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(tái)穿刺計(jì)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(tái)的穿刺會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)或樁腿造成不同程度的損傷,因此非常有必要對(duì)作業(yè)井位進(jìn)行插樁穿刺安全性評(píng)估。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外穿刺計(jì)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(duì)樁基承載力公式進(jìn)行了修正;然后對(duì)穿刺安全系數(shù)進(jìn)行了探討,推薦了平臺(tái)作業(yè)期處于臺(tái)風(fēng)季時(shí)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(tái)在某井位插樁計(jì)算為例驗(yàn)證了所提出的方法。

自升式平臺(tái);穿刺;安全系數(shù);最大承載力

由于自升式鉆井平臺(tái)適用于不同海洋環(huán)境條件和較大范圍水深,移動(dòng)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(tái)在插樁壓載過(guò)程中發(fā)生穿刺。穿刺可使平臺(tái)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(píng)估。但目前對(duì)存在穿刺可能性情況下樁基承載力的計(jì)算過(guò)于保守,穿刺安全系數(shù)的取值方法過(guò)于簡(jiǎn)單,限制了自升式平臺(tái)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(jì)算最大樁基承載力,分析在較小穿刺安全系數(shù)時(shí)安全插樁可能性,并采用合理插樁作業(yè)流程,對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估自升式平臺(tái)作業(yè)的適應(yīng)性非常必要。

1 樁基承載力計(jì)算

1.1 目前樁基承載力計(jì)算方法

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

圖1 3∶1荷載擴(kuò)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(kuò)散法計(jì)算增加的載荷,kN;F′V為假設(shè)硬土層無(wú)限厚時(shí)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(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)、有限元計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)這種方法計(jì)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(jǐn)慎對(duì)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(shí)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(jìn)行具體的計(jì)算。

1.2 考慮上覆砂層的抗剪切能力的樁基承載力計(jì)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(guò)程中上覆砂層被樁靴剪斷,如圖2所示。根據(jù)力學(xué)知識(shí)可知,在發(fā)生剪切破壞時(shí)外力必然大于該結(jié)構(gòu)的抗剪切能力。因此計(jì)算最大樁基承載力時(shí)(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(qiáng)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(dāng)量直徑、沙層厚度等有關(guān)。

根據(jù)有限元計(jì)算可知,插樁過(guò)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(jiǎn)化計(jì)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(yàn)[3]Fig.2 Experiment on punch through[3]

圖3 砂層處剪切應(yīng)力的有限元計(jì)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(duì)于每個(gè)入泥深度D′,都要計(jì)算p′(a）,再按式2計(jì)算當(dāng)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(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)結(jié)果對(duì)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(duì)穿刺的安全系數(shù)包括:

式中:FSi(i=1,2,3）為無(wú)量綱相對(duì)刺穿的安全系數(shù)計(jì)算值;P1為單樁最大預(yù)壓載荷;PA為單樁實(shí)際的預(yù)壓載荷;QV未經(jīng)計(jì)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(guó)內(nèi)外的規(guī)范或推薦做法,如果 FS1≥1.5或 FS2≥1.2,一般認(rèn)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(tái)插樁作業(yè)。但實(shí)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(xì)的地質(zhì)勘察資料,按照更合理的方法計(jì)算承載能力,制定更細(xì)致的平臺(tái)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(shí)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(shí),應(yīng)進(jìn)行更嚴(yán)格的預(yù)壓載試驗(yàn),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(tái)作業(yè)窗口處于臺(tái)風(fēng)影響范圍,建議 FS3＞1.2。這是因?yàn)?在風(fēng)暴作用下平臺(tái)將承受大的環(huán)境載荷的作用,平臺(tái)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(tái)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(guó)內(nèi)外平臺(tái)穿刺及其事故分析和應(yīng)對(duì)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(tái)是否插樁作業(yè)的依據(jù)不僅是安全系數(shù),還要進(jìn)一步分析穿刺的可能性及穿刺對(duì)平臺(tái)的危害性;即使穿刺的可能性較高,只要預(yù)計(jì)穿刺深度小于平臺(tái)結(jié)構(gòu)可承受值,即可嘗試插樁。

可按照以下工況進(jìn)行穿刺情況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性計(jì)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(duì)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(jì)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(tái)裝載著最大預(yù)壓載水量。

經(jīng)計(jì)算,如果平臺(tái)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(jìn)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(jì)算實(shí)例分析

以中海油HYSY9××平臺(tái)在某井位插樁計(jì)算為例,探討穿刺計(jì)算方法。表1為該井位地質(zhì)勘查數(shù)據(jù),表2為平臺(tái)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(jì)算,曲線2按照式2計(jì)算,曲線3是穿刺情況下的承載力。

按照曲線1結(jié)果,平臺(tái)插樁安全系數(shù) FS1為1.36,FS2為0.75,如果穿刺,平臺(tái)樁靴快速下沉距離達(dá)到15 m以上,對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)可能造成嚴(yán)重?fù)p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(kāi)發(fā)進(jìn)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(tái)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?qǐng)D5流程進(jìn)行分析,并利用式2計(jì)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(tái)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(tái)樁靴快速下沉距離小,對(duì)平臺(tái)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(jìn)一步減少穿刺風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)平臺(tái)作業(yè)期最惡劣的環(huán)境條件計(jì)算了可能產(chǎn)生的最大樁腳反力QV,以此作為實(shí)際壓載量。另外插樁前進(jìn)行了周密布置,制定了應(yīng)急預(yù)案,以減少穿刺對(duì)人員和平臺(tái)結(jié)構(gòu)的傷害。在插樁前還通過(guò)調(diào)整平臺(tái)艏向、作業(yè)過(guò)程中盡量降低可變載荷等措施降低樁腳反力,進(jìn)一步降低站立作業(yè)中穿刺的可能性。

最終,HYSY9××平臺(tái)在作業(yè)井位處安全插樁、壓載,實(shí)際插樁深度為6 m,驗(yàn)證了提出算法的準(zhǔn)確性和作業(yè)流程的實(shí)用性。該平臺(tái)經(jīng)歷了2次臺(tái)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(gè)井位也采用了公式2的算法和圖5所示分析流程,也都實(shí)現(xiàn)了安全作業(yè)。

5 結(jié)論

(1）對(duì)于樁靴式平臺(tái),目前存在穿刺可能性情況下樁基承載力的計(jì)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(duì)于樁靴式平臺(tái),利用刺穿安全系數(shù)判斷平臺(tái)作業(yè)可行性的方法過(guò)于簡(jiǎn)單,應(yīng)綜合分析作業(yè)區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)、土壤地質(zhì)參數(shù)、穿刺深度、穿刺對(duì)平臺(tái)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(jìn)行了實(shí)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.

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[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(tái)壓載量的準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法應(yīng)用研究[J].中國(guó)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(jí)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。