JU2000E自升式钻井平台适用海洋环境界限研究

霍宏博，刘 政，王 晶，杨化东，陈 静

（1.中国石油海洋工程公司钻井事业部，天津061103；2.中国石油海洋工程公司海工事业部，山东青岛266000）

JU2000E自升式钻井平台适用海洋环境界限研究

霍宏博*1，刘 政1，王 晶2，杨化东1，陈 静1

（1.中国石油海洋工程公司钻井事业部，天津061103；2.中国石油海洋工程公司海工事业部，山东青岛266000）

针对JU2000E型钻井平台的压载插桩进行研究，将平台的贯入深度和ABS和CCS两家船级社要求联系起来分析适合该型号钻井平台的海洋气候条件和海洋海底地质情况，定义了表征海洋气候条件的浪及高度的概念，得到JU2000E型钻井平台的作业海洋环境界限，并绘制出相应的图版，依据图版可以方便快捷地分析该型号钻井平台是否满足在特定海域作业的的需求，气候参数和海底地质参数的组合在图版上边的区域表明不适合在该海域作业，处在下方则满足作业需求。

自升式钻井平台；浪及高度；贯入深度；海洋环境界限

1 概述

自升式钻井平台是50年来世界上浅水和中深水的最流行的钻井平台[1-2]，据统计，自升式钻井平台占海上钻井装置的比例超过40%[3]，因此，做好对自升式钻井平台的研究工作，保证自升式钻井平台安全作业，对于海洋石油的开发具有很重要的意义[4]。

影响平台插桩适应性的因素主要包括平台的因素和自然因素，平台因素有：载荷、桩腿、桩靴的形状；自然因素主要是：海洋气候条件、桩基承载力等参数。只有平台参数和自然因素相匹配，才能保证整个平台能可靠地立在海床上进行钻井作业、安全地在风暴状态下自存以及快速地拔出海床，因此明确某个海域对于平台插桩的适应性对于整个平台的性能和安全具有很重要的意义[5]。

JU2000E自升式钻井平台作业水深400ft，是目前最先进的自升式钻井平台设计之一[6]。由于桩腿长度限制，钻井平台作业海域的波高、水深、升船高度和平台的型深及JACKCASE的高度决定了平台桩靴的贯入深度不能太深，本文的主要目的是通过JU2000E型钻井平台在不同海域的插桩深度，探讨平台所适应的海洋环境界限。

本文利用JU2000E钻井平台为基础进行研究，根据ABS和CCS要求计算该型号钻井平台适用的海洋环境界限，并结合海洋地层的实际参数进行计算和分析得到该界限，确保该型号钻井平台在海上作业可以做到插得进、站得稳、拔得出[7]。

2 JU2000E钻井平台插桩的地质界限图版的建立

2.1 平台的主要参数

平台桩靴最大贯入深度一般在压载时产生，在计算平台最大贯入深度时，载荷选取平台压载时的载荷，空船重量（包括桩腿和桩靴重量）、预压载荷（按照操船手册[8]规定：模拟最大重量荷载和环境荷载）。

平台载荷=空船重量+预压载荷

平台的主要参数:型长×型宽×型深为70.36m× 76.00m×9.45m,桩腿3桁架式桩腿，总长166.98m,空船重量约16760t,压载舱13654m3,压载舱13654m3。

2.2 桩靴贯入深度的上限

CCS峰隙的定义为[9]：涌浪、天文潮、风暴潮累计高度的10%或者1.2m之间较小值，本文将水深、天文潮、风暴潮与涌浪之和定义为浪及高度。

自升式钻井平台的入泥深度和平台建造参数、环境参数存在以下关系：

式中：Pmax——作业入泥深度上限，m；

L——桩腿长度，m；

hrig——平台的型高和JACKCASE高度之和，m；

hc——峰隙，m；

hr——桩腿极限预留高度，m；

hp——浪及高度，m。

式中：Dw——作业水深，m；

hs——涌浪、天文潮、风暴潮累计高度，m。

JU2000E钻井平台的建造数据分别为：桩腿长度166.98m，型高9.46m，JACKCASE高度10.05m，桩腿极限预留（ABS规范[10]）1.5m。

上面的参数中由环境和海况所确定的2个参数是入泥深度和浪及高度，这2个参数存在线性关系。

将平台参数带入得：

2.3 桩靴承载力计算和海洋环境界限分析

砂土层桩靴承载能力较强，当平台桩靴插入砂土层中时，入泥深度一般比较浅不会达到极限入泥深度，因此简化海底基础模型为最简单的海底基础模型，为单层均质粘土，其桩靴承载力可以用桩靴在粘性土壤中时土的极限承载力计算公式：

（1)Skempton公式在粘性土中,且其下一层土为砂上或比本层硬的粘土时,使用Skempton公式计算地基土的极限承载力。

其中：

式中：Pmax——表示桩基础贯入海床的深度，m；

D——表示圆形基础直径，m；

α——桩靴的形状系数；

Suavg——表示桩底土体抗剪强度平均值，kN/m2；

γ′——表示基础底部以上土体平均有效容重，kN/m3；

Su——表示桩土界面平均剪切强度，kN/m2。

理论状态下，自升式钻井平台桩腿下降到海底并压入海底土，当海底对桩腿阻力等于或超过压桩载荷，桩腿插入就会停止[11]，即：

式中：Ff——单桩压载桩腿反力，按照操船手册[6]提供，单桩预压载最小桩腿反力：10,900M.Tons。

此时，平台桩靴停止贯入。

合并公式（3）和公式（5）即可得到自然环境、地质参数和入泥深度的关系，得到如下计算公式：

α取1.02，其他参数与前文相同。

根据平台参数，最终可以得到JU2000E钻井平台插桩的海洋环境界限图版，如图1所示。

图1 海洋环境界限图版

如果作业海域的参数处于在该曲线下方区域，表示平台可以完成插桩作业，如果作业海域的参数处于该区域上方，表明平台如果插桩存在安全隐患或难以满足作业需要。

3 结论建议

本文通过对JU2000E型钻井平台的操船手册与ABS、CCS两家船级社的要求进行分析论证，并通过研究平台桩靴贯入深度，建立起了桩靴桩基土抗剪强度和作业海域的浪及高度的关系，最终得到了一种方便现场操作的海洋环境界限的判定方法并有以下的结论和建议：

（1）平台进行插桩作业前，需按图版进行校核，如果难以满足作业需求，应改变插桩位置或通过垫砂袋等方式对桩基进行改良。

（2）本文对于桩靴入泥深度的假设是基于均质地层的，如果考虑地层性质的变化，需要对各层数据进行叠加处理。

（3）本文没有考虑平台刺穿的特殊现象，使用图版进行分析之前，还需要对于刺穿进行校核，防止恶性事故发生。

（4）本文对于桩靴形状的参数设定为1.02，如果该船型的桩靴形状与本文研究的桩靴形状不符，则还需进行参数的重新选定。

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

[5]胡安康，郭宇，蒋玮.新型自升式海洋平台的安全分析技术研究[J].船舶工程，2011，33(21).

[6]殷学林.主观评分法在中海油JU2000-1项目风险评估中的应用[J].信息技术，2005（12）.

[7]邢研.渤海五号钻井装置改造过程中的桩靴断面的优化计算[J].中国海上油气工程，1993（4）.

[8]941钻井平台操船手册[S].FREE&GOLDMAN.Co.

[9]海上移动平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社, 1992.

[10]美国移动式钻井平台入级与建造规范(MODU)[S].2008.

[11]杨进.自升式钻井平台桩腿入泥深度计算研究[J].中国海上油气，2012，24（6）.

TE5

A

1004-5716(2015)03-0041-03

2014-04-01

2014-04-02

霍宏博（1985-），男（汉族），河北深州人，工程师，现从事钻井工艺研究工作。