一種全新的自升式鉆井平臺預壓方法

張寶平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

一種全新的自升式鉆井平臺預壓方法

張寶平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

針對自升式鉆井平臺在特定地層插樁時穿刺事故對鉆井平臺帶來的危害，介紹漂浮壓載方法，基于某鉆井平臺在導管架處的壓載法實例來說明漂浮壓載法實施的條件和步驟，實例表明，漂浮壓載相比于常規(guī)壓載能有效防止鉆井平臺突然穿刺對自升式鉆井平臺樁腿和船體帶來的傷害，可保證鉆井平臺的就位安全，提高現(xiàn)場壓載效率。

預壓載;自升式鉆井平臺;漂浮壓載;穿刺

自升式鉆井平臺按照就位和精度要求就位后，船體升離海面，在作業(yè)狀態(tài)前，與海面保持一定距離，然后開始壓載，該做法有如下好處［1］。

目前海上自升式鉆井平臺壓載方法主要有兩種［2］:各壓載艙分組加壓載水壓載;自重壓載。對3樁靴自升式鉆井平臺，需要向平臺的壓載艙內注入海水，通過加壓載水增加樁靴對地層壓力;而對于4個樁靴的鉆井平臺，則利用其自重，采用對角兩組樁靴輪流施壓的方法，提高對地的壓力。具體方法是將4個樁靴按照對角連線的2個樁靴分為2組，通過操作升降裝置，減小另外1組樁靴對地壓力來實現(xiàn)另外1組樁靴對地壓力的增加。自升式鉆井平臺對地的最大壓力一般出現(xiàn)在預壓狀態(tài)［3］，通過預壓，鉆井平臺樁靴到達預定深度，保證了地基的承載能力。

常規(guī)壓載方法有一定的風險性，其風險性主要來自“穿刺”事故。據(jù)統(tǒng)計，最近幾年每年發(fā)生一到兩起自升式鉆井平臺穿刺事故，每次事故造成的經(jīng)濟損失為100萬～1 000萬美元［4］，2009年中國某自升式鉆井平臺在南海海域準備進行預探井作業(yè)，當船體離開水面2 m，對1號樁進行壓載時，由于海底地質原因，1號樁發(fā)生穿刺，導致船艏傾斜6.2°并繼續(xù)下沉，導致齒輪、齒條和斜拉弦管受損嚴重［5］。

針對穿刺事故對自升式鉆井平臺帶來的危害，有必要對壓載方法進行改進，因此考慮采用漂浮壓載。以渤海內某自升式鉆井平臺在某導管架處成功漂浮壓載范例探討漂浮壓載法的實施步驟和實用性。

1 漂浮壓載條件和步驟

一般鉆井平臺在就位前都會讓相關部門做鉆井平臺插樁入泥深度預測，得到鉆進該平臺的入泥深度曲線和最大預壓載荷下的入泥深度值。如果某一深度范圍內土層是硬土層覆蓋軟土層，土體的承載能力隨著深度的增加而減小，在預壓載期間將會導致平臺發(fā)生穿刺(見圖1)。

圖1 鉆井平臺穿刺

當樁腿樁靴穿刺速度超過齒輪齒條維持船體平衡時的下放能力，將導致平臺偏轉造成平臺損壞，直到穿刺后土體承載力或船體入水增加的浮力達到預壓載時為止，穿刺過程才會停止。鉆井平臺穿刺發(fā)生主要和井位地質參數(shù)、船體壓載量、作業(yè)水深、壓樁時船體氣隙以及船體自身性能有關［6］。

有穿刺危險的層狀地基可分為兩類［7］:砂性土層(有限厚度)下有軟弱粘土層;硬粘土層(有限厚度)下有軟弱粘土層。

圖2為某鉆井平臺入泥深度曲線，由圖2可見，2.5～3.8 m是砂質粉土層，該層下面有2.5 m的軟粘土層，存在穿刺的可能性，必須采用漂浮壓載。

圖2 某鉆井平臺入泥深度曲線

可以看出:樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關系曲線有上限和下限兩種可能，上限曲線無穿刺風險，壓載至最大預壓載荷42.2 MN時樁靴入泥深度為5.0 m。下限曲線在標出的35MN處有穿刺風險，樁靴入泥從1.3 m穿刺至7.2 m，壓載至最大預壓載荷42.2 MN時入泥深度為7.2 m。鑒于壓載過程的不確定性，采用以下壓載步驟。

1)確定平臺脫離水面時樁腳載荷。1#樁: 28.4 MN，2#樁:26.9 MN，3#樁:26.7 MN，未達到穿刺點預壓負荷。平臺升離海面1 m高度，先對1#樁進行第一組壓載，比壓載穿刺載荷35 MN減少1.3 MN，樁腳負荷33.7 MN。計算樁靴入泥，看入泥是否能達到4 m左右。如樁靴入泥能達到4 m左右，則說明樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關系符合上限曲線走勢，此次壓載沒有穿刺風險，則繼續(xù)在氣隙1 m處進行壓載到第4組結束。2#樁、3#樁也按照此方式進行壓載，直到完成本次壓載作業(yè)。

2)如在第一步壓載程序后樁靴入泥沒有達到上限曲線的入泥深度，則樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關系有可能符合下限曲線特征，此次壓載可能存在穿刺風險。為保證穿刺時，最大限度地降低穿刺深度，避免樁腿及升降系統(tǒng)受到損害，則采取“漂浮壓載”方式。由于冬季海況較差，計劃吃水1 m左右進行漂浮壓載以減少海浪對船體產(chǎn)生的影響，此時單樁承受船體浮力為6.7 MN，可以進行第2組和第3組壓載。壓載期間值班人員時刻關注平臺各樁腳吃水，如果發(fā)生變化，及時通知中控。中控操船人員應注意關注水平儀狀態(tài)，關注壓載值班人員的匯報以及潮水的變化趨勢。

2 壓載過程中的應對措施

1)如壓載期間發(fā)生穿刺，應立即降2#、3#樁，盡可能和1#樁水平，直到1#樁停止下降。觀察30 min，如沒有變化則升船30 cm，再觀察30 min密切關注1#樁有無下沉。重復此動作至平臺升至吃水1 m。升船期間關注1#樁各懸管負荷，單個舷管不能超過10.1 MN，3個懸管總負荷不能超過30.3 MN。如果超過，放液位超過海平面的壓載艙壓載水直到滿足負荷要求為止，然后再繼續(xù)進行壓載。在完成第3組壓載后，壓載樁腳反力是38.4 MN，已過穿刺點，升船至1 m氣隙完成第4組壓載。按同樣方式進行2#、3#樁的壓載。

2)如平臺壓載至第3組結束期間沒有發(fā)生穿刺，1#樁漂浮壓載第3組的壓載樁腳反力是38.4 MN，已超過穿刺臨界載荷3.4 MN，排除有穿刺風險。則升船至氣隙1 m完成第4組壓載，觀察3 h，沒問題后放水。2#樁、3#樁的壓載采用氣隙1 m常規(guī)壓載，直到完成本次壓載作業(yè)。

壓載結束后，1#樁入泥深度為2.3 m，2#樁入泥深度為2.0 m，3#樁入泥深度為2.8 m。從就位結束直至鉆井作業(yè)完成，平臺穩(wěn)定，無穿刺發(fā)生。

3 漂浮壓載優(yōu)缺點對比

漂浮壓載在世界范圍內極少應用，因為該方法受海洋條件影響較大，風速必須小于8 m/s，涌浪高度必須小于0.5 m。此次海洋石油鉆井平臺針對“雞蛋殼”地層［8］率先在渤海內采用此法進行壓載，保證了鉆井平臺的安全，避免出現(xiàn)穿刺后樁腿突然貫入導致樁腿變形等重大事故和對平臺的傷害的發(fā)生。

表1為3種壓載方法的對比，通過表1可以很直觀地對漂浮壓載、對角壓載和分組壓載進行區(qū)分。

表1 三種壓載方法對比表

自升式三樁鉆井平臺在遇到穿刺地層時采用漂浮壓載，在某個樁腿突然發(fā)生穿刺的時候，由于船體有一定吃水，在浮力的作用下，船體下沉速度變慢，對平臺船體和樁腿桁架、齒輪的影響和損壞將大大減小。顯而易見，如果按照常規(guī)壓載，因為通常鉆井平臺船底距離海面有2 m氣隙，瞬間的下沉對嚙合的齒根由于應力集中產(chǎn)生了很大的應力［9］，使鎖緊機構受損，最后樁腿產(chǎn)生彎曲。最明顯的例子就是南海某鉆井平臺在壓載時發(fā)生穿刺，造成桁架多根斜拉弦管發(fā)生嚴重變形，被迫停工返修，見圖3。

4 結論

基于穿刺事故的危害性，對于存在穿刺的地層很有必要采取漂浮壓載法進行壓載。

由于本次漂浮壓載是在渤海灣進行，渤海水深普遍介于10～30 m之間，風速不大、涌浪不高，海底流速較小，但是如果在南海100～120 m自升式鉆井平臺作業(yè)臨界水深和實際海況下是否能夠操作并保證安全，還有待進一步研究和現(xiàn)場實踐作為支持依據(jù)。

圖3 鉆井平臺樁腿斜拉弦管嚴重變形

［1］姜偉.自升式鉆井平臺插樁作業(yè)控制技術［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2012.

［2］龔閩.自升式平臺預壓荷載分析［J］.中國海洋平臺，2005，20(2):20-23.

［3］徐增強.自升式海洋平臺樁靴噴沖系統(tǒng)設計［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.自升式鉆井平臺穿刺分析［J］.科技導報，2010，28(17):63-66.

［6］胡知輝.復雜地層條件下自升式鉆井平臺插樁穿刺分析［J］.中國海上油氣，2011，23(5):344-348.

［7］張浦陽.海上自升式鉆井平臺插拔樁機理及新型樁靴靜動承載力研究［D］.天津:天津大學，2008.

［8］董星亮.海洋鉆井手冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2011.

［9］馬邦勇.自升式鉆井平臺樁腿鎖緊齒條的力學分析［J］.石油機械，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

國家863計劃重點項目(2008AA092701-3)

張寶平(1981-)，男，學士，工程師

研究方向:海洋石油鉆井平臺插拔樁、井場調查等

E-mail:qzzbp1981@163.com