王 文, 張 磊, 孫連坡, 庹海洋, 劉 詢, 景 成

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459; 2. 西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院, 西安 710065)

0 引言

渤海灣某L油田位于渤海東部海域遼東南洼東部斜坡帶,夾持于遼東南洼和渤東北洼,成藏條件優(yōu)越,進(jìn)入油田開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段開(kāi)展全專業(yè)深入研究。按照油藏開(kāi)發(fā)原則,該油田共部署6口定向井,油藏埋深2 200～2 400 m,靶區(qū)控制半徑為1 480 m,單平臺(tái)方案即可滿足開(kāi)發(fā)條件。在對(duì)初步平臺(tái)位置場(chǎng)址范圍內(nèi)進(jìn)行工程物探調(diào)查證實(shí),該油田調(diào)查區(qū)域海底至海底以下區(qū)域發(fā)現(xiàn)淺層氣及古河道分布區(qū)域,這些淺層地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著鉆井船就位安全[1-5],需從鉆井船就位位置及鉆井船插樁兩方面開(kāi)展安全研究,優(yōu)選出合適的鉆井船,以保證工程安全。

1 鉆井船就位位置優(yōu)選

1.1 平臺(tái)位置優(yōu)選方法

在選擇鉆井船就位位置時(shí),首先應(yīng)考慮盡量移出淺層地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域。結(jié)合6口開(kāi)發(fā)井靶點(diǎn),利用Compass軟件優(yōu)選得到了初步平臺(tái)位置D1,如圖1所示。其原理為以總水平位移和總進(jìn)尺最少為第1和第2目標(biāo),從而得出平臺(tái)位置最優(yōu)解[6-7]。

圖1 渤海某油田利用Compass軟件進(jìn)行平臺(tái)位置優(yōu)選示意圖Fig.1 Schematic diagram of platform location optimizationby Compass software in a Bohai Oilfield

目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

最優(yōu)解為：

(2)

式中：NW為待鉆井井?dāng)?shù)；(xti,yti)為靶點(diǎn)坐標(biāo)；MD為平臺(tái)總進(jìn)尺,m；(Xp,Yp)為平臺(tái)位置坐標(biāo)。

1.2 L油田平臺(tái)位置優(yōu)選過(guò)程

以D1位置作為基準(zhǔn)點(diǎn),在平臺(tái)場(chǎng)址(1.0 km×1.0 km×25.2 km)范圍內(nèi)布置網(wǎng)格狀測(cè)線進(jìn)行工程物探調(diào)查,示意圖如圖2所示。調(diào)查表明,平臺(tái)場(chǎng)址海底至海底以下100 m范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)4處淺層氣區(qū)域A1～A4,預(yù)選的平臺(tái)位置距離淺層氣A1較近,僅27 m,風(fēng)險(xiǎn)較大；發(fā)現(xiàn)1處埋藏古河道,河道分布范圍較大,幾乎覆蓋整個(gè)調(diào)查區(qū)域,其頂部埋深在海底以下約4～7 m,底部埋深在海底以下約7～16 m。

圖2 渤海灣某油田平臺(tái)位置工程物探調(diào)查示意圖Fig.2 Diagram of engineering geophysical survey ofplatform location in an oilfield in Bohai Bay

由于古河道區(qū)域分布范圍較廣,平臺(tái)位置若移出該區(qū)域嚴(yán)重影響油田的經(jīng)濟(jì)效益[8-9],因此考慮小范圍內(nèi)移動(dòng)預(yù)選平臺(tái)位置,盡量遠(yuǎn)離各淺層氣區(qū)域邊緣,從而保證油田作業(yè)安全。具體步驟如下：

1)在預(yù)選平臺(tái)位置的基礎(chǔ)上,將其分別向西南、西、西北和南方向移動(dòng)100 m及200 m,得到平臺(tái)位置WN1～S2,如圖3所示。

圖3 渤海灣某油田移動(dòng)后平臺(tái)位置示意圖Fig.3 Diagram of platform position of an oil fieldin Bohai Bay after moving

2)綜合考慮移動(dòng)后的位置距離淺層氣距離及開(kāi)發(fā)井總進(jìn)尺(見(jiàn)表1),優(yōu)選出最優(yōu)平臺(tái)位置。在移動(dòng)后的各個(gè)平臺(tái)位置中,向西移動(dòng)100 m的平臺(tái)位置W1處進(jìn)尺增加得最少(113.8 m),且此時(shí)距淺層氣A1,A2和A3的距離分別為109.0 m,68.0 m和51.0 m。在W1位置基礎(chǔ)上,分析了各系列鉆井船就位時(shí)樁腿距淺層氣區(qū)域的距離(見(jiàn)表2),可以看到各鉆井船距淺層氣區(qū)域最小距離為44.0 m,能夠滿足油田施工要求,因此最終確定W1位置為鉆井船就位位置。

表1 移動(dòng)后各平臺(tái)位置數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of position data of each platform after moving

表2 W1平臺(tái)位置就位時(shí)各系列鉆井船與淺層氣距離Table 2 Distance from each series of drilling ships to shallow gas when in place at platform W1

當(dāng)存在淺層地質(zhì)災(zāi)害的平臺(tái)位置選擇時(shí),傳統(tǒng)的優(yōu)選方法可能位于淺層地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)或距離較近的區(qū)域,不能保證工程作業(yè)安全。此時(shí),應(yīng)參考地質(zhì)災(zāi)害的范圍及方位等,靈活地選擇移位方案,在保證工程安全的情況下優(yōu)選出進(jìn)尺最小或經(jīng)濟(jì)效益最大的平臺(tái)位置。

2 鉆井船插樁研究

古河道內(nèi)大多為雜亂與發(fā)散充填,底部沉積河道充填砂體,向上變細(xì),最上部以粉砂和黏土質(zhì)粉砂為主,含一定量的砂質(zhì)成分或砂質(zhì)薄層,通常導(dǎo)致古河道內(nèi)部承載力較低,容易引起工程的不均勻下沉[10-12]。由于L油田古河道分布范圍較廣,導(dǎo)致平臺(tái)位置無(wú)法移出該區(qū)域,因此對(duì)鉆井船既定就位位置處開(kāi)展插樁風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.1 鉆孔位置選擇

在優(yōu)選鉆孔位置時(shí),由于鉆井船型號(hào)未定,需綜合考慮在渤海灣常用的HYSY92系列、HYSY932及N1鉆井船樁靴的重合位置處布置鉆孔(40 m深),如圖4所示。

圖4 渤海灣某油田插樁分析鉆孔取樣示意圖Fig.4 Diagram of analysis of pile insertion and drilling sampling in an oil field in Bohai Boy

2.2 土質(zhì)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于土質(zhì)參數(shù)的確定,需結(jié)合鉆孔取樣土質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果綜合確定?，F(xiàn)場(chǎng)主要包括小型手動(dòng)十字板、微型電動(dòng)十字板、袖珍貫入、含水率及密度試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)主要包括不固結(jié)-不排水三軸壓縮、固結(jié)-排水多級(jí)三軸壓縮、液塑限、粒度分析及土粒比重試驗(yàn)等[13],上述試驗(yàn)均依據(jù)ASTM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由此得到土質(zhì)參數(shù)表,見(jiàn)表3(表中Nq,Nγ為排水粒狀土無(wú)量綱承載力系數(shù))。

表3 土質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 基礎(chǔ)承載力及穿刺分析

對(duì)于自升式平臺(tái),樁靴尖貫入度發(fā)生的前提條件,是平臺(tái)載荷等于或大于土的極限承載力,此極限承載力Q的計(jì)算公式為[14]：

Q=qn×A+γ1×V

(3)

式中：qn為樁靴單位面積的極限承載力,對(duì)于不排水黏性土,qn=Su×Nc,Su為樁靴下1/2樁靴直徑深度以內(nèi)的平均不排水抗剪強(qiáng)度,Nc為不排水黏性土的承載力系數(shù)。對(duì)于排水粒狀土,qn= 0.3 ×γ2×B×Nγ+P0×(Nq—1)。γ2為樁靴下1/2樁靴直徑深度以內(nèi)土的平均有效重度；B為樁靴直徑；P0為樁靴的有效上覆巖石壓力。A為樁靴的截面處面積最大值；γ1為樁靴排出土體的平均有效重度；V為樁靴排開(kāi)土的體積。

海底土質(zhì)硬度并非單調(diào)排列,可能存在著軟硬交錯(cuò)的現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)硬黏土層覆蓋于軟黏土層之上時(shí),由于承載力的不同可能會(huì)導(dǎo)致樁靴存在穿刺風(fēng)險(xiǎn),因此需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析。通常利用Young和Focht發(fā)展的3∶1載荷擴(kuò)展法進(jìn)行分析[15],假定通過(guò)硬土層的基礎(chǔ)載荷按照1∶3的擴(kuò)展比例在軟弱層頂面產(chǎn)生等效壓力,如果該壓力超過(guò)軟弱層承載力,則會(huì)發(fā)生穿刺。其中承載力q′n的表達(dá)式為：

(4)

2.4 結(jié)果分析

分別對(duì)HYSY92系列、HYSY932及N1鉆井船樁靴尖入泥深度進(jìn)行分析,承載力曲線如圖5所示。結(jié)果表明,在最大預(yù)壓載的條件下,HYSY92系列鉆井平臺(tái)樁靴尖最終入泥深度為6.6 m,無(wú)刺穿風(fēng)險(xiǎn)；HYSY932鉆井平臺(tái)樁靴尖最終入泥深度為19.2 m,插樁過(guò)程中存在3段刺穿行程,分別為2.7 m,1.0 m和2.7 m；N1鉆井平臺(tái)樁靴尖最終入泥深度為3.6 m,無(wú)刺穿風(fēng)險(xiǎn)。因此L油田可選擇HYSY92系列或N1鉆井平臺(tái),能夠規(guī)避古河道存在的風(fēng)險(xiǎn)。在選擇鉆井船時(shí),盡量多提供幾種能夠保證施工的船型,以免引起施工資源的緊張等問(wèn)題。

圖5 各鉆井船極限樁靴載荷與樁靴尖入泥深度關(guān)系曲線Fig.5 Curve of the relationship between the ultimate pile shoe load and the mud depth of the pile shoe tip of each drilling ship

3 結(jié)論

1)渤海灣L油田海底存在淺層氣及古河道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重威脅著鉆井船就位安全。該文從鉆井船就位位置優(yōu)選及插樁方案兩方面開(kāi)展了研究,旨在優(yōu)選出合適的平臺(tái)位置及鉆井船類型,保證工程作業(yè)安全。

2)依據(jù)Compass軟件“總水平位移和總進(jìn)尺最少”原則優(yōu)選了平臺(tái)位置,鑒于其距離淺層氣邊緣較近,分別將其向西南、西、西北和南方向移動(dòng)100 m及200 m,綜合考慮進(jìn)尺增加與各位置距淺層氣區(qū)域距離,最終選擇向西移動(dòng)100 m的W1位置。

3)選擇HYSY92系列、HYSY932及N1鉆井船樁靴重合區(qū)域進(jìn)行取孔并樁靴尖入泥深度分析,在最大預(yù)壓載的條件下,HYSY932鉆井平臺(tái)插樁過(guò)程中存在刺穿行程,不建議作為L(zhǎng)油田的鉆井船進(jìn)行就位；HYSY92系列和N1鉆井平臺(tái)不存在刺穿風(fēng)險(xiǎn)且行程合理,可選擇為L(zhǎng)油田就位鉆井船。