自升式平台井位适应性评估程序研究与应用

宋林松 王建军 黎剑波

(中海油田服务股份有限公司)

自升式平台是近海油田开发的重要设备，可用于海洋石油的钻井、修井、试油和试采等作业，具有移动灵活、稳定性好等优点。但石油行业对自升式平台井位安全性研究较少，在作业适应性评估方面采取了比较保守的策略，只有王建军等［1］针对HYSY93*平台在某井位的作业适应性进行过分析。为充分发挥自升式平台的能力、加速海洋油气的开发，同时保证平台作业安全，笔者进行了井位适应性评估程序研究，并将研究成果应用于实际作业，取得了良好效果。

1 评估程序的建立

目前国内没有成文的自升式平台井位风险分析和安全评估规范，对每个风险性较大的井位都需要邀请各方面专家进行研究分析。为简化分析程序，在汇总国内外标准［2-3］的基础上，结合自升式平台的实际情况，建立了标准化的自升式平台井位适应性评估程序，如图1所示。

在图1中，输入的主要数据包括环境数据和浅层地质调查数据;主要评估环节包括作业水深适应性分析、桩基稳定性分析和结构完整性分析，评估的出发点是在保证平台站立安全的前提下，充分发挥自升式平台的能力，满足飞速发展的海洋油气勘探与开发需求。具体评估流程如下:

(1)首先根据作业者(甲方)提供的钻井设计要求中有关设计井深、槽口布置方式、悬臂梁覆盖范围、载荷及作业井位名义作业水深等条件进行初评。

图1 自升式平台井位适应性评估程序

(2)对于初评通过的平台，再根据浅层地质调查数据、平台预压载量及临井插桩深度等分析各平台的插桩深度，结合气隙、桩腿顶部预留长度等数据分析作业水深适应性，即确定桩腿长度余量δ值长度。δ值为

式(1)中:L为桩腿长度，m。D1为桩腿入泥深度，m，一般可按标准 SY/T 6707［4］计算。D2为气隙，m。对于探井，国内作业时一般按照CCS-2005［5］确定气隙，国外作业时需符合当地的规范，如在墨西哥湾作业时应达到APIRP 95J［6］的要求。D3为船体底板到升降基础顶面的距离，m。D4为桩腿顶部预留长度，m。齿轮齿条式升降系统自升式平台，至少应在升降基础顶面以上留有1.5 m的预留长度;液压缸式升降系统自升式平台，至少应留有一个冲程长度的预留长度。H为作业井位平均水深，m。

对于因入泥深度过大引起的桩腿长度略有不足的情况(δ＜0)，仍可进入下一步评估程序，即计算平台在作业和风暴生存过程中可能产生的最大桩脚载荷，分析可否通过减少压载量等措施来降低入泥深度。

(3)桩基稳定性分析(一般包括穿刺分析和拔桩载荷分析［5］)。对于入泥深度较浅且海床表层为粉砂层的井位，还应考虑桩靴底部的淘蚀、液化与上风向桩靴的滑移等;对于存在穿刺风险的井位或因插桩入泥较深而拔桩困难的井位，需要作专项分析。

(4)结构完整性分析。通常采用有限元法对桩腿强度、锁紧系统(升降系统)承载性能、预压载性能、桩靴承载性能、抗倾覆性能等进行计算。如果计算得到的安全系数低于规范(如船级社规范CCS-2005［5］)规定的安全系数，可通过优化动态载荷、优化约束条件、调整可变载荷等再重新计算。

(5)最后根据调整后许用可变载荷等数据重复上述评估流程。

2 关键技术研究

2.1 桩基稳定性分析

2.1.1 平台插拔桩能力研究

2007年开始对各种桩靴类型平台的插拔桩问题进行了研究，结合数值计算、试验研究和理论分析，并与平台插桩入泥历史数据校核，建立了平台插桩深度和拔桩阻力的计算方法;再结合平台结构的强度计算，完善了拔桩作业程序［7］;最后综合考虑冲桩排量、时间、压力、粘土层性质等因素，提出了冲桩条件下桩腿拔桩阻力计算方法［8］，开发了自升式平台插桩深度和拔桩阻力计算软件。

2.1.2 穿刺研究

对所有作业过的、浅层地质资料分析认为存在穿刺可能性的井位进行了重新分析。利用实际作业数据、有限元计算结果和室内试验数据对比，发现现有的地基承载力计算公式［4］只适合于某些桩靴形状平台及地层，对于大部分情况偏于保守。因此，应根据平台作业统计、分析数据得出的结论，再结合具体井位的实际地质情况(如上覆砂层厚度、砂层内摩擦角及桩靴形状等)，对存在穿刺可能性的井位进行具体计算。

利用非线性有限元法分析接近穿刺状态下上覆砂层的抗剪切能力，对文献［4］中的桩基承载力计算公式进行了修正，即

式(2)、(3)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;Fn∶1为按 n∶1荷载扩散法计算增加的载荷［4］，与砂层的内摩擦角有关，kN;p(h)为砂层按深度的抗剪切分布力，与砂层的内摩擦角、桩靴当量直径、沙层厚度等参数有关，kN/m;FS为安全系数计算值;H1为桩靴最大截面入泥深度，m;H2为桩靴最大截面至下卧粘土层距离，m;h为桩靴最大截面以下的深度，m;VL0为单桩最大预压载量，kN。

上述计算方法在东海、南海的多个井位进行了验证，结果表明修正后的计算方法更符合实际情况。同时对浅层地质勘察提出了更明确的要求:应获得自升式平台几何中心位置深度不小于40 m的工程地质取样孔的数据及每个桩靴位置深度不小于40 m的静力探触测试(CPT)孔的数据。最后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，制定了插桩压载作业分析流程，如图2所示。

图2 自升式平台可能穿刺井位分析及作业流程

2.2 平台结构完整性分析

2.2.1 平台模型库建立

通过开展自升式平台建模技术研究，建立了JU2000E型400FT平台、MSC CJ46-X100型300FT平台等12种类型平台的有限元模型，形成了船体-桩腿连接的有限元建模技术、桁架式桩腿水动力的计算方法、自升式平台的深水动力响应计算方法、桩靴约束方式算法等。

2.2.2 桩靴约束及反力校核

桩靴约束可按照铰支约束或弹性约束2种方式施加。

(1)铰支约束。桩靴完全入泥情况下，在桩靴高度1/2处设置铰支点;桩靴未完全入泥情况下，在入泥深度1/2处设置铰支点。

(2)弹性约束。约束点的位置与铰支点相同，同时在约束点上施加转动约束、垂向约束和横向约束。将环境条件参数及平台的功能载荷和响应载荷输入模型中，获得桩靴处横向反力QH、垂向反力QV及弯矩QM，并代入桩靴-土体界面屈服包络曲线判断结果的适用性。当土体为粘土时，可利用式(4)判断下风向桩靴的稳定性。

式(4)中:D为桩靴当量直径，m;HL0为单桩抵御横向载荷的能力，kN。

当土体为砂土时，还应检验上风向桩靴的抗滑移能力。

2.2.3 中国沿海水文气象条件研究

利用近30年的各种海洋观测资料和卫星遥感资料，结合使用高分辨率数值模拟技术，推算东海、南海海域水文气象动力参数，计算结果通过GIS技术实现软件集成，便于查询。此项研究可获得以下基本数据:

(1)风、浪、流不同重现期的单要素极值统计。利用风、浪、流的高分辨率模拟结果进行单要素的统计分析，得到风、浪、流各要素不同重现期的单要素极值;然后将上述数据按月进行细分，利用同样的极值推算方法获得每个月的不同重现期的极值。

(2)风、浪、流不同重现期的条件极值统计。利用风、浪、流的高分辨率模拟结果进行条件概率的统计分析，获得风最大时的浪、流极值以及浪最大时的风、流极值和流最大时的风、浪极值;然后将上述数据按月进行细分，利用同样的极值推算方法获得每个月的不同重现期极值。

2.2.4 自升式平台作业适用重现期的确定

综合分析墨西哥湾、英国北海常用的评估重现期及中国船级社、美国船级社、挪威船级社、劳氏船级社、美国造船协会的规范，结合中国沿海的海况，形成了以下准则:

(1)通常采用重现期为50年的环境条件;

(2)如果只在有限的时间段内作业，可采用该时间段重现期为50年的环境条件;

(3)在下列条件都满足时，可采用重现期为10年的波高、流速及51.4 m/s的风速组合:①拥有风暴警报系统，并可对井位200海里范围内经过的风暴提前3天发出警报;②配备了支援系统，在风暴来临前可撤离所有人员;③保证井口安全，自升式平台处于风暴自存状态;④按重现期为50年的环境条件进行计算时，结构件的应力值应小于其材料的弹性极限。

2.2.5 自升式平台性能分析

自升式平台性能分析的内容至少应包括桩腿强度、锁紧系统(升降系统)承载性能、预压载性能、桩靴承载性能和抗倾覆性能分析，其中前4项指标的完整性系数 UC(Unity Check)值应小于等于1.0［2，5］，风暴自存时抗倾覆性能安全系数OTM(Over Turning Moment)应大于 1.3［5］。如果达不到上述要求，一方面可优化动态载荷计算(平台在波流作用下的动态响应)，如将动态放大系数DAF的计算方法由单自由度法［9］改为时域法［10］;另一方面可适当降低平台的可变载荷，进行多次的计算分析。

3 应用实例——以400FT型平台在中国南海某井位作业为例

2010年HYSY94*平台接到国外作业者总包合作意向后，迅速组织了对该平台井位作业适应性评估，按照上述评估程序进行了以下工作:

(1)与作业者技术交流，获得钻井设计对平台的基本要求及作业者拟定的作业窗口时间。

(2)利用水文气象软件查询该井位在作业窗口的气象条件，包括各种重现期的最大风速、波高、流速，季风及潮流的方向，据此确定平台的艏向及评估环境条件。

(3)请专业的海洋勘查公司进行浅层地质勘察。根据历史插桩经验，在该井位有穿刺可能，要求勘查公司在平台几何中心设一个40 m取样孔，在每个桩腿位置设一个40 mCPT孔，取样间隔为:0～15 m深度时，每1 m取一个样;15～30 m深度时，每1.5 m取一个样;30～40 m深度时，每2 m取一个样。在取样期间每隔0.5 h测一次水深。

(4)某海洋勘查公司初步评估认为穿刺可能性较大，且如果发生穿刺，桩靴可能从3m穿到20m。按照新的算法计算了桩基承载力，结果表明桩基承载力大于平台的预压载量，认为穿刺的可能性小，可以安全插桩、作业(即使发生穿刺，平台桩腿长度仍可留有足够的余量)。

(5)将水深、气隙、入泥深度(考虑3 m和20 m 2种情况)、重现期为50年的环境条件等数据代入平台有限元模型，计算风暴生存状态、钻井作业时桩脚反力(垂直载荷、水平载荷、弯矩)、锁紧装置载荷、升降装置载荷、桩腿关键位置应力、船体关键位置应力等，发现在20 m入泥深度时桩腿关键位置应力超标，但垂向桩脚反力只达到预压载量的84.8%;降低平台可变载荷后再次计算，发现桩腿应力达标。因此，给出如下结论:该平台可以抵御重现期为50年的台风，能够保证平台的结构完整性。

(6)动员平台至井位，按照0气隙压载程序进行插桩和压载，压载过程中平台没有发生穿刺。按照实际入泥深度、砂层的性质等数据校核桩靴抗滑移性，并考查淘蚀的可能性，复核认为能够保证桩基稳定性，该平台可按照操作手册及甲方要求进行常规作业。

最终该平台安全地完成了为期2个月的作业任务。目前这一评估程序已在国内外作业的20多座自升式平台进行了成功应用。

4 结束语

应用实践表明，本文提出的自升式平台井位适应性评估程序能够通过合理地评判作业风险，较全面地评估平台与作业环境的匹配能力，进行有效的平台资源配置和平台安全作业窗口安排，并在保证平台站立安全的前提下，充分发挥各平台的能力，达到在风险可控条件下加快海洋油气开发的目的。

［1］ 王建军，宋林松，黎剑波.自升式平台作业适应性分析［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］ 赵希江.SY 6307-2008浅海钻井安全规程［M］.北京:石油工业出版社，2008.

［4］ 金元刚，王明田，周杨锐.SY/T 6707-2008海洋井场调查规范［M］.北京:石油工业出版社，2008.

［5］ 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［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，段梦兰.基于拔桩能力的自升式平台海外作业优选［J］.海洋石油，2010，30(4):106-110.

［8］ 段梦兰，张爱霞，王建军.自升式钻井平台拔桩阻力预测的数值计算方法［J］.机械强度，2010，32(6):961-966.

［9］ 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(3):193-196.

［10］ 黄曌宇，唐文勇，汪怡.自升式海洋平台振动特性分析的研究综述和展望［J］.中国工程机械学报，2009，7(3):367-372.