一種優(yōu)化的自升式平臺預(yù)壓操作方法應(yīng)用

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司， 天津 300450)

0 引 言

近年來，隨著中國近海油氣田的開發(fā)速度不斷加快，對于自升式平臺的使用越來越廣泛，自升式平臺的拖航移位作業(yè)頻次也越來越高。在自升式平臺拖航移位作業(yè)過程中，完成精就位后，還需完成具有較長作業(yè)周期的預(yù)壓操作才能繼續(xù)提升平臺至設(shè)計氣隙高度。

預(yù)壓操作應(yīng)根據(jù)不同的就位地貌、海況等地質(zhì)特性和環(huán)境因素，在操作過程中，規(guī)避潛在的地層刺穿、樁靴滑移、踩腳印等風(fēng)險[1]。因此，根據(jù)自升式平臺自身特性，結(jié)合綜合就位環(huán)境，選擇一種合適的預(yù)壓操作方法，保證預(yù)壓操作安全、有效地完成，不僅直接影響自升式平臺在拖航移位期間的操作安全，也影響其在后續(xù)作業(yè)期間的站立穩(wěn)性。

本文以渤海某三樁腿自升式平臺為研究對象，平臺主尺度為：船體長54 m，總寬49 m，型深5.2 m，如圖1所示。樁腿長73 m，直徑3.2 m。樁靴為正八面體(長9.2 m×寬9.2 m×高1.65 m)。

1 預(yù)壓操作原則

在拖航移位作業(yè)開始前，應(yīng)仔細(xì)研究就位插樁分析報告、地貌掃測報告、就位方案、未來48 h海洋環(huán)境預(yù)報等與預(yù)壓操作相關(guān)的作業(yè)資料，基于平臺浮態(tài)穩(wěn)性計算，完成預(yù)壓載荷計算和預(yù)壓操作程序設(shè)計，并做好相應(yīng)的風(fēng)險分析和應(yīng)對措施。

1.1 預(yù)壓最大載荷

1.1.1 樁靴對地載荷

樁靴對地載荷主要包括：平臺質(zhì)量、樁腿質(zhì)量、可變載荷，以及環(huán)境載荷共同作用下樁靴對海床地基的壓力載荷。平臺質(zhì)量、樁腿質(zhì)量及可變載荷來源于平臺重量重心計算書，環(huán)境載荷來源于平臺環(huán)境載荷計算書[2]。

該平臺設(shè)計工況包含鉆井作業(yè)狀態(tài)和工程輔助支持狀態(tài)，根據(jù)初始設(shè)計工況和設(shè)計作業(yè)環(huán)境計算最大預(yù)壓載荷，需分兩種工況進(jìn)行考慮[3]。具體計算結(jié)果如表1所示。

表1 平臺各工況樁靴對地最大載荷 t

由表1可知：平臺艏樁的最大對地設(shè)計載荷為3 404 t(工程輔助支持狀態(tài))，左樁最大對地設(shè)計載荷為3 445 t(鉆井作業(yè)狀態(tài))，右樁最大對地設(shè)計載荷為3 388 t(鉆井作業(yè)狀態(tài))。因此，平臺預(yù)壓樁靴對地最大載荷需不小于上述初始設(shè)計計算結(jié)果。

1.1.2 平臺升降裝置承載力

在自升式平臺預(yù)壓操作期間，船體全部載荷都需通過升降裝置傳遞至樁腿樁靴[4]。因此，預(yù)壓操作方法的選擇和制訂也需參考升降裝置的承載力，在任何工況下，單樁升降載荷不能超過預(yù)壓升降載荷3 304 t。該平臺的單樁升降承載能力如表2所示。

表2 各工況下平臺樁腿單樁升降能力 t

1.2 插樁分析報告

根據(jù)就位平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及就位區(qū)域的地質(zhì)特性，針對單次作業(yè)進(jìn)行模擬插樁分析。插樁分析報告是選擇預(yù)壓操作方法的重要參考依據(jù)。基于插樁分析報告和精就位樁腿入泥深度計算，可判斷樁靴底面與刺穿風(fēng)險地層的距離，以及預(yù)壓最大載荷情況下的刺穿風(fēng)險因數(shù)[5]。圖2a)為預(yù)壓最大載荷刺穿風(fēng)險安全因數(shù)Fs=1.24的插樁分析結(jié)果，屬于風(fēng)險較小的工況；圖2b)為預(yù)壓最大載荷刺穿風(fēng)險安全因數(shù)Fs=1.04的插樁分析結(jié)果，屬于風(fēng)險較大的工況。在接近預(yù)壓最大載荷的過程中，應(yīng)特別留意樁靴動態(tài)，做好地層刺穿的應(yīng)急措施。

圖2 插樁分析

2 傳統(tǒng)預(yù)壓操作方法

2.1 操作程序

圖3 傳統(tǒng)預(yù)壓操作流程

傳統(tǒng)預(yù)壓操作首先完成初始預(yù)壓，此時平臺升降裝置在正常升降載荷范圍內(nèi)；再依次進(jìn)行艏樁、左樁、右樁的加載，此時升降裝置仍可在預(yù)壓范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)急短行程升降；最后三樁同時加載到最大對地載荷。每完成一步預(yù)壓加載操作后，都須預(yù)留充足的調(diào)平觀察時間，其間平臺傾角幅值變化一旦大于0.3°，就要進(jìn)行卸載至樁腿安全承載范圍內(nèi)，調(diào)平船體，再進(jìn)行重新預(yù)壓。在操作順利的情況下，整個預(yù)壓完成時間需48 h左右。具體操作流程如圖3所示。

2.2 最大對地載荷

基于傳統(tǒng)預(yù)壓操作的地基壓力，如表3所示：艏樁3 497 t，大于設(shè)計值3 404 t；左樁3 499 t，大于設(shè)計值3 445 t；右樁3 494 t，大于設(shè)計值3 388 t。預(yù)壓最大對地載荷滿足初始設(shè)計要求。

表3 傳統(tǒng)預(yù)壓操作最大對地載荷表 t

此時，對21個壓載艙的利用情況如表4所示。

表4 預(yù)壓最大載荷壓載艙利用情況表

從表4可知：4#壓載艙(滿載256 t)和10#壓載艙(滿載203 t)為空艙，3#壓載艙(滿載256 t)和12#壓載艙(滿載239 t)為半艙，整個船體還有700余噸的空閑壓載量，對于調(diào)載仍留有較大的操作空間。

2.3 傳統(tǒng)預(yù)壓缺點(diǎn)

(1) 在預(yù)壓過程中，各樁的載荷逐步增加至升降載荷最大承載力，一旦船體出現(xiàn)傾角偏移，須首先卸載再進(jìn)行調(diào)平操作，不便于現(xiàn)場操作。

(2) 如果在最后預(yù)壓環(huán)節(jié)船體出現(xiàn)明顯傾角偏移，須重新卸載調(diào)平，再進(jìn)行前述預(yù)壓操作，重復(fù)的操作步驟較多，會花費(fèi)較長的作業(yè)時間。

(3) 一旦在各樁滿載或最后預(yù)壓階段出現(xiàn)應(yīng)急情況，須進(jìn)行應(yīng)急升降操作，對升降裝置十分不利，甚至?xí)霈F(xiàn)不可預(yù)知的損害后果。

(4) 操作程序較為繁瑣，對于自動化程度較低的壓載系統(tǒng)，現(xiàn)場倒艙換閥的工作量較大。

圖4 優(yōu)化的預(yù)壓操作流程

3 優(yōu)化壓載操作方法

傳統(tǒng)預(yù)壓操作時間較長，且一旦出現(xiàn)預(yù)壓調(diào)平，會導(dǎo)致整個預(yù)壓操作流程更復(fù)雜。利用富余的壓載艙室容量進(jìn)行重新預(yù)壓校核計算，發(fā)現(xiàn)在單樁預(yù)壓操作階段，各樁即可達(dá)到預(yù)壓最大載荷，因此可省去最后預(yù)壓操作環(huán)節(jié)，不僅可有效地控制單樁加載速度及觀察時間，還可顯著提升現(xiàn)場操作便捷性。優(yōu)化壓載操作邏輯如圖4所示。

在渤海SZ36-1油田某次就位操作中進(jìn)行應(yīng)用，不僅取得了預(yù)期的預(yù)壓效果，還將原先的預(yù)壓操作時間從48 h左右直接縮減至36 h左右，極大地提升了現(xiàn)場作業(yè)的便捷性與經(jīng)濟(jì)性。針對本次優(yōu)化后的預(yù)壓操作，具體記錄結(jié)果如下。

3.1 初始預(yù)壓操作

基于平臺漂浮穩(wěn)性進(jìn)行壓載，加載各樁載荷至升降裝置可正常升降的載荷范圍內(nèi)，如表5所示。

表5 初始預(yù)壓操作及數(shù)據(jù)記錄表

此時，各樁腿的升降載荷分別為艏樁2 399 t、左樁2 398 t、右樁2 397 t，均小于2 400 t，在調(diào)平觀察期間，升降裝置仍可正常操作，可隨時進(jìn)行平臺調(diào)平操作。

3.2 艏樁預(yù)壓操作

通過各壓載艙室調(diào)載，艏樁逐漸加載至預(yù)壓最大載荷，左樁、右樁調(diào)載至可正常升降的載荷范圍內(nèi)，具體如表6所示。

表6 艏樁預(yù)壓操作及數(shù)據(jù)記錄表

此時，艏樁對地壓力達(dá)到3 422 t，大于3 404 t，滿足預(yù)壓最大載荷要求；左樁與右樁的升降載荷仍小于2 400 t，在調(diào)平觀察期間仍可正常操作，可隨時進(jìn)行平臺調(diào)平。

3.3 右樁預(yù)壓操作

通過各壓載艙室調(diào)載，右樁逐漸加載至預(yù)壓最大載荷，左樁、艏樁調(diào)載至可正常升降的載荷范圍內(nèi)，具體如表7所示。

表7 右樁預(yù)壓操作及數(shù)據(jù)記錄表

此時，右樁對地壓力達(dá)到3 422 t，大于3 388 t，滿足預(yù)壓最大載荷要求；艏樁、左樁升降載荷小于2 400 t，在調(diào)平觀察期間仍可正常操作，可隨時進(jìn)行平臺調(diào)平。

3.4 左樁預(yù)壓操作

通過各壓載艙室調(diào)載，左樁逐漸加載至預(yù)壓最大載荷，右樁、艏樁調(diào)載至可正常升降的載荷范圍內(nèi)，具體如表8所示。

此時，左樁對地壓力達(dá)到3 447 t，大于3 445 t，滿足預(yù)壓最大載荷要求；艏樁、右樁升降載荷小于2 400 t，在調(diào)平觀察期間仍可正常操作，可隨時進(jìn)行平臺調(diào)平。

4 結(jié) 論

(1) 通過壓載艙調(diào)配載計算，直接利用單樁預(yù)壓達(dá)到樁靴對地最大反力，不僅減少了最后預(yù)壓步驟，將整體操作時長由48 h縮減至36 h左右，而且還優(yōu)化操作程序，預(yù)留充足的調(diào)平觀察時間，確保預(yù)壓操作質(zhì)量。

表8 左樁預(yù)壓操作及數(shù)據(jù)記錄表

(2) 在遇有不穩(wěn)定地層或存在刺穿風(fēng)險時，可通過控制單樁加載速度、靈活控制觀察時間，避免預(yù)壓最大載荷實(shí)現(xiàn)前的突然失控情況。

(3) 遇應(yīng)急情況時，平臺另外2個樁腿的承載力可允許平臺在相對安全的狀態(tài)下進(jìn)行較為靈活的應(yīng)急操作處置。