复杂地基环境中的自升式钻井平台基础.pdf
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1、 I_ 刖5自升式钻井平台需要有一个合适的基础,从根本上说,基础合适与否取决于不同位置处的土壤特性。在准备期间,会对自升式平台进行临时重量加载或者是预压载。这样做是为了模拟风暴作用荷载和钻井作业产生的偏心荷载,借以使桩靴和桩腿插入海床形成一个容许地基。在最终穿透时,土壤的承载力必须抵消钻井作业和风暴荷载所产生的最大平台重量。一些位置具有十分危险的土壤重要条件,这对于能否安全组装自升式钻井平台和完成桩腿穿透来形成容许地基都是一种挑战。当一个土层,它没有足够的承载力来承载一个钻井平台,而它又位于承载力比它更弱的土层上时,便会有上述危险产生。对这种危险不能正确认识和缓解的话,将会导致一系列严重后果,
2、如桩腿的不可控穿透或者是穿孔。当个较硬的地层位于软弱地层之上时,软弱地层屈服于桩靴荷载并且在软弱层中发生不可控穿透的情况,这就是发生了穿孔。由于重力偏移和倾斜不稳定性,不可控穿透的情况会随着桩腿穿透荷载的增加而不断加重。因为平台变得不再水平,随着重心的改变,额外重量对插入桩腿是很有用的。穿孔是荷载超过桩腿结构设计极限的典型结果,它可以导致严重的构造破坏。据工程实践知,“瑞士奶酪”式钻井法可以用来有效的削弱或是降低薄而坚硬的粘土层的强度,从而使在这种环境中的可控制穿透得以实现。虽然不是很普遍,瑞士奶酪”法很典型地是由30 40个直径为26 36英寸的孔组成的,在每一个计划的桩靴作用区内这此孔穿过
3、坚硬的粘土层。这此孔可以削弱坚硬上层的有效承载力,并且在实行预压载过程中允许可控穿透力进入到位于下层的软弱土层中。“瑞士奶酪”法操作典型地完全应用在自升式钻井平台的组装定位过程中。通常,这种种操作是在漂浮模式中完成的,借助于一条延伸到离胴皈不远的螺旋桨处的悬臂。个四点系泊系统用来控制定位,并且在每一个拟定的桩靴位置处完成孔的目标模型。接近结束时,平台固定在拟定的作用区内并施加最终穿透的预压载。Raya 8和Tapis F两座平台位于马来西亚半岛的近海处,它们已被指出具有关可控穿透或穿孔的危险。在这两个位置,对各自的作用区实 行“瑞士奶酪”式操作的决定,跟在这区域内已知的其它“瑞士奶酪”式操作比
4、起来是一个难题。选址评估与可行性研究选址可行性分析是要按照S N A M E原则,检验自升式平台抵抗风暴荷载的能力。进行分析需要选址环境资料,平台规格和通过压电锥体针入度测试(PCPT)所得的土壤资料以及岩心样品。土壤资料的取得应该避免忽略薄的岩层或者是对选址可行性分析的准确性有影响的微小变动。对于每一份样品或者是每一个测试位置的土壤资料进行分析绘制不排水抗剪强度-相对深度数据图表来进行详细阐述。不排水抗剪强度通过分析桩靴的尺寸和土壤的特性可以转化为土体的抗剪承载力。从以上的分析中可以得到一个穿透深度评估,表明桩靴荷载需要达到一个给定的穿透深度,因此,对于特定的钻井平台需要有一个极限穿透深度的
5、估计值。由于曲线代表土壤承载力与桩靴穿透深度之比,所以当曲线出现间隙,即土壤承载力随深度增加而逐渐降低时,便会有发生穿孔的危险。Raya 8 土壤分析和穿透深度评估Raya 8穿孔危险是在一次迅速穿透事故中被首次发现的,当时是2001年9月,正 在 给Friede&Goldman L780 Mod II自升式钻井平台(JU#I)实施预压载。五个预压载周期过后,预压载已经达至h o o%,然而舰右桩穿入桩靴末端48英尺后便不再下沉。3小时静载测试开始后儿分钟,腥右桩突然以一种无法控制的状态迅速穿入达10英尺,但并未达到失重并且土壤的强度还可以承受桩靴荷载。在这次事故之后,JU#1平台只能用作一个
6、候补平台,在这次事故的根本问题得到解决之前,Raya B项目将一直被推迟。在最初的准备工作中,运用平台位置的一个岩心样品和PCPT数据对JU#1平台进行穿透深度评估是十分重要的。根据原始土壤的数据资料所进行的穿透深度评估没能明确指出土壤强度的降低以及穿孔危险,并且低估了桩靴的最终穿透深度。在对原始自然土壤进行再次试验时,发现土壤的剪切强度分布图在48到54英尺范围内做微小变动,如 图 1 所示。事故发生以后,在距原始岩心样品约160英尺处,取得了第二块岩心样品并进行PCPT(图2)。这个新的土壤资料很清楚地表明:在海床面以下,土壤的剪切强度低于48 54英尺处的土壤剪切强度。修正后的穿透深度估
7、计值包含了两份土壤资料。图3 表明了桩靴穿透深度从57到63英尺变化时的土壤剪切强度下降值。这换算成包括桩靴末端的穿透深度大约是海床面下48 54英尺,桩靴末端比最大受剪区域还要深9.25英尺。根据这些下降值算得的最大剪切强度值与JU#1平台的最大预压载值比较接近,是9479Kps。这个新的穿透深度评估跟2001年穿孔事故发生时的真实结果相一致。Tapis/土壤分析与穿透深度评估在两份能够反映平台和拟定桩腿位置的岩心样品以及在每一个拟定的桩靴位置附近进行的三次PCPT的基础上,认真地完成了对LeToumeau Super 116 c 自升式钻井平台(JU#2)每一个拟定桩靴位置的穿透深度评估(
8、图 4)。在Raya B穿孔事故发生之后,Tapis尸的土壤资料要求全部校验以确保土壤资料的全面性且能够代表所有的拟定桩靴位置处的土壤资料。图 5 所示的土壤强度分布图表明,位于一个弱土层上的浅的强粘土层会具有相当大的强度。图 5 也表明了 Tapis E 处三个拟定桩靴位置之间的可估计的变化。薄的强粘土层的深度、强度和厚度的不同是显而易见的。拟定的腥左桩和脑桩桩靴位置处的剪切强度分布图表明有一个强粘土层大约在海床面下10英尺深度处,正在不断发展其额外强度。大约在10到13英尺处存在一层薄冰,它表现出一个十分重要的强度增加现象。薄冰层下面是个很重要的低抗剪强度层。拟定的右管脚钉的剪切强度分布图
9、表明薄冰层存在于海床面以下15 18英尺处,伴随薄冰层的还有一个位于10 15英尺处的强土层,但它不存在于舰左桩和躺桩桩腿位置处。正像筋桩和胴左桩位置的分布图,右边迅速沉入薄冰层以下的那部分土层具有十分重要的低强度性质。穿过平台管脚钉的薄冰层随着深度的变化同样也可以在地球测量学或者浅源地震资料中看到。薄冰层是用超声波的能量探测到的,并且从舰左桩和艄桩的位置到腥右桩的位置,冰层的深度在不断增加。Tapis F处的土壤特性是一个重要问题。图6所示的穿透深度评估表明,最终穿透深度的估计值为:脑桩和胴左桩位置为12英尺,而腥右桩位置为14英尺。根据土壤资料中的变动、薄冰层的最小厚度以及下层土层的承载力
10、不足等情况可知,这种穿透深度存在发生穿孔事故的危险。JU#2平台准备工作的成功是因为将易发生穿孔事故的土壤穿透了。按照这一土层在原始未受扰动状态下的承载力估计值,大约需要JU#2平台预压载值的200%的压力对能达到穿透。“瑞士奶酪”方案的发展风险评估已经完成,它指出在位置和轮廓方面都存在穿孔的危险。这需要一些必要的措施以保证安全有效的平台准备工作。根据工程经验,降低穿孔事故发生的风险需要采用修正后的“瑞士奶酪”操作方案。然而,钻井平台的规格以及“瑞士奶酪”方案在降低土壤强度方面的测量结果的不准确性等一系列难题,需要我们不断改进以达到工程实践水平。钻进平台设备的选择将一个为取岩心而设计的小钻井平
11、台安装在一艘辅助船上,用这种结构来控制“瑞士奶酪”式的钻探。JU#1平台的空间规格被应用在/?今a8处以防止发生平台尾部桩腿位置问题和平台悬臂干扰问题。仅管那个安装在船上的平台能够到达全部的桩腿着陆点位置,但是设备规格的缩缩 减 却 给“瑞士奶酪”方案增加了操作上的约束。在通向平台循环系统的一个在的斜坡上,增加了安装泵机用的滑轨和联合管道装置,这样便可达到理想的泵排量要求。安装在辅助船上的U 优sed Failing 0M x钻井平台需要以下这些基本的规程:提升能力:50Kps 旋转扭矩:13230ft-lbs 43rpm/6300ft-lbs 87少机/3360/-/?.v 161 rpm
12、泵容量:2x9.6bpm 压力速率:lOOOpsi 钻杆:5 19.50ppfNC50厚 壁钻杆:549.3洲。50由于在Tapis F处JU#2钻井平台所采用的具体设备规格的早期影响,Unitised Failing OMX平台被选择用来完成Raya 8和Tapis F两 处 的“瑞士奶酪”式钻法。“瑞士奶酪”法的部署孔洞的大小、数量、深度和孔洞间的间隔实际上概括出了“瑞士奶酪”法的过程步骤。一次详细的工程分析提出了最初的操作约束,以试图发展出最优化的“瑞士奶酪”模型。这个最佳的模型在给定的操作约束条件下可以提供最大的土壤强度降低值。操作约束规定了最大孔洞尺寸和间距限制。最大孔洞尺寸受钻井设
13、备能力的限制。孔洞过大将全增加钻井荷载并且会降低环隙流速和井眼净化能力。26M的直径被选用做为最大孔洞的尺寸。最小的孔间距规定为相邻孔洞边缘到边缘的最短距离。孔间距的规定是根据假设确定的,因为没有实际资料可供使用。最小孔间距的选择是为了解释在海床面上为新孔定位时产生的不确定性以及钻头向相邻孔洞发生侧移的趋向。此外,在两个位置处的225英尺水深更增加了水平钻头在钻井船和海床面之间移动的关系。合适的孔间距被认为是十分重要的,因为不能成功地开钻一个新的孔洞将会使消除计划的土壤区域的强度变得更加复杂。采用最小的孔间距再加上最大的孔洞尺寸,这样做为清除桩靴着陆点区域内的土壤强度提供了最高的可能机率,并且
14、结果是土壤强度下降值最大。Raya 8处“瑞士奶酪”模型在孔间距方面没有非常严格的限制,因为孔洞的密度不是十分重要。而对于Tapis F来说,孔间距的限制就十分重要。在“瑞士奶酪”模型的基础上,完成了一系列的分析研究以力图测量出土壤强度的实际降低值。通过下面这些保守的假设,这个问题的复杂性得到简化:土壤的总体强度与它的承载能力是成比例的;侧向应力效应用有限元分析进行测量;已开钻的孔洞的周边未受扰动,井眼冲蚀问题通过增加孔洞的有效直径来解决;在桩靴着陆范围外开钻孔洞是没有益处的。经过修改的穿透深度分析方法在不断完善,通过在桩靴着陆范围内清除土壤的百分比来降低土壤的承载能力。在有限元分析基础上的(
15、图7a-7c)附加减少量,如图8所示,被用来说明由于钻孔所引起的侧向应力的损失。Raya B根据位置评估和2001年发生快速穿透期间的实际结果,我们可以确定穿孔层的最大承载能力接近9480Aips或者说是JU#1平台的最大预压载值。因此,只需要很少的孔洞来保证穿孔层的穿透。其目的就是有效地降低土层强度,这样穿透深度便可以控制了。建立了现个模型来评估土壤强度的下降值对于孔洞数量的敏感性。解左桩位置模型已设计完成,用来降低土壤承载能力以足够允许桩靴完成穿透,用等于或者低于设备的升降能力的荷载(6777友$)。假定由于发生冲蚀,孔 洞 的 有 效 直 径 为7 3个直径为26-i泌的孔洞,钻进深度为
16、54英尺,在腥左桩处需要这些孔洞以最大升降能力的预压载值来完成坚硬地层的可控穿透。肺桩处的孔洞数量应该有所减少,这是通过与实际结果的对比分析得出的结论。表 格1提供了 Ra”8处的“瑞士奶酪”设计方案中计划开钻的直径为2 6-出泌的孔洞的总体情况。Tapis F十分保守的假设被用来评估T a p is/的孔洞模型要求,原因是采用了一个未证实的分析模型以及强度降低值能够保证穿透深度的要求。模型要求包括:在胴左桩和月首桩桩靴着陆点范围内有大约168个孔洞,每个孔洞的有效直径为26-山c;在舰右桩桩靴着陆点范围内有210个孔洞,每个孔洞的有效直径为26-山泌。按照这样的密度,孔间距的要求被认为是操作
17、上不能达到的。表 格2提供了 Topis E处“瑞士奶酪”设计方案中计划开钻的26-inch孔洞的总体情况。这个方案提供了在操作限制范围内的最大区域移除。T a p i s/应急计划根据T apis尸模型,可能需要超出由操作限制所确定的计划之外的附 加“瑞士奶酪”钻法。操作的预定计划允许将Raya 8模型同先前的实际钻井平台准备工作的结果进行比较,借此来完成T apis尸 的“瑞士奶酪”钻法,从而进行模型校正。Raya 8的结果可以证明用于分析中的假定过于保守,这为Tapis P的基本计划提供了更高的确定性。一个额外的测量结果指出,要比基本计划更进一步降低土壤的承载能力就需要使用扩眼器将26-
18、山的孔洞扩大至36-i”的孔洞。孔间距的限制已经不算是一个问题了,因为现有的26-i郎孔洞可以作为定位孔来阻止向相邻孔洞中滑入。然而,安装了钻井平台的辅助船是否有能力承受钻井荷载以及扩孔到36-血M操作中的扭矩,还仍然是个不确定的问题。R a y a B“瑞士奶酪”法的实施“瑞士奶酪”法的实际结果在表格3中详细列出。施工聚焦于“瑞士奶酪”方案的精密设备、精确数据的采集继续提高之上,因为期待得到重要的知识。捕捉精确的数据资料在努力达到要求而成功缓解Tapis F问题的过程中是十分重要的。“瑞士奶酪”钻法由一个测试模型来指导,这个模型与最早提倡在最终拟定的桩靴着陆点处实施“瑞士奶酪”操作的舰左桩位
19、置有着相同的孔间距要求。工作队员们熟知这种钻法的定位和开钻过程,确定出最合适的参数(例如钻压、流量和旋转速度等)并且确保达到孔间距要求。全球定位系统(GPS)被用来对钻孔位置上的辅助船进行精确定位。GPS系统提供的定位,其精度为20cm(按照2。规范的偏差标准,精确性达95%)。对于辅助船的俯仰及盘旋偏差的修正,由一个装有倾角测量仪(精度为0.05度)的系统来提供。其他的测量仪器还包括一个扇形扫描声呐装置,它最初被用来证实GPS系统能够准确描绘出钻头在海床面上的位置并且确定工作管柱上的流动效应是可以忽略的。底部钻具组合(即以)是 由一个26-的牙轮钻头,钻头短接、转换接头和6个焊接在一起的5-
20、inch厚壁钻杆组成。开眼钻头和钻井参数在操作过程中不断设计完善,以便能使海底的扰动达到最小并且使井眼净化能力和穿孔间隔的扰动达到最大。潮汐记录图被用来决定需要开钻的深度以达到海底以下5.8英尺的一致孔洞。“瑞士奶酪”模型按照计划方案得到实施。按照方案的最终孔洞位置如图9所示。R a y a 3平台的准备工作在联合的钻井平台和辅助船完成“瑞士奶酪”操作之后,JU#1平台被拖航到8处并顺利完成预压载。在实施预压载期间,对每个桩腿位置的实际土壤承载强度进行观测的结果已经在图10中给出。艄桩的最终穿透深度达67.5英尺,舰右桩达到69英尺,舰左桩为68.5英尺(见图lla-llc)o值得说明的是,在
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- 复杂 地基 环境 中的 钻井平台 基础
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