自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統建設及應用

付建民，韋龍貴，張寶平，楊 進，胡南丁

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452

3.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249

目前渤海海域有數百座生產平臺，勘探井近千口。鉆井平臺首先進行拖航就位作業，然后進行鉆井作業[1]。拖航過程中涉及到航線和臨時升船點的選擇、海上障礙物的避讓等。插樁就位過程中涉及到就位相關信息，主要包括生產平臺位置和圖紙、管道和電纜的軌跡、插樁就位歷史，精就位前還要進行初就位位置選擇；井別等鉆井基本信息一般以報告的形式展現，查找和讀取不夠方便[2]。另外，實時掌握鉆井平臺和供應船位置，合理調配鉆機資源和供應船只資源，達到最優配置，也是海上作業者共同關心的問題[3]。

為了提高自升式鉆井平臺選型水平、就位和鉆井信息的存儲和可視化讀取，有必要開發一套平臺選型和控制就位安全的系統，保證自升式鉆井平臺就位安全和后續作業安全，并提供可視化的平臺信息讀取和計算模塊供作業者進行決策和分析[4]。

1 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統建立意義

自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統要能實現對渤海內重點作業平臺信息、管道電纜走向、樁靴印跡等重要數據的保存和管理，全面的數據使得鉆井平臺就位時需要考慮的覆蓋、插樁、氣隙情況以及其他安全因素清晰呈現[5]；根據鉆修井平臺參數實現智能化選型和鉆機資源配置；并且能夠根據地質鉆孔參數進行插樁入泥深度計算，作為就位前插樁安全的參考。此外系統還能實現鉆井平臺就位平臺的有效分析、簡化就位分析和計算過程，提高就位方案設計效率。在進行自升式鉆井平臺拖航就位時，可以從系統中提取用于就位分析的信息，優選最適合作業的鉆修井船，并能對自升式鉆井平臺合理入泥深度進行安全評估，對自升式鉆井平臺就位風險評估和安全控制具有前瞻性的指導意義[6]。

2 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統的建設

2.1 就位風險評估與安全控制系統計算模型

自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統主要是以適應自升式平臺就位作業需求，優選自升式鉆井平臺、保障就位作業安全與高效為目的[7]。該系統通過建立智能化分析模型，對自升式鉆井平臺智能化選型，提高鉆井作業效率，減少因平臺選型與現場作業要求不符而導致的工期延誤，從而降低作業成本。

開發的軟件為數據庫軟件，應用到的數據算法主要有兩種：插樁入泥深度計算算法和鉆井平臺優選算法。

2.1.1 自升式鉆井平臺就位海底土承載力計算模型

考慮了樁腿下入的動載因素、回流土體因素和群樁效應等因素的自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算公式[8]，其海底土承載力計算為：

式中：Q為樁極限承載力，kN；Qf為樁側阻力，kN；Qp為樁端阻力，kN；f為樁側單位表面積摩擦力，kN/m2；As為埋入泥線以下樁側總表面積，m2；q為樁端單位橫截面積承載力，kN/m2；u（t）為樁腿下入速度影響系數，m/s；δ（u，t）為群樁效應影響系數；Ap為樁端（樁靴）橫向截面積，m2；α為回填土的壓力折減系數，α=0.3～0.6；P0為樁腳深度處的有效上覆壓力，kPa；A′p為樁靴有效面積與樁腿有效面積之差，m2；t為樁腿有效下入時間，s。

2.1.2 自升式鉆井平臺優選模型

（1）豎向優選：

式中：H為懸臂梁縱向覆蓋范圍，m；h為槽口到平臺邊沿最大距離，m；H頂為平臺頂甲板高度，m。

（2） 水平向優選：

式中：D1為懸臂梁縱向覆蓋范圍，m；d1為槽口到平臺邊沿最大距離，m。

式中：D2為懸臂梁橫向覆蓋范圍，m；d2為槽口橫向間距之和，m。

2.2 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統組成與結構

自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統主要由平臺信息收集、鉆井平臺信息存儲與管理以及鉆井平臺優選系統組成，系統功能結構見圖1，數據庫結構見圖2。

圖1 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統功能結構

圖2 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統數據庫結構

3 自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統應用步驟

3.1 平臺信息錄入

在此模塊界面下可進行平臺有關信息的查閱。

3.1.1 平臺基本信息

此軟件系統中的平臺基本信息主要包括：平臺處大地坐標、垂直坐標、水深以及鉆井平臺優選相關參數（見圖3）。

圖3 平臺基本信息界面示意

3.1.2 平臺圖紙信息

軟件設計過程中，考慮到圖紙信息可能不全，所以設計時對圖紙的命名放開了限制，用戶可以自由輸入圖紙名稱，通過平臺名和圖紙名檢索所有該平臺的圖紙信息。

3.1.3 平臺就位史信息

在平臺就位史信息界面（見圖4）下，可以根據鉆井平臺名，檢索所有在該平臺處進行過就位作業的鉆井平臺及相關樁腿入泥深度信息。

圖4 平臺就位史信息界面示意

3.1.4 平臺井位地質信息

平臺井位地質信息包含兩類：平臺工程地質設計參數（見圖5）和平臺地質承載力計算（見圖 6）。

圖5 平臺工程地質設計參數界面示意

圖6 平臺地質承載力計算界面示意

3.1.5 平臺周邊管道電纜信息

平臺周邊管道電纜信息界面為軟件設計放開了對管道名稱的限制，用戶可以對圖紙名稱自行命名。

在此模塊下，還可能包括一項平臺管道打點記錄（見圖7）的數據。如果平臺包含管道打點記錄，則可以通過相應軟件生成平臺管道電纜軌跡圖（見圖8）。

3.2 鉆井平臺信息存儲

鉆井平臺信息包含的數據信息較多，分別為：鉆井平臺名、船體長度、船體寬度、樁腿數、橫向樁間距、縱向樁間距、樁直徑、樁靴截面積、樁腿長度、最大適應水深、最小適應水深、樁腿允許入泥深度、型深、升船氣隙、吃水深度、懸臂梁橫向覆蓋能力、懸臂梁縱向覆蓋能力、單樁最大預壓載荷等。直接點擊相應的鉆井平臺名，可以查看其具體的尺寸以及作業參數（見圖9）。

圖7 平臺管道打點記錄界面示意

圖8 平臺管道電纜軌跡圖界面示意

圖9 鉆井平臺基本信息界面示意

鉆井平臺信息主要分兩類：圖紙信息與數據信息。圖紙信息可以通過手動導入的方式進行，數據信息可以通過手動錄入或者Excel導入的方式進行，操作界面如圖10所示。

3.3 鉆井平臺優選

建立此軟件系統的主要目的就是為了在作業之前，方便地選擇合適的鉆井平臺進行作業。鉆井平臺優選亦是此系統的一個重要功能。

（1）確定待選的平臺：直接在樹形列表中選擇待選平臺。

圖10 鉆井平臺信息操作界面示意

（2） 確定待選槽口：點擊“單個槽口計算”，進入槽口選擇界面；標記“選擇槽口”復選框，直接在示意圖中點擊，選擇待選槽口，選擇的同時會進行計算，確定槽口到平臺邊沿最大縱向距離與槽口橫向間距之和；點擊確定，將數據傳回。見圖11。

圖11 數據傳回查看界面示意

（3）進行鉆井平臺優選：點擊“開始優選”，進行優選計算。優選完成后，可以查看優選結果（見圖12）。

圖12 優選結果界面示意

（4）生成初步就位方案與優選報告：優選完成以后，經過“初始界面”、“選定平臺參考點”、“選擇鉆井船參考點”和“確定船向”的操作后，得到初步就位方案（如圖13所示）或者生成優選報告（如圖14所示）。

圖13 初步就位方案界面示意

圖14 生成優選報告界面示意

4 現場應用案例分析及經濟效益

4.1 應用案例分析

該系統開發完成后已成功應用于數百座生產平臺就位。南海一號就位南海某平臺是成功應用的典型案例。

該生產平臺處水深28.6 m，平臺頂甲板最高障礙物海拔高度30.6 m，井槽數為6，井口數為10，井口橫向間距和縱向間距均為2.5 m。擬就位于該生產平臺的自升式鉆井平臺選型依據見表1。

（1）符合升船氣隙要求的鉆井平臺有：南海一號、HYSY92系列、渤海十號、Gulfdriller1；不符合的有：渤海四號、渤海十二號。

（2）符合覆蓋對比要求的鉆井平臺有：渤海四號、南海一號、HYSY92系列、渤海十號、Gulfdriller1；不符合的有：渤海十二號。

表1 自升式鉆井平臺風險評估與安全控制系統選型依據

（3）符合頂甲板避讓要求的鉆井平臺（左避讓）有：渤海十二號、HYSY92系列、南海一號。

經過系統選型后，符合要求的鉆井平臺有HYSY92系列（921～924）及南海一號，但是根據鉆機資源安排，只有南海一號有檔期，其就位方案如圖15所示。

圖15 南海一號就位方案

4.2 經濟效益

2014—2018年，海上油田自升式鉆井平臺風險評估與安全控制技術在渤海海域的渤中、東海的天外天、南海的番禺和潿洲等油田進行了推廣使用，實現了不同鉆井平臺與100座生產平臺就位對接，應用情況見表2。在上述油田的應用過程中，自升式鉆井平臺選型成功率從原來的75%提高到了95%，鉆井平臺就位方案和拋錨方案設計效率平均提高50%，現場鉆井平臺就位時間平均縮短2天，累積節約時間200天，降低了鉆井平臺就位風險，提高了就位效率。在上述油田應用中，在保證現場安全就位的前提下，節約了就位時間，降低了就位成本，獲得直接經濟效益1.6億元，新增利潤1.558 0億元。

表2 自升式鉆井平臺風險評估與安全控制系統應用情況

計算依據：

（1）經濟效益=應用平臺數×節約時間×就位綜合日費。

（2）新增利潤=經濟效益-鉆井平臺就位技術單平臺費用×應用平臺數。

（3） 就位綜合日費：80萬元/d。

（4） 就位技術單平臺費用：4.2萬元/平臺。

綜上所述：經濟效益=100×2×80=16 000（萬元）；新增利潤=16 000-100×4.2=15 580（萬元）。

5 結論與建議

（1）自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統能夠實現鉆井平臺智能優選與插樁深度計算和風險評估，具有較強的實用性和先進性。

（2）自升式鉆井平臺就位風險評估與安全控制系統已廣泛應用于中海油海內外作業點的自升式平臺就位作業過程中，應用結果表明：該套系統能夠準確優選適用的自升式平臺，提高就位成功率和選型效率，節省鉆井日費和創造利潤；同時計算平臺插樁深度以及評估平臺刺穿風險，降低了平臺不適用或刺穿風險評估誤差導致的工期延誤。