自升式鉆井平臺就位安全性與覆蓋能力要求分析*

鄭清華，楊向前，郭 華，徐國賢，周 超，張 甫

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引言

海上油氣田多采用導管架平臺以叢式井形式進行開發，當選用自升式鉆井平臺(以下簡稱“鉆井平臺”)作為導管架平臺鉆完井作業機具時，需要根據作業要求對鉆井平臺進行選型[1]。鉆井平臺按有無懸臂梁可分為凹槽式和懸臂梁式，懸臂梁式又分為傳統型懸臂梁、X-Y型懸臂梁和旋轉型懸臂梁[2]。本文只針對傳統型懸臂梁鉆井平臺和X-Y型懸臂梁鉆井平臺。鉆井平臺通過靠近導管架平臺就位，壓載插樁后，配有鉆機裝備的懸臂梁推出鉆井平臺艉部一定距離，實現對導管架平臺井槽的覆蓋。因此，鉆井平臺就位及插樁作業安全性與覆蓋能力是鉆井平臺選型必須考慮的重要因素。

鉆井平臺就位及插樁作業安全性主要指鉆井平臺在就位導管架平臺過程中避免樁靴掛碰海底管纜；根據海域海況確定鉆進平臺就位導管架平臺安全距離以避免精就位過程平臺碰撞；壓載插樁過程避免樁腿穿刺導致鉆井平臺產生橫向位移與導管架平臺相撞[3-10]；再就位時避免樁靴滑移。鉆井平臺覆蓋能力是指鉆井平臺通過懸臂梁和鉆臺縱向及橫向移動以覆蓋所有叢式井口進行作業的能力。覆蓋能力要求除受井口排列、井口在平臺的方位以及鉆井平臺和導管架平臺之間的安全距離等固有物理條件和安全限制條件影響以外，鉆井平臺的實際就位誤差也會對覆蓋能力要求產生較大影響。目前已有大量文獻對鉆井平臺就位誤差產生的原因及防控進行了研究[11-14]，但在就位誤差對鉆井平臺覆蓋能力要求的影響方面的研究尚較為少見。目前，在鉆井平臺選型及就位分析設計時，多采用附加經驗安全余量的方法對就位誤差的影響進行保守處理，得到的結果帶有一定的主觀經驗，不夠精確，實際就位作業過程中多有發生干涉的事例。本文通過對鉆井平臺就位及插樁作業過程各環節進行風險分析，同時研究就位誤差對鉆井平臺覆蓋能力影響的計算方法，為鉆井平臺就位及插樁安全作業提供參考依據。

1 就位安全性分析

為保證鉆井平臺就位精度，通常在距離就位目標導管架平臺1 km左右進行預插樁，之后將樁靴提離泥面一定距離向目標平臺靠近，在此期間，由于鉆井平臺樁靴至泥面距離較小，如果就位路徑上存在海底管纜，可能發生鉆井平臺樁靴刮碰海底管纜事故，導致生產設施損壞，甚至危及生產安全和海洋環境。為避免就位過程中鉆井平臺樁靴刮碰海底管纜，通常在導管架平臺和海底管纜設計初期，要求在導管架平臺進行鉆井平臺就位一側的一定區域范圍內禁止設計布置海底管纜。

鉆井平臺在靠近導管架平臺進行精就位過程中，鉆井平臺船體處于漂浮狀態，在風、浪、流作用下，鉆井平臺會突然出現較大的位移波動，同時，為保證鉆井平臺就位精度，鉆井平臺通常采用多次精就位靠近的措施[15]，因此，實際就位過程出現鉆井平臺與導管架平臺相撞的風險很大。為保證鉆井平臺精就位安全性，通常鉆井平臺在設計就位點時，鉆井平臺與導管架平臺的最近距離需要滿足合理的安全距離，該安全距離受作業海域影響較大，通常在渤海海域一般為1.5 m，在東海和南海海域一般要求不小于2.5～3 m。

鉆井平臺達到預定就位精度之后，為保證鉆井平臺作業需要的承載力，需要按操船手冊要求進行升船壓載插樁。該階段最大的風險是鉆井平臺樁腿突然穿刺并發生較大垂向位移，導致鉆井平臺樁腿發生塑性變形、船體產生較大傾角和橫向位移，造成鉆井平臺與導管架平臺相撞，如果在漂浮期間穿刺，若貫穿速度較快，鉆井平臺甚至將以樁靴泥線位為基點向延長線方向傾倒，進而造成重大的經濟和人員損失。鉆井平臺樁基穿刺后引起上部船體傾斜和橫向位移示意如圖1所示。

圖1 鉆井平臺樁基穿刺后引起上部船體傾斜和橫向位移示意Fig.1 Schematic diagram of inclination and lateral displacement of upper hull caused by pile foundation puncture of jack-up drilling platform

鉆井平臺壓載插樁的穿刺風險主要受插樁位置的地層土壤性質、鉆井平臺壓載量及樁靴面積影響。通常插樁穿刺是由于插樁位置地層土壤存在硬薄層，硬薄層承載力較大，硬薄層以下存在較大厚度承載力較低的軟層，俗稱“雞蛋殼”地層，樁靴穿越硬薄層后，因下部土壤層承載力迅速下降，鉆井平臺樁腿快速下沉，導致穿刺事故。為避免鉆井平臺壓載插樁穿刺風險，作業施工前，需要在鉆井平臺設計就位位置附近進行工程物探與工程地質調查，獲取鉆井平臺插樁位置附近的地層土壤樣本，根據規范規定的鉆井平臺插樁承載力計算方法，計算候選鉆井平臺在設計插樁位置處的承載力曲線及最大可能的穿刺行程和穿刺相對安全系數，按表1確定穿刺風險級別。表1中Fs指穿刺相對安全系數，計算方法見SY/T 6707；H指最大可能穿刺行程，單位為m；Ⅰ表示穿刺風險低，Ⅱ表示穿刺風險中等，Ⅲ表示穿刺風險中高，Ⅳ表示穿刺風險高，級別越高，風險越大。鉆井平臺樁靴至導管架樁腿距離也會影響穿刺風險級別，當該距離小于5 m時，穿刺風險級別宜在表1基礎上提高1級[16]。樁腿穿刺可能導致重大災難事故，是鉆井平臺就位安全分析的首要考慮因素，通常對于存在穿刺風險的鉆井平臺不建議作為候選資源，如果確實沒有符合要求的鉆井平臺資源，可以通過在插樁位置將硬薄層預鉆穿的方法，人為控制穿越硬薄層，避免出現突然穿刺造成事故。

表1 井場穿刺風險級別分類Table 1 Classification for risk levels of wellsite puncture

由于采用鉆井平臺進行調整井作業或修井作業，導管架平臺會面臨同一鉆井平臺或不同鉆井平臺的再就位，由于之前鉆井平臺就位樁坑的存在，再就位時，可能發生鉆井平臺樁靴滑移，導致鉆井平臺與導管架平臺碰撞。為避免鉆井平臺再就位時樁靴滑移，對于前后采用同一鉆井平臺進行作業的情況，通常采用踩原腳印的方法；對于不同鉆井平臺再就位的情況，建議采用樁靴比之前就位鉆井平臺樁靴大的鉆井平臺，如果只有樁靴比之前就位平臺樁靴小的鉆井平臺資源，通常滑移風險會較大，一般應提前采取樁坑回填的方式進行處理。

2 考慮就位誤差的覆蓋能力分析

2.1 就位基準點設計

鉆井平臺就位基準點是鉆井平臺覆蓋能力設計和實際就位作業過程進行鉆井平臺定位的重要參考點，通常設置在鉆井平臺上甲板艉部船體中軸線上，實際就位時，相對于設計就位位置，鉆井平臺會產生縱向就位誤差±δL，橫向就位誤差±δT，艏向旋轉誤差±α，如圖2所示。

圖2 鉆井平臺就位基準點及就位誤差示意Fig.2 Schematic diagram of drilling platform positioning datum point and positioning deviation

就位基準點的設計定義為確定就位基準點至固定平臺最內側井口中心的縱向距離Lb。單從幾何尺度覆蓋要求考慮，由于固定平臺最內側井口中心至平臺甲板邊緣的距離L0是固定的，因此，鉆井平臺就位基準點設計的約束條件是平臺間的安全距離Sbij，如圖3所示，分析時需要考慮3種誤差的疊加影響。式(1)～(3)給出了考慮橫向就位誤差和艏向旋轉誤差疊加條件下，滿足平臺間最小安全距離條件的就位基準點至固定平臺甲板邊緣距離的計算方法。

(1)

(2)

(3)

式中：Sbij為滿足平臺間最小安全距離條件下的就位基準點至固定平臺甲板邊緣的距離，m；s為鉆井平臺和固定平臺間的最小安全距離，m；WJ為鉆井平臺船體艉部寬度，m；WPL為固定平臺在設計就位基準線左舷的甲板寬度，m；WPR為固定平臺在設計就位基準線右舷的甲板寬度，m；i取1表示鉆井平臺向左舷橫移，取2表示鉆井平臺向右舷橫移；j取1表示鉆井平臺艏向順時針旋轉，取2表示鉆井平臺艏向逆時針旋轉。

圖3 鉆井平臺就位基準點設計示意Fig.3 Schematic diagram of design on positioning datum point of drilling platform

(4)

2.2 縱向覆蓋分析

如圖4所示，鉆井平臺實際就位后，不同就位誤差疊加條件下，轉盤中心覆蓋固定平臺最內側井口中心時，懸臂梁的伸出長度可通過式(5)算得，取所有計算值的最大值，即為幾何尺寸上鉆井平臺的縱向覆蓋能力要求。

圖4 考慮就位誤差的鉆井平臺覆蓋能力要求分析示意Fig.4 Schematic diagram of analysis on coverage capability requirements of drilling platform considering positioning deviation

Lij(Lx)=[Tj-(-1)i+j·δT]·sinα+Lx·cosα
Lb-δL≤Lx≤Lb+δL

(5)

式中：Lij表示覆蓋縱向最內側井口中心時，鉆井平臺懸臂梁縱向伸出的距離，m；Tj表示橫向最外側井口中心至鉆井平臺設計就位位置船體中軸線的距離，m。

由式(5)可知，當鉆井平臺就位基準點設計值確定時，鉆井平臺縱向幾何尺度覆蓋能力要求受就位誤差影響，其取值是一個范圍。

2.3 橫向覆蓋分析

鉆井平臺橫向覆蓋能力要求是指橫向最外側井口中心至鉆井平臺船體中軸線的距離，如圖4所示。不考慮就位誤差時，對于確定的井槽分布，鉆井平臺橫向覆蓋能力要求只與鉆井平臺設計就位中軸線的位置有關。考慮3種就位誤差疊加后，橫向最外側井口中心至鉆井平臺船體中軸線的距離可通過式(6)求得，取其最大值即為鉆井平臺橫向覆蓋能力要求。

(6)

由式(6)可知，當鉆井平臺就位基準點設計值確定時，鉆井平臺橫向幾何尺度覆蓋能力要求受就位誤差影響，其取值也是一個范圍。

3 算例分析

某海域新建1座導管架平臺，采用自升式鉆井平臺進行鉆完井作業。導管架平臺設置12個井槽，井槽排列4(行)×3(列)，行方向(平臺東西方向)井槽間距2 m，列方向井槽間距2.5 m，鉆井平臺從導管架平臺西側就位，導管架平臺所在海域鉆井平臺就位誤差按縱向±0.4 m、橫向±0.4 m，艏向±1.5°考慮，鉆井平臺和導管架平臺間的最小安全距離按2 m考慮。表2為導管架平臺和擬采用鉆井平臺的就位關鍵尺寸參數，分析擬采用的鉆井平臺是否能夠覆蓋導管架平臺所有井槽。

表2 導管架平臺和擬采用鉆井平臺的就位關鍵尺寸參數Table 2 Key dimension parameters of positioning for jacket platform and drilling platform to be used m

根據式(1)～(3)計算滿足平臺間最小安全距離條件下的就位基準點至導管架平臺甲板邊緣的距離，計算結果如表3所示。根據式(4)算得Lbmin為19.37 m。

表3 滿足平臺間最小安全距離條件下的就位基準點至固定平臺甲板邊緣的距離Table 3 Distance from positioning datum point to edge of fixed platform deck under condition of meeting minimum safety distance between platforms m

根據式(5)和式(6)分別計算考慮就位誤差條件下的鉆井平臺縱向和橫向覆蓋要求，計算結果如表4所示。

表4 考慮就位誤差條件下的鉆井平臺縱向和橫向覆蓋要求Table 4 Longitudinal and transversal coverage requirements of drilling platform considering positioning deviation m

根據計算，要求自升式鉆井平臺縱向覆蓋能力應不小于19.45 m，橫向覆蓋能力應不小于±4.55 m，擬采用的自升式鉆井平臺縱向最大覆蓋能力為22.86 m，橫向最大覆蓋能力為±4.572 m，滿足覆蓋固定平臺所有井槽的要求，可以選用并進行其他需求分析。

4 結論

1)插樁穿刺風險是鉆井平臺就位安全和選型的首要考慮因素。

2)就位誤差會明顯提高對鉆井平臺覆蓋能力的要求，進而影響鉆井平臺選型。

3)井槽布局、平臺間安全距離、就位誤差等客觀條件確定后，鉆井平臺就位基準點的設計值存在1個最小值。

4)鉆井平臺就位基準點的設計值直接影響鉆井平臺橫向和縱向幾何尺度覆蓋要求，從而影響可供選擇的鉆井平臺資源范圍，需要根據實際情況，選取合理的就位基準點設計值。