自升式钻井平台插桩问题探讨.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY ． ． 海洋石油装备 自升式钻 井平 台插桩 问题探讨 冯 利杰 张 福 张 辉 魏 鹏 吉正金 宝鸡石油机械有限责任公司 摘要 插桩作业是 自升式钻井平 台重要的工作之一，也是平 台出坞 以后进行其他 工作和平台 迁航到作业地进行钻井作业的前提。在介绍 国内、外 自升式钻井平 台插桩技术现状 的基础上 ，对 自升式钻井平 台插桩作业问题进行 了讨论 ，包括海洋调查、工程调查 、平 台的穿刺 问题、平 台插 桩操作过程中的问题及升降锁紧等重要设备的性能分析。指 出平 台穿刺 问题基本上都是对地层的 地质结构分析不清 ，对地层 的剪切强度计算存在 问题造成 的；同时也指 出了平 台插桩过程 中应注 意的问题。最后就我国的 自升式钻井平 台插桩作业技术发展提 出建议 。 关键词 自升式钻井平 台；插桩作业；平 台穿刺 ；升降装置；海洋调查 中图分类号T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 2 4 Di s c u s s i o n o n I s s u e s i n Pi l i n g f o r J a c k u p Ri g F e n g L i j i e Z h a n g F u Z h a n g H u i We i P e n g J i Z h e n g j i n C N P CB a q i O i e l dMa c h i n e r y C o ． ，L t d ． Ab s t r a c t P i l i n g i s o n e o f t h e i m p o r t a n t o p e r a t i o n s f o r j a c k u p吨 a n d a l s o t h e p r e r e q u i s i t e for d r i l l i n g b y t h e r i g whi c h i s t r i p p e d o u t f o r o t h e r o p e r a t i o n s a n d d e mo bi l i z e d t o o t h e r s i t e s ． Th i s pa p e r i n t r o d uc e s t h e c ur r e n t d o me s - t i c a n d f o r e i g n p i l i n g t e c hn i qu e s ， a n d t h e n di s c u s s e s t h e i s s u e s t h e r e o f ， i n c l u d i n g o f f s h o r e s u r v e y， e n g i n e e rin g s u r v e y， s pu d c a n p e n e t r a t i o n，o p e r a t i o n a l p r o b l e ms ， a n d p e r f o r ma n c e o f l i fti n g a n d l o c k i n g e q u i p me n t ． I t i s p o i n t - e d o u t t h a t t he s p u d c a n pe n e t r a t i o n i s b a s i c a l l y c a us e d b y un c l e a r u n d e r s t a nd i n g o f g e o l o g i c a l s t r u c t ur e a nd p r o b - l e ms i n s h e a r s t r e n g t h c a l c u l a t i o n ．Mo r e o v e r ， c a u t i o n s i n pi l i n g a r e p r o po s e d ． Fi n a l l y， s u g g e s t i o n s a r e p ut f o r wa r d for j a c k u p r i g p i l i n g i n C h i n a ． K e y w o r d s j a c k u p r i g ；p i l i n g o p e r a t i o n ；s p u d c a n p e n e t r a t i o n ；l i ft i n g d e v i c e ；o f f s h o r e s u rve y 0 引 言 在全球海洋石油开发中，自升式钻井平台以其 稳定性好及移动灵活的特点在海洋石油装备 中占据 了重要地位 ，再加上 自升式钻井 平台近年来 的发 展 ，作业水深 已经覆盖 3 ． 6 5～1 6 7 ． 6 4 m。资料 显 示 ，目前全球共有 自升式钻井平 台近 6 0 0座 ，在役 钻井平台约 5 0 0座 ，在建近 1 0 0座 。 由于海洋钻探不断向深海发展 ， 目前 9 1 ． 4 4 m 以上的 自升式钻井平台已经成为该类平 台的主流。 在 自升式钻井平台作业水深不断加深的同时，对平 台插桩的条件也提出了更高的要求 ，包括海洋水文 调查和工程地质调查要有更加全面的资料 ，桩腿材 料有更高的强度要求 ，更加精细的热处理工艺和过 程控制 ；升降锁紧装置要能承受更大的载荷 ；桩靴 的设计要根据不 同海域的海洋地质特点进行个性化 设计 ，做到精细、准确。插桩作业是 自升式钻井平 台重要的工作之一 ，也是平 台出坞以后进行其他工 作和平台迁航到作业地进行钻井作业的前提。面对 9 1 ． 4 4 m以上的水深和更加陌生 的作业海 域，如果 还依靠原有设计和作业经验，粗放式管理 ，不对平 台设计的重要安全系数 比如桩靴设计 、最大静压 载计算、入泥深度计算及桩腿强度计算等进行修 基金项 目国家 8 6 3计 划项 目 “ 9 0 0 0米海洋钻井包研制 ” 2 0 1 1 AA 0 9 0 2 0 3 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 订和探索性研究 ，就有可能给钻井平台插桩作业带 来风险，从 而造 成平 台发生 穿刺 、倾 覆等严 重事 故 ，造成难以承受的经济损失 ，也可能对人员生命 安全造成伤害 ，因此对深海 自升式钻井平台的插桩 作业条件和作业过程进行讨论研究显得十分必要 。 1 国外 自升式钻 井平 台插桩技 术现状 1 9 5 6年 ，世界上第 1座三桩腿 自升式钻井平 台 “ 天蝎号”在 墨西哥湾进行钻探作 业。美 国的 海洋石油开采技术一直处于世界领先水平。发达国 家的钻井公司利用本土地质和 海洋公 司的技术 支 持 ，依靠其在 世界范 围内开采 海洋石油 的现场 经 验 ，对于 自升式钻井平台，在 目标作业海域插桩的 技术条件 、平 台的设计能力及操作经验水平等方面 都处于国际领先地位。 1 ． 1 技术 设计 优势 美国拥有 L e T o u r n e a u 、F G、B A S S及 B MC等 著名 的自升式钻井平台设计公司。长期 以来 ，他们 共设计各类 自升式钻井平 台 1 8 0多座 ，拥有 9 1 ． 4 4 ～ 1 5 2 ． 4 0 1T I 多种船型 的独立知识产权。其次 ，荷 兰的 MS C、日本的三井海洋开发与 Hi t a c h i Z o s e n以 及法 国的 C F E M等也 是 国际上一 流的平 台设计公 司，他们在平 台设计经验积累的同时 ，在相关 的最 大静压载计算 、升降锁紧的设计计算及桩靴的设计 分析方面处于世界领先水平。 1 ． 2 海洋地质勘探能力 美 国 T r a n s o c e a n公 司、E N S C O公 司和 N o b l e D r i l l i n g公司等在内的主流 自升式钻井平 台运营商 ， 共拥有 自升式钻井平 台 2 7 7座，他们依靠本土强大 的物探资源和先进技术 ，在不 同海域的长期石油钻 采作业中，对平台的插桩作业拥有丰富的技术和经 验。据不完全统计 ，美国联邦海洋船队已经拥有 6 O 余艘海洋调查船 J ，可谓实力雄厚 ，设备先进。 新加坡包括 K e p p e l F E L S 、P P L、J u r o n g 等建造 公司，目前共建造 了约 1 1 0座 自升式海洋 钻井平 台，成为 自升式钻井平台建造的第 2大国，不过新 加坡建造的钻井平台主要以出口为主，只能说在港 池的插桩经验比较丰富。 目前 ，中东地区是海洋石油最大的出产地 ，也 是 自升式平 台使用最 多 的区域 ，本 土 的国家像 沙 特 、阿联酋 、伊朗和卡塔尔等虽然是这片海洋资源 的拥有者 ，但他们或是受本国的海洋地质勘探水平 的限制 ，或是受 国际制裁 ，主要依靠国际技术资源 进行海洋石油的开采工作 ，本身的技术水平相对 比 较落后 。 2 我国 自升式钻井平台插桩技术现状 2 ． 1 技术方面 近几年 ，我国才拥有 9 1 ． 4 4 I n以上 自升式平台 船型完整的设计能力 ，此前多依靠国外设计公司的 船型和基本设计进行详 细设计和生产设计。 目前 ， 包括大连船舶重工集团有限公司和上海外高桥造船 有限公司等已经具备 9 1 ． 4 4和 1 2 1 ． 9 2 I l l自升式 平 台的设计能力 。同时 ，在借鉴国外先进技术的过程 中，就平台插桩而言 ，通过有限元分析和三维动态 模拟 ，在桩靴设计 、海洋地貌模拟及升降锁紧装置 的运动受力分析方面也取得 了很大进步 ，但 自主创 新能力有待进一步提高。 2 ． 2 海洋地质调查能力 目前 ，我 国利用人造卫 星来观察 海洋气候 条 件 ，利用 回声探测仪 、多波束 回声探测仪和旁侧声 呐测量水深和探测海底地形地貌 ，利用浅地层剖面 仪测量海底的地层分布 、厚度和结构特征 。 由于我国的海洋地质调查起步较晚 ，与先进国 家相 比许多数据还源于 国外资料 ，再加上勘探设备 陈旧，总体 来说 与欧美 等 发达 国家相 差较 大 J ， 海洋地质资料很不齐全 ，对平台插桩 的条件考虑 比 较粗略。比如 2 0 1 0年 9月 ，中石化 某钻井平台在 渤海发生倾斜 见图 1 事故 ，造成 3 6人遇险 ，2 人溺水身亡 ，原因就是作业前未进行插桩深度和极 限承载能力分析 ，地层承载能力安全系数不满足设 计要求 。 图 1钻井平 台发生倾斜 F i g ． 1 D e c l i n a t i o n o f j a c k u p r i g 3 自升式钻井平台插桩作业问题讨论 3 ． 1 海洋调查 海洋调查是对平台作业海域的水文 、气象 、海 底地貌和水深等利用勘查船 、海事卫星及各种探测 2 0 1 4年第4 2卷第 1 1 期 冯利杰等自升式钻井平台插桩问题探讨 ．- 1 0 3- 仪器等手段进行数据收集 、分析 ，为平台插桩提供 基础性资料 ，为平台插桩提供宏观判断条件。海洋 调查不但需要利用先进 的科学手段对 目标海域 的地 理环境做准确深入 了解 ，而且还需要一个长期 的数 据积累 ，它不能是某一天 、某一年的海洋情况 ，最 起码要考虑 5 0 a 一遇的海洋环境条件 。这样一来 ， 带来的问题是 虽然 目前可 以利用不断提高的技术 水平调查某一 阶段的海洋情况 ，但 由于过去一段时 间在该领域技术水平落后 ，导致我们历史 的海洋调 查资料积累非常有 限。面对这样 的情况 ，我们必须 借鉴 国外成熟的海洋调查资料和方法 ，或者利用其 他 国家在相似海 域的海洋调查资源 ，确定 5 0 a内 水文 、气象等 因素的一个极端峰值 ，作为平台插桩 需要考虑 的条件之一。 3 ． 2 工 程调 查 海洋工程调查对于平台插桩来说也是一项非常 重要 的工作。如果对于 目标井位的地质结构的排水 强度或不排水强度 、地层的剪切强度分析、冲刷分 析 、计算平台的入泥深度等没有做到精细化的海洋 工程调查 ，就有可 能使平 台在遇 到地层某些 条件 比如地层的浅层气 、地质结构 的断层砂沉等 而 发生滑移和穿刺 、倾覆等问题 。 在平台插桩 的工程调查方面人们会有这样一个 情况 ，常常不对老井位再进行海洋工程的取样调查 工作 ，认为该 区域的地质结构 已经 了解 ，而且以往 的平 台在该区域插桩也没有发生过问题 。其实这样 的认识非常危险，首先老平台插桩时可能已经改变 了该区域的地质结构 ，设计时所输入的地质系数已 经不准确了；其次老井位的地层剪切强度对老平台 适合 ，但新平台最大静压载可能比以往 的平台大得 多 ，这样就有发生穿刺的危险，因此必须根据地质 情况对新平 台插桩进行技术分析。 3 ． 3平台的穿刺问题 穿刺问题 占自升式钻井平台总事故的比例超过 5 0％ 4 J ，问题一 旦发生会造 成平 台的严 重损伤 和 人员伤亡。2 0 0 2年 9月 ，A r a b d r i l l 1 9自升式钻井 平 台在沙特阿拉伯 K h a f j i 油 田作业时发生穿刺 ，造 成 1根桩腿发 生弯 曲，钻 井平 台倒 塌在生产平 台 上 ，使采油树发生剪切破坏 ，引发井喷和火灾 ，最 终导致 2座平 台沉没 ；2 0 0 9年 5月 ，中国某 自升 式平 台在南海海域进行预压载时，1号桩腿发生穿 刺 ，造成 2 、3号桩腿斜撑管发生变形 ，3根桩腿 长达 2 0 m的齿条尖部受损。 平台发生穿刺的问题基本上都是对地层的地质 结构分析不清，对地层的剪切强度计算存在问题 ， 或者在计算时所引用的经验公式和经验系数不适用 于该地层 。因此 ，对于不 同的地层 、不 同的土样 ， 应采用不 同的公式进行计算 J 。 对平 台插桩的穿刺分析 ，要根据经验公式计算 桩靴与地层的比压 。桩靴的计算方法有几十种 ，应 用最广的是 Y o u n g F o c h t 由应力扩散原理发展而来 的 3 1 载荷扩散分析法。该方法在 国内也得到了广 泛应用 ，实践证明 ，该方法对我 国自升式平台使用 最广的渤海海域插桩分析非常有效。 3 ． 4 平台插桩操作过程中存在的问题 平台插桩及最大静压载和全程升降的试验工作 是平 台安全性 、可靠性验证 的重要环节。平台插桩 操作过程是否妥当 ，是保障平台在升降和作业过程 中安全的前提 ，笔者根据某船厂 十几座 1 2 1 ． 9 2 m 和部分 9 1 ． 4 4 m 自升式钻井平 台成功插桩经验 ，简 要介绍平台插桩步骤 第 1步 ，把平 台载荷加大到 升降装置最大保持载荷 ，验证升降装置的最大载荷 是否满足设计要求 ；第 2步 ，把平台载荷加大到升 降装置最大 的工 作载荷 ，进行 验证性试 验 ；第 3 步 ，把平台载荷加大到升降装置额定的工作载荷 ， 进行验证性试验 ；第 四步，把平台载荷加大到升降 装置额定工作载 荷 的 8 7 ％ ，进行 验证性试验 。在 整个平 台 的升 降船 过 程 中应保 证 平 台 的倾 角 在 0 ． 3 。 以内。 在平台的插桩操作过程中有一些问题还需特别 注意 1 平 台从漂 浮状态开始 下桩时 ，使平 台为 正浮 状态 ，并 通过 监控 R P D R a c k P h a s e D i f f e r e n c e 使桩腿能尽可能垂直入泥 。 2 下桩时避免 单根桩 腿触碰 海底 ，保持 3 根桩腿均衡下放。 3 压载时单 腿压载 ，减小平 台与桩腿 的倾 角 ，减少穿刺对平台造成的危害 ，并根据平台的质 量分布调整平台的水平度。 4 升降过程中时刻观察控制台上的平台水 平仪，保持平台水平，使升降装置的爬升齿轮受力 均衡 ，避免单个齿轮载荷过大而造成的机械损坏。 3 ． 5 升降、锁紧等重要设备的性能分析 升 降装置是平 台插 桩进行升降船最重要 的设 备。如果升降装置的可靠性一旦 出现问题将会对平 台造成很大损伤 ，甚至使平 台发生倾覆 。2 0 1 2年 1 2月 ，新加坡裕廊 J u r o n g 船厂一钻井平台因升 降装置故 障，3个桩腿未 同时举升 ，造成整个平 台 突然发生倾斜 ，8 9人受伤 。 升降装置在升降过程 中担负着平 台重要的举升 一 1 0 4一 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第 l 1 期 作用。首先升降装置的爬升齿轮是一个高厚度 、大 模数的七齿齿轮 ，加工时要有足够的加工精度；其 次行星齿轮轴要承受平台很大 的载荷 ，平台的齿轮 轴最好与齿轮做成整体结构，在热处理取样 时尽可 能采用整体试棒 ，以保证均匀的、足够的力学性能。 另外 ，平台插桩完成后通过载荷转移 ，平 台的 载荷通过锁紧装置转移到桩腿上 ，锁紧装置除本身 要有很高的可靠性外 ，与升降装置之间的动作顺序 也非常关键。在控制功能上设置升降与锁紧互锁功 能 ，保证在每次操作升降装置时锁紧装置处于打开 状态 ，避免机械损伤。 桩腿在升降过程中主要承受船体的轴 向载荷和 模拟风暴载荷 、平 台载荷产生的弯矩 ，要求桩腿材 料具有很高的强度和韧性 ，圆弧板的弯曲工艺能保 证均匀的力学性能 ，控制圆弧板与齿条板焊接造成 的焊接变形等问题 ，桩腿的长度满足入泥以后最大 作业水深的要求 。 4 自升式钻井平 台插桩作业技术发展 建议 1 提高我 国海洋调查 和地质 勘探能力是平 台合理插桩的基础条件 ，应加大这一方面的科研投 入和设备更新 ，完善海洋地质资料数据库 ，为海洋 石油开采提供有力保障。 2 通过调研 国际一些 自升式平 台的桩靴 面 积和载荷情况 ，发现 目前桩靴 比压较大的问题 比较 普遍 ，建议在平 台设计时除考虑整体造价外 ，还需 合理考虑平台桩靴的比压 ，提高平 台的设计能力 ， 包括桩靴的设计分析，杜绝平 台插桩时穿刺问题的 发牛 3 加快平 台插桩 的关键设 备研究和研制 工 作 ，包括桩腿材料热处理工艺和升降装置 。 4 近年来 ，我 国的海 洋石油开采 技术虽 然 取得 了很大发展 ，但专 门从事海洋装备研究的机构 较少 ，具有系统研究海洋石油钻采装备的机构则更 少 J ，我国应采用校企联 合 的方 式 ，加强 海洋 石 油装备及其作业条件的研究工作 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 张 墨思 ．中 国成 第 一 大 自升 式 钻 井 平 台 建 造 国 [ N ]． 中国能源报，2 0 1 31 01 4 3 ． 朱建华，夏登文，李尉尉 ，等 ．美 国海洋调查船现 状与发展趋势分析 [ J ]．海洋开发与管理 ，2 0 1 2 ， 2 9 35 25 5 ． 崔高嵩 ． 海洋地质调查现状和展望 [ c ]∥第十四 届海洋测绘综合 性学 术研讨 会论 文集 ．昆 明 [ 出 版者不详] ，2 0 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5 0 m”的设计要求，整个定向钻进段安全快速。该井段的顺利施工为大倾角地层控制井斜提供了宝贵的经验。 摘 自钻井工程技 术研究 院内网，本刊 有改动