一种全新的自升式钻井平台预压方法

张宝平

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

一种全新的自升式钻井平台预压方法

张宝平

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

针对自升式钻井平台在特定地层插桩时穿刺事故对钻井平台带来的危害，介绍漂浮压载方法，基于某钻井平台在导管架处的压载法实例来说明漂浮压载法实施的条件和步骤，实例表明，漂浮压载相比于常规压载能有效防止钻井平台突然穿刺对自升式钻井平台桩腿和船体带来的伤害，可保证钻井平台的就位安全，提高现场压载效率。

预压载;自升式钻井平台;漂浮压载;穿刺

自升式钻井平台按照就位和精度要求就位后，船体升离海面，在作业状态前，与海面保持一定距离，然后开始压载，该做法有如下好处［1］。

目前海上自升式钻井平台压载方法主要有两种［2］:各压载舱分组加压载水压载;自重压载。对3桩靴自升式钻井平台，需要向平台的压载舱内注入海水，通过加压载水增加桩靴对地层压力;而对于4个桩靴的钻井平台，则利用其自重，采用对角两组桩靴轮流施压的方法，提高对地的压力。具体方法是将4个桩靴按照对角连线的2个桩靴分为2组，通过操作升降装置，减小另外1组桩靴对地压力来实现另外1组桩靴对地压力的增加。自升式钻井平台对地的最大压力一般出现在预压状态［3］，通过预压，钻井平台桩靴到达预定深度，保证了地基的承载能力。

常规压载方法有一定的风险性，其风险性主要来自“穿刺”事故。据统计，最近几年每年发生一到两起自升式钻井平台穿刺事故，每次事故造成的经济损失为100万～1 000万美元［4］，2009年中国某自升式钻井平台在南海海域准备进行预探井作业，当船体离开水面2 m，对1号桩进行压载时，由于海底地质原因，1号桩发生穿刺，导致船艏倾斜6.2°并继续下沉，导致齿轮、齿条和斜拉弦管受损严重［5］。

针对穿刺事故对自升式钻井平台带来的危害，有必要对压载方法进行改进，因此考虑采用漂浮压载。以渤海内某自升式钻井平台在某导管架处成功漂浮压载范例探讨漂浮压载法的实施步骤和实用性。

1 漂浮压载条件和步骤

一般钻井平台在就位前都会让相关部门做钻井平台插桩入泥深度预测，得到钻进该平台的入泥深度曲线和最大预压载荷下的入泥深度值。如果某一深度范围内土层是硬土层覆盖软土层，土体的承载能力随着深度的增加而减小，在预压载期间将会导致平台发生穿刺(见图1)。

图1 钻井平台穿刺

当桩腿桩靴穿刺速度超过齿轮齿条维持船体平衡时的下放能力，将导致平台偏转造成平台损坏，直到穿刺后土体承载力或船体入水增加的浮力达到预压载时为止，穿刺过程才会停止。钻井平台穿刺发生主要和井位地质参数、船体压载量、作业水深、压桩时船体气隙以及船体自身性能有关［6］。

有穿刺危险的层状地基可分为两类［7］:砂性土层(有限厚度)下有软弱粘土层;硬粘土层(有限厚度)下有软弱粘土层。

图2为某钻井平台入泥深度曲线，由图2可见，2.5～3.8 m是砂质粉土层，该层下面有2.5 m的软粘土层，存在穿刺的可能性，必须采用漂浮压载。

图2 某钻井平台入泥深度曲线

可以看出:桩脚载荷与桩脚尖入泥深度关系曲线有上限和下限两种可能，上限曲线无穿刺风险，压载至最大预压载荷42.2 MN时桩靴入泥深度为5.0 m。下限曲线在标出的35MN处有穿刺风险，桩靴入泥从1.3 m穿刺至7.2 m，压载至最大预压载荷42.2 MN时入泥深度为7.2 m。鉴于压载过程的不确定性，采用以下压载步骤。

1)确定平台脱离水面时桩脚载荷。1#桩: 28.4 MN，2#桩:26.9 MN，3#桩:26.7 MN，未达到穿刺点预压负荷。平台升离海面1 m高度，先对1#桩进行第一组压载，比压载穿刺载荷35 MN减少1.3 MN，桩脚负荷33.7 MN。计算桩靴入泥，看入泥是否能达到4 m左右。如桩靴入泥能达到4 m左右，则说明桩脚载荷与桩脚尖入泥深度关系符合上限曲线走势，此次压载没有穿刺风险，则继续在气隙1 m处进行压载到第4组结束。2#桩、3#桩也按照此方式进行压载，直到完成本次压载作业。

2)如在第一步压载程序后桩靴入泥没有达到上限曲线的入泥深度，则桩脚载荷与桩脚尖入泥深度关系有可能符合下限曲线特征，此次压载可能存在穿刺风险。为保证穿刺时，最大限度地降低穿刺深度，避免桩腿及升降系统受到损害，则采取“漂浮压载”方式。由于冬季海况较差，计划吃水1 m左右进行漂浮压载以减少海浪对船体产生的影响，此时单桩承受船体浮力为6.7 MN，可以进行第2组和第3组压载。压载期间值班人员时刻关注平台各桩脚吃水，如果发生变化，及时通知中控。中控操船人员应注意关注水平仪状态，关注压载值班人员的汇报以及潮水的变化趋势。

2 压载过程中的应对措施

1)如压载期间发生穿刺，应立即降2#、3#桩，尽可能和1#桩水平，直到1#桩停止下降。观察30 min，如没有变化则升船30 cm，再观察30 min密切关注1#桩有无下沉。重复此动作至平台升至吃水1 m。升船期间关注1#桩各悬管负荷，单个舷管不能超过10.1 MN，3个悬管总负荷不能超过30.3 MN。如果超过，放液位超过海平面的压载舱压载水直到满足负荷要求为止，然后再继续进行压载。在完成第3组压载后，压载桩脚反力是38.4 MN，已过穿刺点，升船至1 m气隙完成第4组压载。按同样方式进行2#、3#桩的压载。

2)如平台压载至第3组结束期间没有发生穿刺，1#桩漂浮压载第3组的压载桩脚反力是38.4 MN，已超过穿刺临界载荷3.4 MN，排除有穿刺风险。则升船至气隙1 m完成第4组压载，观察3 h，没问题后放水。2#桩、3#桩的压载采用气隙1 m常规压载，直到完成本次压载作业。

压载结束后，1#桩入泥深度为2.3 m，2#桩入泥深度为2.0 m，3#桩入泥深度为2.8 m。从就位结束直至钻井作业完成，平台稳定，无穿刺发生。

3 漂浮压载优缺点对比

漂浮压载在世界范围内极少应用，因为该方法受海洋条件影响较大，风速必须小于8 m/s，涌浪高度必须小于0.5 m。此次海洋石油钻井平台针对“鸡蛋壳”地层［8］率先在渤海内采用此法进行压载，保证了钻井平台的安全，避免出现穿刺后桩腿突然贯入导致桩腿变形等重大事故和对平台的伤害的发生。

表1为3种压载方法的对比，通过表1可以很直观地对漂浮压载、对角压载和分组压载进行区分。

表1 三种压载方法对比表

自升式三桩钻井平台在遇到穿刺地层时采用漂浮压载，在某个桩腿突然发生穿刺的时候，由于船体有一定吃水，在浮力的作用下，船体下沉速度变慢，对平台船体和桩腿桁架、齿轮的影响和损坏将大大减小。显而易见，如果按照常规压载，因为通常钻井平台船底距离海面有2 m气隙，瞬间的下沉对啮合的齿根由于应力集中产生了很大的应力［9］，使锁紧机构受损，最后桩腿产生弯曲。最明显的例子就是南海某钻井平台在压载时发生穿刺，造成桁架多根斜拉弦管发生严重变形，被迫停工返修，见图3。

4 结论

基于穿刺事故的危害性，对于存在穿刺的地层很有必要采取漂浮压载法进行压载。

由于本次漂浮压载是在渤海湾进行，渤海水深普遍介于10～30 m之间，风速不大、涌浪不高，海底流速较小，但是如果在南海100～120 m自升式钻井平台作业临界水深和实际海况下是否能够操作并保证安全，还有待进一步研究和现场实践作为支持依据。

图3 钻井平台桩腿斜拉弦管严重变形

［1］姜伟.自升式钻井平台插桩作业控制技术［M］.北京:石油工业出版社，2012.

［2］龚闽.自升式平台预压荷载分析［J］.中国海洋平台，2005，20(2):20-23.

［3］徐增强.自升式海洋平台桩靴喷冲系统设计［J］.船海工程，2013，42(2):97-99.

［4］HOSSAIN M S，CASSIDY M J，DALEY D，et al.Experimental investigation of perforation drilling in stiff-over -soft clay［J］.Applied Ocean Research，2010，32(1): 113-123.

［5］戴兵.自升式钻井平台穿刺分析［J］.科技导报，2010，28(17):63-66.

［6］胡知辉.复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析［J］.中国海上油气，2011，23(5):344-348.

［7］张浦阳.海上自升式钻井平台插拔桩机理及新型桩靴静动承载力研究［D］.天津:天津大学，2008.

［8］董星亮.海洋钻井手册［M］.北京:石油工业出版社，2011.

［9］马邦勇.自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析［J］.石油机械，2010，38(10):36-39.

A New Method of Jack-up Drilling Rig Preloading

ZHANG Bao-ping
(CNOOC Energy Development Service Ltd，Tianjin 300452，China)

For the damage of penetration accident on drilling rig when jack-up drilling rig penetrates in specific formation，a new preloading method，floating preload method，is presented based on a drilling rig preloads in the jacket to describe the condition and procedure of floating preload.In-situ preloading shows that comparing with the conventional preload method，the floating preload method is able to effectively prevent sudden penetration of jack-up drilling rig leg and hull damage，to ensure the safe location of the drilling rig，to improve the efficiency of the field preloading.

preloading;jack-up drilling rig;floating preload;penetration

U674.38

A

1671-7953(2015)02-0164-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.041

2014-10-31

修回日期:2014-11-14

国家863计划重点项目(2008AA092701-3)

张宝平(1981-)，男，学士，工程师

研究方向:海洋石油钻井平台插拔桩、井场调查等

E-mail:qzzbp1981@163.com