某自升式平台在浅层气区域插桩可行性分析与实践

和鹏飞

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

某自升式平台在浅层气区域插桩可行性分析与实践

和鹏飞

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

为实现某海区的探井评价作业任务，利用数字地质勘查技术初步确定钻井平台就位区域内浅层气横向和纵向分布情况；之后通过钻孔试验确定出浅层各段钻孔过程中的出气情况以及地层岩性，分析给出各层岩性参数；通过既定钻井平台桩脚形状、预压载吨位以及就位区域表层岩性参数，模拟计算出钻井平台压载过程中的桩腿入泥情况。在上述基础上，通过优化钻井平台就位后插桩、压载技术措施，最终实现了在该浅层气区域的钻井平台就位任务和钻探任务。

插桩就位；浅层气；自升式平台；海上油田

开采浅层气容易发生井涌甚至井喷，且具有易发生、速度快、危害大、处理难度大以及较难预见等特点[1-3]。含浅层气的地层压实程度低，胶结程度差，气层层数众多，地层孔隙压力和破裂压力之间的压力密度窗口窄。钻井遇到浅层气地层时，若钻井液的密度稍大则容易发生井漏，密度稍小则容易产生井喷[4-5]。海上钻完井作业主要依托钻井平台，渤海海域平均水深30 m左右，均采用自升式钻井平台实施勘探开发任务。如果钻井平台就位区域存在浅层气，则钻孔揭开浅层气后将导致海水密度降低，浮力减小，威胁钻井平台的安全[6-7]。若钻井过程中遇浅层气后采取的措施不当，将会造成极大的经济损失或人员伤亡，因此浅层气区域成为海上钻井平台就位的“禁区”。但是，随着渤海油气勘探的深入进行，一些构造、油藏的评价要求在浅层气区域实施钻井平台就位[8-10]。

1 作业区地层概况

为查明某构造明下段地层的含油气情况，扩大储量规模，设计在该区域X井位钻探一口直井，即评价探井，该区新近系主要为河流相沉积，发育多套有利的储盖组合，特别是明下段下部和馆陶组中部区域性泥岩盖层发育。

自上而下依次钻遇的地层分别为：平原组（底深500 m）、明化镇组上段（底深1 000 m）、明化镇组下段（底深1 400 m）、馆陶组（底深预计2 160 m）。

2 就位区域的地质勘察

以钻井平台设计就位点为中心，选定边长为2 000 m的正方形区域，采用声波测量，得出地层剖面测量结果（见图1），以此确定该区域是否有浅层气的存在。

图1 就位区域地层剖面测量平面结果

如图1所示，在调查区域内的中浅地层剖面资料（海底至海底以下100 m以内地层资料）上发现3处与浅层气有关的异常反射区，分别命名为A1区、A2区和A3区。

A1区分布范围较大，基本上位于调查区域的西北部。该异常反射区大部分的顶部埋深约为8～17 m，局部的顶部埋深约为60～85 m。预定井位位置位于A1区的外部，到该区的边缘最近距离约为138 m。

A2区在调查区域内分布范围较小，位于调查区域的东南部。该异常反射区顶部埋深约为15～18 m；预定井位位置位于A2区的外部，到该区的边缘最近距离约为140 m。

A3区在调查区域内分布范围最小，位于调查区域的南部边缘。该异常反射区的顶部埋深约为17 m；预定井位位置位于A3区的外部，到该区的边缘最近距离约为1 008 m。

异常反射区域主要为杂乱反射结构、反射波同相轴连续性差，或部分地层反射波被屏蔽；异常反射区以外主要为水平或近似水平的反射结构，反射波同相轴连续性好。初步分析判断，异常反射区地层中可能含有浅层气。

解释深度范围内（海底至海底以下100 m）的资料分析得出，预定井位位置位于异常反射区的外部，到异常反射区的最近距离约为138 m。

3 钻孔试验

为进一步评价浅层气的危害，在预定井位附近进行钻孔试验，钻孔最深至泥面以下150 m。根据钻孔情况看，在海底8～50 m，出现少量气泡，且持续时间较短；在海底以下50～70 m，气泡量稍微增多，气泡小，持续时间45～60 s，钻孔地层岩性情况见图2。结合数字地震勘察结果，判断该井位虽然位于大片浅层气区域，但浅层气强度较弱，可以进行试插桩和后续钻井作业。

图2 钻孔结果示意（部分）

4 插桩的可行性分析

自升式钻井平台到达就位点后，采用静压沉桩的方式进行压载，即通过在平台舱室内注入海水使桩腿逐步插入海底地层中，达到作业需要的平台总载荷时，桩腿与地层之间的相互作用力也逐步达到平衡，此时桩腿插入泥面以下的深度即为桩腿入泥深度。一般认为，桩腿入泥深度与近泥面地层性质、压桩载荷大小和桩靴以及桩腿形状有直接关系。中国石油大学（北京）杨进等学者根据实际作业统计与实验分析，在考虑自升式钻井平台插桩速度和群桩效应以及桩靴上覆土压力等因素影响的基础上，给出了自升式钻井平台插桩桩腿入泥深度预测模型[11]。本文根据此模型进行该区域插桩深度计算分析。

4.1 土质参数

根据钻孔试验结果，确定各层土质参数，见表1。

表1 就位区域土质参数表

4.2 桩脚参数的确定

实际作业中，钻井平台的选择需要综合考虑档期安排等各方面的因素，在风险可控前提下实现作业任务。根据海域钻井平台作业窗口选择，满足此区域就位的为渤海某钻井平台，该平台长期进行探井钻井作业，服役时间较长，为四桩腿且无桩靴设计，桩脚直径为3.0 m，截面积7.07 m2。平台及桩脚如图3所示，有关参数见表2。

图3 渤海某钻井平台及桩脚示意

表2 渤海某钻井平台参数

4.3 桩腿入泥深度的确定

根据工程地质调查的初步成果，该平台在极限桩腿荷载（20.6 MN）情况下，桩腿入泥深度为26.4 m。桩腿荷载与入泥深度关系见图4。

图4 桩腿荷载与入泥深度关系

4.4 可行性分析

一般极限作业条件下，桩腿总长=平台甲板面以上预留高度（桩腿提升系统高度+安全裕量（一般为1.5～3.5 m））+型深+气隙高度+水深+桩腿入泥深度，同时满足抗环境载荷要求条件下的最大气隙高度、最大作业水深等[12]。

根据上述计算分析，渤海某平台在该浅层气区域最大预计桩腿入泥深度为27.2 m，考虑型深5.5 m，该区域水深25 m，作业气隙高度10 m，桩腿总长80 m，则甲板面以上剩余桩腿长度为12.3 m，而该平台甲板面以上最低留高为5 m，因此该平台满足在该浅层气区域的就位插桩作业要求。

5 就位插桩应对措施

5.1 插桩技术措施

（1）插桩前的准备。平台就位后开始插桩前，观察海面15 min，确认无异常后开始插桩。

（2）拖船辅助措施。插桩压载期间主拖船、副拖船备车且不抛锚，主拖缆应适当放长。值班船在平台附近守护。

（3）插桩过程中的观察措施。插桩压载期间每插入0.2 m观察15 min，观察各桩腿海面，如果海面无气泡则继续插桩。依据钻孔资料，预计浅层气顶部为泥面下7 m。桩腿下放从接触泥面开始，每下放1 m，停止下桩，观察海面15 min。至入泥5 m开始，桩腿每下放0.20 m，停止下桩，观察海面15 min，确定有无气泡、气泡大小、气泡分布面积、持续时间，利用手持探测仪确定空气中有害气体含量。若无气泡或气泡消失，继续下桩。

（4）插桩时的船体控制措施。一是满足吃水要求：保持尽量大的船体吃水，且根据潮汐调整吃水（未建立18～21 MPa压力前至少保持1.5 m的吃水）；第一次压载至能升空船载荷（预计18 MPa），然后观察至少12 h。二是满足船体水平要求：随时关注好船体水平，插桩过程中若发现海面有气泡时，停止插桩作业，静止观察15 min；继续观察海平面气泡，气泡消失，平台继续插桩；如果气泡断续出现，桩腿每次入泥0.20 m，静止观察15 min；若气泡没有减少反而有增多的现象，继续静止观察；气泡持续增大，则做好拔桩拖离准备。

（5）桩腿实际入泥的跟踪比对措施。插桩过程中根据实际数据，准确计算桩腿的入泥深度，在桩腿入泥6.8、16.0、21.9 m位置时地层支撑力有变化，通过现象比对，校核深度。

5.2 加载压载技术措施

加载压载时采用桩腿对角压载方案，可以连续压载直到符合升船条件，也可以两组交替进行。由于地层原因必须单桩操作时要严格观察船体水平度，尽量保持船体水平度控制在0.5°之内。

压载过程中一旦出现桩腿下沉过快或船体倾斜，立即停止压载，进行调平，确保平台处于正常状态。

6 现场应用

6.1 就位

钻井平台到达就位区域后，采用逆流上线，就位至设计目标点。

6.2 插桩及空载静压

观察平台附近海面15 min，确认无异常情况，开始插桩，逐步下放桩腿至接触泥面，最终各桩腿与地层作用力平衡，桩腿不再有插入进尺，最终1#桩腿入泥26.8 m；2#桩腿入泥26.8 m；3#桩腿入泥26.4 m；4#桩腿入泥26.4 m，此时桩腿所承受重量为平台总体载荷，无附加载荷。

期间观察平台附近海面，未发现异常情况。此项工作耗时25.5 h。

6.3 加载压载结果

对四个桩腿采用对角压载法压载，2#、3#桩腿有轻微下沉。1#桩压载21 000 kN，桩腿入泥26.8 m；2#桩压载20 600 kN，桩腿入泥27.6 m；3#桩压载20 600 kN，桩腿入泥27.9 m；4#桩压载20 600 kN，桩腿入泥26.4 m。此项工作耗时11 h。

静压观察，未发现异常情况。此项工作耗时6 h。

升船至气隙9 m，调平。复测平台就位数据。此项工作耗时1.5 h。

之后释放压载水，解开主拖船拖缆，钻井平台就位结束。转入钻前准备及钻井作业任务。

7 结论

（1）随着油气勘探开发技术的发展，浅层气区域不再是自升式钻井平台就位的“禁区”，通过地质勘查和钻孔试验，在认识浅层气强度、危害能力的基础上，如文中所述区域是可以实施钻井平台就位的。

（2）平台试插桩时，桩腿入泥10 m，插桩速度在满足浅层气作业要求的基础上，通过增加观察时间，控制合理的插桩深度，随时对比和校正理论插桩深度等可以更好地确定插桩情况。

（3）四桩腿自升式钻井平台，压载时采用桩腿对角压载方案，操作时要严格观察船体水平度，不能超出允许的范围1°，尽量将船体水平度控制在0.5°以内。

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Piling feasibilityanalysis and practice ofa jack-up platform in shallow gas zone

HE Pengfei
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

In order to realize the task of the explorative drilling evaluation for an offshore region，the digital geological prospecting technique was used to primarily determine the horizontal and vertical distributions of shallow gas in the drilling platform positioning area.Then the gas output and stratum lithology of deferent shallow layers during drilling course were determined with drilling tests，and the lithologic parameters of each layer were analyzed.The pile penetrating state during the drilling platform designated ballasting was simulated and calculated based on the pile shape，ballasting loads and lithologic parameters.On the basis of above-mentioned work，the technical measures of pile penetrating and platform ballasting after platform positioning were optimized.Finally，the task of drilling platform positioning and explorative drilling in shallow gas zone was realized.

piling in position；shallow gas；jack-up platform；offshore oilfield

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.009

和鹏飞（1987-），男，甘肃会宁人，工程师，2010年毕业于中国石油大学（北京）化学工程与工艺、石油工程双学位，在职研究生，主要从事海洋石油钻井技术监督与管理工作。

2016-12-09

Email：feier.he@qq.com