自升式平臺井位適應性評估程序研究與應用

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務股份有限公司)

自升式平臺是近海油田開發的重要設備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業，具有移動靈活、穩定性好等優點。但石油行業對自升式平臺井位安全性研究較少，在作業適應性評估方面采取了比較保守的策略，只有王建軍等［1］針對HYSY93*平臺在某井位的作業適應性進行過分析。為充分發揮自升式平臺的能力、加速海洋油氣的開發，同時保證平臺作業安全，筆者進行了井位適應性評估程序研究，并將研究成果應用于實際作業，取得了良好效果。

1 評估程序的建立

目前國內沒有成文的自升式平臺井位風險分析和安全評估規范，對每個風險性較大的井位都需要邀請各方面專家進行研究分析。為簡化分析程序，在匯總國內外標準［2-3］的基礎上，結合自升式平臺的實際情況，建立了標準化的自升式平臺井位適應性評估程序，如圖1所示。

在圖1中，輸入的主要數據包括環境數據和淺層地質調查數據;主要評估環節包括作業水深適應性分析、樁基穩定性分析和結構完整性分析，評估的出發點是在保證平臺站立安全的前提下，充分發揮自升式平臺的能力，滿足飛速發展的海洋油氣勘探與開發需求。具體評估流程如下:

(1)首先根據作業者(甲方)提供的鉆井設計要求中有關設計井深、槽口布置方式、懸臂梁覆蓋范圍、載荷及作業井位名義作業水深等條件進行初評。

圖1 自升式平臺井位適應性評估程序

(2)對于初評通過的平臺，再根據淺層地質調查數據、平臺預壓載量及臨井插樁深度等分析各平臺的插樁深度，結合氣隙、樁腿頂部預留長度等數據分析作業水深適應性，即確定樁腿長度余量δ值長度。δ值為

式(1)中:L為樁腿長度，m。D1為樁腿入泥深度，m，一般可按標準 SY/T 6707［4］計算。D2為氣隙，m。對于探井，國內作業時一般按照CCS-2005［5］確定氣隙，國外作業時需符合當地的規范，如在墨西哥灣作業時應達到APIRP 95J［6］的要求。D3為船體底板到升降基礎頂面的距離，m。D4為樁腿頂部預留長度，m。齒輪齒條式升降系統自升式平臺，至少應在升降基礎頂面以上留有1.5 m的預留長度;液壓缸式升降系統自升式平臺，至少應留有一個沖程長度的預留長度。H為作業井位平均水深，m。

對于因入泥深度過大引起的樁腿長度略有不足的情況(δ＜0)，仍可進入下一步評估程序，即計算平臺在作業和風暴生存過程中可能產生的最大樁腳載荷，分析可否通過減少壓載量等措施來降低入泥深度。

(3)樁基穩定性分析(一般包括穿刺分析和拔樁載荷分析［5］)。對于入泥深度較淺且海床表層為粉砂層的井位，還應考慮樁靴底部的淘蝕、液化與上風向樁靴的滑移等;對于存在穿刺風險的井位或因插樁入泥較深而拔樁困難的井位，需要作專項分析。

(4)結構完整性分析。通常采用有限元法對樁腿強度、鎖緊系統(升降系統)承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等進行計算。如果計算得到的安全系數低于規范(如船級社規范CCS-2005［5］)規定的安全系數，可通過優化動態載荷、優化約束條件、調整可變載荷等再重新計算。

(5)最后根據調整后許用可變載荷等數據重復上述評估流程。

2 關鍵技術研究

2.1 樁基穩定性分析

2.1.1 平臺插拔樁能力研究

2007年開始對各種樁靴類型平臺的插拔樁問題進行了研究，結合數值計算、試驗研究和理論分析，并與平臺插樁入泥歷史數據校核，建立了平臺插樁深度和拔樁阻力的計算方法;再結合平臺結構的強度計算，完善了拔樁作業程序［7］;最后綜合考慮沖樁排量、時間、壓力、粘土層性質等因素，提出了沖樁條件下樁腿拔樁阻力計算方法［8］，開發了自升式平臺插樁深度和拔樁阻力計算軟件。

2.1.2 穿刺研究

對所有作業過的、淺層地質資料分析認為存在穿刺可能性的井位進行了重新分析。利用實際作業數據、有限元計算結果和室內試驗數據對比，發現現有的地基承載力計算公式［4］只適合于某些樁靴形狀平臺及地層，對于大部分情況偏于保守。因此，應根據平臺作業統計、分析數據得出的結論，再結合具體井位的實際地質情況(如上覆砂層厚度、砂層內摩擦角及樁靴形狀等)，對存在穿刺可能性的井位進行具體計算。

利用非線性有限元法分析接近穿刺狀態下上覆砂層的抗剪切能力，對文獻［4］中的樁基承載力計算公式進行了修正，即

式(2)、(3)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;Fn∶1為按 n∶1荷載擴散法計算增加的載荷［4］，與砂層的內摩擦角有關，kN;p(h)為砂層按深度的抗剪切分布力，與砂層的內摩擦角、樁靴當量直徑、沙層厚度等參數有關，kN/m;FS為安全系數計算值;H1為樁靴最大截面入泥深度，m;H2為樁靴最大截面至下臥粘土層距離，m;h為樁靴最大截面以下的深度，m;VL0為單樁最大預壓載量，kN。

上述計算方法在東海、南海的多個井位進行了驗證，結果表明修正后的計算方法更符合實際情況。同時對淺層地質勘察提出了更明確的要求:應獲得自升式平臺幾何中心位置深度不小于40 m的工程地質取樣孔的數據及每個樁靴位置深度不小于40 m的靜力探觸測試(CPT)孔的數據。最后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，制定了插樁壓載作業分析流程，如圖2所示。

圖2 自升式平臺可能穿刺井位分析及作業流程

2.2 平臺結構完整性分析

2.2.1 平臺模型庫建立

通過開展自升式平臺建模技術研究，建立了JU2000E型400FT平臺、MSC CJ46-X100型300FT平臺等12種類型平臺的有限元模型，形成了船體-樁腿連接的有限元建模技術、桁架式樁腿水動力的計算方法、自升式平臺的深水動力響應計算方法、樁靴約束方式算法等。

2.2.2 樁靴約束及反力校核

樁靴約束可按照鉸支約束或彈性約束2種方式施加。

(1)鉸支約束。樁靴完全入泥情況下，在樁靴高度1/2處設置鉸支點;樁靴未完全入泥情況下，在入泥深度1/2處設置鉸支點。

(2)彈性約束。約束點的位置與鉸支點相同，同時在約束點上施加轉動約束、垂向約束和橫向約束。將環境條件參數及平臺的功能載荷和響應載荷輸入模型中，獲得樁靴處橫向反力QH、垂向反力QV及彎矩QM，并代入樁靴-土體界面屈服包絡曲線判斷結果的適用性。當土體為粘土時，可利用式(4)判斷下風向樁靴的穩定性。

式(4)中:D為樁靴當量直徑，m;HL0為單樁抵御橫向載荷的能力，kN。

當土體為砂土時，還應檢驗上風向樁靴的抗滑移能力。

2.2.3 中國沿海水文氣象條件研究

利用近30年的各種海洋觀測資料和衛星遙感資料，結合使用高分辨率數值模擬技術，推算東海、南海海域水文氣象動力參數，計算結果通過GIS技術實現軟件集成，便于查詢。此項研究可獲得以下基本數據:

(1)風、浪、流不同重現期的單要素極值統計。利用風、浪、流的高分辨率模擬結果進行單要素的統計分析，得到風、浪、流各要素不同重現期的單要素極值;然后將上述數據按月進行細分，利用同樣的極值推算方法獲得每個月的不同重現期的極值。

(2)風、浪、流不同重現期的條件極值統計。利用風、浪、流的高分辨率模擬結果進行條件概率的統計分析，獲得風最大時的浪、流極值以及浪最大時的風、流極值和流最大時的風、浪極值;然后將上述數據按月進行細分，利用同樣的極值推算方法獲得每個月的不同重現期極值。

2.2.4 自升式平臺作業適用重現期的確定

綜合分析墨西哥灣、英國北海常用的評估重現期及中國船級社、美國船級社、挪威船級社、勞氏船級社、美國造船協會的規范，結合中國沿海的海況，形成了以下準則:

(1)通常采用重現期為50年的環境條件;

(2)如果只在有限的時間段內作業，可采用該時間段重現期為50年的環境條件;

(3)在下列條件都滿足時，可采用重現期為10年的波高、流速及51.4 m/s的風速組合:①擁有風暴警報系統，并可對井位200海里范圍內經過的風暴提前3天發出警報;②配備了支援系統，在風暴來臨前可撤離所有人員;③保證井口安全，自升式平臺處于風暴自存狀態;④按重現期為50年的環境條件進行計算時，結構件的應力值應小于其材料的彈性極限。

2.2.5 自升式平臺性能分析

自升式平臺性能分析的內容至少應包括樁腿強度、鎖緊系統(升降系統)承載性能、預壓載性能、樁靴承載性能和抗傾覆性能分析，其中前4項指標的完整性系數 UC(Unity Check)值應小于等于1.0［2，5］，風暴自存時抗傾覆性能安全系數OTM(Over Turning Moment)應大于 1.3［5］。如果達不到上述要求，一方面可優化動態載荷計算(平臺在波流作用下的動態響應)，如將動態放大系數DAF的計算方法由單自由度法［9］改為時域法［10］;另一方面可適當降低平臺的可變載荷，進行多次的計算分析。

3 應用實例——以400FT型平臺在中國南海某井位作業為例

2010年HYSY94*平臺接到國外作業者總包合作意向后，迅速組織了對該平臺井位作業適應性評估，按照上述評估程序進行了以下工作:

(1)與作業者技術交流，獲得鉆井設計對平臺的基本要求及作業者擬定的作業窗口時間。

(2)利用水文氣象軟件查詢該井位在作業窗口的氣象條件，包括各種重現期的最大風速、波高、流速，季風及潮流的方向，據此確定平臺的艏向及評估環境條件。

(3)請專業的海洋勘查公司進行淺層地質勘察。根據歷史插樁經驗，在該井位有穿刺可能，要求勘查公司在平臺幾何中心設一個40 m取樣孔，在每個樁腿位置設一個40 mCPT孔，取樣間隔為:0～15 m深度時，每1 m取一個樣;15～30 m深度時，每1.5 m取一個樣;30～40 m深度時，每2 m取一個樣。在取樣期間每隔0.5 h測一次水深。

(4)某海洋勘查公司初步評估認為穿刺可能性較大，且如果發生穿刺，樁靴可能從3m穿到20m。按照新的算法計算了樁基承載力，結果表明樁基承載力大于平臺的預壓載量，認為穿刺的可能性小，可以安全插樁、作業(即使發生穿刺，平臺樁腿長度仍可留有足夠的余量)。

(5)將水深、氣隙、入泥深度(考慮3 m和20 m 2種情況)、重現期為50年的環境條件等數據代入平臺有限元模型，計算風暴生存狀態、鉆井作業時樁腳反力(垂直載荷、水平載荷、彎矩)、鎖緊裝置載荷、升降裝置載荷、樁腿關鍵位置應力、船體關鍵位置應力等，發現在20 m入泥深度時樁腿關鍵位置應力超標，但垂向樁腳反力只達到預壓載量的84.8%;降低平臺可變載荷后再次計算，發現樁腿應力達標。因此，給出如下結論:該平臺可以抵御重現期為50年的臺風，能夠保證平臺的結構完整性。

(6)動員平臺至井位，按照0氣隙壓載程序進行插樁和壓載，壓載過程中平臺沒有發生穿刺。按照實際入泥深度、砂層的性質等數據校核樁靴抗滑移性，并考查淘蝕的可能性，復核認為能夠保證樁基穩定性，該平臺可按照操作手冊及甲方要求進行常規作業。

最終該平臺安全地完成了為期2個月的作業任務。目前這一評估程序已在國內外作業的20多座自升式平臺進行了成功應用。

4 結束語

應用實踐表明，本文提出的自升式平臺井位適應性評估程序能夠通過合理地評判作業風險，較全面地評估平臺與作業環境的匹配能力，進行有效的平臺資源配置和平臺安全作業窗口安排，并在保證平臺站立安全的前提下，充分發揮各平臺的能力，達到在風險可控條件下加快海洋油氣開發的目的。

［1］ 王建軍，宋林松，黎劍波.自升式平臺作業適應性分析［J］.船舶工程，2010，32(5):63-66.

［2］ International Organization for Standardization.ISO 19905-1:Petroleum and natural gas industries-Site-specific assessmentofmobile offshore units-Part1:Jack-ups［S］.2011.

［3］ 趙希江.SY 6307-2008淺海鉆井安全規程［M］.北京:石油工業出版社，2008.

［4］ 金元剛，王明田，周楊銳.SY/T 6707-2008海洋井場調查規范［M］.北京:石油工業出版社，2008.

［5］ 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［6］ American Petroleum Institute.APIRP 95J.Gulf ofMexico Jackup Operations for Hurricane Season［S］.2008.

［7］ 宋林松，曹式敬，段夢蘭.基于拔樁能力的自升式平臺海外作業優選［J］.海洋石油，2010，30(4):106-110.

［8］ 段夢蘭，張愛霞，王建軍.自升式鉆井平臺拔樁阻力預測的數值計算方法［J］.機械強度，2010，32(6):961-966.

［9］ 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(3):193-196.

［10］ 黃曌宇，唐文勇，汪怡.自升式海洋平臺振動特性分析的研究綜述和展望［J］.中國工程機械學報，2009，7(3):367-372.