自升式平臺井位適應(yīng)性評估程序研究與應(yīng)用

宋林松 王建軍 黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

自升式平臺是近海油田開發(fā)的重要設(shè)備，可用于海洋石油的鉆井、修井、試油和試采等作業(yè)，具有移動靈活、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但石油行業(yè)對自升式平臺井位安全性研究較少，在作業(yè)適應(yīng)性評估方面采取了比較保守的策略，只有王建軍等［1］針對HYSY93*平臺在某井位的作業(yè)適應(yīng)性進(jìn)行過分析。為充分發(fā)揮自升式平臺的能力、加速海洋油氣的開發(fā)，同時保證平臺作業(yè)安全，筆者進(jìn)行了井位適應(yīng)性評估程序研究，并將研究成果應(yīng)用于實際作業(yè)，取得了良好效果。

1 評估程序的建立

目前國內(nèi)沒有成文的自升式平臺井位風(fēng)險分析和安全評估規(guī)范，對每個風(fēng)險性較大的井位都需要邀請各方面專家進(jìn)行研究分析。為簡化分析程序，在匯總國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)［2-3］的基礎(chǔ)上，結(jié)合自升式平臺的實際情況，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的自升式平臺井位適應(yīng)性評估程序，如圖1所示。

在圖1中，輸入的主要數(shù)據(jù)包括環(huán)境數(shù)據(jù)和淺層地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù);主要評估環(huán)節(jié)包括作業(yè)水深適應(yīng)性分析、樁基穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)完整性分析，評估的出發(fā)點是在保證平臺站立安全的前提下，充分發(fā)揮自升式平臺的能力，滿足飛速發(fā)展的海洋油氣勘探與開發(fā)需求。具體評估流程如下:

(1)首先根據(jù)作業(yè)者(甲方)提供的鉆井設(shè)計要求中有關(guān)設(shè)計井深、槽口布置方式、懸臂梁覆蓋范圍、載荷及作業(yè)井位名義作業(yè)水深等條件進(jìn)行初評。

圖1 自升式平臺井位適應(yīng)性評估程序

(2)對于初評通過的平臺，再根據(jù)淺層地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、平臺預(yù)壓載量及臨井插樁深度等分析各平臺的插樁深度，結(jié)合氣隙、樁腿頂部預(yù)留長度等數(shù)據(jù)分析作業(yè)水深適應(yīng)性，即確定樁腿長度余量δ值長度。δ值為

式(1)中:L為樁腿長度，m。D1為樁腿入泥深度，m，一般可按標(biāo)準(zhǔn) SY/T 6707［4］計算。D2為氣隙，m。對于探井，國內(nèi)作業(yè)時一般按照CCS-2005［5］確定氣隙，國外作業(yè)時需符合當(dāng)?shù)氐囊?guī)范，如在墨西哥灣作業(yè)時應(yīng)達(dá)到APIRP 95J［6］的要求。D3為船體底板到升降基礎(chǔ)頂面的距離，m。D4為樁腿頂部預(yù)留長度，m。齒輪齒條式升降系統(tǒng)自升式平臺，至少應(yīng)在升降基礎(chǔ)頂面以上留有1.5 m的預(yù)留長度;液壓缸式升降系統(tǒng)自升式平臺，至少應(yīng)留有一個沖程長度的預(yù)留長度。H為作業(yè)井位平均水深，m。

對于因入泥深度過大引起的樁腿長度略有不足的情況(δ＜0)，仍可進(jìn)入下一步評估程序，即計算平臺在作業(yè)和風(fēng)暴生存過程中可能產(chǎn)生的最大樁腳載荷，分析可否通過減少壓載量等措施來降低入泥深度。

(3)樁基穩(wěn)定性分析(一般包括穿刺分析和拔樁載荷分析［5］)。對于入泥深度較淺且海床表層為粉砂層的井位，還應(yīng)考慮樁靴底部的淘蝕、液化與上風(fēng)向樁靴的滑移等;對于存在穿刺風(fēng)險的井位或因插樁入泥較深而拔樁困難的井位，需要作專項分析。

(4)結(jié)構(gòu)完整性分析。通常采用有限元法對樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)(升降系統(tǒng))承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能、抗傾覆性能等進(jìn)行計算。如果計算得到的安全系數(shù)低于規(guī)范(如船級社規(guī)范CCS-2005［5］)規(guī)定的安全系數(shù)，可通過優(yōu)化動態(tài)載荷、優(yōu)化約束條件、調(diào)整可變載荷等再重新計算。

(5)最后根據(jù)調(diào)整后許用可變載荷等數(shù)據(jù)重復(fù)上述評估流程。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 樁基穩(wěn)定性分析

2.1.1 平臺插拔樁能力研究

2007年開始對各種樁靴類型平臺的插拔樁問題進(jìn)行了研究，結(jié)合數(shù)值計算、試驗研究和理論分析，并與平臺插樁入泥歷史數(shù)據(jù)校核，建立了平臺插樁深度和拔樁阻力的計算方法;再結(jié)合平臺結(jié)構(gòu)的強度計算，完善了拔樁作業(yè)程序［7］;最后綜合考慮沖樁排量、時間、壓力、粘土層性質(zhì)等因素，提出了沖樁條件下樁腿拔樁阻力計算方法［8］，開發(fā)了自升式平臺插樁深度和拔樁阻力計算軟件。

2.1.2 穿刺研究

對所有作業(yè)過的、淺層地質(zhì)資料分析認(rèn)為存在穿刺可能性的井位進(jìn)行了重新分析。利用實際作業(yè)數(shù)據(jù)、有限元計算結(jié)果和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的地基承載力計算公式［4］只適合于某些樁靴形狀平臺及地層，對于大部分情況偏于保守。因此，應(yīng)根據(jù)平臺作業(yè)統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，再結(jié)合具體井位的實際地質(zhì)情況(如上覆砂層厚度、砂層內(nèi)摩擦角及樁靴形狀等)，對存在穿刺可能性的井位進(jìn)行具體計算。

利用非線性有限元法分析接近穿刺狀態(tài)下上覆砂層的抗剪切能力，對文獻(xiàn)［4］中的樁基承載力計算公式進(jìn)行了修正，即

式(2)、(3)中:FV為樁腳入泥深度范圍內(nèi)極限承載力，kN;FVB為樁靴所處深度以下軟弱土層承載力，kN;Fn∶1為按 n∶1荷載擴(kuò)散法計算增加的載荷［4］，與砂層的內(nèi)摩擦角有關(guān)，kN;p(h)為砂層按深度的抗剪切分布力，與砂層的內(nèi)摩擦角、樁靴當(dāng)量直徑、沙層厚度等參數(shù)有關(guān)，kN/m;FS為安全系數(shù)計算值;H1為樁靴最大截面入泥深度，m;H2為樁靴最大截面至下臥粘土層距離，m;h為樁靴最大截面以下的深度，m;VL0為單樁最大預(yù)壓載量，kN。

上述計算方法在東海、南海的多個井位進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明修正后的計算方法更符合實際情況。同時對淺層地質(zhì)勘察提出了更明確的要求:應(yīng)獲得自升式平臺幾何中心位置深度不小于40 m的工程地質(zhì)取樣孔的數(shù)據(jù)及每個樁靴位置深度不小于40 m的靜力探觸測試(CPT)孔的數(shù)據(jù)。最后在分析國內(nèi)外平臺穿刺及其事故分析和應(yīng)對措施的基礎(chǔ)上，制定了插樁壓載作業(yè)分析流程，如圖2所示。

圖2 自升式平臺可能穿刺井位分析及作業(yè)流程

2.2 平臺結(jié)構(gòu)完整性分析

2.2.1 平臺模型庫建立

通過開展自升式平臺建模技術(shù)研究，建立了JU2000E型400FT平臺、MSC CJ46-X100型300FT平臺等12種類型平臺的有限元模型，形成了船體-樁腿連接的有限元建模技術(shù)、桁架式樁腿水動力的計算方法、自升式平臺的深水動力響應(yīng)計算方法、樁靴約束方式算法等。

2.2.2 樁靴約束及反力校核

樁靴約束可按照鉸支約束或彈性約束2種方式施加。

(1)鉸支約束。樁靴完全入泥情況下，在樁靴高度1/2處設(shè)置鉸支點;樁靴未完全入泥情況下，在入泥深度1/2處設(shè)置鉸支點。

(2)彈性約束。約束點的位置與鉸支點相同，同時在約束點上施加轉(zhuǎn)動約束、垂向約束和橫向約束。將環(huán)境條件參數(shù)及平臺的功能載荷和響應(yīng)載荷輸入模型中，獲得樁靴處橫向反力QH、垂向反力QV及彎矩QM，并代入樁靴-土體界面屈服包絡(luò)曲線判斷結(jié)果的適用性。當(dāng)土體為粘土?xí)r，可利用式(4)判斷下風(fēng)向樁靴的穩(wěn)定性。

式(4)中:D為樁靴當(dāng)量直徑，m;HL0為單樁抵御橫向載荷的能力，kN。

當(dāng)土體為砂土?xí)r，還應(yīng)檢驗上風(fēng)向樁靴的抗滑移能力。

2.2.3 中國沿海水文氣象條件研究

利用近30年的各種海洋觀測資料和衛(wèi)星遙感資料，結(jié)合使用高分辨率數(shù)值模擬技術(shù)，推算東海、南海海域水文氣象動力參數(shù)，計算結(jié)果通過GIS技術(shù)實現(xiàn)軟件集成，便于查詢。此項研究可獲得以下基本數(shù)據(jù):

(1)風(fēng)、浪、流不同重現(xiàn)期的單要素極值統(tǒng)計。利用風(fēng)、浪、流的高分辨率模擬結(jié)果進(jìn)行單要素的統(tǒng)計分析，得到風(fēng)、浪、流各要素不同重現(xiàn)期的單要素極值;然后將上述數(shù)據(jù)按月進(jìn)行細(xì)分，利用同樣的極值推算方法獲得每個月的不同重現(xiàn)期的極值。

(2)風(fēng)、浪、流不同重現(xiàn)期的條件極值統(tǒng)計。利用風(fēng)、浪、流的高分辨率模擬結(jié)果進(jìn)行條件概率的統(tǒng)計分析，獲得風(fēng)最大時的浪、流極值以及浪最大時的風(fēng)、流極值和流最大時的風(fēng)、浪極值;然后將上述數(shù)據(jù)按月進(jìn)行細(xì)分，利用同樣的極值推算方法獲得每個月的不同重現(xiàn)期極值。

2.2.4 自升式平臺作業(yè)適用重現(xiàn)期的確定

綜合分析墨西哥灣、英國北海常用的評估重現(xiàn)期及中國船級社、美國船級社、挪威船級社、勞氏船級社、美國造船協(xié)會的規(guī)范，結(jié)合中國沿海的海況，形成了以下準(zhǔn)則:

(1)通常采用重現(xiàn)期為50年的環(huán)境條件;

(2)如果只在有限的時間段內(nèi)作業(yè)，可采用該時間段重現(xiàn)期為50年的環(huán)境條件;

(3)在下列條件都滿足時，可采用重現(xiàn)期為10年的波高、流速及51.4 m/s的風(fēng)速組合:①擁有風(fēng)暴警報系統(tǒng)，并可對井位200海里范圍內(nèi)經(jīng)過的風(fēng)暴提前3天發(fā)出警報;②配備了支援系統(tǒng)，在風(fēng)暴來臨前可撤離所有人員;③保證井口安全，自升式平臺處于風(fēng)暴自存狀態(tài);④按重現(xiàn)期為50年的環(huán)境條件進(jìn)行計算時，結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力值應(yīng)小于其材料的彈性極限。

2.2.5 自升式平臺性能分析

自升式平臺性能分析的內(nèi)容至少應(yīng)包括樁腿強度、鎖緊系統(tǒng)(升降系統(tǒng))承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴承載性能和抗傾覆性能分析，其中前4項指標(biāo)的完整性系數(shù) UC(Unity Check)值應(yīng)小于等于1.0［2，5］，風(fēng)暴自存時抗傾覆性能安全系數(shù)OTM(Over Turning Moment)應(yīng)大于 1.3［5］。如果達(dá)不到上述要求，一方面可優(yōu)化動態(tài)載荷計算(平臺在波流作用下的動態(tài)響應(yīng))，如將動態(tài)放大系數(shù)DAF的計算方法由單自由度法［9］改為時域法［10］;另一方面可適當(dāng)降低平臺的可變載荷，進(jìn)行多次的計算分析。

3 應(yīng)用實例——以400FT型平臺在中國南海某井位作業(yè)為例

2010年HYSY94*平臺接到國外作業(yè)者總包合作意向后，迅速組織了對該平臺井位作業(yè)適應(yīng)性評估，按照上述評估程序進(jìn)行了以下工作:

(1)與作業(yè)者技術(shù)交流，獲得鉆井設(shè)計對平臺的基本要求及作業(yè)者擬定的作業(yè)窗口時間。

(2)利用水文氣象軟件查詢該井位在作業(yè)窗口的氣象條件，包括各種重現(xiàn)期的最大風(fēng)速、波高、流速，季風(fēng)及潮流的方向，據(jù)此確定平臺的艏向及評估環(huán)境條件。

(3)請專業(yè)的海洋勘查公司進(jìn)行淺層地質(zhì)勘察。根據(jù)歷史插樁經(jīng)驗，在該井位有穿刺可能，要求勘查公司在平臺幾何中心設(shè)一個40 m取樣孔，在每個樁腿位置設(shè)一個40 mCPT孔，取樣間隔為:0～15 m深度時，每1 m取一個樣;15～30 m深度時，每1.5 m取一個樣;30～40 m深度時，每2 m取一個樣。在取樣期間每隔0.5 h測一次水深。

(4)某海洋勘查公司初步評估認(rèn)為穿刺可能性較大，且如果發(fā)生穿刺，樁靴可能從3m穿到20m。按照新的算法計算了樁基承載力，結(jié)果表明樁基承載力大于平臺的預(yù)壓載量，認(rèn)為穿刺的可能性小，可以安全插樁、作業(yè)(即使發(fā)生穿刺，平臺樁腿長度仍可留有足夠的余量)。

(5)將水深、氣隙、入泥深度(考慮3 m和20 m 2種情況)、重現(xiàn)期為50年的環(huán)境條件等數(shù)據(jù)代入平臺有限元模型，計算風(fēng)暴生存狀態(tài)、鉆井作業(yè)時樁腳反力(垂直載荷、水平載荷、彎矩)、鎖緊裝置載荷、升降裝置載荷、樁腿關(guān)鍵位置應(yīng)力、船體關(guān)鍵位置應(yīng)力等，發(fā)現(xiàn)在20 m入泥深度時樁腿關(guān)鍵位置應(yīng)力超標(biāo)，但垂向樁腳反力只達(dá)到預(yù)壓載量的84.8%;降低平臺可變載荷后再次計算，發(fā)現(xiàn)樁腿應(yīng)力達(dá)標(biāo)。因此，給出如下結(jié)論:該平臺可以抵御重現(xiàn)期為50年的臺風(fēng)，能夠保證平臺的結(jié)構(gòu)完整性。

(6)動員平臺至井位，按照0氣隙壓載程序進(jìn)行插樁和壓載，壓載過程中平臺沒有發(fā)生穿刺。按照實際入泥深度、砂層的性質(zhì)等數(shù)據(jù)校核樁靴抗滑移性，并考查淘蝕的可能性，復(fù)核認(rèn)為能夠保證樁基穩(wěn)定性，該平臺可按照操作手冊及甲方要求進(jìn)行常規(guī)作業(yè)。

最終該平臺安全地完成了為期2個月的作業(yè)任務(wù)。目前這一評估程序已在國內(nèi)外作業(yè)的20多座自升式平臺進(jìn)行了成功應(yīng)用。

4 結(jié)束語

應(yīng)用實踐表明，本文提出的自升式平臺井位適應(yīng)性評估程序能夠通過合理地評判作業(yè)風(fēng)險，較全面地評估平臺與作業(yè)環(huán)境的匹配能力，進(jìn)行有效的平臺資源配置和平臺安全作業(yè)窗口安排，并在保證平臺站立安全的前提下，充分發(fā)揮各平臺的能力，達(dá)到在風(fēng)險可控條件下加快海洋油氣開發(fā)的目的。

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