自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)老腳印對(duì)樁靴性能的影響分析*

趙 軍段夢(mèng)蘭宋林松李長亮張明輝

(1.中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司; 3.江漢石油鉆頭股份有限公司; 4.深圳赤灣勝寶旺工程有限公司)

自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)老腳印對(duì)樁靴性能的影響分析*

趙 軍1段夢(mèng)蘭1宋林松2李長亮3張明輝4

(1.中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司; 3.江漢石油鉆頭股份有限公司; 4.深圳赤灣勝寶旺工程有限公司)

由于受到老腳印影響,自升式鉆井平臺(tái)在老腳印附近位置就位時(shí)樁靴不可避免地要受到變化的偏心荷載作用,嚴(yán)重威脅著平臺(tái)的就位作業(yè)安全。對(duì)自升式鉆井平臺(tái)在老腳印附近位置就位過程中樁基土體破壞機(jī)理受老腳印的影響進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)樁靴不同階段的受力特征將就位過程抽象為4個(gè)階段,并以這4個(gè)階段為4種不同的工況,對(duì)老腳印對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,自升式鉆井平臺(tái)就位過程中樁靴著力一側(cè)樁腿、弦桿連接區(qū)桿件的應(yīng)力較高;隨著樁靴不斷壓入地層,樁靴底部承載面積增大,樁靴內(nèi)部構(gòu)件所受剪切應(yīng)力顯著減小;樁靴壓樁至原有老腳印底部,受地層水平向強(qiáng)度分布不均的影響,較硬地層一端的組合應(yīng)力并未因樁靴與樁基土體接觸面積的增大而減小,相反由于端部硬地層的作用而大幅度增大,就位作業(yè)時(shí)應(yīng)予重視。

自升式鉆井平臺(tái);老腳印;樁靴;結(jié)構(gòu);破壞機(jī)理

隨著作業(yè)頻次的增多,自升式鉆井平臺(tái)在相近甚至是同一位置進(jìn)行二次或多次插樁作業(yè)的情況越來越多。如圖1所示,自升式鉆井平臺(tái)A目標(biāo)作業(yè)位置附近即存在先前殘留的老腳印,平臺(tái)A在該井位的安全就位將不可避免地需要克服已有老腳印的影響。據(jù)Berg[1]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,歐洲殼牌公司在英國附近的1 200口井位中,每年都有80口新井位與老腳印相鄰,這表明老腳印的存在已不再是一個(gè)少見的現(xiàn)象,“踩腳印”問題越來越多地威脅著自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全。另據(jù)HSE[2]統(tǒng)計(jì),有1/3的插拔樁事故與地基相關(guān),而其中又有15%是老腳印造成的。

渤海海域作為我國海洋石油的重要產(chǎn)區(qū)之一,近年來自升式鉆井平臺(tái)在該海域的勘探、鉆井等作業(yè)從未停止過,頻繁的作業(yè)使得渤海海域的“踩腳印”問題日益突出,老腳印的存在導(dǎo)致的不均勻樁基(土體)反力使得就位過程中樁靴的受力發(fā)生偏移,給樁靴、樁腿乃至整個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。因此,針對(duì)已有老腳印對(duì)平臺(tái)在附近位置就位過程中樁靴性能的影響進(jìn)行分析,對(duì)于“踩腳印”問題的研究與解決具有重要意義。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)“踩腳印”問題示意圖

1 老腳印的存在對(duì)樁基土體破壞機(jī)理的影響分析

老腳印的存在使得樁基土體的破壞機(jī)理發(fā)生變化,如圖2所示。其中,圖2a為無老腳印情況下自升式鉆井平臺(tái)就位過程中樁基土體的等效塑性區(qū)云圖;圖2b、c、d分別是老腳印存在情況下自升式鉆井平臺(tái)就位過程中樁基土體等效塑性區(qū)出現(xiàn)、擴(kuò)展、貫通的過程?？梢?由于老腳印的存在,樁基土體的破壞始于老腳印底部與平臺(tái)就位位置相近的一側(cè),逐漸向上延展至樁靴底部,并最終形成貫通的塑性破壞區(qū)。此后,老腳印周邊土體不斷被擠入已有“樁坑”中,老腳印深度逐漸降低,坡度減小,直至壓樁就位順利完成。這一過程可以抽象為4個(gè)階段:階段1,初始?jí)簶稌r(shí)樁靴底部與土體接觸面積為A1;階段2,隨著周邊土體的擠入,樁靴與底部土體的接觸面積增大至A2;階段3,樁靴不斷壓入地層,原有老腳印被破壞,樁靴底部與土體完全接觸,但由于老腳印的影響,地層水平向強(qiáng)度存在明顯差異,樁基(土體)反力仍然為偏心力;階段4,平臺(tái)就位作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行,樁靴完全壓入地層,受力面積與上一階段相同,為整個(gè)樁靴底面積,但該深度處地層幾乎不再受原有老腳印的影響,水平向強(qiáng)度分布均勻,樁靴底部均勻受力。

圖2 自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)樁基土體等效塑性區(qū)云圖

2 老腳印的存在對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)性能的影響分析

根據(jù)樁靴就位時(shí)4個(gè)階段的不同受力特征,將自升式鉆井平臺(tái)在老腳印附近位置就位過程中樁靴的性能分析分為4種相應(yīng)的不同工況,見表1。表1中A為樁靴底面面積;Ai為不同工況下樁靴與樁基土體接觸面積,當(dāng)A1/A＜50%時(shí)認(rèn)為直接就位具有風(fēng)險(xiǎn),尤其對(duì)錐形樁靴,一般需要先通過試踩或其他方法[3]對(duì)老腳印進(jìn)行處理,再進(jìn)行就位作業(yè)。

2.1 樁靴結(jié)構(gòu)分析模型

根據(jù)某自升式鉆井平臺(tái)樁靴的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案,建立了能真實(shí)反映該平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)狀況的ABAQUS有限元模型,如圖3所示。其中,樁靴上下底板、各環(huán)隔水板、星型隔水板、側(cè)板等用SHELL單元模擬;樁靴上下底板上各種縱橫骨材、加強(qiáng)筋等用BEAM單元模擬。該模型主要為殼單元和梁?jiǎn)卧?整個(gè)模型共有單元59 687個(gè),其中B31單元4 337個(gè),S4R單元47 441個(gè),S3單元1 193個(gè),C3D8R單元24個(gè),C3D4單元6 692個(gè)。樁靴材料分布如圖4所示,除標(biāo)示區(qū)域外均用材料1,標(biāo)示區(qū)域用材料2,具體材料特性見表2。

表1 自升式鉆井平臺(tái)樁靴性能分析的4種不同工況

圖3 某自升式鉆井平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)模型

圖4 某自升式鉆井平臺(tái)樁靴材料分布示意圖

表2 某自升式鉆井平臺(tái)樁靴材料性質(zhì)

2.2 載荷及邊界條件

針對(duì)該目標(biāo)平臺(tái)樁靴的特定工況,設(shè)置樁腿邊界條件為剛性固定[4],采用如圖5所示的約束方式,在距樁靴一定距離的樁腿上約束3根樁腿頂端的6個(gè)自由度,樁靴本身不作約束。當(dāng)樁腿相對(duì)固定時(shí),樁靴模型的自由度也就固定了,各種工況下的樁靴荷載都施加在樁靴底部。由表1可見,4種工況中除工況3之外,工況1、2、4中樁靴底部所受土體反力均為均布力。如圖6中紅色突出部分所示,即是工況1、2、4中樁靴底部所受樁基反力的作用面積(50%A、80%A、A,見表1)。

圖5 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)樁靴材料分布示意圖

圖6 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)工況1、2、4下樁靴加載示意圖

工況3中,盡管A3/A=100%,即樁靴底面與樁基土體已完全接觸,但是受原有老腳印的影響,樁基土體水平向強(qiáng)度分布不均勻。對(duì)于樁基在該工況下具體的強(qiáng)度分布規(guī)律,尚未見有相關(guān)研究。這里參考樁靴基礎(chǔ)強(qiáng)度校核中針對(duì)不均勻地層的處理方法,將此時(shí)的樁基強(qiáng)度近似為沿樁靴直徑由原有“樁坑”內(nèi)向外以斜率k線性增加,因此樁靴底部所受樁基反力也以斜率k線性分布。由于樁靴底面幾何形狀復(fù)雜(底面并非平面,而是不規(guī)則的曲面),直接通過積分精確計(jì)算樁靴所受土體反力比較困難。本文秉承積分的思想,將樁靴底面沿荷載增加方向劃分為間隔相等的10個(gè)區(qū)域,如圖7中紅色突出部分所示。

圖7 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)工況3下樁靴載荷施加示意圖

在有限元軟件ABAQUS中直接提取各區(qū)域面積Si(表3),而后通過對(duì)整個(gè)底面進(jìn)行積分,計(jì)算各區(qū)域上的均布荷載pi。

式(1)、(2)中:xi為區(qū)域i的中心坐標(biāo)(如圖8所示);Q為該目標(biāo)平臺(tái)就位過程中的最大預(yù)壓載,為43.88 MN。

圖8 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)樁靴各區(qū)域荷載pi分布

計(jì)算結(jié)果如圖8所示,可見樁基(土體)反力呈線性分布,斜率k=0.055。計(jì)算各區(qū)域的均布荷載pi,如表3所示。

表3 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)工況3中各區(qū)域面積Si及荷載Pi

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖9 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)不同工況下樁靴應(yīng)力分布圖

該自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)4種工況下的樁靴結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況如圖9所示,可見,4種工況下在樁靴受力一側(cè),樁腿、弦桿連接區(qū)域構(gòu)件的應(yīng)力較高。隨著樁靴底部承載面積不斷增大,樁靴內(nèi)部構(gòu)件所受剪切應(yīng)力顯著減小;與此形成鮮明對(duì)比的是組合應(yīng)力的變化,在整體減小的趨勢(shì)下,工況3中樁靴一側(cè)(xi=9.5)組合應(yīng)力陡升,如圖10所示。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),工況3中樁基反力以線性增加的方式作用于樁靴底部,因此樁靴端部(xi=9.5,即區(qū)域10)所受樁基反力p10明顯高于其他區(qū)域,也遠(yuǎn)高于該區(qū)域在工況1、2、4中的受力。

圖10 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)不同工況下樁靴極值應(yīng)力對(duì)比

這一問題在實(shí)際工程中常會(huì)遇到,工程中所遇地層多呈層狀分布,原有老腳印最初一般止于硬土層的中上部,之后隨著淤積等外界作用會(huì)有不同程度的回填,即深度減小,但此時(shí)在老腳印的底部土體水平向的強(qiáng)度分布是不均勻的,甚至?xí)休^大差異。因此,后續(xù)平臺(tái)在附近位置就位過程中,當(dāng)壓樁至原老腳印底部時(shí)便會(huì)遇到文中所述的樁基土體反力以近似線性增加的方式作用于樁靴底部的情況。這種情況下樁靴位于硬土層上的一端便會(huì)受到較大的荷載,相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力也會(huì)較高,應(yīng)予以高度重視。

對(duì)文中所針對(duì)樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核,由校核結(jié)果(表4、5)可見,算例中的樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范許可的強(qiáng)度要求。

表4 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)樁靴整體組合應(yīng)力校核結(jié)果

表5 某自升式鉆井平臺(tái)就位時(shí)樁靴整體剪切應(yīng)力校核結(jié)果

3 結(jié)論

分析了自升式鉆井平臺(tái)在老腳印附近位置就位過程中樁基土體的破壞機(jī)理,根據(jù)樁靴的受力特征,將平臺(tái)就位過程抽象為4個(gè)階段,并以這4個(gè)階段為4種相應(yīng)的工況,對(duì)樁靴在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算,通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)自升式鉆井平臺(tái)就位過程中樁靴著力一側(cè)樁腿、弦桿連接區(qū)域構(gòu)件的應(yīng)力較高,就位作業(yè)時(shí)應(yīng)予以重視;

2)隨著自升式鉆井平臺(tái)樁靴不斷壓入地層,樁靴底部承載面積增大,樁靴內(nèi)部構(gòu)件所受剪切應(yīng)力顯著減小;

3)自升式鉆井平臺(tái)樁靴壓樁至原有老腳印底部,受地層水平向強(qiáng)度分布不均的影響,樁靴兩端所處地層強(qiáng)度差異可能較大,對(duì)于位于較硬地層的一端,其組合應(yīng)力并未因樁靴與樁基土體接觸面積的增大而減小,相反由于端部硬地層的作用而大幅度增大,就位作業(yè)時(shí)應(yīng)予以重視。

[1]BETG AHHJ.Harmonisation of distributed geographic datasets:Amodel driven approach for geotechnical and footprint data[D].Delft,Netherlands:Delft University of Technology, 2004.

[2]Health and Safety Executive.Guidelines for jack-up rigs withparticular reference for foundation integrity[R].Research Report,2004.

[3]SNAME.Guidelines forsitespecific assessment ofmobile jackup units[R].T&R Bulletin 5-5A,1st Edition-Rev.2.New Jersey: Society of Naval Architects and Marine Engineers,2002.

[4]郭志彬,楊瓊,宋雄偉,等.自升式平臺(tái)樁靴強(qiáng)度分析[J].船舶工程.2012,34(2):76-78.

Effect of the footprint on thestructure behavior ofspud can during jackup emplacement

Zhao Jun1Duan Menglan1Song Linsong2Li Changliang3Zhang Minghui4
(1.Offshore Oil&Gas Research Center,China University of Petroleum,Beijing,102249;2.China Oilfield Services Ltd.,Hebei,065201;3.Kingdream Public Limited Company,Wuhan,430223;4.Shenzhen Chiwan Sembawang Engineering Ltd.,Guangdong,518068)

During the emplacement of jack-up rig nearby the existed footprint,thespud can would inevitablysuffer varying eccentric loads by thesubsoil due to the footprint,and consequently affect thesecurity of the rig.The failuremechanism of thesubsoil duringspud canpenetration nearby a footprint is investigated in thispaper.On this basis,theprocess ofsuch emplacement is divided into fourstages according to the varied characteristics of the loads on thespud can.By taking the fourstages as four different cases,the effects of footprint on thespud canstructure capability is analyzed.It isshown from the analysis that 1)relatively higherstress occurred at the connected zone between leg and chords on the loadedside ofspud can in theprocess of its emplacement;2)the bearing area on the bottom ofspud can increased with its furtherpenetration,as a result,theshearstress within the internalstructure ofspud can decreased;3)the combinedstresspresented different variation characteristics from theshearstress ofspud can due to the uneven distribution of horizontalstrength of thesubsoil,in contrast to the decreasingshearstrength,the combinedstress at theside ofspud can contacted with thestrongersubsoil increased obviously when thespud can achieving the bottom of the original footprint, whichshould be highlighted in the future emplacementprocess.

jack-up rig;footprint;spud can;structure;failuremechanism

2013-11-20改回日期:2014-06-08

(編輯:葉秋敏)

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):51379214)部分研究成果。

趙軍,男,博士,主要從事海洋結(jié)構(gòu)物與海床相互作用的研究。地址:北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心(郵編:102249)。E-mail:zhjzhj2010@163.com。