龍 黎劉 賓劉 錚薛志剛孫永全鄭前進陳垚森

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067;2.深圳市寶安區(qū)大空港新城發(fā)展事務(wù)中心,廣東 深圳 518101;3.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510610)

在全球海洋油氣資源的勘探開發(fā)中,自升式鉆井平臺以其移動靈活、造價較低且適用不同海底條件和較大水深變化范圍等優(yōu)勢,在海洋石油鉆井裝備中占據(jù)了重要的地位。典型的自升式鉆井平臺由3根樁腿支持其鉆井平臺模塊,每個樁腿上都有其專屬的“樁靴”。平臺拖航就位后,通過抽水至甲板上實行壓載,在此過程中樁靴緩慢插入海底泥面以下,直到達到最大預(yù)壓載荷,實現(xiàn)平臺穩(wěn)定。

當海底泥面下存在著上硬下軟且硬地層厚度較薄的層狀地層時,自升式平臺將會發(fā)生不可控的快速沉降,即發(fā)生“穿刺”(punch-through)。而一旦鉆井平臺作業(yè)水深和樁腿入泥深度之和超過平臺作業(yè)極限時,將會導致自升式鉆井平臺發(fā)生如樁腿損壞、船體傾斜,甚至翻沉等重大安全事故。因此在自升式鉆井平臺壓載作業(yè)前,要先進行井場工程地質(zhì)調(diào)查,其工作內(nèi)容主要為根據(jù)平臺樁腿數(shù)量進行若干個40 m 的PCPT 作業(yè),其原理是利用一根安裝了傳感器的圓錐形探頭在地層中以準靜力勻速貫入,所采集的各項應(yīng)力數(shù)據(jù)如錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)可連續(xù)、實時地反映地層變化特征,再結(jié)合1個40 m 的海底地層鉆孔取樣結(jié)果,根據(jù)經(jīng)驗公式來進行土質(zhì)分類和特性分析、推斷地層的設(shè)計強度參數(shù),為自升式鉆井平臺插樁深度計算提供基礎(chǔ)資料。

前人的研究主要集中在研究穿刺的機理和優(yōu)化運用PCPT 測試中獲取的參數(shù)進行地層承載力的計算等[1-5],需較長的現(xiàn)場作業(yè)時間和室內(nèi)計算時間方能得到可靠結(jié)論。南海東部海域每年10月至翌年3月進入冬季季風期,海況惡劣,海上現(xiàn)場作業(yè)時窗較窄,如何運用PCPT 測試所獲取的參數(shù)快速實現(xiàn)自升式平臺插樁壓載作業(yè)安全評估,對于提升季風期井場調(diào)查的工作效率具有十分現(xiàn)實的意義。

1 穿刺機理及其計算原理

自升式鉆井平臺穿刺,是指平臺在升船壓載過程中,樁腿之下的樁靴遇到硬地層之下存在軟地層的層狀地基,當樁靴施加的壓載超過層狀地基承載力時,地基土發(fā)生沖剪破壞,樁靴穿過硬地層進入軟地層后,由于承載力的大幅度下降,造成平臺樁腿發(fā)生迅速且不可控的下沉現(xiàn)象。因此當?shù)貙拥某休d力曲線出現(xiàn)隨著深度增加而降低的情況,必須對樁靴穿刺可能性進行評價。下列3種情況均有可能導致平臺樁腿在壓載過程中發(fā)生穿刺:①均一厚層黏性地層中的穿刺破壞;②上硬下軟的地層,且硬地層較薄,當樁靴穿過上部硬層時的穿刺破壞;③上硬下軟的黏性地層,樁靴位于硬層中,壓載完成后,由于鉆井作業(yè)過程中的震動和循環(huán)荷載等原因,上部硬層土產(chǎn)生漸進破壞導致硬地層土的強度降低,承載力下降,出現(xiàn)穿刺破壞。

其中第2種情況即所謂的硬殼地層,俗稱“雞蛋殼”地層。當自升式平臺的樁靴接觸硬殼地層的頂層時,因下覆軟地層的存在,硬殼地層的承載力不足以支撐樁腿的壓載量,致使硬殼地層發(fā)生沖剪破壞,其土層從樁靴兩側(cè)擠出,樁靴會快速穿透硬殼地層而進入下覆軟地層,這是自升式鉆井平臺插樁壓載作業(yè)中最常見且危害性最大的穿刺情況。

關(guān)于硬殼地層穿刺分析計算,國內(nèi)普遍采用的《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[6]和SNAMe(The Society of Naval Architects and Marine Engineers)[7]推薦的方法。2種方法大致相同,都采用由Young和Focht提出的1∶3載荷擴展法進行計算[8],這個方法的原理是假設(shè)施加在上層硬地層的基礎(chǔ)載荷被擴展通過硬層,在下層軟地層的頂面產(chǎn)生一個假設(shè)的等效基礎(chǔ),通過硬地層的擴展比例因子為1∶3(水平方向∶垂直方向)(圖1)。在這種情況下,上部硬地層的承載力由下層軟地層的強度決定,穿刺的安全性主要取決于上層硬地層的厚度。其計算公式為:

圖1 3∶1載荷擴展法示意圖Fig.1 A sketch map of 3∶1 load spread method

式中:Nkt為PCPT 測試所用的錐頭系數(shù);qt為校正后的PCPT 錐尖阻力,qt=qc+(1-a)×u2,其中,qc為PCPT 測試錐尖阻力(MPa)、u2為PCPT 測試孔隙壓力(MPa)、a為PCPT 測試所用探頭圓錐面積比;σvo為總上覆壓力。

由此可見,當自升式鉆井平臺類型、樁腿樁靴大小和井口位置確定后,PCPT 測試中實測到的錐尖阻力qc和孔隙壓力u2可作為判斷硬殼地層的關(guān)鍵參數(shù):當其隨鉆曲線出現(xiàn)明顯高于上下地層的異常波動,且地層厚度較薄時(據(jù)南海東部海域經(jīng)驗,一般小于4 m),則可基本判斷該地層為硬殼地層。

2 案例分析

目前,南海東部海域常規(guī)自升式井場工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)的主要內(nèi)容為:依次對自升式鉆井平臺的3個樁腿進行40 m PCPT 測試,再在井口位置完成1個40 m 鉆孔取樣,現(xiàn)場作業(yè)時間約為2 d。然后將取樣結(jié)果和PCPT 測試結(jié)果返回陸地進行室內(nèi)分析和計算,室內(nèi)分析需2～3 d,方能得到可靠的結(jié)論及建議報告(圖2)。

圖2 南海東部海域常規(guī)自升式井場工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)流程Fig.2 The flow chart of conventional engineering geological survey at the jack-up well site in the eastern South China Sea

2.1 案例1

某年10月,南海東部海域已進入冬季季風期,H 平臺計劃3 d后鉆探HZ井,該井位水深110 m。H 平臺是一艘三樁腿的自升式平臺,最大壓載載荷112.2 MN,作業(yè)極限為122 m,考慮平臺作業(yè)安全,H 平臺在HZ井完成壓載后其樁腿入泥深度不得超過12 m。若按常規(guī)方法開展HZ井的工程地質(zhì)調(diào)查,現(xiàn)場作業(yè)時間需2 d,而受季風影響當時海上作業(yè)時窗只有不到1 d的時間。因此現(xiàn)場決策在進行HZ井工程地質(zhì)作業(yè)時優(yōu)先開展H 平臺1#樁腿的PCPT 測試作業(yè),重點關(guān)注其錐尖阻力和孔隙壓力這2個可用于判斷該地層下是否存有硬殼地層關(guān)鍵數(shù)據(jù)的隨鉆曲線,進而分析其地層變化,評估在壓載過程中平臺樁腿穿刺的可能性。

現(xiàn)場PCPT 測試隨鉆結(jié)果表明:在HZ井1#樁腿預(yù)定位置泥面以下8～10 m 處,存在一個厚度約為2 m的硬質(zhì)地層,其錐尖阻力qc值明顯大于上下相鄰地層,說明該地層具有明顯的硬殼地層特征(圖3)。

圖3 H 平臺1#樁腿PCPT 測試隨鉆曲線Fig.3 The while-drilling curve of PCPT at 1#pile leg of Platform H

H 平臺在該地層內(nèi)的插樁作業(yè)中一旦發(fā)生穿刺,H 平臺1#樁腿將快速沉降至泥面以下19.2 m,穿刺行程達到11.2 m,超過了H 平臺的作業(yè)極限(圖4)。因此在完成HZ井1#樁腿的PCPT 測試后,立即停止該井后續(xù)工程地質(zhì)作業(yè),調(diào)查船轉(zhuǎn)場至其他備用井開展作業(yè),整個現(xiàn)場作業(yè)耗時8 h。

圖4 H 平臺1#樁靴壓載載荷與其入泥深度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the pressure load and the depth into the mud at 1#pile shoe of Platform H

2.2 案例2

某年12月,F平臺計劃2 d后鉆探LD 井,該井位水深76.3 m。F平臺是一艘三樁腿的自升式平臺,最大壓載載荷64.7 MN,作業(yè)極限為90 m,考慮平臺作業(yè)安全,F平臺在LD 井完成壓載后其樁腿入泥深度不得超過14 m。

現(xiàn)場PCPT 測試隨鉆結(jié)果表明:在LD 井1#樁腿預(yù)定位置泥面以下8～12 m 處,存在一個厚度約為4 m 的硬質(zhì)地層,其錐尖阻力qc值明顯大于上下相鄰地層,但其絕對值并不大,說明該地層具有明顯的硬殼地層特征,且其地層承載力不大(圖5)。

圖5 F平臺1#樁腿PCPT 測試隨鉆曲線Fig.5 The while-drilling curve of PCPT at 1#pile leg of Platform F

根據(jù)現(xiàn)場計算,F平臺在該地層內(nèi)的插樁作業(yè)中一旦發(fā)生穿刺,該硬殼地層以下12～40 m 的下覆地層均不足以支撐F平臺樁靴的壓載載荷,F平臺將發(fā)生不可預(yù)期的快速沉降(圖6)?？紤]到平臺作業(yè)安全的因素,現(xiàn)場評估該井場不適合F平臺承鉆,整個現(xiàn)場作業(yè)耗時約7 h。

圖6 F平臺1#樁靴壓載載荷與其入泥深度關(guān)系Fig.6 The relationship between the pressure load and the depth into the mud at 1#pile shoe of Platform F

目前,南海東部海域采用了一套新的自升式鉆井平臺壓載穿刺風險隨鉆評估機制,該機制在逐個對平臺樁腿進行PCPT 測試時,密切觀察其隨鉆曲線的變化,結(jié)合平臺的實際作業(yè)能力,可實時判斷自升式平臺壓載穿刺的風險(圖7)。

圖7 自升式鉆井平臺壓載穿刺風險隨鉆評估機制流程Fig.7 The flow chart of the while-drilling evaluation system for the punch-through risk of jack-up drilling platform during preloading

對比2015-2019年南海東部海域井場調(diào)查單井作業(yè)時效和案例一HZ 井、案例二LD 井的作業(yè)時效(圖8)可知,相對于常規(guī)井場工程地質(zhì)作業(yè),該機制在提升井場工程地質(zhì)現(xiàn)場作業(yè)時效和節(jié)約成本方面具有明顯的優(yōu)勢,尤其是在季風期其優(yōu)勢更加明顯。

圖8 HZ井、LD 井及2015-2019年南海東部海域單井工程地質(zhì)作業(yè)時效對比Fig.8 The histograms of the time-effectiveness of the engineering geological survey operations at Well HZ,Well LD and the single-wells drilled in the eastern South China Sea during 2015-2019

3 結(jié) 論

本文根據(jù)南海東部海域多年的工作經(jīng)驗,結(jié)合具體工程案例,總結(jié)了自升式鉆井平臺壓載穿刺朵險評估機制,得到以下結(jié)論:

1)PCPT 測試中其錐尖阻力qc曲線和孔隙壓力u2隨鉆曲線的異常波動,可作為定性識別硬殼地層的重要指標。在冬季季風期現(xiàn)場作業(yè)時窗較短的情況下,通過合理安排作業(yè)順序,重點關(guān)注qc和u2隨鉆曲線的變化,可實現(xiàn)快速地評估平臺插樁壓載過程中穿刺風險的目的,提升現(xiàn)場工作效率。

2)作業(yè)能力類似H 或F的自升式鉆井平臺的插樁壓載過程中,在厚度小于4 m 的硬殼地層中極易發(fā)生穿刺。但對于不同海域,需要研究人員在對本地區(qū)沉積背景和平臺作業(yè)能力進行充分總結(jié),探究本地區(qū)硬殼地層厚度的一般規(guī)律。