JU2000E自升式鉆井平臺適用海洋環(huán)境界限研究

霍宏博，劉 政，王 晶，楊化東，陳 靜

（1.中國石油海洋工程公司鉆井事業(yè)部，天津061103；2.中國石油海洋工程公司海工事業(yè)部，山東青島266000）

JU2000E自升式鉆井平臺適用海洋環(huán)境界限研究

霍宏博*1，劉 政1，王 晶2，楊化東1，陳 靜1

（1.中國石油海洋工程公司鉆井事業(yè)部，天津061103；2.中國石油海洋工程公司海工事業(yè)部，山東青島266000）

針對JU2000E型鉆井平臺的壓載插樁進行研究，將平臺的貫入深度和ABS和CCS兩家船級社要求聯(lián)系起來分析適合該型號鉆井平臺的海洋氣候條件和海洋海底地質(zhì)情況，定義了表征海洋氣候條件的浪及高度的概念，得到JU2000E型鉆井平臺的作業(yè)海洋環(huán)境界限，并繪制出相應的圖版，依據(jù)圖版可以方便快捷地分析該型號鉆井平臺是否滿足在特定海域作業(yè)的的需求，氣候參數(shù)和海底地質(zhì)參數(shù)的組合在圖版上邊的區(qū)域表明不適合在該海域作業(yè)，處在下方則滿足作業(yè)需求。

自升式鉆井平臺；浪及高度；貫入深度；海洋環(huán)境界限

1 概述

自升式鉆井平臺是50年來世界上淺水和中深水的最流行的鉆井平臺[1-2]，據(jù)統(tǒng)計，自升式鉆井平臺占海上鉆井裝置的比例超過40%[3]，因此，做好對自升式鉆井平臺的研究工作，保證自升式鉆井平臺安全作業(yè)，對于海洋石油的開發(fā)具有很重要的意義[4]。

影響平臺插樁適應性的因素主要包括平臺的因素和自然因素，平臺因素有：載荷、樁腿、樁靴的形狀；自然因素主要是：海洋氣候條件、樁基承載力等參數(shù)。只有平臺參數(shù)和自然因素相匹配，才能保證整個平臺能可靠地立在海床上進行鉆井作業(yè)、安全地在風暴狀態(tài)下自存以及快速地拔出海床，因此明確某個海域?qū)τ谄脚_插樁的適應性對于整個平臺的性能和安全具有很重要的意義[5]。

JU2000E自升式鉆井平臺作業(yè)水深400ft，是目前最先進的自升式鉆井平臺設(shè)計之一[6]。由于樁腿長度限制，鉆井平臺作業(yè)海域的波高、水深、升船高度和平臺的型深及JACKCASE的高度決定了平臺樁靴的貫入深度不能太深，本文的主要目的是通過JU2000E型鉆井平臺在不同海域的插樁深度，探討平臺所適應的海洋環(huán)境界限。

本文利用JU2000E鉆井平臺為基礎(chǔ)進行研究，根據(jù)ABS和CCS要求計算該型號鉆井平臺適用的海洋環(huán)境界限，并結(jié)合海洋地層的實際參數(shù)進行計算和分析得到該界限，確保該型號鉆井平臺在海上作業(yè)可以做到插得進、站得穩(wěn)、拔得出[7]。

2 JU2000E鉆井平臺插樁的地質(zhì)界限圖版的建立

2.1 平臺的主要參數(shù)

平臺樁靴最大貫入深度一般在壓載時產(chǎn)生，在計算平臺最大貫入深度時，載荷選取平臺壓載時的載荷，空船重量（包括樁腿和樁靴重量）、預壓載荷（按照操船手冊[8]規(guī)定：模擬最大重量荷載和環(huán)境荷載）。

平臺載荷=空船重量+預壓載荷

平臺的主要參數(shù):型長×型寬×型深為70.36m× 76.00m×9.45m,樁腿3桁架式樁腿，總長166.98m,空船重量約16760t,壓載艙13654m3,壓載艙13654m3。

2.2 樁靴貫入深度的上限

CCS峰隙的定義為[9]：涌浪、天文潮、風暴潮累計高度的10%或者1.2m之間較小值，本文將水深、天文潮、風暴潮與涌浪之和定義為浪及高度。

自升式鉆井平臺的入泥深度和平臺建造參數(shù)、環(huán)境參數(shù)存在以下關(guān)系：

式中：Pmax——作業(yè)入泥深度上限，m；

L——樁腿長度，m；

hrig——平臺的型高和JACKCASE高度之和，m；

hc——峰隙，m；

hr——樁腿極限預留高度，m；

hp——浪及高度，m。

式中：Dw——作業(yè)水深，m；

hs——涌浪、天文潮、風暴潮累計高度，m。

JU2000E鉆井平臺的建造數(shù)據(jù)分別為：樁腿長度166.98m，型高9.46m，JACKCASE高度10.05m，樁腿極限預留（ABS規(guī)范[10]）1.5m。

上面的參數(shù)中由環(huán)境和海況所確定的2個參數(shù)是入泥深度和浪及高度，這2個參數(shù)存在線性關(guān)系。

將平臺參數(shù)帶入得：

2.3 樁靴承載力計算和海洋環(huán)境界限分析

砂土層樁靴承載能力較強，當平臺樁靴插入砂土層中時，入泥深度一般比較淺不會達到極限入泥深度，因此簡化海底基礎(chǔ)模型為最簡單的海底基礎(chǔ)模型，為單層均質(zhì)粘土，其樁靴承載力可以用樁靴在粘性土壤中時土的極限承載力計算公式：

（1)Skempton公式在粘性土中,且其下一層土為砂上或比本層硬的粘土時,使用Skempton公式計算地基土的極限承載力。

其中：

式中：Pmax——表示樁基礎(chǔ)貫入海床的深度，m；

D——表示圓形基礎(chǔ)直徑，m；

α——樁靴的形狀系數(shù)；

Suavg——表示樁底土體抗剪強度平均值，kN/m2；

γ′——表示基礎(chǔ)底部以上土體平均有效容重，kN/m3；

Su——表示樁土界面平均剪切強度，kN/m2。

理論狀態(tài)下，自升式鉆井平臺樁腿下降到海底并壓入海底土，當海底對樁腿阻力等于或超過壓樁載荷，樁腿插入就會停止[11]，即：

式中：Ff——單樁壓載樁腿反力，按照操船手冊[6]提供，單樁預壓載最小樁腿反力：10,900M.Tons。

此時，平臺樁靴停止貫入。

合并公式（3）和公式（5）即可得到自然環(huán)境、地質(zhì)參數(shù)和入泥深度的關(guān)系，得到如下計算公式：

α取1.02，其他參數(shù)與前文相同。

根據(jù)平臺參數(shù)，最終可以得到JU2000E鉆井平臺插樁的海洋環(huán)境界限圖版，如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境界限圖版

如果作業(yè)海域的參數(shù)處于在該曲線下方區(qū)域，表示平臺可以完成插樁作業(yè)，如果作業(yè)海域的參數(shù)處于該區(qū)域上方，表明平臺如果插樁存在安全隱患或難以滿足作業(yè)需要。

3 結(jié)論建議

本文通過對JU2000E型鉆井平臺的操船手冊與ABS、CCS兩家船級社的要求進行分析論證，并通過研究平臺樁靴貫入深度，建立起了樁靴樁基土抗剪強度和作業(yè)海域的浪及高度的關(guān)系，最終得到了一種方便現(xiàn)場操作的海洋環(huán)境界限的判定方法并有以下的結(jié)論和建議：

（1）平臺進行插樁作業(yè)前，需按圖版進行校核，如果難以滿足作業(yè)需求，應改變插樁位置或通過墊砂袋等方式對樁基進行改良。

（2）本文對于樁靴入泥深度的假設(shè)是基于均質(zhì)地層的，如果考慮地層性質(zhì)的變化，需要對各層數(shù)據(jù)進行疊加處理。

（3）本文沒有考慮平臺刺穿的特殊現(xiàn)象，使用圖版進行分析之前，還需要對于刺穿進行校核，防止惡性事故發(fā)生。

（4）本文對于樁靴形狀的參數(shù)設(shè)定為1.02，如果該船型的樁靴形狀與本文研究的樁靴形狀不符，則還需進行參數(shù)的重新選定。

[1]LIU Jun.Deep Penetration of Spudcan Foundation into Double Layered Soils[J].China Ocean Engineering,Vol.19,No.2,pp: 309-324.

[2]ZHANG Ai-xia.Prediction Methods of Spudcan Penetration for Jack-up Units[J].Chinese Ocean Engineering Society,Vol.26, No.4,pp:591-602.

[3]Riglogix.Rig report:Offshore rig fleet by rig type[RB/OL].http: //www.rigzone.com/data/rig_report.asp?rpt=type.

[4]戴兵，段夢蘭.自升式鉆井平臺穿刺分析[J].科技導報2010，28（17）：63.

[5]胡安康，郭宇，蔣瑋.新型自升式海洋平臺的安全分析技術(shù)研究[J].船舶工程，2011，33(21).

[6]殷學林.主觀評分法在中海油JU2000-1項目風險評估中的應用[J].信息技術(shù)，2005（12）.

[7]邢研.渤海五號鉆井裝置改造過程中的樁靴斷面的優(yōu)化計算[J].中國海上油氣工程，1993（4）.

[8]941鉆井平臺操船手冊[S].FREE&GOLDMAN.Co.

[9]海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社, 1992.

[10]美國移動式鉆井平臺入級與建造規(guī)范(MODU)[S].2008.

[11]楊進.自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算研究[J].中國海上油氣，2012，24（6）.

TE5

A

1004-5716(2015)03-0041-03

2014-04-01

2014-04-02

霍宏博（1985-），男（漢族），河北深州人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝研究工作。