王建寧 張靈軍 張志剛

(中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司 北京 100029)

西非海上自升式鉆井平臺(tái)提高拔樁效率的方法與措施

王建寧 張靈軍 張志剛

(中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司 北京 100029)

西非幾內(nèi)亞灣OML-12X區(qū)塊內(nèi)自升式鉆井平臺(tái)插樁入泥深度過(guò)大，在鉆井作業(yè)之后平臺(tái)拔樁十分困難，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)拔樁過(guò)程中破壞平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失的問(wèn)題。通過(guò)分析，將自升式鉆井平臺(tái)的拔樁過(guò)程分為克服樁靴吸附力和克服上行阻力2個(gè)階段，利用吸盤(pán)效應(yīng)理論對(duì)樁靴吸附力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)減小樁靴上行阻力的有效途徑進(jìn)行了探討，提出了2種提高拔樁效率的方法，即對(duì)樁靴下部地層充分水化分散和灌注表面活性劑促進(jìn)內(nèi)外壓力的聯(lián)通。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，本文提出的方法比較符合實(shí)際情況，能夠有效指導(dǎo)海上自升式鉆井平臺(tái)拔樁實(shí)踐，提高拔樁效率和安全性。

西非幾內(nèi)亞灣；自升式鉆井平臺(tái)；拔樁效率；樁靴；吸盤(pán)效應(yīng)；吸附力；上行阻力

西非幾內(nèi)亞灣OML-12X區(qū)塊位于十字河入?？谀喜?，離岸7 km，水深3～45 m，區(qū)塊內(nèi)海底古河道密集，沉積物類型多樣，上部以泥質(zhì)沉積為主且厚度巨大。在該區(qū)域的油氣勘探開(kāi)發(fā)中，自升式鉆井平臺(tái)因其良好的轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活性和對(duì)淺水區(qū)的適應(yīng)能力成為鉆井作業(yè)的首選[1]，但在個(gè)別地區(qū)由于區(qū)域海底沉積特性而出現(xiàn)自升式鉆井平臺(tái)插樁深度過(guò)大致使拔樁困難，甚至在拔樁過(guò)程中造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞的事故。在對(duì)區(qū)塊內(nèi)作業(yè)的7艘自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出：樁靴入泥深度范圍為16～48 m，平均22.4 m，拔樁時(shí)間超過(guò)30 d的作業(yè)1次，超過(guò)10 d的作業(yè)3次，復(fù)雜和持久的拔樁作業(yè)給平臺(tái)本身和油氣生產(chǎn)設(shè)施帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患并間接推高了鉆井作業(yè)成本[2]。目前在自升式鉆井平臺(tái)拔樁方面的研究中大都將樁靴吸附力和樁靴上行阻力放在一個(gè)公式中進(jìn)行計(jì)算或進(jìn)行數(shù)值分析[3-4]，計(jì)算所得的結(jié)果往往偏大，經(jīng)常顯示無(wú)法完成拔樁作業(yè)，對(duì)后續(xù)的作業(yè)起不到應(yīng)有的指導(dǎo)作用。筆者從吸盤(pán)效應(yīng)的角度分析樁靴吸附力的產(chǎn)生機(jī)理，提出了消除或減弱樁靴吸附力和減小樁腿上行期間阻力的2 種提高拔樁效率的方法，并在該區(qū)域的自升式鉆井平臺(tái)拔樁實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果顯示上述理論和方法比較符合實(shí)際情況，可以有效指導(dǎo)拔樁實(shí)踐，提高拔樁效率。

1 自升式鉆井平臺(tái)的拔樁機(jī)理

1.1 傳統(tǒng)的拔樁機(jī)理

自升式鉆井平臺(tái)傳統(tǒng)拔樁受力如圖1所示。自升式鉆井平臺(tái)拔樁時(shí)受到的阻力可表示為

F=F1+F2+F3+F4+F5+F6

(1)

式(1)中：F為拔樁時(shí)所受總阻力，kN；F1為樁靴上部土體重量，kN；F2為由于土壤擴(kuò)散角的存在而引起的樁靴側(cè)上部土體重量，kN；F3為樁靴周向摩擦力，kN；F4為樁靴底面的吸附力，kN；F5為原始土體剪切力，kN；F6為樁靴自身的浮重，kN。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)傳統(tǒng)拔樁受力圖[5-6]

傳統(tǒng)拔樁機(jī)理認(rèn)為拔樁時(shí)樁靴同時(shí)受到下部地層的吸附力和樁靴上行阻力(上部土體重力、樁靴摩擦力和土體剪切力等)的影響，要成功實(shí)現(xiàn)平臺(tái)拔樁就必須滿足平臺(tái)最大拔樁力大于上述兩力之和。但在實(shí)際計(jì)算中，由式(1)計(jì)算得出的結(jié)果往往偏大，在插樁過(guò)深(>10 m)時(shí)總會(huì)顯示依靠平臺(tái)自身浮力無(wú)法完成拔樁作業(yè)的情況，無(wú)法順利指導(dǎo)拔樁作業(yè)的安全進(jìn)行。

1.2 基于吸盤(pán)效應(yīng)的拔樁機(jī)理

在日常生活中，只要用力將橡膠吸盤(pán)按壓到較為光滑的物體表面時(shí)吸盤(pán)就會(huì)“粘”在上面，即使用很大的力氣也很難將其拔下，這就是吸盤(pán)效應(yīng)(圖2)，其原理是吸盤(pán)和物體表面之間形成了近似于真空的狀態(tài)，吸盤(pán)外部仍受正常大氣壓的作用，這種壓差便將吸盤(pán)緊緊推靠在物體表面而難以拔下。

圖2 吸盤(pán)效應(yīng)

在自升式鉆井平臺(tái)壓載插樁之后，由于巨大的壓力，在與樁靴下表面相接觸的地層孔隙度會(huì)變小、滲透性變差，地層所含流體和外部空間的交流通道被阻隔或切斷，下伏地層所含粘土越高這種情況就會(huì)越嚴(yán)重，此時(shí)平臺(tái)樁靴和下伏地層表面之間就會(huì)產(chǎn)生接近于真空的狀態(tài)；而樁靴上部則受到回填泥沙重力、海水壓力和大氣壓力的作用，此時(shí)在樁靴上下2個(gè)界面上會(huì)產(chǎn)生巨大的壓差，從而導(dǎo)致吸盤(pán)效應(yīng)并表現(xiàn)為吸附力S，如圖3所示。這種吸附力在總的拔樁阻力中所占比例較大，一般占到40%～60%[7]。由吸盤(pán)效應(yīng)可推導(dǎo)得出樁靴下表面全為真空時(shí)的吸附力計(jì)算公式，即

S=S1+S2+S3

(2)

式(2)中：S為樁靴吸附力，kN；S1為樁靴上部回填泥沙濕重，kN；S2為海水液柱壓力(只計(jì)純海水深度)，kN；S3為大氣壓力，kN。

圖3 自升式鉆井平臺(tái)樁靴的吸盤(pán)效應(yīng)

從由吸盤(pán)效應(yīng)所產(chǎn)生的吸附力原理可知，自升式鉆井平臺(tái)樁靴的吸盤(pán)效應(yīng)只存在于樁靴和下伏地層相接觸的原始狀態(tài)時(shí)，而當(dāng)樁靴脫離此狀態(tài)后，吸附力將不再阻礙樁靴上行，之后上行阻力僅來(lái)源于樁靴與地層間的摩擦力、部分土體剪切力(假設(shè)回填土體完全膠結(jié)前剪切力小于原始土體剪切力)以及部分泥沙的浮重。實(shí)踐也表明,只要樁腿上行脫離原始下伏地層0.5 m之后，吸附力會(huì)顯著下降，拔樁往往變得非常順利[5]。據(jù)此可將平臺(tái)拔樁分為2個(gè)階段：第1個(gè)階段是克服樁靴吸附力，第2個(gè)階段是克服樁靴上行的阻力。根據(jù)吸盤(pán)效應(yīng)原理,克服樁靴的吸附力沒(méi)有必要完全依靠平臺(tái)船體入水的浮力，僅需要破壞其下部的真空狀態(tài)即可；而樁靴上行阻力則主要應(yīng)以平臺(tái)船體的浮力來(lái)克服。

樁靴上行阻力為

Q=Q1+Q2+F3+a1F5+F6

(3)

平臺(tái)最大拔樁能力為

U=9.8AHρa(bǔ)2

(4)

式(3)、(4)中：Q為樁靴上行時(shí)的阻力，kN；Q1為回填泥沙浮重，kN；Q2為土壤擴(kuò)散角引起的樁靴側(cè)上部土體浮重，kN；F3為樁靴周向摩擦力，kN；a1為土體剪切力作用系數(shù)，平臺(tái)就位時(shí)間小于100 d時(shí)取值0.1～0.4，就位時(shí)間大于100 d時(shí)取值0.5～0.8；F5為原始土體剪切力，kN；F6為樁靴自身的浮重，kN；U為平臺(tái)最大拔樁能力，kN；A為平臺(tái)船體橫截面積，m2；H平臺(tái)船體干弦高度，m；ρ為海水密度，g/cm3；a2為推薦安全系數(shù)，取值0.95。

2 提高拔樁效率的主要方法與措施

針對(duì)平臺(tái)拔樁過(guò)程中克服樁靴吸附力和上行阻力這2個(gè)階段的不同特點(diǎn)，可采取以下降阻措施來(lái)提高平臺(tái)拔樁效率和安全性。

2.1 消除或減弱樁靴的吸附力

消除或減弱樁靴吸附力的有效途徑是破壞樁靴下部的真空狀態(tài)，主要措施是充分對(duì)樁靴下部地層進(jìn)行分散、水化；打通樁靴附近地層所含流體與外部空間的交換通道，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓力有效傳導(dǎo)與平衡[6]。方法1是合理安排沖樁作業(yè)，一般先安排1 500 L/min、3.5 MPa高壓沖樁15 min，再安排1 900 L/min、0.7 MPa低壓沖樁30 min，這樣連續(xù)交替運(yùn)行，目的是通過(guò)高壓水射流建立流體通道，再通過(guò)低壓沖樁，管匯大量補(bǔ)充水分以利于地層水化分散。方法2是在低壓沖樁過(guò)程中混入表面活性劑，其原理和解除壓差卡鉆一樣，對(duì)地層粘土介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)水化分散以提高樁靴附近地層的滲透性，促進(jìn)內(nèi)外壓力的重新平衡。該類型表面活性劑種類很多，在西非地區(qū)廣泛使用的是MI-SWACO公司生產(chǎn)的SOLITEX，配漿質(zhì)量濃度為35 g/L，在沖樁過(guò)程中盡量持續(xù)活動(dòng)樁腿，促進(jìn)樁靴和地層之間縫隙的產(chǎn)生和內(nèi)外壓力平衡，同時(shí)也能夠時(shí)刻檢驗(yàn)沖樁消除吸附力的效果。

2.2 減小樁腿上行期間的阻力

在樁靴下部吸附力基本消除之后，如果還不能通過(guò)平臺(tái)船體的自身浮力拔樁，則須采取措施克服樁靴上行阻力。減小甚至消除這部分阻力途徑有3種。第1種是繼續(xù)使用沖樁系統(tǒng)并混入表面活性劑來(lái)盡量剝離上伏的泥沙，擴(kuò)大樁靴上升通道，并潤(rùn)滑縱向上的地層斷面。第2種是將小直徑管子(鉆桿或油管等)插入樁靴附近地層中并連接到鉆井泵或固井泵壓力系統(tǒng)進(jìn)行沖樁作業(yè)，通過(guò)這種方式加速樁靴上部泥沙水化、移動(dòng)以減小對(duì)樁靴的壓力。該方法有2種實(shí)現(xiàn)形式：一是在平臺(tái)樁孔內(nèi)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易小平臺(tái)，將鉆具連接起來(lái)并固定在小平臺(tái)之上，然后連通管匯進(jìn)行沖樁作業(yè)；二是使用吊車(chē)懸吊鉆具直接插入平臺(tái)舷外海底進(jìn)行沖樁。第3種是采用管式氣動(dòng)挖泥器將樁靴上部或周?chē)哪嗌澄龊Ｃ娌娚涞竭h(yuǎn)離樁靴的地方，其原理是高壓水射流噴嘴配合攪動(dòng)爪破壞挖泥器下部地層，挖泥器管子內(nèi)通入壓縮空氣，空氣高速流動(dòng)形成負(fù)壓將泥水混合物帶出挖泥器并噴至遠(yuǎn)方[8]。實(shí)踐表明，第3種方式非常有效并在中外多個(gè)油田得到了應(yīng)用，平臺(tái)拔樁效果良好，典型工具如DredgePro International公司的Dredging-Pipe，其額定排泥速度為18.9 m3/min。

由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)拔樁方法相比，本文新方法對(duì)拔樁阻力進(jìn)行了合理分割，并根據(jù)相應(yīng)特點(diǎn)提出了解決辦法，從而豐富了拔樁作業(yè)手段，可以提高拔樁效率。

3 西非OML-12X油田成功拔樁實(shí)例

AD-10自升式鉆井平臺(tái)在OML-12X油田ADN區(qū)域，插樁深度16.4 m，區(qū)域水深12 m，海床下土體性質(zhì)見(jiàn)表1。按照傳統(tǒng)拔樁阻力計(jì)算方法得到的拔樁阻力為66 388 kN，而該平臺(tái)最大拔樁能力為50 742 kN，表明憑借平臺(tái)自身浮力無(wú)法拔出樁腿。但根據(jù)本文新方法得到的樁靴提升時(shí)的阻力僅為49 915 kN，在平臺(tái)拔樁能力之內(nèi)。因此，基于消除拔樁第1階段的樁靴吸附力方法進(jìn)行沖樁，先高壓后低壓，交替沖樁23 h后平臺(tái)左舷樁腿開(kāi)始松動(dòng)，按照同樣方法對(duì)其他2個(gè)樁腿照例進(jìn)行沖樁，最終3條樁腿全部松動(dòng)，之后順利拔出。

表1 ADN區(qū)域海床下土體取樣數(shù)據(jù)

HI-7自升式鉆井平臺(tái)在OML-12X油田ADN區(qū)域，插樁深度24 m，在拔樁過(guò)程中采用高低壓沖樁30 h未果；隨后在低壓沖樁水中混入表面活性劑對(duì)左樁灌注8 m3后靜置4 h，期間反復(fù)活動(dòng)樁腿，樁腿開(kāi)始松動(dòng)，2 h內(nèi)提升樁腿0.6 m；之后阻力迅速減小，拔樁順利完成。其他2個(gè)樁腿使用同樣方法拔出。

SW-OM自升式鉆井平臺(tái)在OML-12X油田AS區(qū)域，插樁深度42 m，就位時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.5 a，拔樁時(shí)由于上部回填土重新膠結(jié)致使拔樁異常困難，在沖樁并泵入表面活性劑無(wú)果后采用管式氣動(dòng)挖泥器對(duì)樁靴上部及周?chē)嗌尺M(jìn)行了清除，平均每個(gè)樁腿上部清除泥沙深度16 m左右，之后平臺(tái)活動(dòng)成功，整個(gè)過(guò)程中清除泥沙約8 000 m3。

4 結(jié)論

1) 由于吸盤(pán)效應(yīng)產(chǎn)生的樁靴吸附力對(duì)拔樁影響很大，通過(guò)對(duì)樁靴下部地層充分水化分散和灌注表面活性劑促進(jìn)內(nèi)外壓力聯(lián)通的方法可以消除這一平臺(tái)拔樁阻力。

2) 將拔樁過(guò)程分為克服樁靴吸附力和上行阻力的2個(gè)階段，并針對(duì)這2個(gè)階段的不同特點(diǎn)采取對(duì)應(yīng)的降阻措施，能夠有效指導(dǎo)平臺(tái)拔樁實(shí)踐并提高拔樁效率和安全性。其中，管式氣動(dòng)挖泥器對(duì)于插樁過(guò)深的平臺(tái)拔樁意義重大，能有效消除上部泥沙壓力，輔助平臺(tái)順利拔樁。

[1] 袁光宇.中國(guó)近海自升式鉆井平臺(tái)選型影響因素分析[J].中國(guó)海上油氣，2012,24(3)：48-51.

Yuan Guangyu.Affecting factor analysis on type selection of jackup rig for offshore China[J].China Offshore Oil and Gas,2012,24(3):48-51.

[2] 趙軍，段夢(mèng)蘭，宋林松，等．自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)老腳印對(duì)樁靴性能的影響分析[J]．中國(guó)海上油氣，2014,26(5)：104-108,115．Zhao Jun,Duan Menglan,Song Linsong,et al.Effect of the footprint on the structure behavior of spud can during jackup emplacement[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(5):104-108,115.

[3] 段夢(mèng)蘭，張愛(ài)霞，王建軍，等．自升式鉆井平臺(tái)拔樁阻力預(yù)測(cè)的數(shù)值計(jì)算方法[J]．機(jī)械強(qiáng)度，2010,32(6)：961-966．Duan Menglan,Zhang Aixia,Wang Jianjun,et al.Numerical method for predicting uplift capacity of jack-up platform[J].Journal of Mechanical Strength,2010,32(6):961-966.

[4] 宋林松，曹式敬，李軍偉，等．基于拔樁能力的自升式平臺(tái)海外作業(yè)優(yōu)選[J]．海洋石油，2010,30(4)：106-110．

Song Linsong,Cao Shijing,Li Junwei,et al.Jack-up selection for overseas operation based on leg retracting ability[J].Offshore Oil,2010,30(4):106-110.

[5] 姜偉，汪順文，楊進(jìn)，等.自升式鉆井平臺(tái)插樁作業(yè)控制技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012:122-123.

[6] 張寶平，金元?jiǎng)?，王金明，等．自升式鉆井平臺(tái)沖樁對(duì)拔樁阻力影響研究[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015,44(6)：59-62．

Zhang Baoping,Jin Yuangang,Wang Jinming,et al.Research of jack-up drilling rig leg jetting effect on pile-pulling force[J].Oil Field Equipment,2015,44(6):59-62.

[7] 丁紅巖，樂(lè)叢歡，張浦陽(yáng)．海上自升式鉆井平臺(tái)拔樁階段樁靴上拔阻力的機(jī)理研究[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,44(4)：324-330．

Ding Hongyan,Yue Conghuan,Zhang Puyang.Mechanism study on spudcan uplift resistance of offshore jack-up drilling platform during the process of extraction[J].Journal of Tianjin University,2011,44(4):324-330.

[8] 劉允杭，楊旬．自升式鉆井平臺(tái)新型拔樁挖泥器的研制[J]．石油工程建設(shè)，2013,39(6)：38-40．

Liu Yunhang,Yang Xun.Development of a new type of dredger for leg pulling of jack-up rigs [J].Petroleum Engineering Construction,2013,39(6):38-40.

(編輯：葉秋敏)

Measures for improving the leg-pull-out efficiency of offshore jack-up drilling platforms in West Africa

Wang Jianning Zhang Lingjun Zhang Zhigang

(SinopecInternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,Beijing100029,China)

Legs of jack-up drilling platforms in OML-12X block in Gulf of Guinea in West Africa can penetrate very deeply, and the leg pull-out operation after drilling campaign is very complicated. Sometimes the integrity of the platform can even be compromised, resulting in great financial losses. After analysis, leg pull-out process was divided into two stages: overcoming the suction effect which comes from the formation layers below spudcans; and overcoming the resistance force which comes from the up-moment of spudcans. The generating mechanism of spudcan suction effect was explained by plastic sucker effect theory and the efficient measure to reduce the up-moment resistance force was analyzed. Two methods to improve the efficiency of leg pull-out operations were proposed: 1) fully hydrating and dispersing the formation layers below spudcans; and 2) establishing good hydraulic communication between the internal and external pressures by injecting surfactants. Field practice indicates that the approach in this paper is applicable in field operations, can guide leg pull-out operations for jack-up platforms, and results in high efficiency and safety.

Gulf of Guinea in West Africa; jack-up drilling platform; leg pull-out efficiency; spudcan; plastic sucker effect; suction force; up-moment resistance force

王建寧，男，工程師，2008年畢業(yè)于俄羅斯國(guó)立石油天然氣大學(xué)海洋鉆井專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海外海洋鉆井工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)安慧里一區(qū)21號(hào)樓304(郵編：100101)。E-mail：jnwang.sipc@sinopec.com。

1673-1506(2016)04-0132-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.021

P752

A

2015-12-09 改回日期：2016-01-28

王建寧,張靈軍,張志剛.西非海上自升式鉆井平臺(tái)提高拔樁效率的方法與措施[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(4)：132-135.

Wang Jianning,Zhang Lingjun,Zhang Zhigang.Measures for improving the leg-pull-out efficiency of offshore jack-up drilling platforms in West Africa[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):132-135.