龍 黎劉 賓劉 錚薛志剛孫永全鄭前進(jìn)陳垚森

(1.中海石油(中國(guó))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(cè)設(shè)計(jì)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(tái)以其移動(dòng)靈活、造價(jià)較低且適用不同海底條件和較大水深變化范圍等優(yōu)勢(shì),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(tái)由3根樁腿支持其鉆井平臺(tái)模塊,每個(gè)樁腿上都有其專屬的“樁靴”。平臺(tái)拖航就位后,通過抽水至甲板上實(shí)行壓載,在此過程中樁靴緩慢插入海底泥面以下,直到達(dá)到最大預(yù)壓載荷,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定。

當(dāng)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(shí),自升式平臺(tái)將會(huì)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(tái)作業(yè)水深和樁腿入泥深度之和超過平臺(tái)作業(yè)極限時(shí),將會(huì)導(dǎo)致自升式鉆井平臺(tái)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(tái)壓載作業(yè)前,要先進(jìn)行井場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查,其工作內(nèi)容主要為根據(jù)平臺(tái)樁腿數(shù)量進(jìn)行若干個(gè)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(zhǔn)靜力勻速貫入,所采集的各項(xiàng)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(shí)時(shí)地反映地層變化特征,再結(jié)合1個(gè)40 m 的海底地層鉆孔取樣結(jié)果,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行土質(zhì)分類和特性分析、推斷地層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度參數(shù),為自升式鉆井平臺(tái)插樁深度計(jì)算提供基礎(chǔ)資料。

前人的研究主要集中在研究穿刺的機(jī)理和優(yōu)化運(yùn)用PCPT 測(cè)試中獲取的參數(shù)進(jìn)行地層承載力的計(jì)算等[1-5],需較長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間和室內(nèi)計(jì)算時(shí)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(jìn)入冬季季風(fēng)期,海況惡劣,海上現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)窗較窄,如何運(yùn)用PCPT 測(cè)試所獲取的參數(shù)快速實(shí)現(xiàn)自升式平臺(tái)插樁壓載作業(yè)安全評(píng)估,對(duì)于提升季風(fēng)期井場(chǎng)調(diào)查的工作效率具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

1 穿刺機(jī)理及其計(jì)算原理

自升式鉆井平臺(tái)穿刺,是指平臺(tái)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(dāng)樁靴施加的壓載超過層狀地基承載力時(shí),地基土發(fā)生沖剪破壞,樁靴穿過硬地層進(jìn)入軟地層后,由于承載力的大幅度下降,造成平臺(tái)樁腿發(fā)生迅速且不可控的下沉現(xiàn)象。因此當(dāng)?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(duì)樁靴穿刺可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。下列3種情況均有可能導(dǎo)致平臺(tái)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(dāng)樁靴穿過上部硬層時(shí)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(dòng)和循環(huán)荷載等原因,上部硬層土產(chǎn)生漸進(jìn)破壞導(dǎo)致硬地層土的強(qiáng)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(dāng)自升式平臺(tái)的樁靴接觸硬殼地層的頂層時(shí),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(huì)快速穿透硬殼地層而進(jìn)入下覆軟地層,這是自升式鉆井平臺(tái)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(jì)算,國(guó)內(nèi)普遍采用的《海洋井場(chǎng)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(kuò)展法進(jìn)行計(jì)算[8],這個(gè)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(kuò)展通過硬層,在下層軟地層的頂面產(chǎn)生一個(gè)假設(shè)的等效基礎(chǔ),通過硬地層的擴(kuò)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(qiáng)度決定,穿刺的安全性主要取決于上層硬地層的厚度。其計(jì)算公式為:

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

式中:Nkt為PCPT 測(cè)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(cè)試錐尖阻力(MPa)、u2為PCPT 測(cè)試孔隙壓力(MPa)、a為PCPT 測(cè)試所用探頭圓錐面積比;σvo為總上覆壓力。

由此可見,當(dāng)自升式鉆井平臺(tái)類型、樁腿樁靴大小和井口位置確定后,PCPT 測(cè)試中實(shí)測(cè)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(dāng)其隨鉆曲線出現(xiàn)明顯高于上下地層的異常波動(dòng),且地層厚度較薄時(shí)(據(jù)南海東部海域經(jīng)驗(yàn),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(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的主要內(nèi)容為:依次對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的3個(gè)樁腿進(jìn)行40 m PCPT 測(cè)試,再在井口位置完成1個(gè)40 m 鉆孔取樣,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間約為2 d。然后將取樣結(jié)果和PCPT 測(cè)試結(jié)果返回陸地進(jìn)行室內(nèi)分析和計(jì)算,室內(nèi)分析需2～3 d,方能得到可靠的結(jié)論及建議報(bào)告(圖2)。

圖2 南海東部海域常規(guī)自升式井場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)入冬季季風(fēng)期,H 平臺(tái)計(jì)劃3 d后鉆探HZ井,該井位水深110 m。H 平臺(tái)是一艘三樁腿的自升式平臺(tái),最大壓載載荷112.2 MN,作業(yè)極限為122 m,考慮平臺(tái)作業(yè)安全,H 平臺(tái)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(chǎng)作業(yè)時(shí)間需2 d,而受季風(fēng)影響當(dāng)時(shí)海上作業(yè)時(shí)窗只有不到1 d的時(shí)間。因此現(xiàn)場(chǎng)決策在進(jìn)行HZ井工程地質(zhì)作業(yè)時(shí)優(yōu)先開展H 平臺(tái)1#樁腿的PCPT 測(cè)試作業(yè),重點(diǎn)關(guān)注其錐尖阻力和孔隙壓力這2個(gè)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(jìn)而分析其地層變化,評(píng)估在壓載過程中平臺(tái)樁腿穿刺的可能性。

現(xiàn)場(chǎng)PCPT 測(cè)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(gè)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(tái)1#樁腿PCPT 測(cè)試隨鉆曲線Fig.3 The while-drilling curve of PCPT at 1#pile leg of Platform H

H 平臺(tái)在該地層內(nèi)的插樁作業(yè)中一旦發(fā)生穿刺,H 平臺(tái)1#樁腿將快速沉降至泥面以下19.2 m,穿刺行程達(dá)到11.2 m,超過了H 平臺(tái)的作業(yè)極限(圖4)。因此在完成HZ井1#樁腿的PCPT 測(cè)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(chǎng)至其他備用井開展作業(yè),整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)耗時(shí)8 h。

圖4 H 平臺(tái)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(tái)計(jì)劃2 d后鉆探LD 井,該井位水深76.3 m。F平臺(tái)是一艘三樁腿的自升式平臺(tái),最大壓載載荷64.7 MN,作業(yè)極限為90 m,考慮平臺(tái)作業(yè)安全,F平臺(tái)在LD 井完成壓載后其樁腿入泥深度不得超過14 m。

現(xiàn)場(chǎng)PCPT 測(cè)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(gè)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(duì)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(tái)1#樁腿PCPT 測(cè)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(chǎng)計(jì)算,F平臺(tái)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(tái)樁靴的壓載載荷,F平臺(tái)將發(fā)生不可預(yù)期的快速沉降(圖6)?？紤]到平臺(tái)作業(yè)安全的因素,現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估該井場(chǎng)不適合F平臺(tái)承鉆,整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)耗時(shí)約7 h。

圖6 F平臺(tái)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(tái)壓載穿刺風(fēng)險(xiǎn)隨鉆評(píng)估機(jī)制,該機(jī)制在逐個(gè)對(duì)平臺(tái)樁腿進(jìn)行PCPT 測(cè)試時(shí),密切觀察其隨鉆曲線的變化,結(jié)合平臺(tái)的實(shí)際作業(yè)能力,可實(shí)時(shí)判斷自升式平臺(tái)壓載穿刺的風(fēng)險(xiǎn)(圖7)。

圖7 自升式鉆井平臺(tái)壓載穿刺風(fēng)險(xiǎn)隨鉆評(píng)估機(jī)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(duì)比2015-2019年南海東部海域井場(chǎng)調(diào)查單井作業(yè)時(shí)效和案例一HZ 井、案例二LD 井的作業(yè)時(shí)效(圖8)可知,相對(duì)于常規(guī)井場(chǎng)工程地質(zhì)作業(yè),該機(jī)制在提升井場(chǎng)工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)效和節(jié)約成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),尤其是在季風(fēng)期其優(yōu)勢(shì)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(shí)效對(duì)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(yàn),結(jié)合具體工程案例,總結(jié)了自升式鉆井平臺(tái)壓載穿刺朵險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制,得到以下結(jié)論:

1)PCPT 測(cè)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(dòng),可作為定性識(shí)別硬殼地層的重要指標(biāo)。在冬季季風(fēng)期現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)窗較短的情況下,通過合理安排作業(yè)順序,重點(diǎn)關(guān)注qc和u2隨鉆曲線的變化,可實(shí)現(xiàn)快速地評(píng)估平臺(tái)插樁壓載過程中穿刺風(fēng)險(xiǎn)的目的,提升現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

2)作業(yè)能力類似H 或F的自升式鉆井平臺(tái)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(duì)于不同海域,需要研究人員在對(duì)本地區(qū)沉積背景和平臺(tái)作業(yè)能力進(jìn)行充分總結(jié),探究本地區(qū)硬殼地層厚度的一般規(guī)律。