考虑浅层地质灾害的钻井船就位研究

王 文, 张 磊, 孙连坡, 庹海洋, 刘 询, 景 成

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459; 2. 西安石油大学 石油工程学院, 西安 710065)

0 引言

渤海湾某L油田位于渤海东部海域辽东南洼东部斜坡带,夹持于辽东南洼和渤东北洼,成藏条件优越,进入油田开发设计阶段开展全专业深入研究。按照油藏开发原则,该油田共部署6口定向井,油藏埋深2 200～2 400 m,靶区控制半径为1 480 m,单平台方案即可满足开发条件。在对初步平台位置场址范围内进行工程物探调查证实,该油田调查区域海底至海底以下区域发现浅层气及古河道分布区域,这些浅层地质灾害严重威胁着钻井船就位安全[1-5],需从钻井船就位位置及钻井船插桩两方面开展安全研究,优选出合适的钻井船,以保证工程安全。

1 钻井船就位位置优选

1.1 平台位置优选方法

在选择钻井船就位位置时,首先应考虑尽量移出浅层地质灾害区域。结合6口开发井靶点,利用Compass软件优选得到了初步平台位置D1,如图1所示。其原理为以总水平位移和总进尺最少为第1和第2目标,从而得出平台位置最优解[6-7]。

图1 渤海某油田利用Compass软件进行平台位置优选示意图Fig.1 Schematic diagram of platform location optimizationby Compass software in a Bohai Oilfield

目标函数为：

(1)

最优解为：

(2)

式中：NW为待钻井井数；(xti,yti)为靶点坐标；MD为平台总进尺,m；(Xp,Yp)为平台位置坐标。

1.2 L油田平台位置优选过程

以D1位置作为基准点,在平台场址(1.0 km×1.0 km×25.2 km)范围内布置网格状测线进行工程物探调查,示意图如图2所示。调查表明,平台场址海底至海底以下100 m范围内,发现4处浅层气区域A1～A4,预选的平台位置距离浅层气A1较近,仅27 m,风险较大；发现1处埋藏古河道,河道分布范围较大,几乎覆盖整个调查区域,其顶部埋深在海底以下约4～7 m,底部埋深在海底以下约7～16 m。

图2 渤海湾某油田平台位置工程物探调查示意图Fig.2 Diagram of engineering geophysical survey ofplatform location in an oilfield in Bohai Bay

由于古河道区域分布范围较广,平台位置若移出该区域严重影响油田的经济效益[8-9],因此考虑小范围内移动预选平台位置,尽量远离各浅层气区域边缘,从而保证油田作业安全。具体步骤如下：

1)在预选平台位置的基础上,将其分别向西南、西、西北和南方向移动100 m及200 m,得到平台位置WN1～S2,如图3所示。

图3 渤海湾某油田移动后平台位置示意图Fig.3 Diagram of platform position of an oil fieldin Bohai Bay after moving

2)综合考虑移动后的位置距离浅层气距离及开发井总进尺(见表1),优选出最优平台位置。在移动后的各个平台位置中,向西移动100 m的平台位置W1处进尺增加得最少(113.8 m),且此时距浅层气A1,A2和A3的距离分别为109.0 m,68.0 m和51.0 m。在W1位置基础上,分析了各系列钻井船就位时桩腿距浅层气区域的距离(见表2),可以看到各钻井船距浅层气区域最小距离为44.0 m,能够满足油田施工要求,因此最终确定W1位置为钻井船就位位置。

表1 移动后各平台位置数据对比Table 1 Comparison of position data of each platform after moving

表2 W1平台位置就位时各系列钻井船与浅层气距离Table 2 Distance from each series of drilling ships to shallow gas when in place at platform W1

当存在浅层地质灾害的平台位置选择时,传统的优选方法可能位于浅层地质灾害区域内或距离较近的区域,不能保证工程作业安全。此时,应参考地质灾害的范围及方位等,灵活地选择移位方案,在保证工程安全的情况下优选出进尺最小或经济效益最大的平台位置。

2 钻井船插桩研究

古河道内大多为杂乱与发散充填,底部沉积河道充填砂体,向上变细,最上部以粉砂和黏土质粉砂为主,含一定量的砂质成分或砂质薄层,通常导致古河道内部承载力较低,容易引起工程的不均匀下沉[10-12]。由于L油田古河道分布范围较广,导致平台位置无法移出该区域,因此对钻井船既定就位位置处开展插桩风险分析。

2.1 钻孔位置选择

在优选钻孔位置时,由于钻井船型号未定,需综合考虑在渤海湾常用的HYSY92系列、HYSY932及N1钻井船桩靴的重合位置处布置钻孔(40 m深),如图4所示。

图4 渤海湾某油田插桩分析钻孔取样示意图Fig.4 Diagram of analysis of pile insertion and drilling sampling in an oil field in Bohai Boy

2.2 土质参数计算

对于土质参数的确定,需结合钻孔取样土质的现场和实验室试验结果综合确定。现场主要包括小型手动十字板、微型电动十字板、袖珍贯入、含水率及密度试验；实验室试验主要包括不固结-不排水三轴压缩、固结-排水多级三轴压缩、液塑限、粒度分析及土粒比重试验等[13],上述试验均依据ASTM规范标准进行。由此得到土质参数表,见表3(表中Nq,Nγ为排水粒状土无量纲承载力系数)。

表3 土质设计参数表

2.3 基础承载力及穿刺分析

对于自升式平台,桩靴尖贯入度发生的前提条件,是平台载荷等于或大于土的极限承载力,此极限承载力Q的计算公式为[14]：

Q=qn×A+γ1×V

(3)

式中：qn为桩靴单位面积的极限承载力,对于不排水黏性土,qn=Su×Nc,Su为桩靴下1/2桩靴直径深度以内的平均不排水抗剪强度,Nc为不排水黏性土的承载力系数。对于排水粒状土,qn= 0.3 ×γ2×B×Nγ+P0×(Nq—1)。γ2为桩靴下1/2桩靴直径深度以内土的平均有效重度；B为桩靴直径；P0为桩靴的有效上覆岩石压力。A为桩靴的截面处面积最大值；γ1为桩靴排出土体的平均有效重度；V为桩靴排开土的体积。

海底土质硬度并非单调排列,可能存在着软硬交错的现场。当硬黏土层覆盖于软黏土层之上时,由于承载力的不同可能会导致桩靴存在穿刺风险,因此需要对其进行重点分析。通常利用Young和Focht发展的3∶1载荷扩展法进行分析[15],假定通过硬土层的基础载荷按照1∶3的扩展比例在软弱层顶面产生等效压力,如果该压力超过软弱层承载力,则会发生穿刺。其中承载力q′n的表达式为：

(4)

2.4 结果分析

分别对HYSY92系列、HYSY932及N1钻井船桩靴尖入泥深度进行分析,承载力曲线如图5所示。结果表明,在最大预压载的条件下,HYSY92系列钻井平台桩靴尖最终入泥深度为6.6 m,无刺穿风险；HYSY932钻井平台桩靴尖最终入泥深度为19.2 m,插桩过程中存在3段刺穿行程,分别为2.7 m,1.0 m和2.7 m；N1钻井平台桩靴尖最终入泥深度为3.6 m,无刺穿风险。因此L油田可选择HYSY92系列或N1钻井平台,能够规避古河道存在的风险。在选择钻井船时,尽量多提供几种能够保证施工的船型,以免引起施工资源的紧张等问题。

图5 各钻井船极限桩靴载荷与桩靴尖入泥深度关系曲线Fig.5 Curve of the relationship between the ultimate pile shoe load and the mud depth of the pile shoe tip of each drilling ship

3 结论

1)渤海湾L油田海底存在浅层气及古河道地质灾害风险,严重威胁着钻井船就位安全。该文从钻井船就位位置优选及插桩方案两方面开展了研究,旨在优选出合适的平台位置及钻井船类型,保证工程作业安全。

2)依据Compass软件“总水平位移和总进尺最少”原则优选了平台位置,鉴于其距离浅层气边缘较近,分别将其向西南、西、西北和南方向移动100 m及200 m,综合考虑进尺增加与各位置距浅层气区域距离,最终选择向西移动100 m的W1位置。

3)选择HYSY92系列、HYSY932及N1钻井船桩靴重合区域进行取孔并桩靴尖入泥深度分析,在最大预压载的条件下,HYSY932钻井平台插桩过程中存在刺穿行程,不建议作为L油田的钻井船进行就位；HYSY92系列和N1钻井平台不存在刺穿风险且行程合理,可选择为L油田就位钻井船。