JU2000E自升式鉆井平臺適用海洋環境界限研究

霍宏博，劉 政，王 晶，楊化東，陳 靜

（1.中國石油海洋工程公司鉆井事業部，天津061103；2.中國石油海洋工程公司海工事業部，山東青島266000）

JU2000E自升式鉆井平臺適用海洋環境界限研究

霍宏博*1，劉 政1，王 晶2，楊化東1，陳 靜1

（1.中國石油海洋工程公司鉆井事業部，天津061103；2.中國石油海洋工程公司海工事業部，山東青島266000）

針對JU2000E型鉆井平臺的壓載插樁進行研究，將平臺的貫入深度和ABS和CCS兩家船級社要求聯系起來分析適合該型號鉆井平臺的海洋氣候條件和海洋海底地質情況，定義了表征海洋氣候條件的浪及高度的概念，得到JU2000E型鉆井平臺的作業海洋環境界限，并繪制出相應的圖版，依據圖版可以方便快捷地分析該型號鉆井平臺是否滿足在特定海域作業的的需求，氣候參數和海底地質參數的組合在圖版上邊的區域表明不適合在該海域作業，處在下方則滿足作業需求。

自升式鉆井平臺；浪及高度；貫入深度；海洋環境界限

1 概述

自升式鉆井平臺是50年來世界上淺水和中深水的最流行的鉆井平臺[1-2]，據統計，自升式鉆井平臺占海上鉆井裝置的比例超過40%[3]，因此，做好對自升式鉆井平臺的研究工作，保證自升式鉆井平臺安全作業，對于海洋石油的開發具有很重要的意義[4]。

影響平臺插樁適應性的因素主要包括平臺的因素和自然因素，平臺因素有：載荷、樁腿、樁靴的形狀；自然因素主要是：海洋氣候條件、樁基承載力等參數。只有平臺參數和自然因素相匹配，才能保證整個平臺能可靠地立在海床上進行鉆井作業、安全地在風暴狀態下自存以及快速地拔出海床，因此明確某個海域對于平臺插樁的適應性對于整個平臺的性能和安全具有很重要的意義[5]。

JU2000E自升式鉆井平臺作業水深400ft，是目前最先進的自升式鉆井平臺設計之一[6]。由于樁腿長度限制，鉆井平臺作業海域的波高、水深、升船高度和平臺的型深及JACKCASE的高度決定了平臺樁靴的貫入深度不能太深，本文的主要目的是通過JU2000E型鉆井平臺在不同海域的插樁深度，探討平臺所適應的海洋環境界限。

本文利用JU2000E鉆井平臺為基礎進行研究，根據ABS和CCS要求計算該型號鉆井平臺適用的海洋環境界限，并結合海洋地層的實際參數進行計算和分析得到該界限，確保該型號鉆井平臺在海上作業可以做到插得進、站得穩、拔得出[7]。

2 JU2000E鉆井平臺插樁的地質界限圖版的建立

2.1 平臺的主要參數

平臺樁靴最大貫入深度一般在壓載時產生，在計算平臺最大貫入深度時，載荷選取平臺壓載時的載荷，空船重量（包括樁腿和樁靴重量）、預壓載荷（按照操船手冊[8]規定：模擬最大重量荷載和環境荷載）。

平臺載荷=空船重量+預壓載荷

平臺的主要參數:型長×型寬×型深為70.36m× 76.00m×9.45m,樁腿3桁架式樁腿，總長166.98m,空船重量約16760t,壓載艙13654m3,壓載艙13654m3。

2.2 樁靴貫入深度的上限

CCS峰隙的定義為[9]：涌浪、天文潮、風暴潮累計高度的10%或者1.2m之間較小值，本文將水深、天文潮、風暴潮與涌浪之和定義為浪及高度。

自升式鉆井平臺的入泥深度和平臺建造參數、環境參數存在以下關系：

式中：Pmax——作業入泥深度上限，m；

L——樁腿長度，m；

hrig——平臺的型高和JACKCASE高度之和，m；

hc——峰隙，m；

hr——樁腿極限預留高度，m；

hp——浪及高度，m。

式中：Dw——作業水深，m；

hs——涌浪、天文潮、風暴潮累計高度，m。

JU2000E鉆井平臺的建造數據分別為：樁腿長度166.98m，型高9.46m，JACKCASE高度10.05m，樁腿極限預留（ABS規范[10]）1.5m。

上面的參數中由環境和海況所確定的2個參數是入泥深度和浪及高度，這2個參數存在線性關系。

將平臺參數帶入得：

2.3 樁靴承載力計算和海洋環境界限分析

砂土層樁靴承載能力較強，當平臺樁靴插入砂土層中時，入泥深度一般比較淺不會達到極限入泥深度，因此簡化海底基礎模型為最簡單的海底基礎模型，為單層均質粘土，其樁靴承載力可以用樁靴在粘性土壤中時土的極限承載力計算公式：

（1)Skempton公式在粘性土中,且其下一層土為砂上或比本層硬的粘土時,使用Skempton公式計算地基土的極限承載力。

其中：

式中：Pmax——表示樁基礎貫入海床的深度，m；

D——表示圓形基礎直徑，m；

α——樁靴的形狀系數；

Suavg——表示樁底土體抗剪強度平均值，kN/m2；

γ′——表示基礎底部以上土體平均有效容重，kN/m3；

Su——表示樁土界面平均剪切強度，kN/m2。

理論狀態下，自升式鉆井平臺樁腿下降到海底并壓入海底土，當海底對樁腿阻力等于或超過壓樁載荷，樁腿插入就會停止[11]，即：

式中：Ff——單樁壓載樁腿反力，按照操船手冊[6]提供，單樁預壓載最小樁腿反力：10,900M.Tons。

此時，平臺樁靴停止貫入。

合并公式（3）和公式（5）即可得到自然環境、地質參數和入泥深度的關系，得到如下計算公式：

α取1.02，其他參數與前文相同。

根據平臺參數，最終可以得到JU2000E鉆井平臺插樁的海洋環境界限圖版，如圖1所示。

圖1 海洋環境界限圖版

如果作業海域的參數處于在該曲線下方區域，表示平臺可以完成插樁作業，如果作業海域的參數處于該區域上方，表明平臺如果插樁存在安全隱患或難以滿足作業需要。

3 結論建議

本文通過對JU2000E型鉆井平臺的操船手冊與ABS、CCS兩家船級社的要求進行分析論證，并通過研究平臺樁靴貫入深度，建立起了樁靴樁基土抗剪強度和作業海域的浪及高度的關系，最終得到了一種方便現場操作的海洋環境界限的判定方法并有以下的結論和建議：

（1）平臺進行插樁作業前，需按圖版進行校核，如果難以滿足作業需求，應改變插樁位置或通過墊砂袋等方式對樁基進行改良。

（2）本文對于樁靴入泥深度的假設是基于均質地層的，如果考慮地層性質的變化，需要對各層數據進行疊加處理。

（3）本文沒有考慮平臺刺穿的特殊現象，使用圖版進行分析之前，還需要對于刺穿進行校核，防止惡性事故發生。

（4）本文對于樁靴形狀的參數設定為1.02，如果該船型的樁靴形狀與本文研究的樁靴形狀不符，則還需進行參數的重新選定。

[1]LIU Jun.Deep Penetration of Spudcan Foundation into Double Layered Soils[J].China Ocean Engineering,Vol.19,No.2,pp: 309-324.

[2]ZHANG Ai-xia.Prediction Methods of Spudcan Penetration for Jack-up Units[J].Chinese Ocean Engineering Society,Vol.26, No.4,pp:591-602.

[3]Riglogix.Rig report:Offshore rig fleet by rig type[RB/OL].http: //www.rigzone.com/data/rig_report.asp?rpt=type.

[4]戴兵，段夢蘭.自升式鉆井平臺穿刺分析[J].科技導報2010，28（17）：63.

[5]胡安康，郭宇，蔣瑋.新型自升式海洋平臺的安全分析技術研究[J].船舶工程，2011，33(21).

[6]殷學林.主觀評分法在中海油JU2000-1項目風險評估中的應用[J].信息技術，2005（12）.

[7]邢研.渤海五號鉆井裝置改造過程中的樁靴斷面的優化計算[J].中國海上油氣工程，1993（4）.

[8]941鉆井平臺操船手冊[S].FREE&GOLDMAN.Co.

[9]海上移動平臺入級與建造規范[S].北京:人民交通出版社, 1992.

[10]美國移動式鉆井平臺入級與建造規范(MODU)[S].2008.

[11]楊進.自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算研究[J].中國海上油氣，2012，24（6）.

TE5

A

1004-5716(2015)03-0041-03

2014-04-01

2014-04-02

霍宏博（1985-），男（漢族），河北深州人，工程師，現從事鉆井工藝研究工作。