基于拔樁能力的自升式平臺(tái)海外作業(yè)優(yōu)選

宋林松,曹式敬,李軍偉,段夢(mèng)蘭

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司,河北燕郊065201;2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）,北京昌平 102249）

基于拔樁能力的自升式平臺(tái)海外作業(yè)優(yōu)選

宋林松1,曹式敬1,李軍偉1,段夢(mèng)蘭2

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司,河北燕郊065201;2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）,北京昌平 102249）

針對(duì)某海外項(xiàng)目中可能遇到的鉆井平臺(tái)壓載后入泥深度過(guò)大和拔樁困難的問(wèn)題,開(kāi)展平臺(tái)優(yōu)選計(jì)算。首先搜集了預(yù)定作業(yè)井位周圍井位的地質(zhì)勘查資料,利用二次插值法進(jìn)行作業(yè)井位地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)計(jì)算,據(jù)此計(jì)算了樁腳入泥深度,并根據(jù)作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算了平臺(tái)的拔樁阻力。為解決平臺(tái)極限拔樁能力小于拔樁阻力的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了可控沖樁閥和沖樁系統(tǒng)以消除或減小樁靴底部的吸附力、樁靴側(cè)部土體剪切力和樁靴上部土重。最后將平臺(tái)拔樁能力與最終拔樁阻力進(jìn)行對(duì)比,給出平臺(tái)推薦結(jié)果。

自升式平臺(tái);拔樁阻力;拔樁能力;沖樁系統(tǒng);淺層地質(zhì)數(shù)據(jù)

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

隨著我國(guó)海洋石油鉆井業(yè)務(wù)逐步向國(guó)外擴(kuò)展,自升式鉆井平臺(tái)遇到越來(lái)越多的作業(yè)條件的挑戰(zhàn),對(duì)作業(yè)平臺(tái)優(yōu)選提出了更高的要求。近期在進(jìn)軍國(guó)外鉆井市場(chǎng)時(shí),就遇到作業(yè)區(qū)域的海床淺層基礎(chǔ)承載力顯著不足,平臺(tái)壓載后入泥深度過(guò)大的問(wèn)題:根據(jù)原鉆孔資料分析,所有平臺(tái)樁靴入泥深度都在20 m以上,大大超過(guò)平臺(tái)操船手冊(cè)規(guī)定的入泥深度;根據(jù)鉆井設(shè)計(jì),評(píng)價(jià)井單井作業(yè)時(shí)間在200 d以上,開(kāi)發(fā)井（叢式井）作業(yè)時(shí)間預(yù)計(jì)超過(guò)1 200 d,站立作業(yè)過(guò)程中平臺(tái)樁靴周圍土體固結(jié)可能造成平臺(tái)拔樁困難。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)自升式平臺(tái)拔樁研究還沒(méi)有令人信服的計(jì)算和評(píng)估方法,為保證拔樁安全,綜合考慮平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的能力、樁腿樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、船體所能提供的最大浮力等因素進(jìn)行作業(yè)平臺(tái)優(yōu)選,并設(shè)計(jì)了可控沖樁閥和沖樁系統(tǒng)以提高拔樁作業(yè)效果。

1 淺層地質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算

搜集了作業(yè)井位（P1～P4）周圍井位的地質(zhì)勘查資料和以往國(guó)外平臺(tái)作業(yè)數(shù)據(jù)。共搜集到9個(gè)井位（W1～W9）的勘查地質(zhì)數(shù)據(jù),其相對(duì)位置如圖1所示,其中2個(gè)井位的淺層地質(zhì)數(shù)據(jù)列于表1。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域土質(zhì)規(guī)律性較強(qiáng):上部是非常軟到軟的黏土,下部是抗剪切強(qiáng)度很大的硬黏土或內(nèi)摩擦角較大的砂層。

利用加權(quán)二次插值法進(jìn)行作業(yè)4井位（P1～P4）的淺層地質(zhì)數(shù)據(jù)推算,結(jié)果如表2。

2 平臺(tái)拔樁能力計(jì)算

2.1 樁腳入泥深度計(jì)算

根據(jù)鉆井作業(yè)載荷、懸臂梁覆蓋范圍及載荷能力綜合分析,有5種類型平臺(tái)（J1～J5）能夠滿足鉆井作業(yè)要求,其基本參數(shù)如表3。

圖1 作業(yè)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 原井位勘查數(shù)據(jù)Tab.1 G eotechnical design parameters of original well sites

表2 計(jì)算出作業(yè)4井位地質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.2 G eotechnical parameters of 4 new well sites

利用“SY/T6707—2008海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范”給出的公式[1]和有限元法分別計(jì)算了樁腳入泥深度,結(jié)果如表4。結(jié)果表明5種類型平臺(tái)入泥深度非常大,超過(guò)了這些平臺(tái)插樁的最深記錄。為保證拔樁時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全,同時(shí)盡量減少拔樁時(shí)間,進(jìn)行了平臺(tái)拔樁載荷和拔樁能力對(duì)比計(jì)算。

表3 平臺(tái)基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of 5 kind of jack-ups

表4 平臺(tái)在不同井位入泥深度計(jì)算值Tab.4 Footing tip penetration of 5 kind of jack-ups

2.2 平臺(tái)拔樁阻力計(jì)算

圖2給出了平臺(tái)拔樁阻力計(jì)算的基本模型,平臺(tái)拔樁阻力主要包括以下幾個(gè)組成部分[2]:（1）樁底壓實(shí)帶范圍的拔樁黏附力 Fs;（2）樁靴上方及拔樁擴(kuò)散角范圍內(nèi)土體重量 Fw;（3）樁靴側(cè)面及上部的土體破壞面處剪切力 Ft;（4）樁靴樁腿的浮重 W,如圖2所示。

圖2 拔樁阻力計(jì)算模型Fig.2 Pull out resistance calculation model

可以得到自升式平臺(tái)拔樁的阻力F:

式中:Fs為樁靴底面黏吸附力,kN;FW為樁靴上部土重,kN,在插樁過(guò)程中和平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中土體將發(fā)生回流、回填、樁坑坍塌及樁坑重新淤積填滿;Ft為上部土體破壞剪切力,kN。

Fs按樁靴底部和泥層固結(jié)考慮:

式中:A為樁靴最大橫截面面積,m2;Su為樁靴底面土體平均不排水抗剪強(qiáng)度,kPa;H為插樁深度,m;D為樁靴等效圓直徑,m。

Ft按下式計(jì)算:

式中:Sui為第i層土體平均不排水抗剪強(qiáng)度,kPa;hi為第i層土體深度,m。

由于回填土大部分來(lái)源于上部土層,在本作業(yè)區(qū)域上部層位都是抗承載能力較弱的土層,因此認(rèn)為拔樁時(shí)的破壞面與樁靴截面相同。5種類型平臺(tái)拔樁阻力如表5。

表5 平臺(tái)在不同井位拔樁阻力計(jì)算值Tab.5 Calculation results of pull out resistance

2.3 平臺(tái)拔樁能力計(jì)算

平臺(tái)的單樁最大拔樁能力 PA受到三方面的限制:（1）平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的能力;（2）樁腿樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;（3）船體所能提供的最大浮力。對(duì)5種類型平臺(tái)的拔樁能力進(jìn)行分析,取上述三者的最小值,分析結(jié)果如表6。

表6 平臺(tái)拔樁能力計(jì)算值Tab.6 Ultimate pull out ability of 5 kind of jack-ups

將平臺(tái)拔樁能力與拔樁阻力對(duì)比（PA/F）,發(fā)現(xiàn)拔樁阻力遠(yuǎn)大于平臺(tái)拔樁能力,如不采取有效措施,將無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全拔樁。

3 降低拔樁阻力措施

對(duì)平臺(tái)拔樁阻力組成因素進(jìn)行分析可知,在拔樁過(guò)程中,樁底壓實(shí)帶范圍的拔樁吸附力和樁靴以上的土體破壞剪切力占拔樁阻力的50%以上。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn),這兩個(gè)因素是可以通過(guò)提高沖樁效果來(lái)解決:通過(guò)在樁靴底部沖樁能夠減小甚至消除樁靴底部的吸附力,通過(guò)在樁靴上部和樁腿沖樁能夠減小樁靴側(cè)部土體剪切力,減少樁靴以上土體重量,因而將改進(jìn)沖樁方法作為首先采取的措施。

3.1 可控沖樁閥

目前所有的沖樁管都是直通式的,這樣在插樁過(guò)程中泥土能夠進(jìn)入沖樁管并在管內(nèi)固結(jié);在拔樁沖水時(shí),各沖樁管線的阻力很大,首先必須用高壓水沖開(kāi)沖樁管線內(nèi)固結(jié)的淤泥。但由于各沖樁管線內(nèi)泥沙板結(jié)的程度不一樣,在高壓沖水時(shí),個(gè)別出水口阻力小,先被沖開(kāi),水都從此管流出,管線內(nèi)水壓下降,其它的沖樁管線仍舊阻塞,導(dǎo)致只有個(gè)別管線能噴水,沖樁能力明顯不夠,因此設(shè)計(jì)了可以控制的沖樁閥。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 沖樁閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of jetting valve

沖樁閥的液壓控制裝置安裝在自升式平臺(tái)船體內(nèi),工作介質(zhì)可以是對(duì)海洋環(huán)境無(wú)污染的液壓油,還可以是冷凍液、過(guò)濾的海水,甚至可以是高壓氣體。沖樁閥處于常關(guān)狀態(tài),防止海底泥沙進(jìn)入閥內(nèi)部及沖樁管;需要沖樁時(shí)可以通過(guò)工作介質(zhì)使閥芯上移打開(kāi)閥。

3.2 沖樁控制系統(tǒng)

為了保證沖樁效果,設(shè)計(jì)了沖樁控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖4中,管線a和b都是主沖樁管線,每條樁腿內(nèi)至少配備2條這樣的管線。每條主沖樁管線在樁靴內(nèi)分成若干分支管線,與沖樁閥的進(jìn)水口連接。主沖樁管線通過(guò)分支管線與沖樁閥間隔連接,這樣萬(wàn)一有一條主沖樁管線損壞,仍有一半的沖樁閥可以正常工作,保證沖樁效果。

圖4 沖樁控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle diagram of jetting control system

在拔樁前需要沖樁時(shí),首先在平臺(tái)上通過(guò)沖樁閥的液壓控制裝置開(kāi)啟其對(duì)應(yīng)的一個(gè)沖樁閥,利用沖樁泵站清理沖樁口周圍的泥沙,再使該沖樁閥處于關(guān)閉狀態(tài);按此程序操作清理每個(gè)沖樁口處的泥沙。最后按照設(shè)計(jì)的沖樁作業(yè)程序,從平臺(tái)上控制逐次打開(kāi)設(shè)定區(qū)域沖樁閥進(jìn)行沖樁作業(yè)。

為了達(dá)到最佳的沖樁效果,還利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同工況下沖樁對(duì)于樁靴底部吸附力消除效果進(jìn)行估計(jì)。計(jì)算表明,沖樁泵功率一定時(shí),沖樁效果與樁靴、樁腿位置沖樁閥開(kāi)啟的位置、數(shù)量及時(shí)間有關(guān),通過(guò)控制一定沖樁閥的開(kāi)啟,能夠最大限度地破壞樁靴周圍的黏附力和剪切力。

3.3 最終拔樁阻力計(jì)算

認(rèn)為在充分沖樁的情況下,能夠有效減少樁靴以下海底土的黏附力、樁靴與周圍土體的剪切力,能夠部分減少樁靴以上土體重量。簡(jiǎn)化的計(jì)算方法如式4:

式中:a、b、c為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。當(dāng)樁靴以下為黏土層時(shí),a取0～0.3;當(dāng)樁靴以下為砂土層時(shí),a取0.6～0.8;b一般取 0.8～1;c取0.3～0.6。計(jì)算的拔樁阻力如表7。

表7 平臺(tái)在各井位最終拔樁阻力值Tab.7 Pull out resistance after jetting at different well sites

4 平臺(tái)優(yōu)選

將平臺(tái)拔樁能力與最終拔樁阻力進(jìn)行對(duì)比（PA/F）,結(jié)果如圖5所示。認(rèn)為比值大于1可以安全作業(yè)。通過(guò)對(duì)比計(jì)算得出平臺(tái)推薦結(jié)果:J1、J5、J4三平臺(tái)適合于所有4個(gè)井位;J2平臺(tái)不建議在P2井位作業(yè);J3平臺(tái)只能在P3井位作業(yè)。

圖5 平臺(tái)拔樁能力比較結(jié)果Fig.5 Results ofPA/Fat 4 well sites

5 結(jié)論

針對(duì)某海外項(xiàng)目中可能遇到的鉆井平臺(tái)壓載后入泥深度過(guò)大和拔樁困難的問(wèn)題,通過(guò)基于拔樁能力的自升式平臺(tái)海外作業(yè)優(yōu)選計(jì)算分析表明:

（1）在海外作業(yè)前,可以利用作業(yè)海域以往的地質(zhì)勘查資料,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得作業(yè)井位相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行平臺(tái)插拔樁計(jì)算和作業(yè)可行性評(píng)估。

（2）設(shè)計(jì)了可控沖樁閥和沖樁系統(tǒng)以消除或減小樁靴底部的吸附力、樁靴側(cè)部土體剪切力和樁靴上部土重,利用有限元對(duì)不同工況下沖樁對(duì)于樁靴底部吸附力消除效果進(jìn)行數(shù)值模擬,以達(dá)到最佳的沖樁效果。

（3）根據(jù)計(jì)算給出了推薦作業(yè)的平臺(tái),有的平臺(tái)可以在所有井位作業(yè),有的平臺(tái)只能在部分井位作業(yè)。

[1]金元?jiǎng)?王明田,周楊銳.SY/T 6707—2008海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范.北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[2]孫東昌,潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海:上海交通大學(xué)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,高級(jí)工程師,1993年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）機(jī)械系,主要從事自升式平臺(tái)研究。E-mail:songls@cosl.com.cn。