水表層導管安裝方法費用對比

4 結論

1) TLP表層導管安裝方式的選擇要綜合考慮作業環境、作業設備以及作業時效和費用等因素，鉆入法、噴射法、水下打樁法都可以進行施工作業，但從作業的技術難度與質量控制方面來說，水下打樁法更為適合。

2) 基于采用水下打樁法安裝表層導管以及應用水下基盤的開發模式，由于打樁施工產生的擠土效應使得導管的側向摩擦力較單樁來說有所增加，表層導管的設計下入深度可以適當減小，進而節省作業時間，經濟性好；若區塊的淺層地區存在地質災害的風險，則可以應用大功率的水下打樁錘將表層導管下入到泥線下更深位置，起到封隔住淺部地層作用，這對于淺層地質災害的預防是一種手段。

3) 下入表層導管的施工設備需根據TLP建造時間和油田的投產時間來決定。若TLP建造時間遠提前于油田投產時間，可以使用TLP自身的模塊鉆機進行噴射作業下入導管，也可以在水下基盤下入后使用深水打樁工作船將表層導管錘入設計深度；若二者的時間相近，則需要引進半潛式鉆井平臺進行噴射作業以及后續的所有鉆完井作業，以保證油田的投產時間。

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(編輯：孫豐成)

Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms

Yang Jin1Tong Gang1Zhou Bo2Meng Wei1Liu Zhengli3Chen Bin3Zhang Weiguo3

(1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineering,MinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.DrillingResearchInstituteofCNPC,Beijing100091,China; 3.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518054,China)

The tension leg platform (TLP) is crucial equipment for deep water oil and gas exploration, and the conductor plays a vital role for supporting the following casing strings and the subsea BOP, so research on TLP conductor installation methods is of great significance to maintain wellhead stability. Aiming at the TLP development scheme of an oilfield in South China Sea and its subsea wellhead arrangements, and based on factors such as subsea wellhead spacing and seabed soil properties, the characteristics and flexibility of drilling, jetting and underwater piling were evaluated, which are thought of as the three common conductor installation methods. Combining the time when the TLP itself was installed, the time when the oilfield was put on production, and some other factors as well, the optimization of conductor installing methods was carried out. The results show that underwater piling is, for batch work, efficient and economical, and should be the first priority for TLP conductor installation. The work here can provide guidance for conductor installation of TLP in deep water oilfields in South China Sea.

tension leg platform; conductor; installation method; flexibility evaluation; method optimization; deep water oilfield in South China Sea

1673-1506(2016)06-0072-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.012

*國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究(編號：51434009)”、國家自然科學基金“深水鉆井隔水導管噴射鉆進機理研究(編號：51274215)”、國家自然科學創新研究群體項目“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究(編號：51221003)”部分研究成果。

楊進，男，博士，教授、博士生導師，主要從事海上鉆完井技術的教學和研究工作。地址：北京市昌平區府學路 18 號中國石油大學(北京)石油工程學院(郵編：102249)。E-mail:cyjin1018@vip.sina.com。

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2015-12-29 改回日期：2016-03-29