基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选

宋林松,曹式敬,李军伟,段梦兰

（1.中海油田服务股份有限公司,河北燕郊065201;2.中国石油大学（北京）,北京昌平 102249）

基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选

宋林松1,曹式敬1,李军伟1,段梦兰2

（1.中海油田服务股份有限公司,河北燕郊065201;2.中国石油大学（北京）,北京昌平 102249）

针对某海外项目中可能遇到的钻井平台压载后入泥深度过大和拔桩困难的问题,开展平台优选计算。首先搜集了预定作业井位周围井位的地质勘查资料,利用二次插值法进行作业井位地质勘察数据计算,据此计算了桩脚入泥深度,并根据作业平台结构参数计算了平台的拔桩阻力。为解决平台极限拔桩能力小于拔桩阻力的问题,设计了可控冲桩阀和冲桩系统以消除或减小桩靴底部的吸附力、桩靴侧部土体剪切力和桩靴上部土重。最后将平台拔桩能力与最终拔桩阻力进行对比,给出平台推荐结果。

自升式平台;拔桩阻力;拔桩能力;冲桩系统;浅层地质数据

Abstract:To solve the probable problems of spud-can deep penetration and stuck in an overseas project,jack-up choosing calculation is carried on.Firstly,lots of geotechnical information around the well sites are collected and processed to get approximation of geotechnical data for the suggested sites,based on which the depth of spud-can penetration and leg retracting resistance are calculated.To overcome the insufficiency of retracting ability of the jack-ups,jetting valves and jetting control system are invented to eliminate or minish conglutination resistance between spud-can and underlying clay,shear force around the excavation and weight of the soil overlying the spud-can.Finally,3 jack-ups are suggested to deploy on any well sites and one jack-up is supposed to deploy only on a specific site.

Key words:jack-up;leg retracting resistance;leg retracting resistance ability;jetting system;geotechnical data

随着我国海洋石油钻井业务逐步向国外扩展,自升式钻井平台遇到越来越多的作业条件的挑战,对作业平台优选提出了更高的要求。近期在进军国外钻井市场时,就遇到作业区域的海床浅层基础承载力显著不足,平台压载后入泥深度过大的问题:根据原钻孔资料分析,所有平台桩靴入泥深度都在20 m以上,大大超过平台操船手册规定的入泥深度;根据钻井设计,评价井单井作业时间在200 d以上,开发井（丛式井）作业时间预计超过1 200 d,站立作业过程中平台桩靴周围土体固结可能造成平台拔桩困难。由于国内外对自升式平台拔桩研究还没有令人信服的计算和评估方法,为保证拔桩安全,综合考虑平台升降机构的能力、桩腿桩靴结构强度、船体所能提供的最大浮力等因素进行作业平台优选,并设计了可控冲桩阀和冲桩系统以提高拔桩作业效果。

1 浅层地质数据计算

搜集了作业井位（P1～P4）周围井位的地质勘查资料和以往国外平台作业数据。共搜集到9个井位（W1～W9）的勘查地质数据,其相对位置如图1所示,其中2个井位的浅层地质数据列于表1。数据分析发现作业区域土质规律性较强:上部是非常软到软的黏土,下部是抗剪切强度很大的硬黏土或内摩擦角较大的砂层。

利用加权二次插值法进行作业4井位（P1～P4）的浅层地质数据推算,结果如表2。

2 平台拔桩能力计算

2.1 桩脚入泥深度计算

根据钻井作业载荷、悬臂梁覆盖范围及载荷能力综合分析,有5种类型平台（J1～J5）能够满足钻井作业要求,其基本参数如表3。

图1 作业井位和原井位的位置示意Fig.1 Relative locations between new well sites and original well sites

表1 原井位勘查数据Tab.1 G eotechnical design parameters of original well sites

表2 计算出作业4井位地质数据Tab.2 G eotechnical parameters of 4 new well sites

利用“SY/T6707—2008海洋井场调查规范”给出的公式[1]和有限元法分别计算了桩脚入泥深度,结果如表4。结果表明5种类型平台入泥深度非常大,超过了这些平台插桩的最深记录。为保证拔桩时平台结构安全,同时尽量减少拔桩时间,进行了平台拔桩载荷和拔桩能力对比计算。

表3 平台基本参数Tab.3 Basic parameters of 5 kind of jack-ups

表4 平台在不同井位入泥深度计算值Tab.4 Footing tip penetration of 5 kind of jack-ups

2.2 平台拔桩阻力计算

图2给出了平台拔桩阻力计算的基本模型,平台拔桩阻力主要包括以下几个组成部分[2]:（1）桩底压实带范围的拔桩黏附力 Fs;（2）桩靴上方及拔桩扩散角范围内土体重量 Fw;（3）桩靴侧面及上部的土体破坏面处剪切力 Ft;（4）桩靴桩腿的浮重 W,如图2所示。

图2 拔桩阻力计算模型Fig.2 Pull out resistance calculation model

可以得到自升式平台拔桩的阻力F:

式中:Fs为桩靴底面黏吸附力,kN;FW为桩靴上部土重,kN,在插桩过程中和平台作业过程中土体将发生回流、回填、桩坑坍塌及桩坑重新淤积填满;Ft为上部土体破坏剪切力,kN。

Fs按桩靴底部和泥层固结考虑:

式中:A为桩靴最大横截面面积,m2;Su为桩靴底面土体平均不排水抗剪强度,kPa;H为插桩深度,m;D为桩靴等效圆直径,m。

Ft按下式计算:

式中:Sui为第i层土体平均不排水抗剪强度,kPa;hi为第i层土体深度,m。

由于回填土大部分来源于上部土层,在本作业区域上部层位都是抗承载能力较弱的土层,因此认为拔桩时的破坏面与桩靴截面相同。5种类型平台拔桩阻力如表5。

表5 平台在不同井位拔桩阻力计算值Tab.5 Calculation results of pull out resistance

2.3 平台拔桩能力计算

平台的单桩最大拔桩能力 PA受到三方面的限制:（1）平台升降机构的能力;（2）桩腿桩靴结构强度;（3）船体所能提供的最大浮力。对5种类型平台的拔桩能力进行分析,取上述三者的最小值,分析结果如表6。

表6 平台拔桩能力计算值Tab.6 Ultimate pull out ability of 5 kind of jack-ups

将平台拔桩能力与拔桩阻力对比（PA/F）,发现拔桩阻力远大于平台拔桩能力,如不采取有效措施,将无法实现安全拔桩。

3 降低拔桩阻力措施

对平台拔桩阻力组成因素进行分析可知,在拔桩过程中,桩底压实带范围的拔桩吸附力和桩靴以上的土体破坏剪切力占拔桩阻力的50%以上。根据作业经验,这两个因素是可以通过提高冲桩效果来解决:通过在桩靴底部冲桩能够减小甚至消除桩靴底部的吸附力,通过在桩靴上部和桩腿冲桩能够减小桩靴侧部土体剪切力,减少桩靴以上土体重量,因而将改进冲桩方法作为首先采取的措施。

3.1 可控冲桩阀

目前所有的冲桩管都是直通式的,这样在插桩过程中泥土能够进入冲桩管并在管内固结;在拔桩冲水时,各冲桩管线的阻力很大,首先必须用高压水冲开冲桩管线内固结的淤泥。但由于各冲桩管线内泥沙板结的程度不一样,在高压冲水时,个别出水口阻力小,先被冲开,水都从此管流出,管线内水压下降,其它的冲桩管线仍旧阻塞,导致只有个别管线能喷水,冲桩能力明显不够,因此设计了可以控制的冲桩阀。其结构示意图如图3所示。

图3 冲桩阀结构示意图Fig.3 Structure diagram of jetting valve

冲桩阀的液压控制装置安装在自升式平台船体内,工作介质可以是对海洋环境无污染的液压油,还可以是冷冻液、过滤的海水,甚至可以是高压气体。冲桩阀处于常关状态,防止海底泥沙进入阀内部及冲桩管;需要冲桩时可以通过工作介质使阀芯上移打开阀。

3.2 冲桩控制系统

为了保证冲桩效果,设计了冲桩控制系统,其结构如图4所示。在图4中,管线a和b都是主冲桩管线,每条桩腿内至少配备2条这样的管线。每条主冲桩管线在桩靴内分成若干分支管线,与冲桩阀的进水口连接。主冲桩管线通过分支管线与冲桩阀间隔连接,这样万一有一条主冲桩管线损坏,仍有一半的冲桩阀可以正常工作,保证冲桩效果。

图4 冲桩控制系统原理图Fig.4 Principle diagram of jetting control system

在拔桩前需要冲桩时,首先在平台上通过冲桩阀的液压控制装置开启其对应的一个冲桩阀,利用冲桩泵站清理冲桩口周围的泥沙,再使该冲桩阀处于关闭状态;按此程序操作清理每个冲桩口处的泥沙。最后按照设计的冲桩作业程序,从平台上控制逐次打开设定区域冲桩阀进行冲桩作业。

为了达到最佳的冲桩效果,还利用数值模拟技术对不同工况下冲桩对于桩靴底部吸附力消除效果进行估计。计算表明,冲桩泵功率一定时,冲桩效果与桩靴、桩腿位置冲桩阀开启的位置、数量及时间有关,通过控制一定冲桩阀的开启,能够最大限度地破坏桩靴周围的黏附力和剪切力。

3.3 最终拔桩阻力计算

认为在充分冲桩的情况下,能够有效减少桩靴以下海底土的黏附力、桩靴与周围土体的剪切力,能够部分减少桩靴以上土体重量。简化的计算方法如式4:

式中:a、b、c为经验参数。当桩靴以下为黏土层时,a取0～0.3;当桩靴以下为砂土层时,a取0.6～0.8;b一般取 0.8～1;c取0.3～0.6。计算的拔桩阻力如表7。

表7 平台在各井位最终拔桩阻力值Tab.7 Pull out resistance after jetting at different well sites

4 平台优选

将平台拔桩能力与最终拔桩阻力进行对比（PA/F）,结果如图5所示。认为比值大于1可以安全作业。通过对比计算得出平台推荐结果:J1、J5、J4三平台适合于所有4个井位;J2平台不建议在P2井位作业;J3平台只能在P3井位作业。

图5 平台拔桩能力比较结果Fig.5 Results ofPA/Fat 4 well sites

5 结论

针对某海外项目中可能遇到的钻井平台压载后入泥深度过大和拔桩困难的问题,通过基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选计算分析表明:

（1）在海外作业前,可以利用作业海域以往的地质勘查资料,经过数学计算获得作业井位相关地质数据,然后进行平台插拔桩计算和作业可行性评估。

（2）设计了可控冲桩阀和冲桩系统以消除或减小桩靴底部的吸附力、桩靴侧部土体剪切力和桩靴上部土重,利用有限元对不同工况下冲桩对于桩靴底部吸附力消除效果进行数值模拟,以达到最佳的冲桩效果。

（3）根据计算给出了推荐作业的平台,有的平台可以在所有井位作业,有的平台只能在部分井位作业。

[1]金元刚,王明田,周杨锐.SY/T 6707—2008海洋井场调查规范.北京:石油工业出版社,2008.

[2]孙东昌,潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海:上海交通大学出版社,2008.

Jack-up selection for overseas operation based on leg retracting ability

Song Linsong1,Cao Shijing1,Li Junwei1,Duan Menglan2

（1.China Of fshore Services Limited,Yanjiao065201;2.China University of Petroleum,Beijing102249）

P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.04.106

1008-2336（2010）04-0106-05

2010-06-09;改回日期:2010-08-16

宋林松,男,1971年生,高级工程师,1993年毕业于石油大学（华东）机械系,主要从事自升式平台研究。E-mail:songls@cosl.com.cn。