自升式平臺穿刺計算方法探討

曹式敬,宋林松,黎劍波,周楊銳

(中海油田服務(wù)股份有限公司,河北燕郊 065201）

自升式平臺穿刺計算方法探討

曹式敬,宋林松,黎劍波,周楊銳

(中海油田服務(wù)股份有限公司,河北燕郊 065201）

自升式平臺的穿刺會對平臺結(jié)構(gòu)或樁腿造成不同程度的損傷,因此非常有必要對作業(yè)井位進行插樁穿刺安全性評估。在總結(jié)國內(nèi)外穿刺計算方法的基礎(chǔ)上,首先分析了接近穿刺狀態(tài)下上覆砂層的抗剪切能力,對樁基承載力公式進行了修正;然后對穿刺安全系數(shù)進行了探討,推薦了平臺作業(yè)期處于臺風(fēng)季時采用的安全系數(shù);最后提出了更完善的穿刺分析和作業(yè)流程,并以HYSY9××平臺在某井位插樁計算為例驗證了所提出的方法。

自升式平臺;穿刺;安全系數(shù);最大承載力

由于自升式鉆井平臺適用于不同海洋環(huán)境條件和較大范圍水深,移動靈活且便于建造,因此在海洋石油鉆采中得到了廣泛應(yīng)用。但由于海底地質(zhì)條件比較復(fù)雜,經(jīng)常出現(xiàn)上硬下軟的“雞蛋殼”地層,導(dǎo)致平臺在插樁壓載過程中發(fā)生穿刺。穿刺可使平臺的結(jié)構(gòu)受到損傷,甚至造成重大的人員傷亡,因此作業(yè)者和鉆井承包商都非常重視“雞蛋殼”地層的作業(yè)可行性評估。但目前對存在穿刺可能性情況下樁基承載力的計算過于保守,穿刺安全系數(shù)的取值方法過于簡單,限制了自升式平臺的合理使用。因此綜合考慮海床中上覆砂層和下臥黏土層的性質(zhì)計算最大樁基承載力,分析在較小穿刺安全系數(shù)時安全插樁可能性,并采用合理插樁作業(yè)流程,對準確評估自升式平臺作業(yè)的適應(yīng)性非常必要。

1 樁基承載力計算

1.1 目前樁基承載力計算方法

研究樁基承載力的方法一般包括離心機試驗、有限元計算和理論計算[1,2],但由于海床土體性質(zhì)的多樣性,目前國際上比較認可的還是SNAME5—5A規(guī)范提供的半理論半經(jīng)驗的計算公式。國內(nèi)對此研究較少,石油行業(yè)標準《海洋井場調(diào)查規(guī)范SY/T6707—2008》以資料性附錄的形式列出了計算公式,計算原理與SNAME規(guī)范相同,即采用3∶1荷載擴展法,其計算原理如圖1所示,計算公式如式1。

圖1 3∶1荷載擴展法示意Fig.1 Load spread method of punch through calculation

式中:FV為樁腳入泥深度范圍內(nèi)極限承載力,kN;FVB為樁靴所處深度以下軟弱土層承載力,kN;F3∶1為按 3∶1荷載擴散法計算增加的載荷,kN;F′V為假設(shè)硬土層無限厚時的極限承壓力,kN;D為樁靴最大截面入泥深度,m;H為樁靴最大截面至下臥黏土層距離,m;h為樁靴最大截面以下的深度,m。

根據(jù)實際作業(yè)數(shù)據(jù)、有限元計算和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)這種方法計算的地基承載力偏于保守。保守的結(jié)果有利于提醒承包商謹慎對待作業(yè)井位和插樁作業(yè),但不利于作業(yè)者和承包商做出客觀的判斷,因此應(yīng)根據(jù)具體井位實際地質(zhì)情況,如上覆砂層厚度、砂層內(nèi)摩擦角及樁靴形狀等進行具體的計算。

1.2 考慮上覆砂層的抗剪切能力的樁基承載力計算方法

穿刺一般屬于剪切破壞[2,3],即預(yù)壓載或站立作業(yè)過程中上覆砂層被樁靴剪斷,如圖2所示。根據(jù)力學(xué)知識可知,在發(fā)生剪切破壞時外力必然大于該結(jié)構(gòu)的抗剪切能力。因此計算最大樁基承載力時(接近穿刺狀態(tài)下的承載力）,也應(yīng)考慮上覆砂層的剪切強度。式1可修改為:

式中:Fpunch為上覆砂層的抗剪切力,kN;p(h）為砂層按深度的抗剪切分布力(kN/m）,與砂層的內(nèi)摩擦角、樁靴當量直徑、沙層厚度等有關(guān)。

根據(jù)有限元計算可知,插樁過程中同一層土體的上部和下部產(chǎn)生的應(yīng)力是不同的,也就是不同深度砂層提供的抗剪切承載力不同,如圖3和圖4所示曲線pT(h）。為了簡化計算,取上部砂層的抗剪切分布力p(D）為砂層的承載力極限值p(a）,下部砂層抗剪切分布力p(D+H）為下臥黏土層的承載力極限值p(b）,中間取線性漸變,如圖4所示。

圖2 穿刺試驗[3]Fig.2 Experiment on punch through[3]

圖3 砂層處剪切應(yīng)力的有限元計算Fig.3 FEM calculation on shear stress at sand layer

圖4 抗剪切分布力示意Fig.4 Distributed shear force at sand layer

另外,隨著入泥深度的增大,p(a）也是漸增的,F3∶1是漸減的。這樣對于每個入泥深度D′,都要計算p′(a）,再按式2計算當前深度的 FV值,最后根據(jù)多組入泥深度 FV值的比較結(jié)果確定最大承載力。

將公式2計算結(jié)果與現(xiàn)場作業(yè)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),本算法的結(jié)果雖然較式1大,但仍偏于保守。

2 穿刺安全系數(shù)分析

相對穿刺的安全系數(shù)包括:

式中:FSi(i=1,2,3）為無量綱相對刺穿的安全系數(shù)計算值;P1為單樁最大預(yù)壓載荷;PA為單樁實際的預(yù)壓載荷;QV未經(jīng)計算由靜載荷、可變載荷、鉆井或風(fēng)暴載荷所引起的最大樁腿載荷[4]。

根據(jù)國內(nèi)外的規(guī)范或推薦做法,如果 FS1≥1.5或 FS2≥1.2,一般認為安全系數(shù)足夠大,是可以作業(yè)的,但不能保證作業(yè)中不穿刺、還需要按照穿刺情況下插樁程序作業(yè);如果 FS1＜1.5及 FS2＜1.2,一般不建議平臺插樁作業(yè)。但實際作業(yè)表明,安全系數(shù)小不代表不能作業(yè),只是需要更詳細的地質(zhì)勘察資料,按照更合理的方法計算承載能力,制定更細致的平臺穿刺應(yīng)急預(yù)案,就能保證安全作業(yè)[5]。因此,作業(yè)者和承包商實際上不必特別關(guān)心上述安全系數(shù)。

鉆井承包商決定在有穿刺可能的井位嘗試作業(yè)時,應(yīng)進行更嚴格的預(yù)壓載試驗,最終的預(yù)壓載量PA應(yīng)足夠大,最好保證 FS3大于1.1;如果平臺作業(yè)窗口處于臺風(fēng)影響范圍,建議 FS3＞1.2。這是因為:在風(fēng)暴作用下平臺將承受大的環(huán)境載荷的作用,平臺樁腳施加在地基砂土載荷發(fā)生循環(huán)變化,可能導(dǎo)致樁靴下土體液化,樁基承載力降低,致使平臺在風(fēng)暴中或風(fēng)暴后發(fā)生穿刺,增大預(yù)壓載量可減少此類事故發(fā)生的幾率。

3 插樁作業(yè)分析流程

在分析國內(nèi)外平臺穿刺及其事故分析和應(yīng)對措施的基礎(chǔ)上,制定了插樁作業(yè)分析流程,如圖5所示。

根據(jù)該流程,最終確定平臺是否插樁作業(yè)的依據(jù)不僅是安全系數(shù),還要進一步分析穿刺的可能性及穿刺對平臺的危害性;即使穿刺的可能性較高,只要預(yù)計穿刺深度小于平臺結(jié)構(gòu)可承受值,即可嘗試插樁。

可按照以下工況進行穿刺情況下平臺結(jié)構(gòu)安全性計算。

(1）船底與平均海平面之間的距離(預(yù)期插樁期間波峰高度為1.8 m）;

(2）考慮海水浮力對船體的支撐;

(3）穿刺樁腿受到的支撐力按下臥軟層能提供的極小承載力計算,作用方向沿樁腿軸向方向;

(4）穿刺深度(預(yù)期穿刺深度為6 m）;

(5）平臺裝載著最大預(yù)壓載水量。

經(jīng)計算,如果平臺任何結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平在材料的屈服極限范圍內(nèi),可進行壓載嘗試。

圖5 穿刺分析和作業(yè)流程Fig.5 Flow chart of punch through analysis and operation

4 穿刺計算實例分析

以中海油HYSY9××平臺在某井位插樁計算為例,探討穿刺計算方法。表1為該井位地質(zhì)勘查數(shù)據(jù),表2為平臺樁靴數(shù)據(jù),圖6為按常規(guī)算法和新提出算法得出的樁基承載力曲線。

圖6包括2條承載力曲線,其中曲線1按照式1計算,曲線2按照式2計算,曲線3是穿刺情況下的承載力。

按照曲線1結(jié)果,平臺插樁安全系數(shù) FS1為1.36,FS2為0.75,如果穿刺,平臺樁靴快速下沉距離達到15 m以上,對平臺結(jié)構(gòu)可能造成嚴重損壞,因此按照常規(guī)方法,一般不建議在此井位插樁。但本井作業(yè)者為了加大勘探開發(fā)進度,要求在保證安全的基礎(chǔ)上,盡快作業(yè)。

表1 擬作業(yè)井位地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)Tab.1 G eotechnical design parameters of the well site in operation

表2 HYSY9××平臺樁靴參數(shù)Tab.2 Spudcan parameters of jackup HYSY9××

圖6 極限樁腳載荷與入泥深度關(guān)系曲線Fig.6 Ultimate leg load vs foot tip penetration curve

按照圖5流程進行分析,并利用式2計算極限樁基承載力,結(jié)果如圖6的曲線2。按照該結(jié)果,平臺插樁安全系數(shù) FS1為1.64,FS2為1.07,即使穿刺,由于地基承載力逐漸增大,平臺樁靴快速下沉距離小,對平臺結(jié)構(gòu)可能造成的損壞小,因此可以在此井位插樁作業(yè)。

為了進一步減少穿刺風(fēng)險,根據(jù)平臺作業(yè)期最惡劣的環(huán)境條件計算了可能產(chǎn)生的最大樁腳反力QV,以此作為實際壓載量。另外插樁前進行了周密布置,制定了應(yīng)急預(yù)案,以減少穿刺對人員和平臺結(jié)構(gòu)的傷害。在插樁前還通過調(diào)整平臺艏向、作業(yè)過程中盡量降低可變載荷等措施降低樁腳反力,進一步降低站立作業(yè)中穿刺的可能性。

最終,HYSY9××平臺在作業(yè)井位處安全插樁、壓載,實際插樁深度為6 m,驗證了提出算法的準確性和作業(yè)流程的實用性。該平臺經(jīng)歷了2次臺風(fēng),作業(yè)中未發(fā)生樁靴下陷、穿刺等意外情況。此后的幾個井位也采用了公式2的算法和圖5所示分析流程,也都實現(xiàn)了安全作業(yè)。

5 結(jié)論

(1）對于樁靴式平臺,目前存在穿刺可能性情況下樁基承載力的計算方法比較保守,提出了包括上覆硬層的抗剪切力的樁基承載力公式。

(2）對于樁靴式平臺,利用刺穿安全系數(shù)判斷平臺作業(yè)可行性的方法過于簡單,應(yīng)綜合分析作業(yè)區(qū)域的環(huán)境特點、土壤地質(zhì)參數(shù)、穿刺深度、穿刺對平臺結(jié)構(gòu)的危害程度等因素,做出客觀的判斷。

(3）制定了存在穿刺可能情況下插樁可行性分析和作業(yè)流程。提出的算法和分析流程已在多口井進行了實踐。

[1]Kellezi L,Kudsk G,Hofstede H.Jack-up rig foundation design applying 3D FE structure-soil-interaction modeling[R].BGA International Conference on Foundations,Dundee,Scotland,2008.

[2]Hossain M S,Hu Y,Randolph M F.Punch-through of spudcan foundations in two-layer clay[R].1st International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics:ISFOG,The Netherlands,A A Balkema,2005:535-541.

[3]Leung C F.Studies on spudcan extraction and punch through[R].Offshore geotechnics workshop,2006.

[4]宋林松,王建軍,黎劍波.自升式平臺壓載量的準靜態(tài)計算方法應(yīng)用研究[J].中國海上油氣,2010 22(2）:136-139.

[5]Brennan R,Diana H,Stonor R W P.Installing jackups in punchthrough-sensitive clays[C].OTC18268,2006:1-27.

Discussion on punch-through calculation method of jackup

Cao Shijing,Song Linsong,Li Jianbo,Zhou Yangrui
(China Oilf ield Services Limited,Yanjiao Hebei065201）

Jackup installation is often faced with potential punch-through problems,which could produce fatalities on the legs or jacking systems.Thus it is essential to perform installation safety assessment on site specifically before deployment.Based on research of punch-through calculation methods in home and abroad,investigations on shear force of the firm layer,ultimate bearing capacity and safety factor are discussed.An analysisflow chart for potential punch-through site is also proposed.Finally,this analysis method is illustrated with HYSY9××installation as an example.

jackup;punch-through;safety factor;ultimate bearing capacity

P642.3;TE21

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.086

1008-2336(2011）01-0086-04

2010-09-03;改回日期:2010-09-17

曹式敬,男,高級工程師,中海油服鉆井事業(yè)部總工程師,主要從事鉆井技術(shù)管理和研究工作。E-mail:caos j@cosl.com.cn。