海上油田应急救援自升式平台就位优选关键技术

张宝平, 王 赞, 杨旭才, 吴占民, 龚 明

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司, 天津 300452)

0 引 言

海上油田钻井作业井喷失控会引起巨大的灾难和事故[1-2]。由于海上作业平台具有空间受限等特殊性，一旦井喷失控，救援井将是解决井喷问题的重要途径。打救援井需要在事故井周边的海面上利用钻井装置进行作业。本文重点介绍关于自升式钻井平台在适应水深范围内打救援井就位的优选方法。

对某井喷、着火而失控的井进行抢救而设计施工的定向井被称为救援井[3]，如图1所示。救援井须远离失控井一定距离，位置的选择就显得尤为重要，位置决定了救援井钻井装置是否安全。井位位置的选择主要通过自升式钻井平台就位位置优选来体现，而海洋环境条件、海底地貌特征、钻井平台能力和插桩安全等都是救援井就位优选的先决条件。

图1 救援井示例

然而，在救援井就位优选后的位置进行救援通道打通却并不一定能够实现救援井井眼与失控井井眼准确对接相交[4]。据文献统计，1956—2020年世界范围内共发生150余次井喷事故[5]，其中北美油气勘探与生产公司(TXO Energy)作业的Branton油田某井发生井喷，钻了5口救援井才使井喷事故得以控制。国外石油专家综合考虑海上油田装备和技术的不确定性，通过概率论方法分析，认为设计2座自升式钻井平台同时在就位优选位置进行救援井作业是很有必要的[6]。

1 海洋环境条件优选

海洋环境条件包括但不限于潮流、潮汐、涌、浪、风等，自升式钻井平台在就位时主要受风向、潮流、浪高等因素影响。

根据失控井所在区块的潮流表，判断海底主流向，即流速最大时对应的角度，并结合风向和季节来确定自升式钻井平台就位时的艏向，如图2和图3所示。

图2 考虑风向的救援井井位优选

图3 兼顾风向、海底潮流的井位优选

根据潮汐高度和浪高来确定自升式钻井平台升船气隙大小，一般渤海海域气隙为7～9 m。

由于救援井位置优选对钻井安全、作业周期、钻井费用有着较大影响，英国石油公司(BP)总结了兼顾风向和海流进行井位优选的方法[7]。

此外，钻井平台艏向须选择上风向，以避开H2S等有毒有害气体影响，一般夏季艏向为90°～270°，冬季艏向为270°～90°。

2 浅层灾害性地质特征避让

综合考虑海洋环境条件下，选定合适的救援井就位区域，需要在该区域进行井场调查，即工程物探调查和工程地质调查，可按常规井场范围2 000 m×2 000 m进行调查。

常见的灾害性地质特征有断层、埋藏古河道、浅层气等。

2.1 断层避让

断层是海底地层一种常见的灾害性特征，海底地层受力发生断裂，沿断裂面两侧地层发生显著相对位移的构造，如图4所示。

图4 正断层、逆断层

根据电火花震源(Sparker)地层剖面资料，分析断层倾角和埋藏深度。如果插桩预测深度低于底部埋深，则影响不大。如果插桩深度穿过断层，就要分析就位处的断层为正断层还是逆断层。如果井位位置位于正断层的下盘，则插桩安全，反之则不安全；如果井位位置位于逆断层的下盘，则插桩安全，反之不安全。

自升式钻井平台就位时，如果位于正断层上盘或逆断层上盘，则需要移位，保证插桩安全。

2.2 古河道避让

埋藏古河道是指在海底之下被沉积物充填的河床[8]，如图5所示。

图5 海底埋藏古河道

海底埋藏古河道有河谷和侧缘两部分。河谷基本位于埋藏古河道中部，侧缘位于河谷两侧。对海洋平台和导管架安装、海底管线敷设以及钻井平台插桩就位等都具有重要影响，处置不当极有可能造成钻井平台倾斜等事故。图6为应急救援井位置与古河道位置关系、移位情况。图6中灰色斜线为古河，曲线为古河道边界，标记的数字为古河道的顶部埋深和底部埋深。

图6 应急救援井位置与古河道位置关系、移位情况

根据工程技术人员对古河道的研究，制定几条应急救援井位置避让原则：(1)就位位置位于古河道内部，井位中心距离边界超过100 m，可不用移出古河道，需要优选插桩深度位于顶部埋深以上或插桩深度大于底部埋深的钻井平台。(2)就位位置在古河道边界附近(就位位置与边界内外距离小于100 m)，需要根据钻井平台艏向和桩腿分布进行分析和判断，在一般情况下需要将钻井平台向古河道相反的方向移动，兼顾救援井定向设计要求。

2.3 浅层气避让

浅层气是一种埋藏深度较浅(泥面至泥面以下1 000 m)、储量小、分散的各种天然气资源。主要危害是会不同程度地降低地基土的承载力，增加基础的沉降和变形。浅层气在钻孔作业或插桩就位时会溢出，可能造成地层塌陷、影响钻井平台基础稳定性和钻井装置安全，在严重情况下会井涌，造成设施设备受损和人员伤亡，如图7和图8所示。

图7 浅层气钻孔放气形成海面气泡

图8 钻遇浅层气

浅层气属于典型的高压、小体积、位于浅层的气体储层，通常存在快速沉积的地区。由于沉积层沉积速度快，因此地层压力来不及释放，钻头如遇浅层气后极易导致严重的井喷事故。

为降低甚至消除浅层气对钻井平台在救援井就位和钻井作业时的影响，需要综合考虑浅层气分布范围、埋深、强度等指标，根据多年经验，主要有3个方面的原则：(1)范围小、浅层气强度小、顶部埋深比插桩深度深，可以不用移井位；(2)范围小、浅层气强度不大、插桩深度超过浅层气顶部埋深时，需要在钻井作业前安装分流器；(3)范围大、浅层气强度大(剖面图呈明显的气筒状)，无论插桩深度是否处于浅层气埋深范围内，都需要将浅层气移出井位。

2.4 多种灾害性地质特征避让

当就位位置同时存在断层、古河道、浅层气等灾害性地质特征时，本着远离主要灾害的原则，即必须离开浅层气区域，其他灾害性地质条件可根据避让原则和救援井要求进行综合考虑。

图9中三斜线为古河道，灰色部分为浅层气，三角形标记的曲线为断层。图9中的示例为曹妃甸某探井，该井位同时存在强浅层气、古河道、浅层断层等灾害性地质条件。首先井位须移出浅层气范围，且距离浅层气边界100 m以上，其次要远离古河道和断层的影响，因此最后选在原井位南偏东399 m处作为应急救援井初选位置。

图9 浅层气及其他灾害性地质条件并存情况

3 钻井平台优选

决定自升式钻井平台能否在设计救援井位置插桩就位的因素主要包括水深、升船气隙、插桩安全等3个方面。

3.1 水深优选

自升式钻井平台作业水深一般为7～122 m，如何精准匹配自升式钻井平台与作业水深的关系，是进行救援井位置优选的首要问题，因此水深是需要考虑的第一要素[9]。

水深较浅，容易引起拖航和就位过程中主拖船和自升式钻井平台拖底搁浅；水深较深，容易造成插桩过程中发生滑移和桩腿变形。涌浪高度对船体和桩腿影响非常大，对钻井装置的稳定和安全也有较大影响。在救援井就位作业前须进行工程物探调查，掌握就位区域内水深变化和潮汐基准点，保证就位作业安全。

对救援井位置的水深进行优选，需要满足以下条件：

(1)

式中：D1为水深；L1为桩腿总长；D2为插桩预测深度；L2为气隙高度；D3为船体型深；L3为桩腿固桩区高度；L4为桩腿预留长度。

3.2 升船气隙优选

气隙指自升式钻井平台船体底部至海水波面间的垂直距离[10]。全面考虑自升式钻井平台桩腿长度、水深、入泥、型深和固桩区高度等因素，建立气隙优选评价数学模型，为救援井井位气隙优选提供有效方法。

气隙优选评价数学模型充分考虑桩腿竖向控制能力，计算方程为

(2)

式中：H1为生产平台顶甲板至海平面高度；h为悬臂梁底部与顶甲板最高障碍物之间的间隙，取0.5～1.0 m。

气隙优选实现了钻井装置从海平面到平台底部竖向的安全，避免了海面涌浪影响。

3.3 插桩安全优选

插桩安全是救援井就位优选的关键核心技术。传统API(Application Programming Interface)插桩预测计算公式未考虑桩腿间相互作用、动载、回填土等因素，计算结果现场符合度仅约70%。经系统研发和计算公式修正，使用新的插桩深度预测计算公式，精度可上升至90%以上，有效保证大型设施插桩就位安全。

新计算公式为

Q≤fAs+qAp1-aP0Ap2

(3)

式中：Q为钻修船桩腿最大压载量；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为海底某深度的桩腿端承载力，N/m2；Ap1为桩靴面积，m2；a为回填百分比，取30%～60%；P0为上覆土体压力，N/m2；Ap2为桩腿回填有效面积，m2。

插桩深度预测新计算方法(简称“新方法”)已在中国近海海域近 50个油气田近800口井中成功应用，预测精度由原来的 70%提高至90%以上，有效保证插桩精准度和安全。该插桩预测方法改变了以往靠海上插桩作业经验的做法，在保证插桩作业安全的同时，实现合理入泥的目标。表1为API计算方法与新方法预测精度的对比，在中海油渤海油田、东海油田、南海东部油田和南海西部油田均成功应用，效果显著。

表1 API计算方法与新方法预测精度对比

4 救援井钻井设计

实施一口海上救援井作业，要求既能快速高效地与目标井连通，又要保证救援井自身的作业安全，因此需要进行精细和详实的救援井钻井设计。救援井钻井设计需要从救援井井位优选、钻井装置优选、井身结构、定向井轨迹设计、磁探测工具精准使用、救援井与事故井连通方式、合理的压井方法等方面进行综合考虑。

救援井作业是一项海上油田安全作业系统工程，救援井钻井设计是安全高效恢复事故井井控操作的重要基础。救援井钻井设计，首要考虑救援井是否安全，包括井眼、井控安全。成功定向并与事故井井眼连通是实施救援作业的必要条件，连通后采用动态压井法对事故井进行控制，最终用水泥浆封固、弃井。

5 结 论

救援井是处理海上油田井喷事故井的有效方法，而进行救援井就位优选是保证救援井安全钻井作业的前提，通过分析，有以下内容的总结：(1)海洋环境条件和灾害性地质条件影响救援井就位位置，通过风向、潮流、涌浪、断层、古河道、浅层气特征，对就位位置进行综合优选，综合优选位置是钻井装置安全就位的基础保障。(2)钻井平台优选解决了水深与钻井装置作业能力合理匹配问题。(3)插桩深度预测是救援井就位优选的核心技术，使用新方法后，预测精度由原来的70%上升至90%，有效保障了海上大型设施安全。