一种鸡蛋壳地层穿刺监测与预警结构及其作业方法

张宝平，刘书杰，徐荣强，何玉庆，刘 卓

（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）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

随着国家能源七年行动计划的实施，国内各大石油公司都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了非常重要的地位，中国近海近80%的油气勘探开发井都是通过自升式钻井平台作业完成的[2]，自升式钻井平台通过初就位和精就位，实现与生产平台对接，然后推出悬臂梁进行钻井作业。自升式钻井平台在海上油田进行插桩就位作业时，经常会遭遇插桩位置的地层上部为硬土层下面为软土层——俗称“鸡蛋壳地层”[3]的情况，这种情况往往会引发穿刺事故[4]，造成平台受损、作业进度受阻，严重情况下甚至发生船体倾覆和人员伤亡的风险[5]。

地层穿刺风险预测与评价目前是通过海上工程地质勘察作业[6]，然后根据钻孔取样参数进行插桩计算来完成的。而实际插桩时，由于桩靴排开土及对下部地层压实与挤压的影响，导致地层情况发生了改变，因此无法准确预测实际插桩过程中是否会发生穿刺[7]；另一方面，如果发生穿刺，穿刺的深度很难预估。

由于鸡蛋壳地层的不可预见性[8]，增加了海上钻井平台插桩风险，需要一种新的穿刺风险评价方法来指导现场插桩作业，提高插桩安全，并对存在的穿刺风险进行监测与预警。

为了解决以上难题，海洋石油工程技术人员提出了利用静力触探作业（CPT）实时监测鸡蛋壳层段，精确分析鸡蛋壳以及上部地层在预压载达到最大预压载荷70%以上时变形情况以及承载力，进而分析穿刺发生可能性，并进行插桩作业预警。

1 结构设计

静力触探（CPT）（图1）是一种作业速度快、数据连续、再现性好、省时省力等优点的原位测试方法[9]，CPT数据不仅可用于土层划分、土类判分，并可用于估算黏性土的不排水抗剪强度、超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度以及内摩擦角等参数。

图1 CPT作业Fig.1 CPT operation

常规静力触探设备包括反力基架、压入设备、探杆、探头、脐带缆以及数据采集系统[10]。

根据常规静力触探结构，并结合自升式钻井平台桁架式桩腿和桩靴的特点，技术人员设计了一种结构，把静力触探设备内置在钻井平台桁架内，即将反力基架焊接在桁架和弦管上，常规CPT的探杆下行推力是由反力基架提供的，新的结构是靠桁架提供反力，并且该反力稳定且足够大。然后在桩靴上表面和下表面开孔，形成探头探杆通道，上表面的孔焊接一根比探杆直径大的导向管，同时具备隔水功能，下表面开孔处有开关，开关顶部有圆锥形凹槽，作业时开启，不作业时关闭，CPT圆锥探头固定在凹槽内，自升式钻井平台移位时保持设备固定不被损坏。胶带缆沿着桩腿连接到自升式钻井平台中控室的数据采集系统。

一种鸡蛋壳地层穿刺监测与预警结构如图2和图3所示。

图2 鸡蛋壳地层穿刺监测与预警结构侧视图Fig.2 Side view of the monitoring and early warning structure of egg shell formations

图3 鸡蛋壳地层穿刺监测与预警结构俯视图Fig.3 The top view of the structure for the puncture monitoring and early warning egg shell formations

2 作业方法与步骤

该结构适用于钻井平台插桩预测结果存在穿刺的情况，实施前先对作业钻井平台就位处工程地质报告中的插桩入泥深度曲线进行分析，根据插桩预测曲线判断是否需要进行穿刺监测与预警作业。现场作业时，可以综合分析曲线和刺穿安全系数确定初次压载入泥深度，即主要是确定在距离预测穿刺位置以上多少米停止压载；其次是现场数据处理，现场CPT作业过程中需要根据地质勘察工程师的分析结果来决定探头的实际钻探贯入深度；最后，通过凹槽固定探头探杆，做好探头、探杆等仪器设备的保护工作。通过静力触探仪实时分析真实压载环境下鸡蛋壳地层是否存在以及鸡蛋壳地层的穿刺风险，保证钻井平台插桩稳性与安全，从而保护海上自升式钻井平台设施安全。

具体实施步骤如下：

（1）室内分析研究，作业方案制定。根据地质参数分析是否为鸡蛋壳地层来决定是否将结构贯入桩靴下部地层进行监测与预警。

（2）钻井平台升船压桩，桩靴开始入泥（图4）。在插桩深度即桩靴底深度距离预测穿刺深度3～5 m时，停止插桩。

图4 桩靴压载入泥Fig.4 Leg shoe preload depth

（3）桁架桩腿内置静力触探仪的探杆和探头在电动摩擦轮推动下，穿过桩靴导向管与导向孔，插入桩靴以下地层；至少在桩靴以下下行5 m（图5），根据探头传输的实时数据分析，决定是否加深至10 m。

图5 CPT探头入泥5～10 mFig.5 CPT probe penetration 5～10 m

（4）CPT探头获得的实时数据通过胶带缆传输到中控室的数据处理系统，地质工程师实时分析，给出穿刺风险评估并进行穿刺判断，以及是否加深CPT钻探深度。

（5）作业结束后，探头立于导向孔开关顶部锥形凹槽，起到固定作用，防止探头、探杆、电缆在拖航和插桩过程中受到侵蚀或者损坏。

（6）作业者根据现场CPT结果和地质工程师给出的风险分析，决定是否继续压载及撤离。

3 作业模拟计算

该结构目前处于研制阶段，因此需要通过仿真计算软件来模拟CPT探头压入桩靴下被压实地层后地基承载力的变化以及压载对鸡蛋壳层段影响，从而判定穿刺是否发生并进行作业决策。

FLAC 3D是一个三维有限差分程序，它通过收集与分析大量不同土体强度组合条件下的层状土地基承载力数据样本，训练形成自咀嚼模式人工神经网络（ANN）代理模型来预测层状土地基承载力，代理模型预测承载力结果跟FLAC3D的平均误差在1%以内，因此该仿真计算软件可靠性和准确性很高。

本文以海洋石油941钻井平台（作业水深400 ft）在中国南海某井位为例进行鸡蛋壳地层穿刺监测与预警模拟计算（图6）。

图6 某井钻孔柱状图及极限桩脚载荷与桩脚尖入泥深度曲线Fig.6 Bore hole column diagram of a well and ultimate leg load versus footing tip penetration curve

从曲线图中看出，在压载到5 500～7 500 t之间存在穿刺的可能性，模拟计算步骤如下：

（1）根据钻孔柱状图参数，在应力分析软件中建立层状土模型；

（2）模拟桩靴入泥1 m，CPT钻探桩靴底以下2 m时地层承载力变化（图7）；

图7 桩靴压载到泥面以下1 m应力情况Fig.7 Stress state when foot is penetration to 1 m below the mud line

（3）模拟桩靴入泥2 m，CPT钻探到桩靴底以下1 m地层承载力变化（图8）。

图8 桩靴压载到泥面以下2 m应力情况Fig.8 Stress state when foot is penetration to 2 m below the mud line

从应力分析模拟计算结果看出，桩靴压入泥面以下2 m时，下部3～7 m内的软弱土层已经发生了剪切破坏，地层压载存在穿刺风险，其承载力不适合继续加载压载水，该井位不适合继续插桩，需要拔桩撤离。通过对压实后的地层进行CPT试验和数值模拟，能够监测与预警穿刺风险。

4 结论

本文提出了一种鸡蛋壳地层穿刺监测与预警结构及其作业方法，创新性地将静力触探结构内置到钻井平台桁架内，实现了对压实地层实时CPT作业来监测鸡蛋壳地层承载力，并对穿刺风险进行预警，通过对结构设计、作业方法与数值模拟，得出以下结论。

（1）该结构内置于钻井平台桁架内，改变了传统CPT的作业工况，能够对压实地层进行实时作业，更加能够发挥CPT作业数据连续再现性好的特点，从而反映真实压载情况下地层承载力的变化以及压载对鸡蛋壳地层产生的影响。

（2）该结构对压实后地层进行CPT试验，然后对获取地层参数进行处理与数值模拟，能够很好地对地层穿刺风险进行监测与预警，并且能够判断鸡蛋壳破坏情况，可以为作业者提供决策依据，能够起到插桩作业安全与穿刺风险警示的效果。

（3）该结构与方法能够在海上油田400 ft水深作业的自升式钻井平台上进行推广应用。由于实际作业中自升式钻井平台的多样性，平台的桩靴截面积、桩靴形状、桁架结构等条件不同，所以需要不同的数值模型以及针对性结构设计。