中国近海自升式钻井平台选型影响因素分析

袁光宇

(中国海洋石油总公司)

1 问题的提出

中国近海，特别是渤海海域经历了近50年的勘探开发，自升式钻井平台在钻完井作业中占据了主导地位。自升式钻井平台之所以能成为钻井施工中的主力军，是因为其具有机动能力强、定位方便、稳定性好等突出的优点。自上个世纪70年代，中国海油针对渤海海域海况和地质条件，通过调研分析和优化选型，在渤海油田选择了三腿和四腿结构2种钻井平台类型，升船方式为液压举升或齿轮齿条举升。

我国于1967年设计了中国第一艘自升式钻井平台“渤海1号”，于1972年在大连造船厂建成交船，随后作业水深逐步得到提升的自升式钻井平台相继出现，如“渤海5号”和“渤海7号”两艘自升式钻井平台作业水深从30 m提高到40 m，就位一次可以完成9口井的作业，最大钻井深度也达到了6000 m。随着渤海海域勘探区域扩大，作业水深不断加深，钻井深度逐步提高，使得钻井平台具有更强的作业能力和更好的性能。为了适应更复杂的海底条件，具有较强的就位能力，钻井平台桩腿数量主要采用三腿结构型式，桩腿结构主要为配带桩靴的桁架式端承结构桩。从渤海海域近50年的钻井实践来看，带有桩靴桁架式桩腿结构的自升式钻井平台已成为该区域钻井作业的主要平台类型。

近年来中国海油油气产量高速增长，钻井工作量剧增，许多油田的勘探与开发都需要自升式钻井平台去完成，而原有钻井平台在数量和能力上均不能完全满足工作需求。因此，需要新建一批钻井平台，中国近海自升式钻井平台选型和适应性的问题就提了出来。中国海油现有的自升式钻井平台情况如表1所示。

表1 中国海油现有的自升式钻井平台情况

2 中国近海自升式钻井平台选型影响因素分析

针对预定井位的环境条件(包括海况、海底土质条件等)、作业工况以及作业要求选择合适的自升式钻井平台，会对钻井作业的顺利实施提供保障。目前在选择自升式钻井平台进行预定井位的作业时，水深和钻井平台动复原是否方便作为选择平台的依据，很少考虑钻井平台其他结构上的适合性。经过分析可知，在中国近海选择合适的自升式钻井平台不仅需要考虑水深条件，还要根据海底地质条件、平台钻井能力以及海况条件来综合分析。

(1)水深条件

水深是选择自升式钻井平台首先要考虑的因素，它直接影响着平台桩腿长度的选择，而桩腿又是自升式钻井平台的关键组成部分［1］。在自升式钻井平台设计和改进换代方面，适应的作业水深是最突出和最为主要的参数，因此，在一定程度上可以将水深条件作为选择平台和判断适用性的唯一初始参数。

同时，水深条件也影响着桩腿的结构形式。截至目前，所设计和建造出的自升式钻井平台桩腿结构形式有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构，按照截面形式又分为圆柱形和方箱形2种［2］，一般用于作业水深在60 m以下。水深加大，波浪载荷增大，对桩腿和船体都提出了抗倾覆稳定性的要求;桩腿在保证稳定性的同时加长，其横截面必然加大而导致结构重量增大，这种条件下适合采用桁架式设计形式的桩腿。

(2)海底地质条件

桩腿可按海底地质条件需要设置桩靴，海底土质特性也是设计桩靴结构形式的依据。桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种［3］，带有桩靴的桁架式桩腿结构的自升式平台适用于淤泥、粘土、砂土等多种海底地质条件。在自升式钻井平台就位升船前应依据有关部门提供的工程地质调查资料，进行自升式钻井平台桩靴入泥深度和拔桩阻力计算和预测研究，给出钻井船桩腿入泥深度窗口。

结合水深条件来判断预定井位是否适合自升式钻井平台就位插桩。自升式钻井平台桩腿的有效长度必须满足桩靴入泥深度、水深和设计气隙三要素的要求。桩腿有效长度是指桩腿总长度减去桩腿最小剩余长度(不同平台最小剩余长度不同，一般为1.5～3.5 m)、提升系统框架顶部高出船体甲板的高度和船体型深，如图1所示。自升式钻井平台撤离时需要进行拔桩作业，桩靴入泥深度越深，拔桩阻力越大，当拔桩阻力超过平台自身的拔桩能力时将出现拔桩困难，甚至不能实现拔桩，导致拔桩失败的风险。通常对于每一艘自升式钻井平台来说，不论海底地质条件如何，设计中都会设定容许的最大入泥深度，即桩靴的入泥深度不得超过钻井船最大入泥深度。

图1 桩腿长度计算示意图

近年来，自升式钻井平台遭遇海底表层硬砂层——“铁板砂”海底土层，因插桩过浅导致桩靴底部被海流掏空而引起船体倾覆，以及遭遇很厚的软土层因插桩过深而导致平台无法自拔桩的事故时有发生，可以通过自升式钻井平台选型和结合相应的安全措施来避免或降低此类事故的风险。

海底工程地质条件、平台入泥深度限制以及穿刺风险共同构成自升式钻井平台选型的影响因素。钻前应认真分析物探井场调查的结果，确认桩腿有无“穿刺”的可能，预测平台桩腿“穿刺”可能下沉的最大深度等，还可以通过选用不同自升式平台来打破平台入泥深度的限制，降低甚至避免穿刺风险。若分析结论认为无法避免穿刺，且桩腿“穿刺”达到较大深度，应考虑选择坐底式自升式钻井平台作业，而不能选用插桩式自升式钻井平台作业［4］。

(3)平台钻井能力

平台的钻井能力除了与平台上配置的钻井设备有关外，还与平台的结构设计有关。每艘自升式平台都具备自身特定的钻井能力，如“渤海3号”钻井船钻井能力4000 m，工作水深40 m，钻井最大可变荷载1556 t，大钩负荷180 t。可以根据预定待钻井的设计方案选用能够胜任的自升式平台，或通过改变平台结构实现钻井能力的提升。也就是说，选用不同结构的自升式平台可以获得不同的钻井能力。

加大桩腿可以提高自升式钻井平台的负荷能力。例如，休思南斯钻井公司的2个新钻井平台，即“前卫1号”和“前卫2号”，原平台钻井能力为7620 m，通过改进桩腿和钻机底座结构提高了其运转能力。资料表明，这2个新钻井平台桩腿直径增至15.24 m，支撑面积则增加了69%，即在同样负荷情况下降低了海底负荷，从而相对负荷减轻，实际钻井负荷得以增加;同时改进后的钻机底座易于移动，方便钻井平台井位之间的移动和定位［5］。

(4)海况条件

这里提到的海况条件主要包括风、浪、流和冰的情况。每个海域都有其特有的海况条件，不同的海况条件对不同的自升式钻井平台作用载荷不同。也可以说，不同的自升式钻井平台对海况的敏感度不同。

自升式钻井平台在预定井位就位插桩前，需要进行抗风、浪、流，甚至抗冰的稳定性分析，研究和计算平台在预定井位风、浪、流和冰作用下桩腿受到的反力与倾覆力矩。对于作业水深在60 m以上的自升式钻井平台，通常采用桁架式桩腿。与壳体式桩腿相比，桁架式桩腿不仅重量轻，而且可以有效降低波浪力作用，从而降低平台结构的位移和应力响应［6］。从这个角度上来看，海况条件也是自升式钻井平台选型的依据。例如，结合南海西部目标井位水深和海底地质条件，参考该海域的海况条件［7］，对所选择的“海洋石油941”平台(最大作业水深122 m)进行了可行性分析，假定了3种工况，并按照中国船级社规范进行平台抗风暴校核，其结果1)为:①在入泥小于 14.7 m、气隙 14 m、最大水深小于99 m的条件下，“海洋石油941”平台可以满足抗50年一遇的台风风暴要求;②在入泥小于7.7 m、气隙30 m、最大水深小于95 m的条件下，“海洋石油941”平台可以满足抗50年一遇的台风风暴要求;③在入泥小于5.5m、气隙13 m、最大水深小于122 m的条件下，“海洋石油941”平台可以满足抗100年一遇的冬季风暴要求。

3 结束语

就目前认识来看，考虑平台的海况适应能力、广泛的使用能力以及钻机最适用的钻井能力，是自升式钻井平台选型分析的三要素。自升式钻井平台选型是涉及到平台的建造、使用和钻完井工作满足勘探开发需求的大事情，因此必须要花大力气做好。对于仅限于渤海海域作业水深建造的海洋石油92系列平台，由于水深和悬臂能力有限，就目前的使用情况来看，应增加悬臂梁的覆盖能力，以18.3 m为好，这样充分兼顾生产井和调整井的需要，有利于今后的长期使用，提高钻井平台的使用率。而对于海洋石油94系列平台，由于其可变载荷大，水深适应性强，将成为南北海域兼顾的主力平台类型。

［1］ 李征.自升式平台桩靴开孔强度的分析研究［D］.大连:大连理工大学，2009.

［2］ 罗宏志，蒙占彬.国内深水自升式钻井平台发展概况［J］.中国海洋平台，2010，25(4):4-7.

［3］ 汪张棠，赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展［J］.船舶，2008，2(1):10-15.

［4］ 周俊昌.南黄海铁板砂海床插桩问题分析与对策［J］.中国海上油气(工程)，2003，15(4):1-4.

［5］ 蒋麟湘.革新技术 扩大钻井能力［J］.石油钻采工艺，1982，2(5):33-36.

［6］ 王瑜.基于有限元分析的自升式平台桁架腿选型优化设计［J］.船舶设计通讯，2010，4:60-64.

［7］ 赵文华，胡志强，杨建明，等.FPSO系泊系统载荷计算与分析——基于南海“奋进号”FPSO运动特性实船测量结果［J］.中国海上油气，2011，23(2):116-121.