一种优化的自升式平台预压操作方法应用

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司， 天津 300450)

0 引 言

近年来，随着中国近海油气田的开发速度不断加快，对于自升式平台的使用越来越广泛，自升式平台的拖航移位作业频次也越来越高。在自升式平台拖航移位作业过程中，完成精就位后，还需完成具有较长作业周期的预压操作才能继续提升平台至设计气隙高度。

预压操作应根据不同的就位地貌、海况等地质特性和环境因素，在操作过程中，规避潜在的地层刺穿、桩靴滑移、踩脚印等风险[1]。因此，根据自升式平台自身特性，结合综合就位环境，选择一种合适的预压操作方法，保证预压操作安全、有效地完成，不仅直接影响自升式平台在拖航移位期间的操作安全，也影响其在后续作业期间的站立稳性。

本文以渤海某三桩腿自升式平台为研究对象，平台主尺度为：船体长54 m，总宽49 m，型深5.2 m，如图1所示。桩腿长73 m，直径3.2 m。桩靴为正八面体(长9.2 m×宽9.2 m×高1.65 m)。

1 预压操作原则

在拖航移位作业开始前，应仔细研究就位插桩分析报告、地貌扫测报告、就位方案、未来48 h海洋环境预报等与预压操作相关的作业资料，基于平台浮态稳性计算，完成预压载荷计算和预压操作程序设计，并做好相应的风险分析和应对措施。

1.1 预压最大载荷

1.1.1 桩靴对地载荷

桩靴对地载荷主要包括：平台质量、桩腿质量、可变载荷，以及环境载荷共同作用下桩靴对海床地基的压力载荷。平台质量、桩腿质量及可变载荷来源于平台重量重心计算书，环境载荷来源于平台环境载荷计算书[2]。

该平台设计工况包含钻井作业状态和工程辅助支持状态，根据初始设计工况和设计作业环境计算最大预压载荷，需分两种工况进行考虑[3]。具体计算结果如表1所示。

表1 平台各工况桩靴对地最大载荷 t

由表1可知：平台艏桩的最大对地设计载荷为3 404 t(工程辅助支持状态)，左桩最大对地设计载荷为3 445 t(钻井作业状态)，右桩最大对地设计载荷为3 388 t(钻井作业状态)。因此，平台预压桩靴对地最大载荷需不小于上述初始设计计算结果。

1.1.2 平台升降装置承载力

在自升式平台预压操作期间，船体全部载荷都需通过升降装置传递至桩腿桩靴[4]。因此，预压操作方法的选择和制订也需参考升降装置的承载力，在任何工况下，单桩升降载荷不能超过预压升降载荷3 304 t。该平台的单桩升降承载能力如表2所示。

表2 各工况下平台桩腿单桩升降能力 t

1.2 插桩分析报告

根据就位平台的结构特点以及就位区域的地质特性，针对单次作业进行模拟插桩分析。插桩分析报告是选择预压操作方法的重要参考依据。基于插桩分析报告和精就位桩腿入泥深度计算，可判断桩靴底面与刺穿风险地层的距离，以及预压最大载荷情况下的刺穿风险因数[5]。图2a)为预压最大载荷刺穿风险安全因数Fs=1.24的插桩分析结果，属于风险较小的工况；图2b)为预压最大载荷刺穿风险安全因数Fs=1.04的插桩分析结果，属于风险较大的工况。在接近预压最大载荷的过程中，应特别留意桩靴动态，做好地层刺穿的应急措施。

图2 插桩分析

2 传统预压操作方法

2.1 操作程序

图3 传统预压操作流程

传统预压操作首先完成初始预压，此时平台升降装置在正常升降载荷范围内；再依次进行艏桩、左桩、右桩的加载，此时升降装置仍可在预压范围内进行应急短行程升降；最后三桩同时加载到最大对地载荷。每完成一步预压加载操作后，都须预留充足的调平观察时间，其间平台倾角幅值变化一旦大于0.3°，就要进行卸载至桩腿安全承载范围内，调平船体，再进行重新预压。在操作顺利的情况下，整个预压完成时间需48 h左右。具体操作流程如图3所示。

2.2 最大对地载荷

基于传统预压操作的地基压力，如表3所示：艏桩3 497 t，大于设计值3 404 t；左桩3 499 t，大于设计值3 445 t；右桩3 494 t，大于设计值3 388 t。预压最大对地载荷满足初始设计要求。

表3 传统预压操作最大对地载荷表 t

此时，对21个压载舱的利用情况如表4所示。

表4 预压最大载荷压载舱利用情况表

从表4可知：4#压载舱(满载256 t)和10#压载舱(满载203 t)为空舱，3#压载舱(满载256 t)和12#压载舱(满载239 t)为半舱，整个船体还有700余吨的空闲压载量，对于调载仍留有较大的操作空间。

2.3 传统预压缺点

(1) 在预压过程中，各桩的载荷逐步增加至升降载荷最大承载力，一旦船体出现倾角偏移，须首先卸载再进行调平操作，不便于现场操作。

(2) 如果在最后预压环节船体出现明显倾角偏移，须重新卸载调平，再进行前述预压操作，重复的操作步骤较多，会花费较长的作业时间。

(3) 一旦在各桩满载或最后预压阶段出现应急情况，须进行应急升降操作，对升降装置十分不利，甚至会出现不可预知的损害后果。

(4) 操作程序较为繁琐，对于自动化程度较低的压载系统，现场倒舱换阀的工作量较大。

图4 优化的预压操作流程

3 优化压载操作方法

传统预压操作时间较长，且一旦出现预压调平，会导致整个预压操作流程更复杂。利用富余的压载舱室容量进行重新预压校核计算，发现在单桩预压操作阶段，各桩即可达到预压最大载荷，因此可省去最后预压操作环节，不仅可有效地控制单桩加载速度及观察时间，还可显著提升现场操作便捷性。优化压载操作逻辑如图4所示。

在渤海SZ36-1油田某次就位操作中进行应用，不仅取得了预期的预压效果，还将原先的预压操作时间从48 h左右直接缩减至36 h左右，极大地提升了现场作业的便捷性与经济性。针对本次优化后的预压操作，具体记录结果如下。

3.1 初始预压操作

基于平台漂浮稳性进行压载，加载各桩载荷至升降装置可正常升降的载荷范围内，如表5所示。

表5 初始预压操作及数据记录表

此时，各桩腿的升降载荷分别为艏桩2 399 t、左桩2 398 t、右桩2 397 t，均小于2 400 t，在调平观察期间，升降装置仍可正常操作，可随时进行平台调平操作。

3.2 艏桩预压操作

通过各压载舱室调载，艏桩逐渐加载至预压最大载荷，左桩、右桩调载至可正常升降的载荷范围内，具体如表6所示。

表6 艏桩预压操作及数据记录表

此时，艏桩对地压力达到3 422 t，大于3 404 t，满足预压最大载荷要求；左桩与右桩的升降载荷仍小于2 400 t，在调平观察期间仍可正常操作，可随时进行平台调平。

3.3 右桩预压操作

通过各压载舱室调载，右桩逐渐加载至预压最大载荷，左桩、艏桩调载至可正常升降的载荷范围内，具体如表7所示。

表7 右桩预压操作及数据记录表

此时，右桩对地压力达到3 422 t，大于3 388 t，满足预压最大载荷要求；艏桩、左桩升降载荷小于2 400 t，在调平观察期间仍可正常操作，可随时进行平台调平。

3.4 左桩预压操作

通过各压载舱室调载，左桩逐渐加载至预压最大载荷，右桩、艏桩调载至可正常升降的载荷范围内，具体如表8所示。

此时，左桩对地压力达到3 447 t，大于3 445 t，满足预压最大载荷要求；艏桩、右桩升降载荷小于2 400 t，在调平观察期间仍可正常操作，可随时进行平台调平。

4 结 论

(1) 通过压载舱调配载计算，直接利用单桩预压达到桩靴对地最大反力，不仅减少了最后预压步骤，将整体操作时长由48 h缩减至36 h左右，而且还优化操作程序，预留充足的调平观察时间，确保预压操作质量。

表8 左桩预压操作及数据记录表

(2) 在遇有不稳定地层或存在刺穿风险时，可通过控制单桩加载速度、灵活控制观察时间，避免预压最大载荷实现前的突然失控情况。

(3) 遇应急情况时，平台另外2个桩腿的承载力可允许平台在相对安全的状态下进行较为灵活的应急操作处置。