自升式钻井船就位前风险识别及应用

霍宏博，岳明，刘静辰，王晓雷，齐琳

1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室（四川 成都 610500）

2.中海石油（中国）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

随着我国海洋油气资源开发的不断深入，自升式钻井船就位的难题逐渐暴露[1]。受自然条件限制，由于海洋风暴、涌浪导致平台倒伏；海底浅层气、海底古河道、浅部断层等使自升式钻井船插桩就位时出现海底薄弱地层刺穿或者海底塌陷[2]，使钻井船有倾斜甚至倾覆的风险。此外，由于人为因素，桩靴附近形成坑洞，反复拔插桩使海底地形起伏多变，或海底的工程垃圾会影响平台桩靴插入海底或锤入隔水导管[3]。

海洋油气资源勘探开发对钻井平台的就位要求越来越严格，就位前的安全风险识别显得非常重要。以往高就位风险区域限制了很多勘探开发项目，甚至影响了整个油田整体的开发方案。

为了应对这些风险，在我国海洋油气田开发过程中，自升式钻井船就位前风险识别技术逐步成熟，取得了一系列的技术突破，就位前井场资料精确分析及风险控制分析、预案编制，使我国海洋油田在受限插桩区域的就位安全得到了极大保障，降低了钻井船就位的风险。自升式钻井船就位前风险识别技术对类似区域的海洋油气开发具有非常重要的意义。

1 自升式钻井船就位难点分析

海洋自升式钻井船就位存在很多难点，包括自然因素、地质因素和人为因素。其中，飓风、大浪等突发海洋自然灾害对海洋平台安全造成了极大危害，自然灾害导致的船毁人亡屡见不鲜。1980 年3月27 日，“亚历山大·基兰”钻井平台所处的挪威北海，突发9级大风，5根桩腿中的一根断裂平台呈40°倾斜，15 min后，平台沉没，123人遇难[4]（图1）。

图1 沉入海底的“亚历山大·基兰”残骸

1979年11月25日，我国的“渤海2号”钻井船拖航过程中突遇10级暴风倾覆沉没。平台上74名职工只有2 人得救，72 人遇难，这是我国海洋油田开发史中最惨痛的一次事故[5]。1982 年2 月15 日，在加拿大纽芬兰近海作业的“海洋徘徊者”半潜式钻井平台遭遇190 km/h 飓风，被吹翻倾覆，平台上84人全部遇难，无一生还[4]。

此外，海底刺穿也是造成平台倾覆的重要原因，海底地层在沉积过程中，随着各地质时期水动力强弱不同，薄层强度也各不相同，在自升式钻井平台预压载过程中，桩靴有可能会因为刺穿强度较高，而快速下沉至较软地层，导致平台失稳。2010年9 月7 日，胜利油田埕岛区域胜利作业三号修井平台，在台风天气受波浪流和平台自身载荷作用，艏桩桩腿将地层刺穿，艏部甲板没入海底，后船只救援无法挽回平台倾斜的趋势，平台最终倾覆，导致2人溺水身亡[6]（图2）。

图2 胜利作业三号钻井平台倾覆现场

在海洋平台几十年的生产中，钻井平台反复插拔桩使海底遍布坑洞，且平台周围海底堆积了一些障碍物[7]，底层海流会造成平台基础冲刷，掏空桩基，使海底坑洼不平，海底打捞出的杂物如图3所示。

图3 钻井船就位前捞出的海底杂物

综上所述，自升式钻井平台就位存在多重影响因素，若无准确的风险分析，将存在很大的问题。在海洋油田开发过程中，针对自然气候、海底地貌、海底地层情况的分析有助于自升式钻井平台就位前的安全。

2 海上井场调查分析技术

2.1 海底地貌声纳扫描技术

海上油田随着几十年的开发，经过了勘探开发阶段、调整阶段，钻井船在平台周围反复就位插拔桩，地貌地形已经改变[8-9]。平台周围海管、海缆及附近掉落的工业垃圾等障碍物，严重影响钻井船就位作业安全[10]。

海底声纳扫描技术具有精度高、可视度好的特点，可以很好地探测海底地貌。该技术采用声纳作为探测手段，射入海底的声波由于地形变化会发生散射，用以判断海底障碍物和桩靴影响。

海底声纳扫描通过发射声脉冲，声波遇到阻碍后进行反射，反射信号被接收器接收后，会进行声波信号的处理，根据延时及强度变化形成图像，以测试点为中心，沿四周进行360°扫测，对海底区域反复重复这一过程，就会得到海底地形的完整影像[11]，钻井船桩靴的桩靴印扫测结果如图4所示。

图4 钻井船桩靴的桩靴印扫测结果

将海底扫测结果与海洋导管架、海底管线进行复合，可形成海底地形图，得到海底路由管线与海洋结构物的相对位置，指导钻井船就位，如图5所示。

图5 海底地形图与海底管缆复合图

结合声纳扫描判断，进行海底障碍物打捞、海底地貌复原，就可避免由于老桩靴印造成的钻井船插桩滑移、就位破坏海缆等事故发生。

2.2 高分辨率海上浅层地震探测技术

为解决古河道、海底断层、浅层气等海底地质风险的影响，研发出高分辨率海上浅层地震探测技术[12]。高分辨率海上浅层地震探测技术由震源发生系统、声波接收系统以及数据采集分析系统构成[13]。通过人工激发地震波，地震波在不同的地层界面传播速度不同，地震仪接收到反射波之后记录其传播的时间，可反映出不同的地层性质。高分辨率海上浅层地震探测技术不同于深层油气勘探所用的声波系统，其探测的主要目标为海底附近地层。因此，浅层地震探测技术的震源能量小，且其频带较宽、主频较高。海洋作业船舶拖带着地震电缆，由压力约14 MPa 的空气枪激发信号，同时收集目标区域的地震信号。收集到的信号，经过校深、降噪、速度迭代实验、动平衡实验等步骤进行精确分析，地震探测船示意图如图6所示。

和硕特庙是参加1812年俄国卫国战争的英雄、和硕特兀鲁思首领色热卜扎布图门(Серебджаб Тюмень)倡议修建的，其设计者是著名僧人和历史学家巴图尔-乌巴什图门(Батур-Убуши Тюмень)，该寺庙于1814年开始兴建，至1818年竣工。该庙于20世纪20年代被关闭，30年代被用作俱乐部，50年代却被当做仓库。1957年，卡尔梅克自制共和国得以恢复，但是和硕特庙以及和硕特庙所在整个地区被划归阿斯特拉罕州，和硕特庙也遭到破坏，只剩下主体建筑的中心殿宇。2004年，在卡尔梅克出现了恢复重建和硕特庙的呼声。

图6 地震探测船示意图

三维高分辨率数字地震技术是由一条钻井船同时拖带多条等间距平行布放电缆，同时接收同一震源地震反射的信号。二维、三维地震技术的综合判断，可有效对海底浅部气层情况进行分析。

根据浅层气的声学特征，进行浅层气分析，浅层气具有反射浑浊、亮点等特点。反射浑浊是由于浅层气导致强反射界面完全屏蔽下部地震信号，地震信号呈“窗帘”状；“亮点”是由于浅层气上部地层强反射所致[14-15]，如图7所示。

图7 浅层气导致的“窗帘”和“亮点”

海底浅层地震可以为海底浅层气提供预判，有助于平台位置的选择和插桩的分析，但是海底浅层地震具有多解性，还需要进行海底钻孔辅助浅层气以及地层强度进行验证。

2.3 海底钻孔工程地质调查技术

如果工程地质、物探资料显示目标区域浅层气，通过地震参数无法对浅层气压力和气量进行精确分析，也无法对地层薄层的强度进行准确计算。

因此浅层地震调查主要通过工程物探方法定性评价浅层气分布范围及成因。对于含浅层气区域，如果直接进行钻井平台移位，将增加油气勘探开发成本，进行钻孔实验或者通过钻孔排气可以对浅层气能量进行定量判断，也可减轻浅层气对基础稳定性的影响。

海上钻孔CPT(Cone Penetration Testing)测试可以很好地为地震分析做校核，钻孔从海底泥面开始，钻入至目标深度，并连续测试，每次钻进3 m，钻进速度2 cm/s[16]。作业前对CPT 探头标定，用于校核现场参数，同时对探头抽真空，以提高地层压力测量精度。通过实测数据的分析，可连续、快速地获取海底地层的工程特性及力学性质，避免室内试验扰动土样产生不良影响。通过经验公式校正，可解释海底地层特性。较慢的钻进速度，以2 cm为间隔的实验分析，可以精准地识别薄弱地层或者硬质薄层。

3 自升式钻井船就位前风险识别技术的现场应用

渤海A油田井场采用二维高分辨率数字地震资料分析，显示在区域分布浅层气，地震图显示呈“烟囱”状，是由浅层气引发的声学屏蔽，且分布在断层附近，据分析是通过断层面运移到浅部地层，具备高压浅层气特征，浅层气的平面和垂向分布如图8所示。针对存在上部障碍物的区域风险调查，采用拖缆与海洋节点联合采集的作业方式获取地层资料[17]。

图8 浅层气的平面和垂向分布

为进一步判断该区域浅层气的强度情况，采用海上钻孔方式进行辅助判断。在8～150 m的深度范围内进行海底钻孔，自钻进至50 m 开始，海底出现气泡，气泡最大直径约3 cm，如图9 所示，气泡一直持续返出。

图9 钻孔期间海底气泡

综合上述风险，最后将平台位置移出浅层气区域，避免发生就位及钻完井风险。

4 自升式钻井船风险分析技术展望

虽然多种新技术的应用使自升式钻井船就位风险得到控制，但是未来随着较深水、国际海域的勘探开发，将涉及越来越多的陌生海域，自升式钻井船的就位风险依然存在，需要以技术进步解决自升式钻井船的就位难题。

钻井船插桩对隔水导管群桩的影响，得到了间距超过钻井船桩靴直径一倍，群桩效应可以不考虑的结论[18]。近年来，随着技术进步，无人水下航行器技术发展迅速，小型化、可靠性强，经济型的水下无人机技术将对海洋油气开发提供极大帮助[19]。水下航行器可按照控制要求在海水中上、下、前、后运动，可实时传输水下信号，在清澈海域可传输海底视频、图片，在浑浊海域可传播声波等信号，实现对水下海底情况的控制。并可在多个矿区区间航行，实现矿区海底地图的绘制和更新。

通过大数据，结合区域内天气案例分析，运用天气学原理，将国家气象观测站信息及卫星云图等资料进行系统分析，进行海洋天气预报，分析大风、大雾、强对流天气的不利因素，作为海洋钻井平台就位的分析基础，依托天气预测的进一步精细化，可增加平台就位风险的控制[20]。

已经有相关研究机构就防刺穿钻井船桩靴进行了研制，例如杨进等[21]人提出的裙式可自弃抗刺穿自升式钻井平台桩靴，通过对桩靴增加裙式桩靴块体设计，可抵抗自升式钻井平台桩靴刺穿。该设想虽未进行实际产品的生产，但是为自升式钻井船的安全就位拓展了思路。

自升式钻井船安全就位不仅仅是海洋油气专业能够解决的，还需要跨学科技术的辅助，比如海洋坐标定位系统可以结合导弹的精确制导原理，将就位精度提高[22]；或者采用激光测距等技术辅助判断海底障碍物与桩靴之间的距离，而不必动员大量海洋工程船舶辅助清障。

总之，海洋平台就位需要发散思维，引入新技术、新方法，解决现有及未来可能出现的问题。

5 结论和建议

海洋油田开发对自升式钻井平台就位精度要求越来越高，就位前安全风险分析技术体现出其重要作用。但自升式钻井平台就位技术只是提前预防的技术手段，对未来降低就位风险研究和实际现场就位技术还有以下建议。

1）自升式钻井船就位风险分析要扩展视野，利用军工、航天科技，解决海洋钻井船就位难题。

2）建议国家绘制海底地貌地图，不但有利于海洋油气资源开发，还有利于航运、渔业等行业。

3）钻井船就位风险分析可运用大数据，依托海洋信息数字化，对自升式钻井船就位风险进行量化分析。