基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选

2010-09-24宋林松曹式敬李军伟段梦兰

海洋石油 2010年4期

关键词：井位自升式剪切力

宋林松,曹式敬,李军伟,段梦兰

（1.中海油田服务股份有限公司,河北燕郊065201;2.中国石油大学（北京）,北京昌平 102249）

基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选

宋林松1,曹式敬1,李军伟1,段梦兰2

（1.中海油田服务股份有限公司,河北燕郊065201;2.中国石油大学（北京）,北京昌平 102249）

针对某海外项目中可能遇到的钻井平台压载后入泥深度过大和拔桩困难的问题,开展平台优选计算。首先搜集了预定作业井位周围井位的地质勘查资料,利用二次插值法进行作业井位地质勘察数据计算,据此计算了桩脚入泥深度,并根据作业平台结构参数计算了平台的拔桩阻力。为解决平台极限拔桩能力小于拔桩阻力的问题,设计了可控冲桩阀和冲桩系统以消除或减小桩靴底部的吸附力、桩靴侧部土体剪切力和桩靴上部土重。最后将平台拔桩能力与最终拔桩阻力进行对比,给出平台推荐结果。

自升式平台;拔桩阻力;拔桩能力;冲桩系统;浅层地质数据

Abstract:To solve the probable problems of spud-can deep penetration and stuck in an overseas project,jack-up choosing calculation is carried on.Firstly,lots of geotechnical information around the well sites are collected and processed to get approximation of geotechnical data for the suggested sites,based on which the depth of spud-can penetration and leg retracting resistance are calculated.To overcome the insufficiency of retracting ability of the jack-ups,jetting valves and jetting control system are invented to eliminate or minish conglutination resistance between spud-can and underlying clay,shear force around the excavation and weight of the soil overlying the spud-can.Finally,3 jack-ups are suggested to deploy on any well sites and one jack-up is supposed to deploy only on a specific site.

Key words:jack-up;leg retracting resistance;leg retracting resistance ability;jetting system;geotechnical data

随着我国海洋石油钻井业务逐步向国外扩展,自升式钻井平台遇到越来越多的作业条件的挑战,对作业平台优选提出了更高的要求。近期在进军国外钻井市场时,就遇到作业区域的海床浅层基础承载力显著不足,平台压载后入泥深度过大的问题:根据原钻孔资料分析,所有平台桩靴入泥深度都在20 m以上,大大超过平台操船手册规定的入泥深度;根据钻井设计,评价井单井作业时间在200 d以上,开发井（丛式井）作业时间预计超过1 200 d,站立作业过程中平台桩靴周围土体固结可能造成平台拔桩困难。由于国内外对自升式平台拔桩研究还没有令人信服的计算和评估方法,为保证拔桩安全,综合考虑平台升降机构的能力、桩腿桩靴结构强度、船体所能提供的最大浮力等因素进行作业平台优选,并设计了可控冲桩阀和冲桩系统以提高拔桩作业效果。

1 浅层地质数据计算

搜集了作业井位（P1～P4）周围井位的地质勘查资料和以往国外平台作业数据。共搜集到9个井位（W1～W9）的勘查地质数据,其相对位置如图1所示,其中2个井位的浅层地质数据列于表1。数据分析发现作业区域土质规律性较强:上部是非常软到软的黏土,下部是抗剪切强度很大的硬黏土或内摩擦角较大的砂层。

利用加权二次插值法进行作业4井位（P1～P4）的浅层地质数据推算,结果如表2。

2 平台拔桩能力计算

2.1 桩脚入泥深度计算

根据钻井作业载荷、悬臂梁覆盖范围及载荷能力综合分析,有5种类型平台（J1～J5）能够满足钻井作业要求,其基本参数如表3。

图1 作业井位和原井位的位置示意Fig.1 Relative locations between new well sites and original well sites

表1 原井位勘查数据Tab.1 G eotechnical design parameters of original well sites

表2 计算出作业4井位地质数据Tab.2 G eotechnical parameters of 4 new well sites

利用“SY/T6707—2008海洋井场调查规范”给出的公式[1]和有限元法分别计算了桩脚入泥深度,结果如表4。结果表明5种类型平台入泥深度非常大,超过了这些平台插桩的最深记录。为保证拔桩时平台结构安全,同时尽量减少拔桩时间,进行了平台拔桩载荷和拔桩能力对比计算。

表3 平台基本参数Tab.3 Basic parameters of 5 kind of jack-ups

表4 平台在不同井位入泥深度计算值Tab.4 Footing tip penetration of 5 kind of jack-ups

2.2 平台拔桩阻力计算

图2给出了平台拔桩阻力计算的基本模型,平台拔桩阻力主要包括以下几个组成部分[2]:（1）桩底压实带范围的拔桩黏附力 Fs;（2）桩靴上方及拔桩扩散角范围内土体重量 Fw;（3）桩靴侧面及上部的土体破坏面处剪切力 Ft;（4）桩靴桩腿的浮重 W,如图2所示。

图2 拔桩阻力计算模型Fig.2 Pull out resistance calculation model

可以得到自升式平台拔桩的阻力F:

式中:Fs为桩靴底面黏吸附力,kN;FW为桩靴上部土重,kN,在插桩过程中和平台作业过程中土体将发生回流、回填、桩坑坍塌及桩坑重新淤积填满;Ft为上部土体破坏剪切力,kN。

Fs按桩靴底部和泥层固结考虑:

式中:A为桩靴最大横截面面积,m2;Su为桩靴底面土体平均不排水抗剪强度,kPa;H为插桩深度,m;D为桩靴等效圆直径,m。

Ft按下式计算:

式中:Sui为第i层土体平均不排水抗剪强度,kPa;hi为第i层土体深度,m。

由于回填土大部分来源于上部土层,在本作业区域上部层位都是抗承载能力较弱的土层,因此认为拔桩时的破坏面与桩靴截面相同。5种类型平台拔桩阻力如表5。

表5 平台在不同井位拔桩阻力计算值Tab.5 Calculation results of pull out resistance

2.3 平台拔桩能力计算

平台的单桩最大拔桩能力 PA受到三方面的限制:（1）平台升降机构的能力;（2）桩腿桩靴结构强度;（3）船体所能提供的最大浮力。对5种类型平台的拔桩能力进行分析,取上述三者的最小值,分析结果如表6。

表6 平台拔桩能力计算值Tab.6 Ultimate pull out ability of 5 kind of jack-ups

将平台拔桩能力与拔桩阻力对比（PA/F）,发现拔桩阻力远大于平台拔桩能力,如不采取有效措施,将无法实现安全拔桩。

3 降低拔桩阻力措施

对平台拔桩阻力组成因素进行分析可知,在拔桩过程中,桩底压实带范围的拔桩吸附力和桩靴以上的土体破坏剪切力占拔桩阻力的50%以上。根据作业经验,这两个因素是可以通过提高冲桩效果来解决:通过在桩靴底部冲桩能够减小甚至消除桩靴底部的吸附力,通过在桩靴上部和桩腿冲桩能够减小桩靴侧部土体剪切力,减少桩靴以上土体重量,因而将改进冲桩方法作为首先采取的措施。

3.1 可控冲桩阀

目前所有的冲桩管都是直通式的,这样在插桩过程中泥土能够进入冲桩管并在管内固结;在拔桩冲水时,各冲桩管线的阻力很大,首先必须用高压水冲开冲桩管线内固结的淤泥。但由于各冲桩管线内泥沙板结的程度不一样,在高压冲水时,个别出水口阻力小,先被冲开,水都从此管流出,管线内水压下降,其它的冲桩管线仍旧阻塞,导致只有个别管线能喷水,冲桩能力明显不够,因此设计了可以控制的冲桩阀。其结构示意图如图3所示。

图3 冲桩阀结构示意图Fig.3 Structure diagram of jetting valve

冲桩阀的液压控制装置安装在自升式平台船体内,工作介质可以是对海洋环境无污染的液压油,还可以是冷冻液、过滤的海水,甚至可以是高压气体。冲桩阀处于常关状态,防止海底泥沙进入阀内部及冲桩管;需要冲桩时可以通过工作介质使阀芯上移打开阀。

3.2 冲桩控制系统

为了保证冲桩效果,设计了冲桩控制系统,其结构如图4所示。在图4中,管线a和b都是主冲桩管线,每条桩腿内至少配备2条这样的管线。每条主冲桩管线在桩靴内分成若干分支管线,与冲桩阀的进水口连接。主冲桩管线通过分支管线与冲桩阀间隔连接,这样万一有一条主冲桩管线损坏,仍有一半的冲桩阀可以正常工作,保证冲桩效果。