渤海油田自升式钻井平台就位精准选型技术

张宝平， 许 杰， 徐荣强， 于忠涛， 孙旭彤， 王金明

(1. 中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司， 天津 300452；2. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300459)

0 引 言

随着国家能源七年行动计划的实施，国内各大石油公司加大了勘探开发力度。自升式钻井平台是海上油气勘探开发的主要钻探设备[1]，在钻完井作业中占据非常重要的地位，中国近海近80%的油气井开发都是通过自升式钻井平台作业完成的[2]。不同的自升式钻井平台在升船气隙、覆盖能力和插桩能力等方面不一样，因此在自升式钻井平台就位时需要对水深、升船气隙、生产平台顶甲板设施、井口布局、插桩等情况进行详细计算和分析，才能选择合适的钻井平台进行钻完井作业[3]。

渤海油田年均就位达150次，庞大的作业量需要精准的前期研究和可行性分析[4]，从而保证作业的连续性和高效性。某钻井平台在渤海中部某区块避风临时升船，由于实际插桩超出预测深度，也超出该钻井平台的插桩极限值，因此只能紧急撤离寻找周围其他井位，在海上超过安全拖航风力等级的大风情况下，出现这种情况非常危险[5]。另外，在作业者安排钻机时，由于选型过程与实际情况存在出入，临时换船的情况时有发生，会影响作业进度。针对计划就位位置的海洋地球物理条件、作业工况和作业要求选择匹配的自升式钻井平台可对海上钻井作业顺利进行提供前期基础性保障[6]。在实际自升式钻井平台就位方案预研究、分析和设计时，往往由于钻机资源档期和人为因素，出现“大船小用、小船大用”的情况。因此，如何选择匹配的钻机，从而高效、安全地对渤海整装油田进行开发，是重大且关键的课题。

为解决以上难题，有必要开展自升式钻井平台精准选型研究。综合考虑选型中的水深、气隙、插桩、覆盖、避让等要素，建立选型模型、方法和公式，从空间的竖直方向和水平方向为选型提供计算依据和理论准则，以保证海上油田高效快速开发。

1 水深选型

自升式钻井平台在海上被动航行，是被拖物，需要主拖船拖航。自升式钻井平台和主拖船都有最小吃水深度以避免搁浅。海洋钻井平台在海上进行拖航、就位、插桩和钻井作业，水深是需要考虑的重要因素[7]。

7 m以浅和120 m以深是进行海洋平台选型和匹配的2个重要参考值。水深过浅容易导致主拖船和钻井平台拖底搁浅；若水深过深，由于自升式钻井平台桩腿长度有限，则在插桩过程中容易导致滑移和桩腿变形[8]。船体和桩腿受涌浪影响非常大，对自升式钻井平台的安全性和稳定性产生较大影响，插桩和防碰风险陡增。在就位作业前须进行井场调查，明确就位区域范围内水深随着潮汐和涌浪的变化范围，以保证航行和就位安全。

在进行水深选型时，需建立自升式钻井平台与水深匹配模型和计算公式，并同时满足如下条件：

(1)

式中：Dw为就位处水深，m；Lz为桩腿长度，m；Dm为自升式钻井平台桩腿插桩入泥预测深度，m；Lq为自升式钻井平台升船气隙高度，m；Dx为自升式钻井平台型深深度，m；Lgz为自升式钻井平台桩腿固桩区高度，m；Lyl为自升式钻井平台桩腿预留长度，一般为一节，m。

2 气隙选型

气隙选型也称为升船能力选型。气隙是指自升式钻井平台船体底部至海水波面间的垂直距离。在充分考虑自升式钻井平台桩腿结构、尺寸、压载量等因素的前提下，结合海底土承载能力，建立自升式钻井平台升船能力评价数学模型，为自升式钻井平台气隙选型提供合理有效的方法。

升船能力评价模型充分考虑钻井平台在竖向上的桩腿长度控制能力和作业安全，需同时满足如下控制方程(升船能力计算公式)

(2)

式中：Hp为桩腿入泥深度，m；Hw为水深，m；Hg为升船跨越高度，m；Hh为自升式钻井平台船体型深，m；Hl为自升式钻井平台桩腿的有效长度，m；Ht为就位平台顶甲板高度，m；Hs为悬臂梁底部与需要跨越顶甲板最高障碍物顶部的间距，m。

式(2)充分考虑钻井平台在垂直方向上的作业能力，保证钻井平台悬臂梁高度高于生产平台顶甲板且顶甲板上面可跨越和避让障碍物。在升船能力评价模型中，在垂直方向上考虑0.5～1.0 m的安全裕量，从而避免在钻井作业过程中钻井载荷过大导致钻井平台与生产平台之间发生干涉的可能。

气隙选型实现了自升式钻井平台从海平面到平台底部竖向的安全。

3 覆盖能力选型

自升式钻井平台依靠悬臂梁将钻台推出，实现转盘中心对井口区的纵向移动，钻台有上下底座，通过上底座的移动实现转盘中心对井口的横向覆盖。

覆盖能力分为纵向覆盖能力和横向覆盖能力，需分别建立选型公式。

根据自升式钻井平台悬臂梁尺寸和载荷分布特征，结合生产平台结构和空间展布，建立自升式钻井平台悬臂梁覆盖能力评价模型。该模型考虑钻修井船与生产平台距离的安全控制、悬臂梁载荷分布和海况条件等，使悬臂梁覆盖能力评价精度由原来的70%提高至90%。

目前海上丛式井井口数量不一，井口排列分布多样，主要有4×9、4×5、4×4等3种，井口纵向间距为1.8 m、横向间距为2.0 m。

(1) 纵向覆盖选型公式

在自升式钻井平台压载升船时，受地层地质情况、老脚印与涌浪影响，自升式钻井平台可能会发生滑移，导致纵向覆盖能力变大或者变小，如果覆盖能力变大，说明钻井平台尾部和生产平台就位立面的安全间距变小。另一方面，由于在测量和就位实施过程中都会产生误差，在能够覆盖纵向最远端井的条件上，在总的覆盖长度内，须预留一定的纵向裕量。因此，纵向覆盖选型公式为

(3)

式中：Lza为悬臂梁纵向覆盖预留量，m；Ls为自升式钻井平台船尾与生产平台的安全间距(含±0.3 m就位偏差)，m；L1为平台边缘至第一排井口距离，m；Nz为整数，平台槽口列数减1；dc为槽口纵向间距，m；Lc为悬臂梁纵向覆盖长度，m；α为船首向允许偏差；Lch为槽口至后方障碍物距离，m；Lzw为转盘中心至钻台尾部距离，m。

(2) 横向覆盖选型公式

目前渤海油田生产平台井口一般为4列，横向跨度为6 m，渤海油田作业的自升式钻井平台横向覆盖能力有4种尺寸：6.00 m、7.00 m、7.32 m和9.14 m，其中横向覆盖能力为7.32 m的占所有钻井平台的90%。由于就位艏向和横向误差的限制，选择横向覆盖选型。横向覆盖选型公式为

(4)

式中：Lha为悬臂梁横向覆盖裕量(含±0.3 m就位偏差)，m；Lt为悬臂梁横向覆盖长度，m；Nh为槽口横向排数减1，m；dt为槽口横向间距，m；Lcz为槽口至左方障碍物距离，m；Lzz为转盘中心至钻台左边缘距离，m；Lcy为槽口至右方障碍物距离，m；Lzy为转盘中心至钻台右边缘距离，m。

覆盖能力选型实现了就位悬臂梁推出方向即水平横向空间的安全，与水深选型和插桩选型相对应。

4 插桩预测选型

综合考虑桩腿间相互作用、动载、回填土等因素，建立全新的自升式钻井平台插桩深度预测方法。目前渤海油田使用美国石油学会(API)传统计算方法，计算结果现场符合度仅70%，新的插桩深度预测精度达90%，钻井平台插桩、升船作业均未出现重大事故和险情。

与API方法相比，新算法考虑桩间相互作用、动载、回填土效应等3个要素，插桩深度计算式为

Qzy≤fAs+qAp-aP0A′p

(5)

式中：Qzy为钻修船桩腿最大压载量，kN；f为钻修船桩腿侧向摩擦力，N/m2；As为桩腿侧向有效面积，m2；q为海底土某深度的桩腿端承载力，N/m2；Ap为桩靴面积，m2；a为回填土无量纲因数(0.3～0.6)；P0为上覆土体压力，N/m2；A′p为桩腿回填有效面积，m2。

5 悬臂梁钻井载荷能力选型

悬臂梁钻井载荷能力选型衡量当钻井平台转盘中心处于极限位置时，钻井载荷是否满足作业要求。一般根据钻井平台载荷分布表，结合转盘中心处于极限井位时纵向和横向移动距离，判定是否满足钻井作业要求，公式为

(6)

式中：T1和T3分别为悬臂梁纵向和横向可承载的载荷极限值，t；T2和T4分别为钻井作业时纵向和横向最远端井需要的载荷，t。

6 避让选型

生产平台顶甲板上有许多设施，不仅有比较大的模块，如生活区、飞机甲板、修井机、起重机等，而且有冷放空管、变电箱、高架槽等小的设施。悬臂梁和钻台推出后在顶甲板进行横向和纵向移动，会与顶甲板设施发生干涉，在设施无法移动或拆除的情况下，需采用避让计算进行合理避让。计算公式为

(7)

避让选型与覆盖选型相辅相成。

7 选型过程

以渤海油田渤中区块某生产平台为例，进行水深、气隙、覆盖和插桩等方面的选型。该平台处水深为19.5 m，槽口数量为20个，井口间距为3.6 m，顶甲板高度为29.0 m。平台侧视图如图1所示。

图1 平台侧视图

7.1 水深选型

由于平台处水深为19.5 m，且所有插桩不超过允许深度的自升式钻井平台都可在此作业，因此渤海内的可作业自升式钻井平台有HYSY92系列、HYSY281、渤海四号、渤海十号、渤海十二号、南海一号、HYSY941等。

7.2 气隙选型

由于顶甲板标高为29.5 m，顶甲板有修井机、泥浆罐等设备，泥浆罐高度为4.1 m，因此需要跨越的高度为29.5 m+4.1 m+0.5 m=34.1 m。根据式(2)匹配合适的钻井平台，符合的钻井平台有南海一号、HYSY92系列和HYSY941。

7.3 覆盖选型

经计算，平台最里面的井口距平台边缘(挡风墙)为12.1 m，加上安全裕量2.1 m，悬臂梁共需纵向覆盖能力为14.2 m，根据各钻井平台悬臂梁纵向覆盖能力，匹配后得出南海一号、HYSY281、HYSY932和HYSY941可供选择。

然后计算横向覆盖能力，由于平台槽口横向间距为2 m，总共为6 m，经过与渤海钻井平台横向覆盖匹配，得出结论，除了渤海十二号不满足要求外，其他钻井平台均满足要求。

7.4 避让选型

经过调研和计算，需避开修井机，经匹配，HYSY281和渤海十二号转盘中心至钻台尾部的距离不会碰到修井机。

7.5 载荷能力

根据渤海十二和号HYSY281载荷分布图，2个钻井平台的载荷能力都满足作业井口需要的载荷。

7.6 选型结果

经过水深、气隙和覆盖等计算和匹配，最终HYSY281符合整体作业要求。

7.7 现场应用

自2016年至2020年，自升式钻井平台精准选型技术在渤海油田的渤中、锦州、金县、秦皇岛等区块进行推广使用，实现30余座不同自升式钻井平台与150余座生产平台的精准选型并成功就位。在选型过程中，选型成功率从75%提高至95%，覆盖成功率提高了，插桩风险降低了，就位效率提高了。在各区块生产平台实际就位应用中，在保证现场安全就位的前提下，获得直接经济效益数千万元。

8 结 论

研究渤海油田自升式钻井平台精准选型技术的难点和创新点，建立选型模型，分析精准选型的各种影响因素，创造性地提出自升式钻井平台选型方法和计算公式。研究自升式钻井平台精准选型技术，得出如下结论：

(1) 水深是自升式钻井平台选型的首要考虑因素，水深选型同时影响气隙选型和插桩选型。研究水深和自升式钻井平台桩腿合理匹配问题，建立水深选型方法和公式，为钻机资源合理安排提供依据和准则。

(2) 自升式钻井平台气隙、覆盖、避让选型模型、方法和公式的建立为自升式钻井平台就位提供竖向空间的理论依据和准则，保证就位设施不会发生碰撞。

(3) 钻井平台悬臂梁覆盖能力选型模型、方法和公式的建立为钻井平台选型和就位提供横向空间的理论依据和准则，保证钻井平台不会与生产平台重要设备发生干涉。