自升式平台穿刺计算方法探讨

曹式敬,宋林松,黎剑波,周杨锐

(中海油田服务股份有限公司,河北燕郊 065201）

自升式平台穿刺计算方法探讨

曹式敬,宋林松,黎剑波,周杨锐

(中海油田服务股份有限公司,河北燕郊 065201）

自升式平台的穿刺会对平台结构或桩腿造成不同程度的损伤,因此非常有必要对作业井位进行插桩穿刺安全性评估。在总结国内外穿刺计算方法的基础上,首先分析了接近穿刺状态下上覆砂层的抗剪切能力,对桩基承载力公式进行了修正;然后对穿刺安全系数进行了探讨,推荐了平台作业期处于台风季时采用的安全系数;最后提出了更完善的穿刺分析和作业流程,并以HYSY9××平台在某井位插桩计算为例验证了所提出的方法。

自升式平台;穿刺;安全系数;最大承载力

由于自升式钻井平台适用于不同海洋环境条件和较大范围水深,移动灵活且便于建造,因此在海洋石油钻采中得到了广泛应用。但由于海底地质条件比较复杂,经常出现上硬下软的“鸡蛋壳”地层,导致平台在插桩压载过程中发生穿刺。穿刺可使平台的结构受到损伤,甚至造成重大的人员伤亡,因此作业者和钻井承包商都非常重视“鸡蛋壳”地层的作业可行性评估。但目前对存在穿刺可能性情况下桩基承载力的计算过于保守,穿刺安全系数的取值方法过于简单,限制了自升式平台的合理使用。因此综合考虑海床中上覆砂层和下卧黏土层的性质计算最大桩基承载力,分析在较小穿刺安全系数时安全插桩可能性,并采用合理插桩作业流程,对准确评估自升式平台作业的适应性非常必要。

1 桩基承载力计算

1.1 目前桩基承载力计算方法

研究桩基承载力的方法一般包括离心机试验、有限元计算和理论计算[1,2],但由于海床土体性质的多样性,目前国际上比较认可的还是SNAME5—5A规范提供的半理论半经验的计算公式。国内对此研究较少,石油行业标准《海洋井场调查规范SY/T6707—2008》以资料性附录的形式列出了计算公式,计算原理与SNAME规范相同,即采用3∶1荷载扩展法,其计算原理如图1所示,计算公式如式1。

图1 3∶1荷载扩展法示意Fig.1 Load spread method of punch through calculation

式中:FV为桩脚入泥深度范围内极限承载力,kN;FVB为桩靴所处深度以下软弱土层承载力,kN;F3∶1为按 3∶1荷载扩散法计算增加的载荷,kN;F′V为假设硬土层无限厚时的极限承压力,kN;D为桩靴最大截面入泥深度,m;H为桩靴最大截面至下卧黏土层距离,m;h为桩靴最大截面以下的深度,m。

根据实际作业数据、有限元计算和室内试验数据对比,发现这种方法计算的地基承载力偏于保守。保守的结果有利于提醒承包商谨慎对待作业井位和插桩作业,但不利于作业者和承包商做出客观的判断,因此应根据具体井位实际地质情况,如上覆砂层厚度、砂层内摩擦角及桩靴形状等进行具体的计算。

1.2 考虑上覆砂层的抗剪切能力的桩基承载力计算方法

穿刺一般属于剪切破坏[2,3],即预压载或站立作业过程中上覆砂层被桩靴剪断,如图2所示。根据力学知识可知,在发生剪切破坏时外力必然大于该结构的抗剪切能力。因此计算最大桩基承载力时(接近穿刺状态下的承载力）,也应考虑上覆砂层的剪切强度。式1可修改为:

式中:Fpunch为上覆砂层的抗剪切力,kN;p(h）为砂层按深度的抗剪切分布力(kN/m）,与砂层的内摩擦角、桩靴当量直径、沙层厚度等有关。

根据有限元计算可知,插桩过程中同一层土体的上部和下部产生的应力是不同的,也就是不同深度砂层提供的抗剪切承载力不同,如图3和图4所示曲线pT(h）。为了简化计算,取上部砂层的抗剪切分布力p(D）为砂层的承载力极限值p(a）,下部砂层抗剪切分布力p(D+H）为下卧黏土层的承载力极限值p(b）,中间取线性渐变,如图4所示。

图2 穿刺试验[3]Fig.2 Experiment on punch through[3]

图3 砂层处剪切应力的有限元计算Fig.3 FEM calculation on shear stress at sand layer

图4 抗剪切分布力示意Fig.4 Distributed shear force at sand layer

另外,随着入泥深度的增大,p(a）也是渐增的,F3∶1是渐减的。这样对于每个入泥深度D′,都要计算p′(a）,再按式2计算当前深度的 FV值,最后根据多组入泥深度 FV值的比较结果确定最大承载力。

将公式2计算结果与现场作业结果对比发现,本算法的结果虽然较式1大,但仍偏于保守。

2 穿刺安全系数分析

相对穿刺的安全系数包括:

式中:FSi(i=1,2,3）为无量纲相对刺穿的安全系数计算值;P1为单桩最大预压载荷;PA为单桩实际的预压载荷;QV未经计算由静载荷、可变载荷、钻井或风暴载荷所引起的最大桩腿载荷[4]。

根据国内外的规范或推荐做法,如果 FS1≥1.5或 FS2≥1.2,一般认为安全系数足够大,是可以作业的,但不能保证作业中不穿刺、还需要按照穿刺情况下插桩程序作业;如果 FS1＜1.5及 FS2＜1.2,一般不建议平台插桩作业。但实际作业表明,安全系数小不代表不能作业,只是需要更详细的地质勘察资料,按照更合理的方法计算承载能力,制定更细致的平台穿刺应急预案,就能保证安全作业[5]。因此,作业者和承包商实际上不必特别关心上述安全系数。

钻井承包商决定在有穿刺可能的井位尝试作业时,应进行更严格的预压载试验,最终的预压载量PA应足够大,最好保证 FS3大于1.1;如果平台作业窗口处于台风影响范围,建议 FS3＞1.2。这是因为:在风暴作用下平台将承受大的环境载荷的作用,平台桩脚施加在地基砂土载荷发生循环变化,可能导致桩靴下土体液化,桩基承载力降低,致使平台在风暴中或风暴后发生穿刺,增大预压载量可减少此类事故发生的几率。

3 插桩作业分析流程

在分析国内外平台穿刺及其事故分析和应对措施的基础上,制定了插桩作业分析流程,如图5所示。

根据该流程,最终确定平台是否插桩作业的依据不仅是安全系数,还要进一步分析穿刺的可能性及穿刺对平台的危害性;即使穿刺的可能性较高,只要预计穿刺深度小于平台结构可承受值,即可尝试插桩。

可按照以下工况进行穿刺情况下平台结构安全性计算。

(1）船底与平均海平面之间的距离(预期插桩期间波峰高度为1.8 m）;

(2）考虑海水浮力对船体的支撑;

(3）穿刺桩腿受到的支撑力按下卧软层能提供的极小承载力计算,作用方向沿桩腿轴向方向;

(4）穿刺深度(预期穿刺深度为6 m）;

(5）平台装载着最大预压载水量。

经计算,如果平台任何结构的应力水平在材料的屈服极限范围内,可进行压载尝试。

图5 穿刺分析和作业流程Fig.5 Flow chart of punch through analysis and operation

4 穿刺计算实例分析

以中海油HYSY9××平台在某井位插桩计算为例,探讨穿刺计算方法。表1为该井位地质勘查数据,表2为平台桩靴数据,图6为按常规算法和新提出算法得出的桩基承载力曲线。

图6包括2条承载力曲线,其中曲线1按照式1计算,曲线2按照式2计算,曲线3是穿刺情况下的承载力。

按照曲线1结果,平台插桩安全系数 FS1为1.36,FS2为0.75,如果穿刺,平台桩靴快速下沉距离达到15 m以上,对平台结构可能造成严重损坏,因此按照常规方法,一般不建议在此井位插桩。但本井作业者为了加大勘探开发进度,要求在保证安全的基础上,尽快作业。

表1 拟作业井位地质勘查数据Tab.1 G eotechnical design parameters of the well site in operation

表2 HYSY9××平台桩靴参数Tab.2 Spudcan parameters of jackup HYSY9××

图6 极限桩脚载荷与入泥深度关系曲线Fig.6 Ultimate leg load vs foot tip penetration curve

按照图5流程进行分析,并利用式2计算极限桩基承载力,结果如图6的曲线2。按照该结果,平台插桩安全系数 FS1为1.64,FS2为1.07,即使穿刺,由于地基承载力逐渐增大,平台桩靴快速下沉距离小,对平台结构可能造成的损坏小,因此可以在此井位插桩作业。

为了进一步减少穿刺风险,根据平台作业期最恶劣的环境条件计算了可能产生的最大桩脚反力QV,以此作为实际压载量。另外插桩前进行了周密布置,制定了应急预案,以减少穿刺对人员和平台结构的伤害。在插桩前还通过调整平台艏向、作业过程中尽量降低可变载荷等措施降低桩脚反力,进一步降低站立作业中穿刺的可能性。

最终,HYSY9××平台在作业井位处安全插桩、压载,实际插桩深度为6 m,验证了提出算法的准确性和作业流程的实用性。该平台经历了2次台风,作业中未发生桩靴下陷、穿刺等意外情况。此后的几个井位也采用了公式2的算法和图5所示分析流程,也都实现了安全作业。

5 结论

(1）对于桩靴式平台,目前存在穿刺可能性情况下桩基承载力的计算方法比较保守,提出了包括上覆硬层的抗剪切力的桩基承载力公式。

(2）对于桩靴式平台,利用刺穿安全系数判断平台作业可行性的方法过于简单,应综合分析作业区域的环境特点、土壤地质参数、穿刺深度、穿刺对平台结构的危害程度等因素,做出客观的判断。

(3）制定了存在穿刺可能情况下插桩可行性分析和作业流程。提出的算法和分析流程已在多口井进行了实践。

[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,王建军,黎剑波.自升式平台压载量的准静态计算方法应用研究[J].中国海上油气,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,高级工程师,中海油服钻井事业部总工程师,主要从事钻井技术管理和研究工作。E-mail:caos j@cosl.com.cn。