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

(中海油田服務股份有限公司,河北燕郊 065201）

自升式平臺的穿刺會對平臺結構或樁腿造成不同程度的損傷,因此非常有必要對作業井位進行插樁穿刺安全性評估。在總結國內外穿刺計算方法的基礎上,首先分析了接近穿刺狀態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進行了探討,推薦了平臺作業期處于臺風季時采用的安全系數;最后提出了更完善的穿刺分析和作業流程,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;最大承載力

由于自升式鉆井平臺適用于不同海洋環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用。但由于海底地質條件比較復雜,經常出現上硬下軟的“雞蛋殼”地層,導致平臺在插樁壓載過程中發生穿刺。穿刺可使平臺的結構受到損傷,甚至造成重大的人員傷亡,因此作業者和鉆井承包商都非常重視“雞蛋殼”地層的作業可行性評估。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計算最大樁基承載力,分析在較小穿刺安全系數時安全插樁可能性,并采用合理插樁作業流程,對準確評估自升式平臺作業的適應性非常必要。

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的多樣性,目前國際上比較認可的還是SNAME5—5A規范提供的半理論半經驗的計算公式。國內對此研究較少,石油行業標準《海洋井場調查規范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。

根據實際作業數據、有限元計算和室內試驗數據對比,發現這種方法計算的地基承載力偏于保守。保守的結果有利于提醒承包商謹慎對待作業井位和插樁作業,但不利于作業者和承包商做出客觀的判斷,因此應根據具體井位實際地質情況,如上覆砂層厚度、砂層內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],即預壓載或站立作業過程中上覆砂層被樁靴剪斷,如圖2所示。根據力學知識可知,在發生剪切破壞時外力必然大于該結構的抗剪切能力。因此計算最大樁基承載力時(接近穿刺狀態下的承載力）,也應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）,與砂層的內摩擦角、樁靴當量直徑、沙層厚度等有關。

根據有限元計算可知,插樁過程中同一層土體的上部和下部產生的應力是不同的,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,最后根據多組入泥深度 FV值的比較結果確定最大承載力。

將公式2計算結果與現場作業結果對比發現,本算法的結果雖然較式1大,但仍偏于保守。

2 穿刺安全系數分析

相對穿刺的安全系數包括:

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

根據國內外的規范或推薦做法,如果 FS1≥1.5或 FS2≥1.2,一般認為安全系數足夠大,是可以作業的,但不能保證作業中不穿刺、還需要按照穿刺情況下插樁程序作業;如果 FS1＜1.5及 FS2＜1.2,一般不建議平臺插樁作業。但實際作業表明,安全系數小不代表不能作業,只是需要更詳細的地質勘察資料,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急預案,就能保證安全作業[5]。因此,作業者和承包商實際上不必特別關心上述安全系數。

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

3 插樁作業分析流程

在分析國內外平臺穿刺及其事故分析和應對措施的基礎上,制定了插樁作業分析流程,如圖5所示。

根據該流程,最終確定平臺是否插樁作業的依據不僅是安全系數,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,只要預計穿刺深度小于平臺結構可承受值,即可嘗試插樁。

可按照以下工況進行穿刺情況下平臺結構安全性計算。

(1）船底與平均海平面之間的距離(預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(預期穿刺深度為6 m）;

(5）平臺裝載著最大預壓載水量。

經計算,如果平臺任何結構的應力水平在材料的屈服極限范圍內,可進行壓載嘗試。

圖5 穿刺分析和作業流程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為該井位地質勘查數據,表2為平臺樁靴數據,圖6為按常規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結果,平臺插樁安全系數 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,對平臺結構可能造成嚴重損壞,因此按照常規方法,一般不建議在此井位插樁。但本井作業者為了加大勘探開發進度,要求在保證安全的基礎上,盡快作業。

表1 擬作業井位地質勘查數據Tab.1 G eotechnical design parameters of the well site in operation

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

圖6 極限樁腳載荷與入泥深度關系曲線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,結果如圖6的曲線2。按照該結果,平臺插樁安全系數 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,對平臺結構可能造成的損壞小,因此可以在此井位插樁作業。

為了進一步減少穿刺風險,根據平臺作業期最惡劣的環境條件計算了可能產生的最大樁腳反力QV,以此作為實際壓載量。另外插樁前進行了周密布置,制定了應急預案,以減少穿刺對人員和平臺結構的傷害。在插樁前還通過調整平臺艏向、作業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中穿刺的可能性。

最終,HYSY9××平臺在作業井位處安全插樁、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流程的實用性。該平臺經歷了2次臺風,作業中未發生樁靴下陷、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,也都實現了安全作業。

5 結論

(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,利用刺穿安全系數判斷平臺作業可行性的方法過于簡單,應綜合分析作業區域的環境特點、土壤地質參數、穿刺深度、穿刺對平臺結構的危害程度等因素,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計算方法應用研究[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,中海油服鉆井事業部總工程師,主要從事鉆井技術管理和研究工作。E-mail:caos j@cosl.com.cn。