隔水导管打桩新技术研究与应用

程 仲 牟小军 马英文 刘正礼 程 昆 李晓刚

（1.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术公司； 2.中海石油（中国）有限公司天津分公司钻井部；3.中海石油（中国）有限公司深圳分公司钻井部； 4.德克萨斯农业与机械大学石油工程学院）

隔水导管打桩新技术研究与应用

程 仲1牟小军1马英文2刘正礼3程 昆4李晓刚1

（1.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术公司； 2.中海石油（中国）有限公司天津分公司钻井部；3.中海石油（中国）有限公司深圳分公司钻井部； 4.德克萨斯农业与机械大学石油工程学院）

针对现有浮吊等大型海洋作业资源不能满足渤海地区钻井打桩作业需求的问题，研究了隔水导管打桩新技术。该项技术包括：采用“生活支持平台＋模块钻机”作业模式进行隔水导管打桩作业；配合“边钻边完”钻井技术实现打桩作业优化设计；研制了特殊螺纹扣实现隔水导管安全、快速连接；打桩作业过程采用实时水下监控等措施保证打桩作业准确、高效。该项技术已在锦州25－1南油气田A平台获得了成功应用。

锦州25－1南油气田 隔水导管 打桩作业 模块钻机

随着渤海海域油气田开发力度的加大，现有浮吊设备资源不能满足钻井打桩作业的需求，如何在有限的作业资源条件下完成打桩作业任务，就成为亟待解决的问题。

研究了隔水导管打桩新技术，该项技术采用“生活支持平台＋模块钻机”这一作业模式进行隔水导管打桩作业；配合“边钻边完”钻井技术，实现打桩作业优化设计；研制了特殊螺纹扣实现隔水导管安全、快速连接；打桩作业过程采用实时水下监控等措施，保证打桩作业准确、高效。应用该项技术顺利完成了锦州25－1南油气田A平台首批12口井隔水导管锤入作业，缓解了海洋吊装设备资源紧张的局面，成功解决了浮托法安装组块后无法采用传统作业模式安装隔水导管的问题，保证了后续作业的顺利开展。

1 隔水导管打桩新技术

隔水导管打桩新技术主要包括“生活支持平台＋模块钻机”隔水导管打桩作业模式、打桩作业优化设计、隔水导管快速连接和隔水导管实时水下监控等。

1.1 “生活支持平台＋模块钻机”隔水导管打桩作业模式

模块钻机具有运输方便，安装、就位快捷，作业费用相对较低等优点，在生活支持平台或者生产平台的配合下，利用模块钻机能够完成钻完井、修井增产作业，因此在渤海地区得到了广泛的应用。但利用模块钻机进行打桩作业还没有成功案例。锦州25－1南油气田A平台模块钻机配备完善的吊装设备，包括：有效高度为47 m、最大钩载为6050 k N的HJJ450型井架，南北两侧最大钩载为40 t的柴油吊车及主甲板等。生活支持平台为HYSY281，可供人员住宿和动力供应，保证平台正常生产。图1为“生活支持平台＋模块钻机”隔水导管打桩作业模式示意图。

图1 “生活支持平台＋模块钻机”隔水导管打桩作业模式示意图

为保证A平台模块钻机能满足隔水导管打桩作业需要，对平台模块钻机打桩可行性进行了论证。

锦州25－1南油气田A平台隔水导管下入的地层主要是淤泥、粘土、粉砂及砂泥混层等海底浅层土质，成岩性差。

打桩是一个动态的过程，与打桩过程中的锤－桩－土相互作用密切相关。根据波动理论[1]，桩身最大锤击拉应力可按式（1）计算

式（1）中：σt为桩身最大锤击拉应力，k Pa；x为计算点与测点之间的距离，m；t1为速度峰值对应的时间，ms；F为作用截面处的受力，k N；v为作用截面处的冲击速度，m/s；Z为桩身截面力学阻抗，k N·s/m；c为桩身平均波速，m/s；L 为作用截面以下的桩长，m。

打桩锤实际传递给桩的能量可按式（2）计算

式（2）中：E为桩锤实际传递给桩的能量，kJ；T为采样结束时间，ms。

在连续的锤击作用下，桩身不断下沉，桩周土和桩端土阻力不断增大，应用一维波动方程和桩－土体系的数学模型能够确定单桩竖向极限承载力。根据隔水导管打桩处土质情况，现场选用D80－32筒式柴油打桩锤进行打桩试验，打桩试验结果见表1。

表1 锦州25－1南油气田A平台打桩试验结果（D80－32筒式柴油打桩锤）

结合表1拒锤阻力和拒锤深度可以得出，在正常作业连续打桩情况下，在平台BH1和BH2试打孔位用D80－32筒式柴油打桩锤可分别将1829 mm、2134 mm和2438 mm直径钢管桩打入至满足抗冰强度要求的设计入泥深度（外排槽口762.0 mm隔水导管设计入泥深度为30 m，内排槽口508.0 mm隔水导管设计入泥深度为25 m），说明平台模块钻机现有钻井装备能够满足打桩作业的需要。试验结果可为在300击/0.3 m拒锤限度下选择锤可克服的最大打入阻力提供依据。

为了更好地在模块钻机打桩时记录打桩参数，将2个应力传感器和2个加速度传感器对称固定在打桩锤底，利用波动理论计算方法处理所得数据并反馈至打桩锤，从而实现了在最优参数条件下进行打桩作业。

1.2 打桩作业优化设计

采用“生活支持平台＋模块钻机”进行隔水导管打桩作业具有可以根据地质、油藏资料和现场施工情况合理优化打桩顺序的优势。以锦州25－1南油气田A平台为例，为了达到“隔水导管锤入设计深度后，井斜小于0.5°”这一作业要求，必须减少打桩作业过程中由群桩效应引起的应力集中。考虑到现场打桩设备不适于频繁移动、对正作业槽口，在第一批打桩作业过程中采用优化的从中心向外围锤入、尽可能整排施工的打桩线路，锤入12口井的隔水导管，大幅度提高了锤入效率。模块钻机打桩作业模式具有较大的灵活性，后续打桩作业时，作业者可以根据前一批次钻完井作业情况随时优化钻井平台布井设计及其表层作业，从而实现打桩作业与钻完井作业能够在最优工况下交替进行，可以大大提高钻完井质量。第一批次打桩顺序见图2。

图2 锦州25－1南油气田A平台第一批次打桩优化顺序图

1.3 隔水导管特殊螺纹扣快速连接

传统作业模式中，隔水导管依靠焊接方式连接。在打桩过程中，由于焊接这种大直径桩需要较长时间（短则几小时，长则若干天甚至更多），会造成打桩出现间歇，打桩过程中出现间歇可能导致拒锤情况发生。

为了防止拒锤情况发生，有针对性地研发了特殊螺纹扣——四头螺纹扣，对锦州25－1南油气田A平台隔水导管进行连接，四头螺纹扣能够实现隔水导管间安全、快速连接，使连接作业时间大大缩短（只需要30～40 min就能完成上扣作业），导管连接处的抗压应力强度和密封性能完全满足打桩作业和钻完井作业要求，极大地降低了作业人员的劳动强度和打桩作业风险。值得注意的是，这种新研制的螺纹扣安装时不宜大力碰撞或在不对正的情况下蛮力拧接。

1.4 隔水导管实时水下监控

辽东湾地区秋冬季海况条件恶劣，海底地质环境复杂，海水流向多变，严重影响到该地区的打桩作业[2]，为了保证打桩质量，锦州25－1南油气田A平台打桩时采取了以下几项措施：①在打桩作业前由潜水员确认并清扫导向槽及对应的海底区域，保证海底平整、无杂物；②为了减少海流对打桩的影响，打桩作业尽量选择平潮；③打桩作业过程中采取实时水下监控措施，作业者可通过水下摄像机在平台观察到水下隔水导管打桩情况。

2 新技术应用及其效果

2.1 新技术应用保障措施

隔水导管打桩新技术在锦州25－1南油气田A平台应用时有以下保障措施：

（1）打桩作业前 核查φ508.0 mm、φ762.0 mm、φ914.4 mm隔水导管数量及锤入引鞋尺寸；检查隔水导管内径及外径，保证隔水导管两端螺纹和端面完好无损；丈量隔水导管，填写套管表，按顺序排放；连接好应急钻具组合（φ444.5 mm牙轮钻头＋配合接头＋φ444.5 mm扶正器＋φ203.2 mm 钻铤×6根＋配合接头＋φ127 mm加重钻杆×15根），在发生拒锤情况下做冲桩、拔桩应急使用；对隔水导管设计防腐段采用可靠、经济的热收缩包覆防蚀技术进行防护[3]。

（2）打桩作业实施 移井架至设计井槽；游车慢慢提升打桩锤至合适高度；连接隔水导管。四头螺纹扣隔水导管连接的步骤为：将上下接头中心对正（图3a）；将上接头的标志与下接头4个标志中的任意标志对齐（误差0～20 mm）（图3b）；缓慢放上接头使上下接头台肩距离l为30～40 mm（图3c）；用专用量具测量下接头在4个标识处上下接头台肩的距离，调整这4点的距离使之相差不超过3 mm（图3d）；将上下接头拧接至要求扭矩，最后将3个防脱螺栓拧紧。

图3 特殊螺纹扣隔水导管安装示意图

隔水导管下入过程中，作业者通过水下摄像机观察水下情况，在潜水员的帮助下完成隔水导管的定位工作。隔水导管进入泥面后打桩锤开始工作，先是小能量锤击，随着隔水导管入泥深度增加，根据平台监测数据实时优化、调整打桩作业。

（3）打桩作业后 对已锤入的隔水导管进行防冰、抗冲击处理。锦州25－1南油气田A平台模块钻机转盘补心海拔为39 m，井口小平台距转盘补心为22 m。为了保证隔水导管满足冬季作业要求，设计了局部双层隔水导管方案“φ762.0 mm隔水导管（壁厚38 mm）＋φ609.6 mm 加厚套管（壁厚25 mm）”。为了保证内层φ609.6 mm的加厚套管长度控制在冰区范围内，一开下套管作业时先将局部双层隔水导管与φ339.7 mm表层套管进行连接（称为复合隔水导管），在复合隔水导管（图4）上部连接φ339.7 mm表层套管＋22 m联顶节，在游车的控制下随φ339.7 mm表层套管一起下入，固井。与隔水导管外壁加装机械抗冰装置方案相比，该方案的采用可确保复合隔水导管的下深精度，增加外围隔水导管潮间带部分的抗冰强度，并大大降低作业成本。锦州25－1南油气田A平台双层隔水导管成功抵御了2009年初50年一遇的渤海大冰潮。结果证明双层隔水导管方案可以满足辽东湾地区冬季抗冰要求。

图4 复合隔水导管结构示意图

2.2 应用效果

隔水导管打桩新技术在渤海锦州25－1南油气田A平台第一批和第二批隔水导管打桩作业中得到应用，累计节省浮吊资源长达50船天，加快了项目作业进度。

3 结束语

研究了隔水导管打桩新技术，该技术采用“生活支持平台＋模块钻机”作业模式进行隔水导管定位和打桩作业；配合“边钻边完”钻井技术，实现了打桩作业的优化设计；有针对性地研发了特殊螺纹扣，实现了隔水导管安全、快速连接；打桩作业过程中采用实时水下监控等措施，保证了打桩作业准确、高效。该技术已在锦州25－1南油气田A平台获得成功应用并获得了良好的经济效益。

[1] 陈波，闫澍旺，樊之夏.桩基平台桩的可打入性和自由站立强度分析[J].中国海上油气（工程），2001，13（6）：1－5.

[2] 马毓倩，刘泽菁，鲁红革.浅谈渤海自然灾害对海洋石油安全生产的影响及对策[J].海洋预报，2005，22（4）：66－72.

[3] 李胜利，李自力，周长李.海洋油气田水线以上设施的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护，2009，26（3）：19－22.

The study and application of a new drilling riser pile driving technology

Cheng Zhong1Mou Xiaojun1Ma Yingwen2Liu Zhengli3Cheng Kun4Li Xiaogang1
（1.CNOOC Energy Technology ＆ Services－Supervision＆Technology Co.，Guangdong，518067；2.Drilling Department，Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin，300452；3.Drilling Department，Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067；4.School of Petroleum Engineering，Texas Agricultural ＆Mechanical University，Texas，TX77843）

The current floating cranes and other large marine resources can not satisfy the requirements of the drilling riser driving operation at Bohai Sea.According to this problem，a new drilling riser pile driving technology was studied.This technology contains：using the “accommodation platform plus rig module”to perform the riser driving operation；optimizing the design of drilling riser driving according to the modern“fast drilling and completion”tecnnique；developing the special thread to make the safe and fast connection of the riser；conducting real－time monitoring while driving to ensure the accurate and efficient riser driving.This technology has been applied in platform A of JZ25－1S oil and gas field.

JZ25－1S oil and gas field；drilling riser；pile driving；rig module

程仲，男，工程师，2008年毕业于西南石油大学油气井工程专业，获硕士学位，现主要从事海上石油钻采技术监督工作。地址：深圳市南山区蛇口工业二路海洋石油大厦B座（邮编：518067）。E－mail：chengzhong＠cnooc.com.cn。

2010－06－25改回日期：2010－11－04

（编辑：夏立军）