楊 進 徐國賢 劉書杰 汪順文 黃 熠

（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室； 2.中海油研究總院； 3.中海石油（中國）有限公司）

自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算研究

楊 進1徐國賢1劉書杰2汪順文3黃 熠3

（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室； 2.中海油研究總院； 3.中海石油（中國）有限公司）

開展了樁腿與海底土相互作用分析，提出了自升式鉆井平臺樁腿承載力計算模型，該模型考慮了插樁速度、樁靴上覆土壓力、群樁效應等因素的影響。現場應用表明，本文提出的自升式鉆井平臺樁腿承載力計算模型在預測樁腿入泥深度時具有非常高的準確度，相對誤差在10%以內。

自升式鉆井平臺 樁腿 承載力 入泥深度 計算模型

目前自升式鉆井平臺是我國近海油氣勘探開發(fā)的主要鉆探裝備[1]，由于其受風面積大、重心高且操作較其他類型平臺復雜，再加上目前平臺載荷逐漸增大，新油田的海況和海底情況比較復雜，在拖航、插拔樁、鉆井等作業(yè)環(huán)節(jié)中出現平臺傾斜、樁腿刺穿和拔樁困難等風險的可能性增大[2]，這些復雜事故會造成人員和經濟上的巨大損失。

目前相關文獻提出了不少計算分析和確定插樁深度的模型和方法，但這些模型和方法提出者多數是從理論上開展研究工作，很少開展模擬試驗研究工作，所以給出結果的參考意義受到一定的限制。隨著作業(yè)水深的逐步加深，海況和海底土情況更加復雜，利用這些模型來預測分析自升式鉆井平臺樁腿入泥深度常常會出現與實際插樁作業(yè)的入泥深度誤差很大的情況，對自升式鉆井平臺插拔樁作業(yè)帶來很大的風險，因此需要開展鉆井平臺樁腿插入深度預測模型完善和改進工作，進一步提高模型的預測精度。

1 自升式鉆井平臺樁腿插樁分析

1.1 插樁作業(yè)

海上自升式鉆井平臺樁腿插樁基本上采用靜壓載沉樁。在自升式鉆井平臺拖航就位后，樁腿下放，船體上浮，樁靴支撐在海底土中。在進行預壓載插樁作業(yè)之前，船體浮出水面一定高度，通過往加載水箱內注入海水使樁靴基礎預壓荷載加至設計荷載。預壓載的目的是平衡鉆井平臺在工作過程中可能受到的最大外界荷載，保證一定的安全度，通?？紤]設計為重現期50年或100年風暴荷載。壓載在流程上可分整體壓載和單樁壓載，“海洋石油941”自升式鉆井平臺，采用的是單樁逐級壓載直至設計預壓載值，先進行艏部樁腿預壓載，其次是艉部樁腿[1]。如果采用單樁一次壓載到位，完成預壓載的樁腿會對未進行預壓載的樁腿帶來群樁效應的影響，而且樁腿插入深度越深，相鄰樁腿處土體受到的擾動越顯著，越不利于插樁作業(yè)。如果采用各樁分級循環(huán)壓載，即一個樁腿壓載到一定載荷便進行另外一個樁的壓載，這樣會在較小的土體擾動下完成所有樁腿的預壓載，各樁壓載過程中的群樁效應會隨著各樁的下入得到逐步消散，從而降低了群樁效應帶來的插樁困難和插入深度不一致性問題。

1.2 樁腿與海底土相互作用

樁腿與海底土相互作用表現為當樁腿插入到土層中，樁端（樁靴）附近的土體受到劇烈擠壓而產生壓縮變形，而且隨著樁腿插入阻力的增加，土體顆粒發(fā)生移動，孔隙水受到沖剪擠壓作用形成不均勻水頭，產生急劇上升的超孔隙水壓力，擾動土體結構[3]，原狀土的初始應力狀態(tài)被破壞。當樁端土體所受的壓力超過其抗剪強度時，土體會發(fā)生劇烈變形直至破壞，這種破壞和擾動隨著樁腿的插入會連續(xù)向下傳遞，使樁周一定范圍內的土體形成塑性區(qū)，從而實現樁腿的繼續(xù)下入。這種極限破壞活動對粘性土產生塑性流動，對砂性土產生擠密側移和向下推進，原來處于樁尖的土體被向下向外擠開，樁腿繼續(xù)向下層土體貫入。

另外，同一根樁腿樁身上部某一位置的樁側阻力會隨著樁腿入泥深度的增加而有可能出現升降，同時樁端附近的樁側阻力則隨著樁腿入泥深度的增加而不斷增大。樁端阻力和樁側阻力的變化是由樁土相互作用的特性所決定的。插樁完成后，隨著時間的推移，樁周土體中超孔隙水壓力逐漸消散，土體發(fā)生重新固結[4]，土的抗剪強度和側摩阻力逐步恢復和提高，從而使樁獲得較大的承載力。

2 自升式鉆井平臺樁腿插入深度計算方法

海上自升式鉆井平臺的機動性很強，需要適應不同海況和海底地貌、海底土土質等地質條件，所以不同深度和性質的海底土承載力的計算、樁靴承載能力分析、樁腿入泥深度的預測、刺穿事故的預防等工作都至關重要。

自升式鉆井平臺拖運到預定井位后，樁腿下降到海底，并壓入到海底土中，當海底土對樁腿的阻力等于或超過壓樁載荷時，樁腿插入就會停止[5]。因此，海底土的性質、壓樁載荷大小和樁腿形狀是決定樁腿插入深度的關鍵因素，這些因素在確定自升式鉆井平臺樁腿入泥深度的計算方法中都應體現。

經過理論模擬實驗研究和現場實際資料分析對比，考慮到自升式鉆井平臺插樁速度和群樁效應以及樁靴上覆土壓力等因素影響，并結合現場大量鉆井平臺實際插樁資料，本文提出的自升式鉆井平臺樁腿承載力Q的計算模型為

式（1）、（2）中：As為埋入泥線以下樁側總表面積，m2；f為單位表面摩擦力，t/m2；q（u，δ）為樁腿下入動載和群樁效應影響下的單位樁端承載力，t/m2；Ap為樁端（樁靴）橫向截面積，m2；A′p為樁靴有效面積與樁腿有效面積之差，m2；α為回填土壓力折減系數，通常取值0.3～0.6；p0為樁腳深度處的有效上覆土壓力，kPa；u為樁腿下入速度影響系數，與樁腿下入的凈時間有關，可通過模擬試驗和多口井的現場實際插樁校核統(tǒng)計反演得出；δ為群樁效應影響系數，與樁腿下入時間和下入速度有關，可通過模擬試驗和多口井的現場實際插樁校核統(tǒng)計反演得出；tjing為樁腿下入凈時間，即排除壓載作業(yè)過程中的靜止等候等非樁腿下入的時間，s；v為樁腿下入速度，m/s；t為樁腿下入總時間，s。

由公式（1）、（2）可以看出，自升式鉆井平臺樁腿承載力計算模型中考慮了樁靴上部土的回填，壓載速度的動載因素以及群樁效應等因素的影響。將單個樁腿極限承載力與平臺設計需要加載到該樁腿上最大預壓載進行比較，當所計算出的某一插樁深度處的樁腿極限承載力等于或超過該樁腿上最大預壓載時，認為此插樁深度是可能適合的平臺插樁深度。最后再結合刺穿分析來進一步確定該深度作為平臺作業(yè)時樁腿入泥深度的可靠性和安全性。

3 現場應用

以番禺A井自升式鉆井平臺插樁校核情況來說明本文提出的插樁深度計算模型的應用效果。在“海洋石油941”自升式鉆井平臺就位插樁前對番禺A井場進行了地質勘探，采用靜力觸探（CPT）現場試驗和室內土樣試驗相結合的方法得出土深在0～8.5 m范圍內的鉆井平臺設計參數如表1所示。

表1 番禺A井場鉆井平臺設計參數表

根據番禺A井場土質調查資料，采用本文給出的承載力計算模型，計算出“海洋石油941”自升式鉆井平臺樁腿承載力隨著土深的變化情況（圖1）。

圖1 “海洋石油941”平臺在番禺A井的插樁深度分析曲線

綜合考慮多種因素（如土質資料的準確性、3個樁腿入泥深度的不一致性、樁腿入泥深度的實際測量誤差等）確定番禺A井位的理論插樁深度范圍為3.5～4.5 m，而該平臺3個樁腿實際測量的入泥深度分別為3.7、3.8和4.3 m。由此可見，本文提出的自升式鉆井平臺插樁深度計算模型在預測樁腿入泥深度時具有非常高的準確度，相對誤差在10%以內，體現出了指導現場自升式鉆井平臺就位插樁作業(yè)的工程價值和良好的應用效果。

4 結論

（1）提出了新的自升式鉆井平臺樁腿承載力計算模型，經過現場應用分析校核，考慮了樁靴上部土的回填、壓載速度的動載因素以及群樁效應等因素影響的承載力計算模型在預測自升式鉆井平臺樁腿入泥深度上具有非常高的準確度，相對誤差在10%以內。

（2）自升式鉆井平臺樁腿承載力存在群樁效應影響因素，對于群樁效應因素的掌握需要結合一定海域歷次作業(yè)經驗和插樁校核結果歸納反演。

[1] 施麗娟，李東升，潘斌.自升式鉆井平臺結構自振特性分析[J].中國海上油氣（工程），2001，13（5）：6－8，38.

[2] 胡知輝，趙軍，宋林松，等.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.

[3] 盧凱亮.淺談靜壓樁的施工技術[J].科技創(chuàng)新導報，2008（5）：68－69.

[4] 宋建學，汪耀武，鄭仁清.靜壓樁施工過程中超孔隙水壓力實例分析[J].施工技術，2008，37（增刊）：160－163.

[5] 邢延.自升式鉆井船樁腳插入深度計算[J].巖土工程學報，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

楊進，男，2004年獲中國礦業(yè)大學（北京）博士學位，現為中國石油大學（北京）石油工程學院教授，主要從事海洋石油工程方面的教學和科研工作。地址：北京昌平區(qū)府學路18號中國石油大學石油工程學院（郵編：102249）。E－mail：cyjin1018＠vip.sina.com。電話：010－89733204。

2011－12－18改回日期：2012－03－19

（編輯：葉秋敏）