自升式钻井平台桩靴改造降低穿刺风险可行性分析.pdf

43 2023 年 8 月第 50 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.50 No.8Aug.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY收稿日期：2023-08-02我国南海地质条件复杂，特别是恩平油田位于珠江口盆地珠一坳陷西部的恩平凹陷，各区块地层中均存在“鸡蛋壳”地层的现象。“鸡蛋壳”地层上部为硬薄层，下部为软厚层的非均质性地层，其存在会严重影响插桩作业的安全。在自升式钻井平台正常作业的影响因素中，穿刺事故已经成为最主要的影响因素，其在各类事故中的比例达 50%以上，且亚洲海域的穿刺事故也逐年升高。在 20002008 年发生的自升式平台穿刺事故中，超过 90%发生在亚洲1。降低穿刺风险已成为自升式钻井平台插桩作业安全的重要需要。有学者做了大量理论研究和实验验证，提出了逐腿压载、零气隙压载、硬土层开挖等降低穿刺风险的作业方式；通过有限元方式对主动钻孔降低穿刺 应用技术自升式钻井平台桩靴改造降低穿刺风险可行性分析邓成辉1，左 坤1，杨 战2，刘 超3，张海涛3（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东深圳 518000；2.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院 北京 102249；3.中海油能源发展股份有限公司工程技术中心深圳分公司 广东深圳 518000）摘 要：自升式钻井平台是海上石油开发的重要装备，穿刺问题一直是自升式钻井平台进行插桩作业时的难题。目前自升式钻井平台作业时需要对目的层进行勘探分析、对插桩穿刺风险进行预测，具有穿刺风险的地层可采取主动穿刺法降低插桩作业风险，但主动穿刺法作业周期长，且钻孔具有回填、垮塌等问题。以EP20-5 区块为例，提出了桩靴改造降低穿刺风险的方法，对比分析了海龙 9 号钻井平台桩靴改造前后的穿刺风险系数。预测结果表明，改造后的桩靴能有效降低穿刺风险，桩靴改造在降低穿刺风险的方法中具有可行性。关键词：自升式钻井平台 插桩 穿刺风险 桩靴改造中图分类号：TE951 文献标志码：A 文章编号：1006-8945（2023）08-0043-03Feasibility Analysis of Spud Can Modification of Jack-up DrillingPlatform to Reduce Puncture Risk DENG Chenghui1，ZUO kun1，YANG Zhan2，LIU Chao3，ZHANG Haitao3（1.Shenzhen Branch，CNOOC Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，Guangdong Province，China；2.College of Safety and Ocean Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.Engineering Technology Branch，CNOOC Energy Technology&Services Limited，Shenzhen 518000，Guangdong Province，China）Abstract：Jack-up drilling platform is an important equipment for offshore oil development.Puncture problem has always been a difficult problem for jack-up drilling platforms during pile insertion operations.At present，when the jack-up drilling platform is working，it is necessary to explore and analyze the target layer and predict the risk of pile insertion.Active puncture method can be adopted in strata with puncture risk to reduce the puncture risk of pile insertion operation.However，the active puncture method has a long operation cycle，and the drilling has problems such as backfilling and collapse.Taking EP 20-5 as an example，this paper puts forward the method of reducing the puncture risk by spud can modification，and compares and analyzes the puncture risk coefficient of HL9 drilling platform before and after spud can modification.The prediction results show that the modified spud can can effectively reduce the puncture risk，and the spud can modification is feasible in the method of reducing the puncture risk.Key words：jack-up drilling platform；pile-inserting；puncture risk；spud can modification 44 天 津 科 技第 50 卷 第 8 期风险的方法展开了理论研究，对比分析了不同钻孔方案下的穿刺风险性，提出了桩靴投影面钻边缘附近钻孔的优化作业方案。本文通过桩靴土的承载力计算方法和穿刺风险预测方法，对桩靴改造前后的穿刺风险系数进行了计算，对比分析了桩靴改造降低穿刺风险的可行性。1 桩靴改造前穿刺风险分析1.1 桩靴土的极限承载力计算方法桩靴承载力不仅与桩靴的尺寸有关，海底地层条件也是影响桩靴承载力的关键因素。根据付丽娜2对桩靴土极限承载力的计算方法归纳总结，可以将海底地层的极限承载力分为 2 个类型来进行计算。当没有鸡蛋壳地层（上硬下软地层）时，地层极限承载力的计算按照API规范中的计算方法分别计算黏土层和砂土层的承载力；当鸡蛋壳地层存在时，地层极限承载力的计算应该按照成层土极限承载力计算模型来进行分析，鸡蛋壳地层承载力不能简单视为由桩基基础底层土提供承载力，而是由多层土一起提供承载力。由于实际作业中海底土多为多层交叠状态，故本文仅对成层土的极限承载力计算方法进行介绍。成层土的极限承载力的计算分为 2 种情况：硬黏土层下（有限厚度）有很软弱的黏土层；砂层下（有限厚度）有软弱黏土层3。若硬层的厚度较薄，其承载能力低于压桩载荷，则桩就会穿透硬层进入软弱层，致使桩腿突然下降，插入速度超过操作控制能力，进而造成桩腿损坏，甚至造成事故4。若硬层较厚，其承载能力高于压桩载荷，就要校核软弱层的承载能力是否大于桩在软层顶面产生的应力。当满足这 2 个条件时，也可不考虑软弱层的影响。桩腿可以看作一个简易的圆形桩，同样适用于这些条件5。校核可使用如下模型：为软层顶面的附加应力，t/m2，可采用下式计算：其中：为桩腿底面处土的自重压力，t/m2；为桩腿底面压力，t/m2；为桩腿底面以下深度H处土的自重压力，t/m2；D为桩腿的直径，m；H为桩腿底面至软层顶面的距离，m；为软层顶面地基土的极限承载力，t/m2；为地基的压力扩散角，（）。当土层为砂砾、粗砂、中砂、老黏土时，取30；当桩腿底面至软层顶面以上的土层厚度小于或等于 1/4 桩腿直径时，可按0 来计算，如图 1 所示。图 1 砂层下面有软弱黏土层时的计算简图Fig.1 Calculation diagram of weak clay layer under sand layer1.2 穿刺风险预测方法31 荷载扩展分析法在刺穿风险预测方法中被广泛采用。该方法假定将压载在上部硬土层上的基础荷载扩展穿过下部硬层，进而形成一假设的等效基础在下部软层的顶面。通过硬层的扩展比例为 31（垂直方向水平方向），如果施加在等效基础上的压力超过下层土的承载力，则刺穿将会发生。上覆硬土层厚度和下伏软土层强度决定了穿刺风险的大小。由于实际插桩作业过程中有许多不确定因素，为了保证自升式钻井平台的安全，选取适当的安全系数是很有必要的。吴秋芸等6通过实例分析，认为用 31 荷载扩展法计算并加 1.5 的安全系数预测自升式钻井平台桩腿遇到砂黏层状地基时的刺穿可能性是可行的。当运用穿刺安全系数评价自升式钻井平台插桩作业的安全性时，可采用预压载的方法进行计算7，最大安全系数和最小安全系数可按下式计算：当FSmax1.5 时，预定井位认为适合自升式钻井平台进行插桩；当 1.5FSmax1.2 且FSmin1.2 时，仍可认为本井位适合进行插桩；当1.2FSmin1时，认为穿刺风险较高，不建议在该井位进行插桩；当FSmin1 时，自升式平台插桩会发生刺穿，不允许在该井位进行插桩。1.3 桩靴改造前穿刺风险预测以招商海龙九号 2#桩腿为例，对桩靴改造前后 45 2023 年 8 月 邓成辉等：自升式钻井平台桩靴改造降低穿刺风险可行性分析的穿刺风险系数进行计算和分析。2#桩腿对应的海底土特性参数如表 1 所示，根据海底土特性参数，可以对该井位的桩靴土的极限承载力进行计算，并采用31 荷载扩展分析法进行刺穿分析。表 1 恩平 20-5 区块 2#桩腿对应的海底土特性参数Tab.1 Submarine soil characteristic parameters corresponding to 2#in EP 20-5土层类型粉质细砂粉质黏土砂质粉土粉质细砂粉质黏土粉质黏土粉质黏土土层深度/m055778.28.210.310.312.412.414.214.215.3水下容重/（kN/m3）999910.39.310.2设计抗剪强度/（）35655575粒状土设计参数/kPa151520承载力系数Nq3.93.96.418.4Nr2.72.75.422.4根据土质特性参数和桩靴参数，可以得到招商海龙 9 号最大预压载时的插桩深度分析曲线，如图 2所示。图 2 EP20-5 井场HL9 号平台插桩深度分析曲线（2#桩腿）Fig.2 EP20-5 well site HL9 platform insertion depth analysis curve（2#）根据插桩深度曲线，可以看到在 11.36 m处有穿刺风险，穿刺行程达到 5 m，穿刺风险等级达到 3 级，11.36 m处的上部硬层和下部软层的安全系数计算后如表 2 所示。表 2 穿刺处上部最大安全系数和下部最小安全系数Tab.2 Maximum safety factor in upper part and minimum safety factor in lower part of puncture site上部硬层极限承载力（t）上部硬层安全系数下部软层极限承载力（t）下部软层安全系数18 102.801.507 724.590.64计算结果显示，桩靴改造前，下部软层安全系数为 0.64，由于穿刺行程较大，所以招商海龙九号无法在该井位进行插桩作业。2 桩靴改造后穿刺风险预测分析招商海龙九号桩靴改造方案如图 3 所示，桩靴改造后，面积同比增加 195%，等效直径增加到 22.3 m，改造后的桩靴参数如表 3 所示。图 3 招商海龙九号桩靴加大改造设计方案Fig.3 HL9 spud can enlarged modification design scheme表 3 招商海龙九号改造后桩靴参数Tab.3 Parameters of spud can after modificationof HL9有效面积（m2）等效直径（m）最大截面积处至桩靴尖高度（m）体积（m3）最大预压载（t）39022.31.0684612 363桩靴改造后的招商海龙九号最大预压载时的插桩深度预测分析曲线如图 4 所示。图 4 EP20-5 井场HL9 号平台插桩深度分析曲线（2#桩腿）Fig.4 EP20-5 well site HL9 platform insertion depth analysis curve（2#）改造后的插桩深度曲线显示在 6.06 m处仍有穿刺风险，但最大穿刺行程仅有 2 m，穿刺风险等级为2 级，穿刺风险在可控范围之内，改造后的安全系数如表 4 所示。下转第 49 页 49 2023 年 8 月 杨维彬等：设施农业用地动态变化监测工作实践与探索目多用途的，重点核实其真实性和主要用途。7.2.6 设施已建成但未举证或举证照片不合理部分上传的已建成设施照片拍摄角度不符合要求，外部照片没有设施项目全景、局部近景照片，内部照片不能通过构筑物内部利用特征反映设施用途情况5。建议设施建成后从设施内部和外部多角度拍摄照片，以整体准确反映设施建设情况。7.2.7 项目录入错误上图入库项目存在录入错误、疑似界定设施农业用地范围不合理、疑似坐标偏移、相邻项目线之间相交、项目之间存在重叠的情况，建议各乡镇逐个项目核实矢量范围，以确保项目用地面积的准确性。7.3 监测探索成效通过上述对农用地的动态变化进行监测，基本摸清了辖区内设施农业用地的动态变化情况，对设施农业用地的管理起到了一定的积极作用，设施农业用地动态变化监测过程、方法及技术路线基本合理，达到了动态变化监测的目的；同时，通过加强与基层备案及上图入库技术人员的沟通，也增强了基层技术人员的业务能力和对政策的了解。参考文献自然资源部，农业农村部.自然资规20194 号关于设施农业用地管理有关问题的通知 Z .2019.自然资源部.自然资办函20201328 号关于设施农业用地上图入库有关事项的通知 Z .2020.自然资源部，农业农村部，自然资发2021 166 号国家林业和草原局.关于严格耕地用途管制有关问题的通知 Z .2021.周璟茹，齐共同，杜鹏.面向备案监管的设施农业用地管理平台建设 J .城市勘测，2022（1）：38-42.庚保君.“设施农业用地监管系统”来了 N .中国自然资源报，2020-09-04.12345上接第 45 页表 4 穿刺处上部最大安全系数和下部最小安全系数Tab.4 Maximum safety factor in upper part and minimum safety factor in lower part of puncture site上部硬层极限承载力（t）上部硬层安全系数下部软层极限承载力（t）下部软层安全系数12 868.291.049 293.280.75桩靴改造后下部软层的安全系数为 0.75，虽然根据安全系数评价方法规定，该井位不允许进行插桩，但本次作业穿刺行程较小，在可控范围之内，可以进行插桩作业。3 结 论通过对恩平20-5区块海龙九号2#桩腿对应桩靴土极限承载力计算，桩靴改造前的上部硬层极限承载力为18 102.80 t，下部软层极限承载力为 7 724.59 t，桩靴改造后的上部硬层极限承载力为 12 868.29 t，下部软层极限承载力为 9 293.28 t。桩靴改造能够有效降低上部硬层极限承载力和提升下部软层的极限承载力。桩靴改造前安全系数为 0.64，最大穿刺行程为5 m，改造后安全系数为 0.75，最大穿刺行程为 2 m。参考文献张爱霞.方形桩靴自升式平台地基极限承载力及结构抗穿刺研究 D .大连：大连理工大学，2014.付丽娜.自升式钻井船桩靴承载能力研究 D .天津：天津大学，2008.张宝平.一种全新的自升式钻井平台预压方法 J .船海工程，2015，44（2）：164-166.吴永朝，李振坤，付辉.渤海某油田隔水导管入泥深度研究 J .石化技术，2019，26（8）：373-375.杨进.海上钻井隔水导管极限承载力计算 J .石油钻采工艺，2003（5）：28-30，94.吴秋云，周扬锐，冯秀丽，等.自升式钻井船基础刺穿分析方法在渤海石油开发区的应用 J .海岸工程，1999（4）：16-21.樊敦秋.辽河作业一号平台总体性能研究 D .青岛：中国海洋大学，2004.1234567桩靴改造能够有效提升安全系数和降低最大穿刺行程。通过对比安全系数和最大穿刺行程，得到桩靴改造降低穿刺风险是可行的。