张力腿平台表层导管安装方法适应性评价及优选*

杨 进 仝 刚 周 波 孟 炜 刘正礼 陈 斌 张伟国

(1. 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 102249； 2. 中国石油集团钻井工程技术研究院 北京 100091；3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518054)

张力腿平台表层导管安装方法适应性评价及优选*

杨 进1仝 刚1周 波2孟 炜1刘正礼3陈 斌3张伟国3

(1. 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 102249； 2. 中国石油集团钻井工程技术研究院 北京 100091；3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518054)

杨进,仝刚,周波，等.张力腿平台表层导管安装方法适应性评价及优选[J].中国海上油气，2016,28(6)：72-76.

Yang Jin,Tong Gang,Zhou Bo,et al.Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):72-76.

张力腿平台是深海油气勘探开发的重要装备，而表层导管负责承载后续管串及水下防喷器，因此研究张力腿平台表层导管的安装方法对维持井口稳定性具有重要意义。针对南海某油田深水张力腿平台开发模式和水下井口布置方式，从水下井口间距、海底土特性等影响因素出发，分析了钻入法、喷射法和水下打桩法等3种表层导管安装方法的特点及适应性，并综合考虑张力腿平台安装时间、油田投产时间等因素，开展了张力腿平台表层导管安装方法优选。研究结果表明，水下打桩法在批量施工中作业效率较高、经济性较好，是张力腿平台表层导管安装方法的首选，可为南海深水油田张力腿表层导管安装提供借鉴。

张力腿平台；表层导管；安装方法；适应性评价；方法优选；南海深水油田

张力腿平台(TLP)主要由平台(甲板、立柱、浮箱、钻完井装备、生产设备、生活设施等)、张力腿系统、海底桩基、生产立管等组成(图1)，平台经由张力腿与海底桩基连接，张力筋腱中具有的很大预张力由平台本体的剩余浮力提供，使张力腿始终处于受拉的绷紧状态[1-2]，因此平台的稳定性较好，抵抗恶劣环境作用能力较强。

目前我国南海某油田目标区块计划采用带模块钻机的张力腿平台进行开发，平台位置水深约400 m。钻井表层导管安装方式的选择对整个油气田的钻井方案设计和钻井作业工期具有很大的影响[3-5]，所以开展张力腿平台表层导管安装方法研究具有十分重要的意义和应用价值。笔者基于南海某深水TLP表层导管安装条件对深水表层导管安装影响因素、安装方法适应性评价、安装方法优选等进行了分析，可为深水TLP表层导管安装提供参考。

图1 TLP平台结构示意图

1 TLP表层导管安装影响因素分析

综合考虑作业环境要求、后期作业需求等因素，南海某深水油田计划采用TLP配备模块钻机进行钻井、完井及修井作业。该TLP采用地面防喷器，水下井口经生产立管连接到位于平台上的采油树,并且应用丛式水下井口和立管系统，立管系统连接平台槽口。受干式井口、套管回接及井口间距的影响，TLP开发模式与常规深水开发模式差异较大，表层导管安装过程中主要影响因素有以下几方面：

1) 海底土特性。海底土特性是影响TLP表层导管安装的重要因素。对于我国南海深水区来说，海底浅层土通常为粘性土，不排水抗剪强度较低[6]。但如果海底土强度较高，尤其是在TLP多井槽开发模式下，容易产生下入不到位的风险。此外，若井场浅层土存在硬土夹层等“鸡蛋壳”地层，须调整下入方式与下入深度，防止表层导管刺穿硬土层而产生井口下沉。

2) 水下井口间距。在TLP多井槽开发模式(图2、3)下群桩打桩过程中表层导管周围的土层易受到桩的下沉影响，会产生“拖拽”作用和侧向挤压应力作用，引起桩周土层垂直隆起和侧向位移，从而对邻井已安装完成的表层导管造成损坏，如桩身弯曲、断裂等问题。对于TLP多井槽开发模式，水下井口间距是方案设计中需要考虑的重要参数，尤其是目前在方案设计上存在缩小井口间距的倾向，因此，表层导管安装方法的选择及表层导管下入过程更要着重考虑水下井口间距的影响。

3) 作业时效和费用。TLP多井槽开发模式投资巨大，海上施工作业时效性与经济性是进行方案设计与实施的关键指标。在海上动用作业平台或作业船都需要高昂的费用，所以若投产时间允许，则应充分利用TLP自身的设备进行表层导管安装，这样可大大节省费用。若投产时间紧张，则需要雇佣合适的作业船，选取合适的方式进行施工作业。

图2 水下基盘结构模型图

图3 井槽布置图

2 安装方法适应性评价

2.1 钻入法安装表层导管

深水钻入法下入表层导管的方式与常规浅水地区的下入方式并没有显著的区别，但是由于深水地区海底浅层较为松软，容易产生井壁坍塌，有井口回填的风险。同时，由于深水浅层低温的影响，固井水泥浆的候凝时间大大增加[7]，也就增加了深水钻井船的作业成本。此外，钻入法需要钻一个比套管更大的井筒，其塑性区影响范围更广，这在TLP小井间距开发模式下是不利因素。因此，针对我国南海深水海底浅层土较松软、不排水抗剪强度低的特点，钻入法不适用作为TLP表层导管的安装方式。

2.2 喷射法安装表层导管

表层导管喷射下入技术是目前单井作业中比较成熟的导管下入方式，占到了我国南海海域作业量的70%～80%，作业水深从几百米到1 700多米均有成功的实践。喷射法不仅可以完成表层导管下入作业，还可进行二开井眼钻进，提高了作业效率[8]。同时，喷射法依靠海底土与导管之间的摩擦力作为承载力[9]，无需固井作业，避免了深水浅层固井的难题。但是,在喷射过程中，高压力水射流对于地层有明显的挤压作用，会对桩周一定范围的土体产生影响[10]，在TLP小井距工况下也可能产生井间干扰，影响正常的作业。

2.3 水下打桩法安装表层导管

水下打桩法安装表层导管技术是由浅水地区水上打桩技术发展而来，采用的是大功率水下液压打桩锤将表层导管打入地层。水下打桩法可以根据地层的强弱调整打桩锤的功率，对于地层强度的适应性较好[11]，安装作业需要由工作船、液压打桩锤等多种复杂设备配合完成(图4)。

水下打桩法安装表层导管技术已经在美国墨西哥湾[12]、巴西坎普斯深水盆地[13]等区域的TLP项目中得到成功应用，其技术优势主要包括：

1) 与喷射法相比，通过水下打桩法下入的导管可获得的承载力更大，可增强井口稳定性。

图4 表层导管水下打桩锤入工艺示意图

2) 该技术可以提高表层导管的安装时效，相比喷射法单井能够节省10～20 h的作业时间。

3) 深水浅层存在地质灾害的风险，而大功率的水下打桩锤可以将导管锤入泥线下几百米，如墨西哥湾已成功使用水下打桩锤将导管下入到泥线下300 m，封隔了浅部地层，对于浅层地质灾害的预防是一种手段。

综合以上分析，从工艺角度来说，水下打桩法对于TLP表层导管安装的适应性最好，但在具体设计中也要考虑施工环境是否允许，施工设备是否齐全以及经济评价是否满足等优选指标。

3 安装方法优选

南海某油田目标区块的自然环境因素和井槽间距是优选TLP表层导管安装方法的基础条件。此外，由于该油田开发工程方案中的TLP上安装了模块钻机，所以表层导管安装方法优选时还应考虑2个方面：一是油田的投产时间和TLP投入使用时间，二是表层导管施工作业费用对比。

1) 环境因素。通过对南海海底土的研究以及已钻井资料的调研，总结出不同表层导管安装方式的适应条件，如表1所示。由表1可以看出，3种深水表层导管安装方法都可以进行施工作业，但从作业的技术难度与质量控制方面考虑，水下打桩法更为适合。

表1 3种深水表层导管安装方法适应性对比

2) 表层导管安装时间选择。若该油田的投产时间和TLP投入使用时间一致或接近，则要求所有钻完井作业要在模块钻机投入使用之前完成，所有钻完井作业工作应使用一个浮式钻井平台来完成，表层导管安装方法可选择喷射法，充分利用浮式钻井平台装备的自身优势，不增加额外设备，即可按时完成所有的钻完井作业。

如果TLP的投入使用时间远远超前于该油田投产时间，表层导管安装就可以利用平台模块钻机来完成，这时表层导管安装方法上可选择喷射法，充分利用模块钻机的自身功能，也可以采用水下打桩法，在水下基盘下入后提前把表层导管打入到海底设计深度。

3) 表层导管安装费用对比。在正常情况下，3种作业方式的平均费用统计见表2。对于钻入法和喷射法，按照导管安装时间的不同可以选择使用浮式钻井平台或TLP上的模块钻机作业。

由表2可以看出，若使用钻入法和喷射法，使用TLP模块钻机的费用比租用浮式钻井平台的费用分别节约36%、48%。相比较钻入法和喷射法，水下打桩法的费用比租用浮式钻井平台的费用低，作业效率高，是TLP表层导管安装方法的首选。

表2 3种深水表层导管安装方法费用对比

4 结论

1) TLP表层导管安装方式的选择要综合考虑作业环境、作业设备以及作业时效和费用等因素，钻入法、喷射法、水下打桩法都可以进行施工作业，但从作业的技术难度与质量控制方面来说，水下打桩法更为适合。

2) 基于采用水下打桩法安装表层导管以及应用水下基盘的开发模式，由于打桩施工产生的挤土效应使得导管的侧向摩擦力较单桩来说有所增加，表层导管的设计下入深度可以适当减小，进而节省作业时间，经济性好；若区块的浅层地区存在地质灾害的风险，则可以应用大功率的水下打桩锤将表层导管下入到泥线下更深位置，起到封隔住浅部地层作用，这对于浅层地质灾害的预防是一种手段。

3) 下入表层导管的施工设备需根据TLP建造时间和油田的投产时间来决定。若TLP建造时间远提前于油田投产时间，可以使用TLP自身的模块钻机进行喷射作业下入导管，也可以在水下基盘下入后使用深水打桩工作船将表层导管锤入设计深度；若二者的时间相近，则需要引进半潜式钻井平台进行喷射作业以及后续的所有钻完井作业，以保证油田的投产时间。

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(编辑：孙丰成)

Flexibility evaluation and optimization of conductor installation methods for tension leg platforms

Yang Jin1Tong Gang1Zhou Bo2Meng Wei1Liu Zhengli3Chen Bin3Zhang Weiguo3

(1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineering,MinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.DrillingResearchInstituteofCNPC,Beijing100091,China; 3.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518054,China)

The tension leg platform (TLP) is crucial equipment for deep water oil and gas exploration, and the conductor plays a vital role for supporting the following casing strings and the subsea BOP, so research on TLP conductor installation methods is of great significance to maintain wellhead stability. Aiming at the TLP development scheme of an oilfield in South China Sea and its subsea wellhead arrangements, and based on factors such as subsea wellhead spacing and seabed soil properties, the characteristics and flexibility of drilling, jetting and underwater piling were evaluated, which are thought of as the three common conductor installation methods. Combining the time when the TLP itself was installed, the time when the oilfield was put on production, and some other factors as well, the optimization of conductor installing methods was carried out. The results show that underwater piling is, for batch work, efficient and economical, and should be the first priority for TLP conductor installation. The work here can provide guidance for conductor installation of TLP in deep water oilfields in South China Sea.

tension leg platform; conductor; installation method; flexibility evaluation; method optimization; deep water oilfield in South China Sea

1673-1506(2016)06-0072-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.012

*国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究(编号：51434009)”、国家自然科学基金“深水钻井隔水导管喷射钻进机理研究(编号：51274215)”、国家自然科学创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究(编号：51221003)”部分研究成果。

杨进，男，博士，教授、博士生导师，主要从事海上钻完井技术的教学和研究工作。地址：北京市昌平区府学路 18 号中国石油大学(北京)石油工程学院(邮编：102249)。E-mail:cyjin1018@vip.sina.com。

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2015-12-29 改回日期：2016-03-29