自升式钻井平台桩腿入泥深度计算研究

杨 进 徐国贤 刘书杰 汪顺文 黄 熠

（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室； 2.中海油研究总院； 3.中海石油（中国）有限公司）

自升式钻井平台桩腿入泥深度计算研究

杨 进1徐国贤1刘书杰2汪顺文3黄 熠3

（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室； 2.中海油研究总院； 3.中海石油（中国）有限公司）

开展了桩腿与海底土相互作用分析，提出了自升式钻井平台桩腿承载力计算模型，该模型考虑了插桩速度、桩靴上覆土压力、群桩效应等因素的影响。现场应用表明，本文提出的自升式钻井平台桩腿承载力计算模型在预测桩腿入泥深度时具有非常高的准确度，相对误差在10%以内。

自升式钻井平台 桩腿 承载力 入泥深度 计算模型

目前自升式钻井平台是我国近海油气勘探开发的主要钻探装备[1]，由于其受风面积大、重心高且操作较其他类型平台复杂，再加上目前平台载荷逐渐增大，新油田的海况和海底情况比较复杂，在拖航、插拔桩、钻井等作业环节中出现平台倾斜、桩腿刺穿和拔桩困难等风险的可能性增大[2]，这些复杂事故会造成人员和经济上的巨大损失。

目前相关文献提出了不少计算分析和确定插桩深度的模型和方法，但这些模型和方法提出者多数是从理论上开展研究工作，很少开展模拟试验研究工作，所以给出结果的参考意义受到一定的限制。随着作业水深的逐步加深，海况和海底土情况更加复杂，利用这些模型来预测分析自升式钻井平台桩腿入泥深度常常会出现与实际插桩作业的入泥深度误差很大的情况，对自升式钻井平台插拔桩作业带来很大的风险，因此需要开展钻井平台桩腿插入深度预测模型完善和改进工作，进一步提高模型的预测精度。

1 自升式钻井平台桩腿插桩分析

1.1 插桩作业

海上自升式钻井平台桩腿插桩基本上采用静压载沉桩。在自升式钻井平台拖航就位后，桩腿下放，船体上浮，桩靴支撑在海底土中。在进行预压载插桩作业之前，船体浮出水面一定高度，通过往加载水箱内注入海水使桩靴基础预压荷载加至设计荷载。预压载的目的是平衡钻井平台在工作过程中可能受到的最大外界荷载，保证一定的安全度，通常考虑设计为重现期50年或100年风暴荷载。压载在流程上可分整体压载和单桩压载，“海洋石油941”自升式钻井平台，采用的是单桩逐级压载直至设计预压载值，先进行艏部桩腿预压载，其次是艉部桩腿[1]。如果采用单桩一次压载到位，完成预压载的桩腿会对未进行预压载的桩腿带来群桩效应的影响，而且桩腿插入深度越深，相邻桩腿处土体受到的扰动越显著，越不利于插桩作业。如果采用各桩分级循环压载，即一个桩腿压载到一定载荷便进行另外一个桩的压载，这样会在较小的土体扰动下完成所有桩腿的预压载，各桩压载过程中的群桩效应会随着各桩的下入得到逐步消散，从而降低了群桩效应带来的插桩困难和插入深度不一致性问题。

1.2 桩腿与海底土相互作用

桩腿与海底土相互作用表现为当桩腿插入到土层中，桩端（桩靴）附近的土体受到剧烈挤压而产生压缩变形，而且随着桩腿插入阻力的增加，土体颗粒发生移动，孔隙水受到冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生急剧上升的超孔隙水压力，扰动土体结构[3]，原状土的初始应力状态被破坏。当桩端土体所受的压力超过其抗剪强度时，土体会发生剧烈变形直至破坏，这种破坏和扰动随着桩腿的插入会连续向下传递，使桩周一定范围内的土体形成塑性区，从而实现桩腿的继续下入。这种极限破坏活动对粘性土产生塑性流动，对砂性土产生挤密侧移和向下推进，原来处于桩尖的土体被向下向外挤开，桩腿继续向下层土体贯入。

另外，同一根桩腿桩身上部某一位置的桩侧阻力会随着桩腿入泥深度的增加而有可能出现升降，同时桩端附近的桩侧阻力则随着桩腿入泥深度的增加而不断增大。桩端阻力和桩侧阻力的变化是由桩土相互作用的特性所决定的。插桩完成后，随着时间的推移，桩周土体中超孔隙水压力逐渐消散，土体发生重新固结[4]，土的抗剪强度和侧摩阻力逐步恢复和提高，从而使桩获得较大的承载力。

2 自升式钻井平台桩腿插入深度计算方法

海上自升式钻井平台的机动性很强，需要适应不同海况和海底地貌、海底土土质等地质条件，所以不同深度和性质的海底土承载力的计算、桩靴承载能力分析、桩腿入泥深度的预测、刺穿事故的预防等工作都至关重要。

自升式钻井平台拖运到预定井位后，桩腿下降到海底，并压入到海底土中，当海底土对桩腿的阻力等于或超过压桩载荷时，桩腿插入就会停止[5]。因此，海底土的性质、压桩载荷大小和桩腿形状是决定桩腿插入深度的关键因素，这些因素在确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的计算方法中都应体现。

经过理论模拟实验研究和现场实际资料分析对比，考虑到自升式钻井平台插桩速度和群桩效应以及桩靴上覆土压力等因素影响，并结合现场大量钻井平台实际插桩资料，本文提出的自升式钻井平台桩腿承载力Q的计算模型为

式（1）、（2）中：As为埋入泥线以下桩侧总表面积，m2；f为单位表面摩擦力，t/m2；q（u，δ）为桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m2；Ap为桩端（桩靴）横向截面积，m2；A′p为桩靴有效面积与桩腿有效面积之差，m2；α为回填土压力折减系数，通常取值0.3～0.6；p0为桩脚深度处的有效上覆土压力，kPa；u为桩腿下入速度影响系数，与桩腿下入的净时间有关，可通过模拟试验和多口井的现场实际插桩校核统计反演得出；δ为群桩效应影响系数，与桩腿下入时间和下入速度有关，可通过模拟试验和多口井的现场实际插桩校核统计反演得出；tjing为桩腿下入净时间，即排除压载作业过程中的静止等候等非桩腿下入的时间，s；v为桩腿下入速度，m/s；t为桩腿下入总时间，s。

由公式（1）、（2）可以看出，自升式钻井平台桩腿承载力计算模型中考虑了桩靴上部土的回填，压载速度的动载因素以及群桩效应等因素的影响。将单个桩腿极限承载力与平台设计需要加载到该桩腿上最大预压载进行比较，当所计算出的某一插桩深度处的桩腿极限承载力等于或超过该桩腿上最大预压载时，认为此插桩深度是可能适合的平台插桩深度。最后再结合刺穿分析来进一步确定该深度作为平台作业时桩腿入泥深度的可靠性和安全性。

3 现场应用

以番禺A井自升式钻井平台插桩校核情况来说明本文提出的插桩深度计算模型的应用效果。在“海洋石油941”自升式钻井平台就位插桩前对番禺A井场进行了地质勘探，采用静力触探（CPT）现场试验和室内土样试验相结合的方法得出土深在0～8.5 m范围内的钻井平台设计参数如表1所示。

表1 番禺A井场钻井平台设计参数表

根据番禺A井场土质调查资料，采用本文给出的承载力计算模型，计算出“海洋石油941”自升式钻井平台桩腿承载力随着土深的变化情况（图1）。

图1 “海洋石油941”平台在番禺A井的插桩深度分析曲线

综合考虑多种因素（如土质资料的准确性、3个桩腿入泥深度的不一致性、桩腿入泥深度的实际测量误差等）确定番禺A井位的理论插桩深度范围为3.5～4.5 m，而该平台3个桩腿实际测量的入泥深度分别为3.7、3.8和4.3 m。由此可见，本文提出的自升式钻井平台插桩深度计算模型在预测桩腿入泥深度时具有非常高的准确度，相对误差在10%以内，体现出了指导现场自升式钻井平台就位插桩作业的工程价值和良好的应用效果。

4 结论

（1）提出了新的自升式钻井平台桩腿承载力计算模型，经过现场应用分析校核，考虑了桩靴上部土的回填、压载速度的动载因素以及群桩效应等因素影响的承载力计算模型在预测自升式钻井平台桩腿入泥深度上具有非常高的准确度，相对误差在10%以内。

（2）自升式钻井平台桩腿承载力存在群桩效应影响因素，对于群桩效应因素的掌握需要结合一定海域历次作业经验和插桩校核结果归纳反演。

[1] 施丽娟，李东升，潘斌.自升式钻井平台结构自振特性分析[J].中国海上油气（工程），2001，13（5）：6－8，38.

[2] 胡知辉，赵军，宋林松，等.复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析[J].中国海上油气，2011，23（5）：344－348.

[3] 卢凯亮.浅谈静压桩的施工技术[J].科技创新导报，2008（5）：68－69.

[4] 宋建学，汪耀武，郑仁清.静压桩施工过程中超孔隙水压力实例分析[J].施工技术，2008，37（增刊）：160－163.

[5] 邢延.自升式钻井船桩脚插入深度计算[J].岩土工程学报，1991，13（5）：36－45.

Research on leg penetration depth calculation of jack－up drilling platform

Yang Jin1Xu Guoxian2Liu Shujie2Wang Shunwen3Huang Yi3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing，102249；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；3.CNOOC Ltd.，Beijing，100010）

The leg bearing capacity model of jack－up drilling platform has been built through analysis on leg and seabed soil interaction.And the factors such as the penetration speed，pile shoe overburden pressure，the effect of group piles have been taken into consideration during modeling.Field application indicates that the proposed calculation model for leg bearing capacity of the jack－up drilling platform has high accuracy in predicting the leg penetration depth，with the relative error less than 10%.

jack－up platform；leg；bearing capacity；penetration depth；calculation model

杨进，男，2004年获中国矿业大学（北京）博士学位，现为中国石油大学（北京）石油工程学院教授，主要从事海洋石油工程方面的教学和科研工作。地址：北京昌平区府学路18号中国石油大学石油工程学院（邮编：102249）。E－mail：cyjin1018＠vip.sina.com。电话：010－89733204。

2011－12－18改回日期：2012－03－19

（编辑：叶秋敏）