自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度計(jì)算研究

楊 進(jìn) 徐國(guó)賢 劉書(shū)杰 汪順文 黃 熠

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.中海油研究總院； 3.中海石油（中國(guó)）有限公司）

自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度計(jì)算研究

楊 進(jìn)1徐國(guó)賢1劉書(shū)杰2汪順文3黃 熠3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.中海油研究總院； 3.中海石油（中國(guó)）有限公司）

開(kāi)展了樁腿與海底土相互作用分析，提出了自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力計(jì)算模型，該模型考慮了插樁速度、樁靴上覆土壓力、群樁效應(yīng)等因素的影響。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，本文提出的自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力計(jì)算模型在預(yù)測(cè)樁腿入泥深度時(shí)具有非常高的準(zhǔn)確度，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。

自升式鉆井平臺(tái) 樁腿 承載力 入泥深度 計(jì)算模型

目前自升式鉆井平臺(tái)是我國(guó)近海油氣勘探開(kāi)發(fā)的主要鉆探裝備[1]，由于其受風(fēng)面積大、重心高且操作較其他類型平臺(tái)復(fù)雜，再加上目前平臺(tái)載荷逐漸增大，新油田的海況和海底情況比較復(fù)雜，在拖航、插拔樁、鉆井等作業(yè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)平臺(tái)傾斜、樁腿刺穿和拔樁困難等風(fēng)險(xiǎn)的可能性增大[2]，這些復(fù)雜事故會(huì)造成人員和經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。

目前相關(guān)文獻(xiàn)提出了不少計(jì)算分析和確定插樁深度的模型和方法，但這些模型和方法提出者多數(shù)是從理論上開(kāi)展研究工作，很少開(kāi)展模擬試驗(yàn)研究工作，所以給出結(jié)果的參考意義受到一定的限制。隨著作業(yè)水深的逐步加深，海況和海底土情況更加復(fù)雜，利用這些模型來(lái)預(yù)測(cè)分析自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度常常會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際插樁作業(yè)的入泥深度誤差很大的情況，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)插拔樁作業(yè)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要開(kāi)展鉆井平臺(tái)樁腿插入深度預(yù)測(cè)模型完善和改進(jìn)工作，進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)精度。

1 自升式鉆井平臺(tái)樁腿插樁分析

1.1 插樁作業(yè)

海上自升式鉆井平臺(tái)樁腿插樁基本上采用靜壓載沉樁。在自升式鉆井平臺(tái)拖航就位后，樁腿下放，船體上浮，樁靴支撐在海底土中。在進(jìn)行預(yù)壓載插樁作業(yè)之前，船體浮出水面一定高度，通過(guò)往加載水箱內(nèi)注入海水使樁靴基礎(chǔ)預(yù)壓荷載加至設(shè)計(jì)荷載。預(yù)壓載的目的是平衡鉆井平臺(tái)在工作過(guò)程中可能受到的最大外界荷載，保證一定的安全度，通常考慮設(shè)計(jì)為重現(xiàn)期50年或100年風(fēng)暴荷載。壓載在流程上可分整體壓載和單樁壓載，“海洋石油941”自升式鉆井平臺(tái)，采用的是單樁逐級(jí)壓載直至設(shè)計(jì)預(yù)壓載值，先進(jìn)行艏部樁腿預(yù)壓載，其次是艉部樁腿[1]。如果采用單樁一次壓載到位，完成預(yù)壓載的樁腿會(huì)對(duì)未進(jìn)行預(yù)壓載的樁腿帶來(lái)群樁效應(yīng)的影響，而且樁腿插入深度越深，相鄰樁腿處土體受到的擾動(dòng)越顯著，越不利于插樁作業(yè)。如果采用各樁分級(jí)循環(huán)壓載，即一個(gè)樁腿壓載到一定載荷便進(jìn)行另外一個(gè)樁的壓載，這樣會(huì)在較小的土體擾動(dòng)下完成所有樁腿的預(yù)壓載，各樁壓載過(guò)程中的群樁效應(yīng)會(huì)隨著各樁的下入得到逐步消散，從而降低了群樁效應(yīng)帶來(lái)的插樁困難和插入深度不一致性問(wèn)題。

1.2 樁腿與海底土相互作用

樁腿與海底土相互作用表現(xiàn)為當(dāng)樁腿插入到土層中，樁端（樁靴）附近的土體受到劇烈擠壓而產(chǎn)生壓縮變形，而且隨著樁腿插入阻力的增加，土體顆粒發(fā)生移動(dòng)，孔隙水受到?jīng)_剪擠壓作用形成不均勻水頭，產(chǎn)生急劇上升的超孔隙水壓力，擾動(dòng)土體結(jié)構(gòu)[3]，原狀土的初始應(yīng)力狀態(tài)被破壞。當(dāng)樁端土體所受的壓力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體會(huì)發(fā)生劇烈變形直至破壞，這種破壞和擾動(dòng)隨著樁腿的插入會(huì)連續(xù)向下傳遞，使樁周一定范圍內(nèi)的土體形成塑性區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)樁腿的繼續(xù)下入。這種極限破壞活動(dòng)對(duì)粘性土產(chǎn)生塑性流動(dòng)，對(duì)砂性土產(chǎn)生擠密側(cè)移和向下推進(jìn)，原來(lái)處于樁尖的土體被向下向外擠開(kāi)，樁腿繼續(xù)向下層土體貫入。

另外，同一根樁腿樁身上部某一位置的樁側(cè)阻力會(huì)隨著樁腿入泥深度的增加而有可能出現(xiàn)升降，同時(shí)樁端附近的樁側(cè)阻力則隨著樁腿入泥深度的增加而不斷增大。樁端阻力和樁側(cè)阻力的變化是由樁土相互作用的特性所決定的。插樁完成后，隨著時(shí)間的推移，樁周土體中超孔隙水壓力逐漸消散，土體發(fā)生重新固結(jié)[4]，土的抗剪強(qiáng)度和側(cè)摩阻力逐步恢復(fù)和提高，從而使樁獲得較大的承載力。

2 自升式鉆井平臺(tái)樁腿插入深度計(jì)算方法

海上自升式鉆井平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)，需要適應(yīng)不同海況和海底地貌、海底土土質(zhì)等地質(zhì)條件，所以不同深度和性質(zhì)的海底土承載力的計(jì)算、樁靴承載能力分析、樁腿入泥深度的預(yù)測(cè)、刺穿事故的預(yù)防等工作都至關(guān)重要。

自升式鉆井平臺(tái)拖運(yùn)到預(yù)定井位后，樁腿下降到海底，并壓入到海底土中，當(dāng)海底土對(duì)樁腿的阻力等于或超過(guò)壓樁載荷時(shí)，樁腿插入就會(huì)停止[5]。因此，海底土的性質(zhì)、壓樁載荷大小和樁腿形狀是決定樁腿插入深度的關(guān)鍵因素，這些因素在確定自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度的計(jì)算方法中都應(yīng)體現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)理論模擬實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料分析對(duì)比，考慮到自升式鉆井平臺(tái)插樁速度和群樁效應(yīng)以及樁靴上覆土壓力等因素影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大量鉆井平臺(tái)實(shí)際插樁資料，本文提出的自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力Q的計(jì)算模型為

式（1）、（2）中：As為埋入泥線以下樁側(cè)總表面積，m2；f為單位表面摩擦力，t/m2；q（u，δ）為樁腿下入動(dòng)載和群樁效應(yīng)影響下的單位樁端承載力，t/m2；Ap為樁端（樁靴）橫向截面積，m2；A′p為樁靴有效面積與樁腿有效面積之差，m2；α為回填土壓力折減系數(shù)，通常取值0.3～0.6；p0為樁腳深度處的有效上覆土壓力，kPa；u為樁腿下入速度影響系數(shù)，與樁腿下入的凈時(shí)間有關(guān)，可通過(guò)模擬試驗(yàn)和多口井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際插樁校核統(tǒng)計(jì)反演得出；δ為群樁效應(yīng)影響系數(shù)，與樁腿下入時(shí)間和下入速度有關(guān)，可通過(guò)模擬試驗(yàn)和多口井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際插樁校核統(tǒng)計(jì)反演得出；tjing為樁腿下入凈時(shí)間，即排除壓載作業(yè)過(guò)程中的靜止等候等非樁腿下入的時(shí)間，s；v為樁腿下入速度，m/s；t為樁腿下入總時(shí)間，s。

由公式（1）、（2）可以看出，自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力計(jì)算模型中考慮了樁靴上部土的回填，壓載速度的動(dòng)載因素以及群樁效應(yīng)等因素的影響。將單個(gè)樁腿極限承載力與平臺(tái)設(shè)計(jì)需要加載到該樁腿上最大預(yù)壓載進(jìn)行比較，當(dāng)所計(jì)算出的某一插樁深度處的樁腿極限承載力等于或超過(guò)該樁腿上最大預(yù)壓載時(shí)，認(rèn)為此插樁深度是可能適合的平臺(tái)插樁深度。最后再結(jié)合刺穿分析來(lái)進(jìn)一步確定該深度作為平臺(tái)作業(yè)時(shí)樁腿入泥深度的可靠性和安全性。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以番禺A井自升式鉆井平臺(tái)插樁校核情況來(lái)說(shuō)明本文提出的插樁深度計(jì)算模型的應(yīng)用效果。在“海洋石油941”自升式鉆井平臺(tái)就位插樁前對(duì)番禺A井場(chǎng)進(jìn)行了地質(zhì)勘探，采用靜力觸探（CPT）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)土樣試驗(yàn)相結(jié)合的方法得出土深在0～8.5 m范圍內(nèi)的鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 番禺A井場(chǎng)鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)番禺A井場(chǎng)土質(zhì)調(diào)查資料，采用本文給出的承載力計(jì)算模型，計(jì)算出“海洋石油941”自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力隨著土深的變化情況（圖1）。

圖1 “海洋石油941”平臺(tái)在番禺A井的插樁深度分析曲線

綜合考慮多種因素（如土質(zhì)資料的準(zhǔn)確性、3個(gè)樁腿入泥深度的不一致性、樁腿入泥深度的實(shí)際測(cè)量誤差等）確定番禺A井位的理論插樁深度范圍為3.5～4.5 m，而該平臺(tái)3個(gè)樁腿實(shí)際測(cè)量的入泥深度分別為3.7、3.8和4.3 m。由此可見(jiàn)，本文提出的自升式鉆井平臺(tái)插樁深度計(jì)算模型在預(yù)測(cè)樁腿入泥深度時(shí)具有非常高的準(zhǔn)確度，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，體現(xiàn)出了指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)自升式鉆井平臺(tái)就位插樁作業(yè)的工程價(jià)值和良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）提出了新的自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力計(jì)算模型，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析校核，考慮了樁靴上部土的回填、壓載速度的動(dòng)載因素以及群樁效應(yīng)等因素影響的承載力計(jì)算模型在預(yù)測(cè)自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度上具有非常高的準(zhǔn)確度，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。

（2）自升式鉆井平臺(tái)樁腿承載力存在群樁效應(yīng)影響因素，對(duì)于群樁效應(yīng)因素的掌握需要結(jié)合一定海域歷次作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和插樁校核結(jié)果歸納反演。

[1] 施麗娟，李東升，潘斌.自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)自振特性分析[J].中國(guó)海上油氣（工程），2001，13（5）：6－8，38.

[2] 胡知輝，趙軍，宋林松，等.復(fù)雜地層條件下自升式鉆井平臺(tái)插樁穿刺分析[J].中國(guó)海上油氣，2011，23（5）：344－348.

[3] 盧凱亮.淺談靜壓樁的施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（5）：68－69.

[4] 宋建學(xué)，汪耀武，鄭仁清.靜壓樁施工過(guò)程中超孔隙水壓力實(shí)例分析[J].施工技術(shù)，2008，37（增刊）：160－163.

[5] 邢延.自升式鉆井船樁腳插入深度計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1991，13（5）：36－45.

Research on leg penetration depth calculation of jack－up drilling platform

Yang Jin1Xu Guoxian2Liu Shujie2Wang Shunwen3Huang Yi3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing，102249；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；3.CNOOC Ltd.，Beijing，100010）

The leg bearing capacity model of jack－up drilling platform has been built through analysis on leg and seabed soil interaction.And the factors such as the penetration speed，pile shoe overburden pressure，the effect of group piles have been taken into consideration during modeling.Field application indicates that the proposed calculation model for leg bearing capacity of the jack－up drilling platform has high accuracy in predicting the leg penetration depth，with the relative error less than 10%.

jack－up platform；leg；bearing capacity；penetration depth；calculation model

楊進(jìn)，男，2004年獲中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授，主要從事海洋石油工程方面的教學(xué)和科研工作。地址：北京昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院（郵編：102249）。E－mail：cyjin1018＠vip.sina.com。電話：010－89733204。

2011－12－18改回日期：2012－03－19

（編輯：葉秋敏）