不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究(技术标书)

1、 正 本 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻 井平台插桩预测及适应性研究项目 投投 标标 书书 （技术部分）（技术部分） 招标书编号：招标书编号：cnoocrc(ltd)-2013-kfgc-010cnoocrc(ltd)-2013-kfgc-010 投标单位：北京石大科胜石油科技有限公司投标单位：北京石大科胜石油科技有限公司 2015年年5月月12日日 目 录 - i - 目 录 1. 项目概述 .1 1.1 项目名称.1 1.2 项目介绍.1 2. 委托内容与技术要求 .1 2.1 委托内容.1 2.2 技术要求.1 3. 设计依据 .3 4. 提交文件及要求 .3 5. 项目

2、组织机构 .4 6. 主要参加人员 .5 7. 项目实施方案 .6 7.1 项目实施思路.6 7.2 桩腿入泥深度计算方法.8 7.2.1 钻井平台桩腿入泥深度计算方法.8 7.2.2 不带桩靴的桩腿插入深度计算.17 7.2.3 其它计算公式.20 7.3 刺穿危险性分析.21 7.3.1 桩腿基础刺穿机理.21 7.3.2 桩腿基础刺穿危险性分析方法.22 7.4 自升式钻井平台拔桩阻力计算.24 7.4.1 带桩靴的桩腿上拔力计算.25 7.4.2 不带桩靴的桩腿上拔阻力计算.26 7.5 平台插桩数值模拟.26 7.5.1 平台桩腿插入海底土过程有限元分析思路.26 7.5.2 某油田

3、海洋石油 941 平台插桩数值模拟实例.27 7.6 自升式钻井平台桩腿压载程序优化.31 7.7 项目实施使用软件.32 8. 项目实施试验平台 .33 8.1 实验功能.33 8.2 实验装置.34 目 录 - ii - 9. 项目实施计划 .40 10. 项目实施进度.42 11. 项目成果提交.43 12. 异议与建议.44 13. 项目质量控制及模型对比.44 13.1 完成项目的质量控制 .44 13.2 项目各计算模型间的对比 .44 14. 实验条件.48 14.1 深水模拟实验装置 .48 14.2 海洋结构物与海底土相互作用研究实验装置 .49 15. 相关项目介绍.50

4、15.1 相关项目业绩 .50 15.2 前期相关项目实例 .52 15.2.1 自升式钻井船插桩预测.52 15.2.2 自升式钻井船插桩预测校核结果.58 15.2.3 东海海域自升式钻井平台插桩项目.59 15.2.4 南海东部自升式钻井平台插桩项目.60 15.2.5 南海西部自升式钻井平台插桩项目.62 15.3 自升式钻井平台抗风浪流反力计算 .63 16. 主要知识产权及技术秘密.69 17. 主要技术评价证明.72 18. 自升式钻井平台插拔桩校核技术应用及经济效益证明.74 19. 投标方项目联系方式.78 20. 专业资质认证与证书.79 东方区域气田开发可研、odp-不同

5、类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 1 - 1. 项目概述 1.1 项目名称 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性 研究。 1.2 项目介绍 中海油研究总院拟对东方区域不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性 进行研究，需要研究自升式钻井平台在该区域进行钻井作业的安全与适用性， 自升式钻井平台的插桩和拔桩过程是钻井船在漂浮状态和海底支撑状态之间转 换的过程，对于平台的作业性能和安全性十分重要，而插拔桩分析又与作业区 域的地质条件密切相关，需要丰富的实践经验。 2. 委托内容与技术要求 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性 研

6、究的工作内容包括： 2.1 委托内容 1)根据东方区域浅层地质调查情况，计算分析不同区域土质承载力。 2)根据东方区域海底土承载力纵向分布规律，计算中海油不同类型（重 点是hy94、93系列nh4以及满足该区域钻井能力要求的其他可能资源） 自升式钻井平台插桩深度预测。 3)中海油不同类型（重点是hy94、93系列nh4以及满足该区域钻井能力 要求的其他可能资源）自升式钻井平台穿刺风险分析。 4)中海油不同类型（重点是hy94、93系列nh4以及满足该区域钻井能力 要求的其他可能资源）自升式钻井平台拔桩阻力预测。 2.2 技术要求 1)承包商应具有海上自升式钻井平台桩腿插入设计资质以及在相关水深

7、 作业的钻井平台桩腿插入设计的业绩，同时，桩腿插入计算结果应与 实际结果误差小于10%。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 2 - 2)东方区域（东方1-1气田、东方13-2气田、东方29-1气田）不同深度 的海底土承载力研究要求最少完成但不限于以下研究内容： 对区域海底土力学性质分析。 根据土质调查资料，通过理论分析计算，复核各海底土层的极限承载 力，校正浅层海底土承载力随深度的变化曲线。 3)海油不同类型（重点是hy94、93系列nh4以及满足该区域钻井能力要 求的其他可能资源）自升式钻井平台桩腿插入深度及拔桩阻力研究要 求最少完成但不限于以下研

8、究内容： 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、 东方 29-1 气田）桩腿承载力计算分析。 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、 东方 29-1 气田）桩腿入泥深度研究。 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、 东方 29-1 气田）撤离时拔桩阻力计算分析。 提交不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）拔桩风险应对策略，并能够正确指导钻井平台 成功进行拔桩作业。 4)海油不同类型（重点是hy94、93系列nh4以及满足该

9、区域钻井能力要 求的其他可能资源）自升式钻井平台刺穿风险研究要求最少完成但不 限于以下研究内容： 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方1-1气田、东方13-2气田、 东方29-1气田）桩腿压载过程中刺穿风险分析。 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方1-1气田、东方13-2气田、 东方29-1气田）各桩压载过程中船体倾斜风险分析。 不同类型自升式钻井平台在东方区域（东方1-1气田、东方13-2气田、 东方29-1气田）桩腿压载程序优化。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 3 - 3. 设计依据 1) 不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究技术

10、委托书。 2) api rp 2a, recommended practice for planning, designing, and constructing fixed offshore platforms 一 working stress design, (21st) 3) sname, tr5-5 guideline for site specific assessment of mobile jackup units 4) sname, tr5-5a recommended practice for site specific assessment of mobile jackup

11、 units 5) dnv, cn no. 30.4 foundations 6) 业主提供的设计基础，东方气田地质调查资料，自升式钻井平台相关资 料和业主提供的其它资料。 4. 提交文件及要求 1. 研究成果资料出版按照项目/课题组提供的具体格式编排要求进行出版。 2. 确保提交的书面报告与电子文件保持一致。 3. 提交中文书面报告，结论最少包括： 1) 在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）的海底 土承载力分析计算结果； 2)满足东方区域钻井能力的不同类型自升式钻井平台合理入泥深度； 3)满足东方区域钻井能力的不同类型自升式钻井平台拔桩阻力计算及对策；

12、 4)满足东方区域钻井能力的不同类型自升式钻井平台刺穿风险分析结果及 对策； 5)上述研究成果（书面报告 10 份，a4 幅面；光盘 10 份）提交中海油研究 总院，报告内容应包括采用的标准、实验方法与原理、实验方案、实验条件、 实验结果、计算方法、公式、依据，相应的图表及实验现象的论述与分析以及 对现场作业的建议和推荐做法等。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 4 - 4. 提交上述报告可编辑的电子文件一式 1 份。 5. 其他成果资料一式 10 份。 5. 项目组织机构 不同类型自升式 钻井平台插桩预 测及适应性研究 东方区域海底土 力学性质分析

13、 hy93 系列钻井 平台拔桩阻力计 算分析 海底土承载力随 深度的变化曲线 nh4 钻井平台拔 桩阻力计算分析 hy94 系列钻井 平台拔桩阻力计 算分析 hy93 系列钻井 平台拔桩风险应 对策略研究 hy94 系列钻井 平台拔桩风险应 对策略研究 nh4 钻井平台拔 桩风险应对策略 研究 hy93 系列钻井 平台入泥深度研 究 复核各海底土层 的极限承载力 hy94 系列钻井 平台入泥深度研 究 nh4 钻井平台入 泥深度研究 hy93 系列钻井 平台稳定性研究 hy94 系列钻井 平台稳定性研究 nh4 钻井平台稳 定性研究 hy93 系列钻井 平台刺穿风险度 研究 hy93 系列钻井

14、 平台倾斜风险度 研究 hy94 系列钻井 平台刺穿风险度 研究 hy94 系列钻井 平台倾斜风险度 研究 nh4 钻井平台刺 穿风险度研究 nh4 钻井平台倾 斜风险度研究 hy93 系列钻井 平台压载程序优 化 hy94 系列钻井 平台压载程序优 化 nh4 钻井平台压 载程序优化 图 5.1 项目组织机构图 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 5 - 6. 主要参加人员 项目组的全部成员都将胜任以实现项目目标。通过完整的质量程序管理， 执行并控制各阶段工作，以求按时高质完成设计工作。 表 6.1 项目参加人员简介表 姓姓 名名学历学历专业专业职称

15、职称职务职务工作经历工作经历 杨 进博士油气井工程教授副主任从事海洋工程研究工作 高旺来博士油气井工程副教授从事海洋工程研究工作 高宝奎博士油气井工程研究员从事管柱力学研究工作 朱 益硕 士油气井工程副教授从事海洋工程研究工作 周建萍博士石油工程副教授从事石油工程研究工作 朱智颖博士海洋工程副教授从事石油工程研究工作 徐云锦博士石油工程从事石油工程研究工作 焦金刚硕士生海洋工程从事石油工程研究工作 田瑞瑞硕士生海洋工程从事海洋工程研究工作 周 波硕士生石油工程从事石油工程研究工作 李 春硕士生石油工程从事石油工程研究工作 魏 倩硕士生石油工程从事海洋工程研究工作 吴 怡硕士生海洋工程从事海洋工

16、程研究工作 严 德硕士生海洋工程从事海洋工程研究工作 闫雪利硕士生岩土工程从事石油工程研究工作 张磊硕士生海洋工程从事海洋工程研究工作 葛俊瑞硕士生海洋工程从事岩土工程研究工作 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 6 - 7. 项目实施方案 7.1 项目实施思路 1)根据东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）地质 调查情况，分析海底土力学性质。利用地质勘查得出的海底土性质参数， 通过理论分析计算，确定各海底土层的极限承载力。结合钻孔柱状图和 cpt 试验资料，进行海底土承载力纵向分布规律研究，得出承载力较大 的土层埋

17、深，以及承载力较小的薄弱层所在位置。 2)自升式钻井平台桩腿承载力计算模型的研究与选取，本项目欲采用 api 模型和中国石油大学模型分别计算，综合分析得出自升式钻井平台在东 方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）平台场址的 桩腿入泥深度范围，以提高预测的精度，科学指导现场预压载作业。 api 模型和中国石油大学模型（cup 模型）的对比见表 7.1。具体对比 见第 13 章。 表 7.1 api 模型和 cup 模型对比 3)根据不同类型（重点是 hy94、93 系列nh4 以及满足该区域钻井能力 要求的其他可能资源）自升式钻井平台桩腿结构，结合不同类型（重点

18、 是 hy94、93 系列nh4 以及满足该区域钻井能力要求的其他可能资源） 自升式钻井平台的最大载荷情况，采用自升式钻井船桩腿入泥深度 api 计算模型和中国石油大学计算模型对不同类型（重点是 hy94、93 系列 nh4 以及满足该区域钻井能力要求的其他可能资源）自升式钻井平台 在东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）平台场 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 7 - 址预压载时的入泥深度进行计算，分别绘制出不同自升式钻井船桩腿承 载力曲线。将两种计算方法的计算结果进行汇总，在同一个桩腿入泥深 度与承载力关系坐标

19、系下绘制两种方法计算出的承载力曲线图，以便对 两个计算模型的计算结果进行对比分析。针对存在刺穿风险的特殊地层 分层情况，采用所掌握的刺穿风险分析技术对自升式钻井船在插桩压载 过程中出现刺穿可能性进行研究。综合运用所拥有的自升式钻井平台插 桩控制技术，确定出东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）平台场址不同钻井平台桩腿安全的入泥深度，并给出插桩深 度预测范围。 4)根据不同类型（重点是 hy94、93 系列nh4 以及满足该区域钻井能力 要求的其他可能资源）自升式钻井平台压载程序，结合平台载荷及桩腿 载荷分布情况，以及三条桩腿插入位置的海底土承载力分布情况，研

20、究 不同类型（重点是 hy94、93 系列nh4 以及满足该区域钻井能力要求 的其他可能资源）自升式钻井平台在东方区域相应井位的压载过程中船 体的稳定性。对可能发生的倾斜情况进行分析。 5)考虑群桩效应，对平台压载程序进行优化。 6)根据东方区域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）平台 场址海底土性质进行拔桩阻力分析。对不同类型（重点是 hy94、93 系 列nh4 以及满足该区域钻井能力要求的其他可能资源）自升式钻井平 台撤离时拔桩阻力进行计算。拔桩阻力的计算需要考虑钻井周期，即自 升式钻井平台在相应平台场址作业的时间长短将会影响到拔桩阻力的大 小。因为土体强度

21、的恢复程度是时间的函数。本项目中将根据实际作业 情况，按照 36 个月来选取钻井周期。计算出自升式钻井平台在东方区 域（东方 1-1 气田、东方 13-2 气田、东方 29-1 气田）平台场址的可能 的拔桩阻力，选取最大可能的拔桩阻力与自升式钻井平台极限拔桩能力 进行比较，判断自升式钻井平台在预定平台场址是否存在拔桩困难。 7)对自升式钻井船的载荷分布情况和重心到相应倾覆轴线的距离进行分析， 研究钻井船抗倾覆稳定性。分析钻井船作业荷载分布对平台抗倾覆稳定 性的影响。按照中国船级社规范进行钻井船抗风浪流稳定性分析。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 8

22、 - 项目实施技术路线如图 7.1 所示。 图 7.1 项目实施技术路线 7.2 桩腿入泥深度计算方法 根据钻井船基本结构情况，在进行钻井船桩腿入泥深度计算时，一般把钻 井船桩腿分为三种主要类型进行研究，即：独立基础带桩靴型、三条腿带桩靴 型、四条腿不带桩靴型。 7.2.1 钻井平台桩腿入泥深度计算方法 钻井船拖运到预定井位后，桩腿下降到海底，并把它压入到地基土中，当 地基土对桩腿的阻力等于或超过压桩载荷时，桩腿贯入就会停止。地基土的性 质、压桩载荷的大小和桩脚的形状是决定钻井船桩腿插入深度的关键因素。 计算地基土承载能力时，桩靴的埋入条件是很重要的。在桩靴插入过程中， 很大的土体被挤开，若桩

23、靴上的桩腿是桁架式的，则被挤开的土可能又回填到 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 9 - 桩靴以上。这将会影响到地基土的承载力（即桩靴的插入深度计算）。图 7.2 是桁架式桩腿结构示意图，图 7.3 为圆筒式桩腿照片及其受力示意图，图 7.4 为 正在建造中的海洋石油 941 平台的桩靴。 图 7.2 自升式钻井平台基础型式 图 7.3 自升式钻井平台圆筒型桩腿及受力示意图 图 7.4 hysy941 号自升式钻井平台桩靴 1)基础在海底表面时（如点桩作业阶段），如图 7.5 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应

24、性研究 - 10 - 图 7.5 平台桩靴在海床表面 （7.1） ou qq 式中：理论承载力； u q 决定桩靴插入深度的实际承载力。 o q 2)基础以上尚未回填时（形成稳定的孔穴，桩靴上部未出现土体回填） ，如图 7.6 所示。 图 7.6 平台桩靴上部土体未回填 （7.2） ou qqd 式中：基础排开土体的浮容重； d基础插深。 3)基础以上回填时（贯入土体部分的桩腿被回流土体覆盖） ，如图 7.7 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 11 - 图 7.7 平台桩靴上部土体完全回填 （7.3） 1ou qdqd （7.4） 1 ()

25、ou qqdd 对于所考虑的桩靴的形状，超荷项可用近似代替。 1 ()dd v a 式中：v桩靴排开土的体积； a桩靴最宽处的横截面积。 则，公式（7.4）式可写成： （7.5） ou v qq a 或和相比是相当小的；若桩靴上面的土未被回填，则超 1 ()dd v a u q 荷项是，这种可能是很大的。d 海底土的分层分布状况及土体力学性质直接决定了海底土的承载力。对海 底土性质的处理，通常是将其分为砂性土、粘性土和砂粘性互层。下面给出了 在不同性质和不同成层分布的海底土中平台桩腿承载力计算模型。 (1) 粘性土层 1951 年由 skempton 提出如下公式： （7.6） vasnq u

26、cg 式中：粘性土层极限承载力，t； g q 承载力系数，它是基础埋深和基础尺寸的函数； c n 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 12 - 计算断面下 b/2 范围内土壤的平均不排水抗剪强度，t/m2； u s 9)2 . 01 ()2 . 01 (5 l b b d nc 若为圆形基础则： 9)2 . 01 (6 b d nc d计算断面至海底泥面的深度，m； a计算断面的面积，m2； b桩靴计算断面的宽度，m； l若为方形时是基础长度，m； v桩靴排开土的体积，m3； 桩靴排开土的浮容重 t/m3； 最后： （7.7） vas b d q ug

27、 )2 . 01 (6 公式（7.7）的使用范围： 40.0m ， =0.14 sum/pm0.4， 而 l26.5m ， =0.395-0.078lnl sum/pm0.4， 而 l26.5m ， =0.14 lnl为自然对数。 对于固结性较差的粘性土，可能计算得到 f sum，但仍用 fsum。 以上介绍的三种确定粘性土与桩壁摩擦力的方法，都是在实践经验中总结 出来的。由于不同地区的土质特点有所差异，使用这些方法时应有所选择。如， api 方法 1 是在墨西哥湾高塑性粘土的基础上提出的；对于 api 方法 2 中的 a 值和 81 年 lambda 方法中的 值的选择都须结合不同地区的土质

28、特点，通过实 践，积累经验，适当择用。 美国 mcclelland 公司在一份资料中，对于渤海粘性土的 f 值，采用重塑土 的强度值（su 重）。在没有重塑土强度值的情况下，使用原状土强度值的 1/2。 对于桩端阻力： （7.28） ucs nq 式中：su土的不排水抗剪强度； nc承载力系数，通常按 nc =9 采用。 (2) 桩腿插入砂性土层中 当桩腿插入砂性土层时，土与桩腿表面的摩擦阻力可由下式计算： （7.29） tan o kpf 式中： k地层侧压力系数，对轴向压缩载荷 k0.51.0； po有效上覆土压力； 桩与土的摩擦角，一般可取；5 土的内摩擦角。 桩端阻力： （7.30）

29、qon pq 式中：nq承载力系。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 21 - 从上面两式可以看出，f(q)值与 po成正比关系，而 po是随土层埋深 d 增加 的。因此 d 愈大，f(q)值也愈大。但实际上到某一临界深度时，f(q)值基本上就 不再增加。故 api 规范规定了 f(q)的上限值。见表 7.2。 表 7.2 api 规范对砂性土值的规定 内摩 擦角 桩土摩 擦角 典型水下 重度 极限表面 摩擦力 极限桩尖 阻力 承载力系数 fmaxqmax 土质类型 kn/m3 nqnrkpampa 非常松散的砂20157.066.45.447.87

30、1.91 中密的砂-粉砂25207.8510.710.9672.87 密实的砂-粉砂30258.6318.422.481.424.79 非常密实的砂-粉砂35309.4233.34895.759.57 非常密实的砂403510.264.2109114.9711.97 7.2.3 其它计算公式 对带桩靴的自升式钻井船桩腿插深计算方法还有日本推荐的修正太沙基 (terzaghi)公式，日本东海打捞公司提供的渤海土质调查报告书中，采用了此公 式，而且得到较好的效果。 （7.31） qfrcu ndbnacnq 21 式中： qu极限承载力； c桩靴下地基土的粘聚力； 桩靴下地基土的浮容重； 1 桩靴

31、计算断面至海底泥面间土的浮容重； 2 df桩靴计算断面处的埋深； 形状系数，圆形；、a3 . 0, 3 . 1a nc、nr、nq承载力系数。由查表 7.3 可得。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 22 - 表 7.3 承载力系数推荐值 修正的 terzaghi 公式承载力系数（日本）terzaghi 和 peck 公式承载力系数 （api） c n r n q n c n r n q n 05.301.005.140.001.0 55.301.456.400.451.56 105.301.9108.331.222.74 156.51.22.915

32、10.572.653.94 207.92.03.92014.815.386.39 259.93.35.62520.7110.8710.66 2811.44.47.13030.1422.418.40 3220.916.614.13546.1148.0233.29 3642.230.531.64075.31109.4064.19 4095.7114.081.245133.87271.74134.87 45172.3173.350266.87762.84319.05 50347.1414.7 7.3 刺穿危险性分析 自升式平台插桩压载过程中最大的风险就是穿刺受损和入泥太深不能成功 拔桩。在进行拖航就

33、位作业前需要按照海洋井场调查规范进行地质调查和 入泥、地基稳定性分析。然后根据分析报告中的平台桩靴入泥曲线的指导就位 压载作业。如果没有相对准确的井场调查资料，海床可能存在斜坡、古河道、 海底线缆和遗弃硬物等，给平台就位带来危险。没有准确的地质情况分析报告 的指导，平台在压载作业过程中可能会导致平台插桩入泥太深造成拔桩困难或 遭遇穿刺而使平台受损。 7.3.1 桩腿基础刺穿机理 自升式钻井平台基础刺穿是指钻井船在升船压桩过程中，桩脚基础遇到硬 土层之下存在软土层的层状地基，由于钻井船桩脚基础具有面积小，压载大的 特点，尤其是桩腿式钻井船，升船压桩时桩脚基础可对地基施加高达 2900kpa 东方

34、区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 23 - 的压载，当桩脚施加的压载超过层状地基承载力时，地基土发生冲剪破坏，桩 腿穿过硬土层进入软土层后，由于承载力的大幅度下降，造成钻井船桩腿的迅 速下沉现象。一旦刺穿发生，就可能造成桩腿损坏、船体倾斜，甚至翻沉。因 此，在硬软层状地基发育海区，钻井船桩脚基础的潜在刺穿危险是对钻井船 安全的严重威胁。 考虑到前面提到的分层现象及形成分层土的各种地质作用，将有刺穿危险 的成层土可分为两类： （1）上层为硬粘土，下层为软粘土； （2）上层为砂土，下层为粘土。 对于第一种情况，桩靴发生穿刺时贯入深度常达到桩靴直径的 1.5

35、倍，在 突然贯入停止之前，不可控制的深度范围大约为 0.5 倍的桩靴直径。 因此，在硬土层覆盖于软弱下卧层的层状地层体系中，自升式钻井平台插 桩过程中应考虑桩脚失稳、发生穿刺、插桩倾斜的可能性。插桩前的井场工程 地质调查是非常必要的。定量的评价除了采用合适的计算公式外，重要的是取 准地层资料和土的物理力学指标，其中最重要的指标是粘性土的不排水抗剪强 度和砂性土的内摩擦角。 7.3.2 桩腿基础刺穿危险性分析方法 当一硬粘土层或粒状土层之下潜伏着一层软粘土层时，上下之间承载力的 不同可能会存在桩脚潜在的刺穿危险。对于这种类型的土质剖面必须进行刺穿 分析。 刺穿分析通常采用 young 和 foc

36、ht 发展的 31 荷载扩展分析法。该方 法假定施加在上层(硬土层)上的基础荷载被扩展通过硬层，在软弱层的顶面产 生一假设的等效基础。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。刺穿的安 全性主要取决于上覆硬土层的厚度和下伏软土层的强度，如图 7.12 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 24 - 图 7.12 桩腿基础刺穿分析计算示意图 刺穿分析中单位面积极限承载力的表达式为： （7.32） 6(1 0.2/ nppn qsudb aaq(硬层) 式中：为等效基础面积=ap

37、1+2h/3b；为等效基础直径， p a p a b =b+2/3h；为等效基础深度，=d+h；a 为实际基础面积：h 为实际 b d d 基础面之下硬土层的厚度；b 为实际基础直径；d 为实际基础深度；（硬层） n q 为假设硬土层无限厚时的承载力。计算出后，代入式(1)或式(2)，便可求出刺 n q 穿分析中的极限承载力 p。当存在潜在刺穿危险时，将根据相对于刺穿的安全 系数来评价在预定井位上钻井船插桩的适应性（如图 7.13）。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 25 - 图 7.13 钻井船在预定井位插桩适应性评价 如果设计的预压载等于最大设

38、计桩腿荷载，那么可接受的安全系数定义 s f 如下： 1.5 s f 在硬土层中计算出的最大承载力 预计的最大桩腿荷载 通常认为：最大安全系数1.5 时，预定井位是可以适应钻井船插桩的。当 安全系数小于 1.5 但大于 1.2 时，只要最小计算安全系数等于或大于 1.2，预定 井位仍然可认为适合钻井船插桩。即： 1.2 s f 在软下卧层中计算出的最小承载力 预计的最大桩腿荷载 7.4 自升式钻井平台拔桩阻力计算 钻井船在完成一口井的钻探作业后就要拔桩和移位，拖至下一个井位。桩 腿从海底土中拔出，就会遇到土壤的阻力。在正常压密或欠压实的粘性土层中， 压桩时桩侧面与土体间形成的间隙，由于沿桩周围

39、的软土受到挤密作用，容易 密合。钻井船就位后作业周期一般需几个月，这时土体对桩侧面的极限摩阻力 有可能等于或大于原状土的强度。对于超压密的坚硬粘性土，土体与桩腿之间 的间隙不易密合，故对桩侧面的摩阻力仅是原状土强度的一部分。对于砂性土 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 26 - 层，由于循环载荷（如波浪载荷）对桩腿的作用，使桩腿周围的砂更加密实， 这样就可能增加了砂对桩腿表面的摩擦阻力。但砂层的承载能力较高，当桩腿 插入较浅时，相应拔桩阻力较小；而对粘性土层则存在桩腿初始拔动阻力问题。 土层对桩腿的吸附作用，可用高压枪射水予以破坏，计算时可不考虑。

40、7.4.1 带桩靴的桩腿上拔力计算 1962 年，turer 对带桩靴的桩腿上拔力提出如下计算公式： 当 d/b1.5 时： （7.33） 0.5222 2.1() () () utuo d qsbb b 当 d/b1.5 时： （7.34） 22 5.8() utuo qs bb 式中：极限拔桩力； ut q 土的不排水抗剪强度； u s d桩靴插入深度； b桩靴最宽处直径； bo桩腿直径。 上面两式均未考虑桩腿自重的影响。 对于桩靴形状对拔桩力的影响，1975 年 tetior 通过实验室模拟试验，得出 如下结论。在砂性土层中，桩靴插入很浅时，凸顶桩靴比平顶桩靴阻力大 1017；在粘性土层

41、中或在砂性土层中插入较深时，凸、凹或平顶桩靴的拔 桩阻力均是相等的。 国外石油公司使用如下公式，计算了具有带桩靴的桁架型桩腿的拔桩力， 计算结果与实测结果比较相符，这里提供参考： （7.35） asvwq uut 式中：极限上拔力，t； ut q w桩腿和桩靴浮重，t； 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 27 - v桩靴以上回填土的体积，m3； a桩靴以上土的圆柱体表面积，m2； 桩靴以上回填土的浮容重，t/ m3； su土的不排水抗剪强度，t/ m2。 7.4.2 不带桩靴的桩腿上拔阻力计算 根据 api 规范，不带桩靴的桩腿上拔极限阻力可等于桩侧

42、壁摩擦阻力 qf。 对于粘性土： u sf 砂性土：桩与土的单位摩擦力 f 计算方法同于压桩计算方法。 7.5 平台插桩数值模拟 7.5.1 平台桩腿插入海底土过程有限元分析思路 桩的工作性状是岩土工程中不确定的问题之一，其中的主要原因是对桩在 打入、加载过程中所造成的桩周土物理状态和应力状态的改变还不是很清楚。 因而，在大部分桩基础数值模拟中，桩（单桩或者群桩）都是被放在预定设置 的桩孔中，直接忽略了桩的设置过程，在这种分析中，挤土成孔桩（如自升式 平台插桩）和取土成孔桩（钻入法下隔水导管）之间没有任何区别，这显然是 一个很大的不足。因而，对自升式钻井平台插桩深度问题进行数值模拟是很有 必要

43、的。 采用 abaqus/standard 中的大变形计算功能来求解。对于单桩贯入问题， 可以简化为轴对称问题进行求解。但是，在土体中心线处的边界条件设置需要 特别注意。由于轴对称条件的限制，这些区域是不能发生穿越中心线的水平变 形的，可以出现远离桩中心线的开裂变形，即由于桩的打入，土体被挤走。严 格意义上来讲，这种桩腿的下沉导致的土体开裂并不属于连续介质问题，而且 显然与土的抗拉强度有关系。 在利用 abaqus 软件进行有限元技术的数值模拟，一般要经过如图 7.14 所示的环节。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 28 - 图 7.14 abaq

44、us 软件进行数值模拟一般步骤流程图 7.5.2 某油田海洋石油 941 平台插桩数值模拟实例 (1)挤土位移：某油田海洋石油 941 平台插桩过程中，网格变形前后对 比图（图 7.15）。插桩结束后的海底土土体如图 7.16 所示。由图 7.16 可见网 格的形态都比较好，体现了 ale 方法（网格重划分技术）的效果。由于采用 ale 方法，节点脱离了物质点移动，位移等值线云图是没有意义的。 图 7.15 某油田 hy941 平台插桩海底土变形对比图 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 29 - 图 7.16 某油田 hy941 平台插桩结束后海底土

45、土体图 由图可见，土体被向下和向右挤动。在径向，第一列的单元宽度有明显的 减少，而第三列单元宽度就基本不变，这意味着大部分径向压缩发生在 12 倍 桩直径范围内的土体之中。桩端以下土体受到明显压缩，而桩端以上的土体受 到的压缩并不明显。这表明对于某一深度的土体而言，当桩端达到相应的深度 之前，竖向是加载的，而当桩达到相应深度继续下沉时，竖向是卸载的。这些 挤土效应的特点与我们分析采用的工况和模型参数是有关联的。 (2)挤土应力：插桩结束后的径向应力 s11、竖向应力 s22、圆周向应 力 s33 分别如图 7.17、图 7.18、图 7.19 所示。 图 7.17 某油田 hy941 平台插桩

46、结束后土体径向应力图 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 30 - 图 7.18 某油田 hy941 平台插桩结束后土体竖向应力图 图 7.19 某油田 hy941 平台插桩结束后土体圆周向应力图 从以上各应力图中可以看出：由于桩腿的插入，水平应力和竖向应力都有 所增加。同样可以看出与径向应力 s11 的分布图相比，竖向应力的应力泡在水 平方向要小一些。但是竖向要大一些。所有应力最大值出现在锥尖肩部而不是 锥尖处。这是因为锥尖肩部有明显的转折，容易出现应力集中现象。图中的应 力除了沉桩挤土产生的应力外，还包含有由自重产生的初始应力。由图可见， 桩尖处的

47、径向应力最大值为：10mpa（初始应力为 842kpa），应力泡（应力影 响范围）的范围约为 911r（r 为桩的半径）。在桩端以下，径向应力快速降 低，大约在 45r 之下径向应力降为初始水平应力的大小。竖向应力最大值出 现在桩端以下的单元，为 135.9mpa（初始应力为 102.4mpa）。与径向应力 s11 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 31 - 的分布图相比，竖向应力的应力泡在水平方向要小一些，但是在竖向要大一些。 在桩尖以上靠近桩壁的部分土体中，有部分竖向应力为正（以拉为正）的土体， 这是因为桩尖经过相应深度之后，竖向应力处于卸载状态

48、。但是这些区域的平 均应力状态仍然是受压的。s33 在三个正应力中增加得最小，最大值为 126.2mpa（初始应力为 101.1mpa），发生在桩端土体单元。在桩腿的插入过程 中，土体受到了极大程度的挤压，图 7.20 给出了等效塑性应变的分布图。由图 可见，在锥尖及锥侧产生了塑性应变区。图 7.21 给出了桩尖土体竖向应力与插 桩深度间的关系曲线。 图 7.20 土体等效塑性应变分布图 图 7.21 桩尖土体竖向应力与插桩深度间的关系曲线图 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 32 - 7.6 自升式钻井平台桩腿压载程序优化 由于桩腿插入后对土的扰动

49、在 46 倍的桩径范围内影响比较大，所以一次 插入到位可能对其他桩腿位置的土产生扰动，不利于桩腿的插入。建议可改单 桩逐个压载法（如图 7.22）为各桩载荷分级循环压载（如图 7.23）。 海洋石油 941 号钻井船桩腿推荐压载流程如图 7.22 所示。 图 7.22 海洋石油 941 号钻井船桩腿压载流程 1 示意图 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 33 - 图 7.23 海洋石油 941 号钻井船桩腿压载流程 2 示意图 7.7 项目实施使用软件 北京石大科胜石油科技有限公司使用下列软件执行该项目。 表 7.4 执行项目所使用的软件 办公软件工

50、程技术软件 electronic mailmicrosoft projectautocad20042d drafting microsoft wordproject managementmathcad 12.0engineering calculation microsoft excelmicrosoft powerpointwamit 6.4hydrodynamic analysis spreadsheetmicrosoft outlook/exchangeabaqus6.10ansys12.0 word processing sacs 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插

51、桩预测及适应性研究 - 34 - 8. 项目实施试验平台 自升式钻井船在插拔桩作业时，平台桩腿与周围土体会相互作用。针对研 究分析海底土在桩腿贯入和拔出过程中发生破坏的机理，获得土体与桩靴相互 作用的有关数据等不确定因素较多而理论分析存在困难的问题，实验是必不可 少的有效途径。将模型实验与数值模拟结合，检验彼此的合理性，发现其中的 规律，从而起到很好的研究钻井船桩腿与海底土相互作用的效果。现有的规范 和计算方法对于自升式平台桩土相互作用（插桩、拔桩）的分析预测仍不是很 完善，在一些海底土条件较复杂的井位，理论预测的桩腿入泥深度和拔桩阻力 与实测的结果存在较大的误差，不能科学的指导现场作业。鉴于

52、此，针对具体 桩靴的几何特征，开展相关的室内桩靴模型实验和数值模拟实验，指导理论分 析的进行，修正与完善理论模型，减小计算分析误差，提高预测准确性是很有 意义的。 8.1 实验功能 实验系统设计可以模拟桩土相互作用，即模拟桩基吸附、桩基贯入、桩基 穿透和地基沉降等行为，又可以对海洋结构物安装和运行期间的海底土承载力 变化进行研究。具体模拟实验功能包括： (1) 插拔桩实验 不同结构形式桩基的贯入和拔出模拟实验； 成层土地基承载力实验和对桩基拔出的影响实验； 研究贯入和拔出过程中地基土体流动及破坏模式； 超静水压对地基承载力的影响及拔桩时负孔隙水压及吸附力实验； 冲桩效果研究实验； 冲桩上顶力实

53、验。 桩腿的倾斜对插拔桩的影响实验。 (2) 双层地基穿透实验 上下层地基厚度比对穿透的影响； 上下层地基抗剪强度比对穿透的影响； 桩基形状对穿透的影响； 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 35 - 冲桩阀流量对穿透的影响。 (3) 桩基础长时间固结实验 桩腿长时间固结耦合实验； 土体固结产生的沉降； 桩坑坍塌及边坡稳定实验。 (4) 群桩贯入模拟实验 不同排列的群桩基础的贯入模拟实验； 研究群桩贯入过程中地基土体流动及破坏模式。 8.2 实验装置 (1) 装置系统说明 根据研究内容和所设计的实验功能，设计钻井船插拔桩实验装置系统，此 系统主要用于为

54、桩腿模型提供压力与位移的参数设定关系，即在选用不同结构 类型和尺寸的桩腿模型，设定一定的加载力时，检测出所对应的位移数值，以 及在不同力学性质土体里，下压桩腿模型的力随深度变化关系等。将所测试出 的数值保存，给实际应用提供数据参考，为土体承载力计算模型的建立提供实 验数据。 (2) 构成设备初始设计 初始设计的实验台设备组件主要是 y 轴位移组件、回转轴组件、龙门架组 件、伺服电动缸组件、桩靴模型快速连接机构组件，y 轴锁紧机构组件、电器 及软件控制组件等。各组件组成实验台结构示意如图 8.1 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 36 - 图

55、8.1 初始设计实验台 图 8.1 中各标号组件分别对应如下：为电器控制柜组件；为软件参数 设定触摸屏；为连接桩腿模型组件；为 5t 伺服电动缸组件；为龙门架组 件；为回转轴组件；、为 y 轴位移组件；为锁紧机构组件。由于实验 室空间高度上的限制，将 x 轴移动机构改为回转机构，用电动控制回转 0到 90，以便更换桩腿模型。 实验室净高的限制，对 z 轴向位移组件进行了改进设计。另外为了提升实 验平台结构的安全可靠，将 y 轴向位移组件安装位置从实验乘土的有机玻璃箱 上移至水泥地面上。如图 8.2 所示。 图 8.2 改进设计实验台 (3) 构成设备改进设计 考虑到初始设计的实验台不能实现在

56、x 方向移动，且压载系统与承载系统 x y z 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 37 - 为一体，增加了系统内部力的传递复杂性，实验台也显得笨重，所以重新按照 实验功能确定了最终如图 8.3 所示的实验台，目前该实验装置正处于加工即将 完工阶段。 图 8.3 改进实验装置方案图(a) 图 8.3 改进实验装置方案图(b) 正在加工中的实验台能够实现桩腿模型（如图 8.3）在 x、y、z 三个方向 移动。其采用液压缸驱动，给桩腿模型提供的最大下压力与上拔力均设计为 5 吨；零件可拆卸，便于运输和安装。此外，改进设计的实验台所提供的下压力 和上拔力可以

57、实时采集，并以图形显示和数据保存的方式输出，且可以被 excel 程序读取。 实验用装实验土体材料的有机玻璃槽的底部和四周均采用了有机玻璃，便 于对实验过程中土体的变形、破坏和流动的观察。如图 8.4 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 38 - 图 8.4 实验用有机玻璃槽 从图 8.4 中可以看出有机玻璃槽里已装有实验用的土体。本实验的一大特 点如下： 同批次完成在不同性质的土体下插桩或拔桩实验。即无需更换土体即可在 事先设置好的三种不同土质的土层条件下进行插拔桩实验。这三种不同土质的 土层分别是：粘性土、砂性土、粘-砂互层。在图 8.4

58、所示的实验用有机玻璃槽 的照片中由远及近分布的三种土质的土层依次是粘性土砂-粘互层土（成层土） 砂性土。 实验用的桩腿模型已加工完成，如图 8.5 所示。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 39 - 图 8.5 实验用桩腿模型 实验用传感器是由交通运输部天津水运工程科学研究院设计的电阻应变片 拉压力传感器和倾角传感器。 电阻应变片拉压力传感器（如图 8.6） ，是将被测件上的应变变化转换成为 一种电信号的敏感器件。将金属应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力 学应变的基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改

59、变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在 受力时产生的阻值变化通常较小，因此都将应变片组成应变电桥，并通过后续 的信号放大器将信号放大和信号转换，使其达到适合采集仪所能采集到的信号。 图 8.6 实验用拉压力传感器 电阻应变片拉压力传感器指标参数： 输出信号：420 ma； 非线性：0.1 % fs； 温漂：0.01 % fs /； 零位输出：2fs； 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 40 - 工作电压：12 或 24v d c； 工作温度：-2080； 过载能力：150% fs。 倾角传感器（如图 8.7）是一款高集成的姿态测量产品，用于

60、测量物体的倾 斜角。倾斜角的测量范围为15,测量精度高，提供 asc码输出方式，并提 供 rs485 接口。 图 8.7 实验用倾角传感器 倾角传感器指标参数： 工作电压：8-12v d c（额定 12v） ； 电源引线：红正黑负； 工作电流：30ma； 信号输出：485 总线； 引线：绿正白负； 波特率：30014400 b p s 可调； 响应时间：10250ms 可调，默认 10ms； 测量范围：士 15； 分辨率：0.01； 精度：0.03。 东方区域气田开发可研、odp-不同类型自升式钻井平台插桩预测及适应性研究 - 41 - 9. 项目实施计划 根据本项目的工作内容，可以把项目的研