CN102518099B - 海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，该方法是利用结合桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素的DRC模型来确定自升式钻井平台桩腿入泥深度，该方法包括：自升式钻井平台桩腿承载力计算，此步骤采用DRC模型，即考虑自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载对桩腿入泥深度的影响、插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响以及多个桩腿的自升式钻井平台各桩腿进入泥面以下后彼此影响而使得桩腿排挤土体带来的群桩效应；找出所对应的桩腿承载力等于平台最大预压载量的桩腿入泥深度即为自升式钻井平台桩腿入泥深度。本发明能够合理的确定出自升式钻井平台桩腿入泥深度。

Description

海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种海上自升式钻井平台插桩控制技术，尤其是一种用于解决预测自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法。

背景技术

针对选用自升式钻井平台进行海上石油的勘探开发作业，自升式钻井平台桩腿的入泥深度对整个石油的勘探、开发起着重要的作用，如果入泥深度过小，就会使得平台抗风浪流稳定性降低且桩脚部位容易受到海底流的冲刷，在长期的钻井作业中，存在突然下沉、倾覆等风险。如果入泥深度过大，就会带来拔桩困难，耗费时间过多，影响海上宝贵的作业时效，甚至出现自升式钻井平台不能依靠自身的拔桩能力成功拔桩，出现拔桩事故。

在现有技术中，自升式钻井平台桩腿入泥深度的确定，一般采用API(美国石油协会)中给出的常规方法，但该方法没有考虑桩腿下入的动载因素和桩腿区域回填土因素以及群桩效应因素，常常造成预测插桩深度与实际情况差别很大，很难指导现场施工作业。API中给出的常规方法是：

首先，根据预定平台场址的地质勘探资料进行海底土土质特性研究，得出海底土承载力计算参数。如：海底土分层埋深、海底土有效重度、粒状土的内摩擦角和承载力系数、粘性土的抗剪强度等。

然后，根据海底土土质特性及相应的承载力计算参数，对应不同土质特性分别采用下面列出的两种海底土承载力计算模型，进行海底土承载力计算。

1)粘性土

q＝N_cS_u，(N_c＝6(1+0.2D/B)≤9)

2)粒状土

q＝0.3γ₂BN_γ+P₀(N_q-1)

上述方法中的各符号所表示的参数分别如下所述：

S_u为桩脚下B/2以内平均不排水抗剪强度；

N_c为不排水粘土的无量纲承载力系数；

P₀为桩脚深度处的有效上覆压力；

N_q，N_γ为根据内摩擦角而定的排水粒状土的无量纲承载力系数；

γ₂为桩脚下B/2以内土体的平均有效重度；

B为桩脚的直径(最宽截面)；

D为桩脚入泥深度(最宽截面)；

根据上述方法计算出的不同土层的q值，即可得出随着土的深度变化海底土承载力纵向变化规律。进而，结合不同自升式钻井平台桩腿结构尺寸，这里主要用到的是桩靴的结构尺寸，计算得出自升式钻井平台在该平台场址的桩腿承载力，从而可得出随着土的深度变化桩腿承载力纵向变化规律。

最后，根据计算得出的桩腿承载力纵向变化规律，结合自升式钻井平台设计的最大预压载。通过桩腿承载力与最大预压载之间的对比分析，可以得出自升式钻井平台在该平台场址的桩腿入泥深度范围。

另外，目前对于机动性很强的自升式钻井平台(如海洋石油941号自升式钻井平台)，在进行预压载插桩作业前都指示粗略地计算一下桩腿大概的入泥深度，判断一下插桩作业可能会遇到的风险，制定一些保障安全的措施，便开始进行自升式钻井平台插桩作业。倘若遇到不适应自升式钻井平台插桩作业的海底土层，便拔桩撤离。传统的这种“试插”作业，存在极大的盲目性，同时也大大降低海上作业效率，影响了整个海上油气田勘探开发的时效，带来很大的经济浪费。此外，在不同的海域，海况条件不同，因此，自升式钻井平台的这种试插法就位成功率较低，且存在很大的安全隐患：桩腿入泥深度过浅，自升式平台的抗风浪流稳定性不能得到保证；桩靴入泥过浅，还会出现桩靴周围土体被海底流冲刷掏空，导致承载力降低，桩靴可能发生不可预知和不可控制的下陷，甚至发生刺穿事故。

因此，采取传统的试插法进行自升式钻井平台插桩作业时，其盲目性使得平台存在发生刺穿、拔桩困难、倾斜甚至倾覆、海损等事故的可能性，且自升式钻井平台桩腿入泥深度的不合理还会造成的海上事故，带来人员伤亡和经济损失，这是本行业“安全高于一切”的要求所不容许的。所以，如何更准确更合理的确定自升式钻井平台桩腿的入泥深度成为石油勘探技术中的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的确定方法，其能够合理的确定出自升式钻井平台桩腿入泥深度，避免在自升式钻井平台就位、进行预压载插桩作业时的盲目性，减少自升式钻井平台桩腿入泥深度过浅或者过深而导致的海上事故。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，该方法是利用结合桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素的DRC模型来确定自升式钻井平台桩腿入泥深度，该方法包括：自升式钻井平台桩腿承载力计算，此步骤采用DRC模型，即考虑自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载对桩腿入泥深度的影响、插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响以及多个桩腿的自升式钻井平台各桩腿进入泥面以下后彼此影响而使得桩腿排挤土体带来的群桩效应；找出所对应的桩腿承载力等于平台最大预压载量的桩腿入泥深度，该入泥深度即为自升式钻井平台桩腿入泥深度。

本发明公开了一种海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的确定方法，即考虑了桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素的一种自升式钻井平台桩腿入泥深度计算模型，这里命名为DRC模型。D表示插桩作业时的动载荷对插桩深度的影响；R表示插桩作业时埋入土体的桩靴上部回流土体对插桩深度的影响；C表示插桩作业时各个桩腿间的群桩效应对插桩深度的影响。采用DRC模型确定自升式钻井平台桩腿入泥深度包括：海底土承载力的计算；自升式钻井平台桩腿承载力计算；自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载对桩腿入泥深度的影响；插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响；多个桩腿的自升式钻井平台各桩腿进入泥面以下后彼此影响，桩腿排挤土体带来的群桩效应。本发明可根据不同海域海底地质及海况的具体条件，确定自升式钻井平台桩腿的合理入泥深度，减少了自升式钻井平台插桩作业的盲目性。满足不同油田开发、油田钻井的需要，以避免因自升式钻井平台桩腿入泥深度不合理带来刺穿风险、船体倾覆、拔桩困难等引起的海上事故，又避免了经济的浪费，达到了既安全又经济的目的。

附图说明

图1为本发明的确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法的流程示意图。

图2为刺穿风险分析的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施实例对本发明进行详细的说明。

本发明提出一种确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，该方法是结合桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素来确定自升式钻井平台桩腿入泥深度，该方法包括：自升式钻井平台桩腿承载力计算，此步骤考虑自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载对桩腿入泥深度的影响、插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响以及多个桩腿的自升式钻井平台各桩腿进入泥面以下后彼此影响而使得桩腿排挤土体带来的群桩效应；找出所对应的桩腿承载力Q等于平台最大预压载量P的桩腿入泥深度，该入泥深度即为采用DRC模型确定出的自升式钻井平台桩腿入泥深度。

本发明的一具体实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤100：自升式钻井平台桩腿结构形式分为不带桩靴的圆筒型、带桩靴的圆筒型和带桩靴的桁架型。根据自升式钻井平台桩腿结构，进行桩腿承载力的计算，桩腿承载力Q的计算式如下：

Q＝Q_f+Q_P＝fA_s+q(u，δ)A_p-αP₀A_p′

其中：

Q-桩极限承载力，t；

Q_f-桩侧阻力，t；

Q_p-桩端阻力，t；

A_p-桩端(桩靴)横向截面积，m²；

A_p′-桩靴有效面积与桩腿有效面积之差，m²；

A_s-埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f-单位表面摩擦力，t/m²；

q(u，δ)-桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

α-回填土压力折减系数，α＝0.3～0.6；

P₀-计算点(即桩脚深度)处的有效上覆土压力，KPa；

u-桩腿下入速度影响系数；

δ-群桩效应影响系数；

步骤200：根据自升式钻井平台的设计参数，找出自升式钻井平台在插桩预压载作业时的最大压载量，记为P，单位为t。

步骤300：根据步骤100得出的不同桩腿入泥深度的桩腿承载力Q，结合步骤200得出的自升式钻井平台最大预压载量P，找出所对应的桩腿承载力Q等于平台最大预压载量P的桩腿入泥深度，即：Q＝P时对应的桩腿入泥深度，该入泥深度即为采用DRC模型确定出的自升式钻井平台桩腿入泥深度。

如图1所示，其为本发明一实施例的主要流程示意图，由图中可以看出，该实施例的方法优选包括以下步骤：

步骤1、根据工程地质调查得出的海底土土质资料计算海底土承载力，得出随着土的深度变化海底土承载力纵向变化规律。海底土承载力计算包括：单位表面摩擦力f的计算和净单位桩端承载力q的计算。

(1)单位表面摩擦力f的计算如下：

(a)粘性土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝a*S_u

式中，S_u：不排水抗剪强度

a：粘聚力系数

粘聚力系数a的计算方法如下：

①当ψ≤1.0时：

a＝0.5ψ^-0.5

②当ψ≥1.0时：

a＝0.5ψ^-0.25

式中：ψ＝S_u/P₀

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

(b)粒状土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝KP₀tanδ

式中：K＝土压力系数

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

δ＝桩土间摩擦角

对于自升式钻井平台桩靴，无论压荷载或拉荷载情况，均假设K＝0.8。关于桩土间摩擦角，本发明的方法在分析中使用API RP 2A规范中对粒状硅质土参数的建议值；另外，本发明还采用了改规范中所规定的粒状土中表面摩擦力的最大限定值(f_max)，这是美国石油协会给出的规范对粒状土单位表面摩擦力的一个最大值的限定。由规范给出的公式计算粒状土单位表面摩擦力时，出现随着土深的增加，计算出的单位表面摩擦力不断增加。大量试验结果表明粒状土的单位表面摩擦力随着土深而增加，但不是无限制的增加，存在一个极限值。基于此现象，相应的规范给出了此规定。即在采用规范的计算公式进行粒状土单位表面摩擦力计算时，需要考虑该极限值，当计算结果大于该极限值时，取该极限值为单位表面摩擦力。

(2)净单位桩端承载力q的计算如下：

(a)粘性土中净单位桩端承载力由下式计算：

q＝N_cS_u，(N_c＝9)

(b)粒状土中净单位桩端承载力由下式计算：

q＝P_oN_q

其中：

S_u：桩脚以下B/2以内平均不排水抗剪强度，B为桩脚的直径(最宽截面)；

N_c：粘土不排水条件下的无量纲承载力系数，这里取经验值9；

P₀：计算点(此处为桩脚深度)处的有效上覆土压力；

N_q：根据内摩擦角而定的排水粒状土的无量纲承载力系数；

步骤2、考虑自升式钻井平台桩腿下入速度产生的动载因素对桩腿承载力的影响、邻近的插入海底土的桩腿排挤土体所产生的群桩效应对桩腿承载力的影响，分析计算出桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力q(u，δ)。q(u，δ)的计算式如下：

q(u，δ)＝q·u(t_jing)δ(v，t)

其中：

q(u，δ)：桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

q：净单位桩端承载力，t/m²；

u：桩腿下入速度影响系数，与桩腿下入的净时间有关；

δ：群桩效应影响系数，与桩腿下入时间和下入速度有关。

t_jing：桩腿下入净时间，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：桩腿下入速度，m/s。

t：桩腿下入总时间，s。

步骤3、根据步骤1和步骤2得出的海底土承载力，即单位表面摩擦力和单位桩端承载力，结合自升式钻井平台桩腿和桩靴(带有桩靴的平台桩腿)结构尺寸，计算出不考虑桩靴上部回流土体影响下的自升式钻井平台桩腿承载力，得出随着土的深度变化平台桩腿承载力纵向变化规律。本步骤的计算式如下：

Q_初始＝fA_s+q(u，δ)A_p

其中，

Q_初始：不考虑回流土体影响下的桩腿承载力，t；

A_s-埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f-单位表面摩擦力，t/m²；

q(u，δ)-桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

A_p-桩端(桩靴)横向截面积，m²

步骤4、考虑自升式钻井平台桩腿底部以上区域回流到桩腿范围里的土体对桩腿承载力的影响计算最终桩腿承载力，记为Q，即为DRC计算模型得出的自升式钻井平台桩腿承载力。最终桩腿承载力Q的计算式如下：

Q＝Q_初始-αP₀A_p′＝fA_s+q(u，δ)A_p-αP₀A_p′

其中，

Q_初始：不考虑回流土体影响下的桩腿承载力，t；

A_s-埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f-单位表面摩擦力，t/m²；

q(u，δ)-桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

A_p-桩端(桩靴)横向截面积，m²

A_p′-桩靴有效面积与桩腿有效面积之差，m²；

α-回填土压力折减系数，α＝0.3～0.6；

P₀-计算点(此处为桩脚深度)处的有效上覆土压力，KPa；

u-桩腿下入速度影响系数；

δ-群桩效应影响系数。

步骤5、根据步骤4中由DRC计算模型得出的自升式钻井平台桩腿承载力，结合自升式钻井平台设计的最大预压载值(即通过桩靴底部传递到土体的最大载荷)。找出和该最大预压载值相等的由DRC计算模型得出的桩腿承载力所对应的最小入泥深度。把这个最小入泥深度作为自升式钻井平台桩腿入泥深度初始预测值。当初始预测值所表示的深度(记为λ₁)处的土体成硬土层下卧软土层的层状土层时，需要结合刺穿风险分析来判定自升式钻井平台桩腿入泥深度范围。

刺穿风险分析是指在软硬土层交替出现的迭层中，按照桩腿入泥深度计算模型得出的理论值与实际值存在不确定性的差别。即桩脚深度处土体的承载力受到下层土体强度的影响，存在刺穿风险。根据刺穿风险分析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2所示)。图2给出了刺穿风险分析的安全系数F_s，有最大安全系数、实测安全系数、最小安全系数。标号①表示预计的最大桩腿载荷、②表示计算出的硬土层的顶部承载力、③表示在硬土层中计算出的最大承载力、④表示计算出的硬土层的底部承载力。

如果预计的最大桩腿荷载等于自升式钻井平台设计的最大预压载值，那么可通过如下定义的最大安全系数和最小安全系数来进行自升式钻井船刺穿风险分析，判断自升式钻井平台桩腿入泥深度初始预测值的可靠性，从而得出自升式钻井平台桩腿入泥深度范围。

自升式钻井平台桩腿不发生刺穿风险的判断准则：最大安全系数大于或等于1.5时，认为桩腿入泥深度初始预测值是可靠的。当最大安全系数小于1.5但大于1.2时，只要最小安全系数大于或等于1.2，仍然认为桩腿入泥深度初始预测值是可靠的。如果刺穿风险分析的安全系数不满足判断准则中所述的条件，则自升式钻井船在桩腿入泥深度初始预测值的深度处存在刺穿风险，即λ₁深度处存在刺穿风险。需要分析比该深度更深的一个深度(记为λ₂)的土体承载力，确定λ₂深度处的桩腿承载力大于或等于自升式钻井平台设计的最大预压载值，且满足不发生刺穿风险的判断准则。最后得出自升式钻井平台桩腿入泥深度范围为从λ₁到λ₂，记为[λ₁，λ₂]。

本发明可根据不同海域海底地质及海况的具体条件，确定海上自升式钻井平台桩腿合理入泥深度，满足不同油田开发钻井技术的要求，既减少因自升式钻井平台桩腿入泥过浅带来的钻井平台倾覆和因桩腿入泥过深带来拔桩困难，以及各桩腿入泥深度不一致带来平台不稳定等海上事故，又避免了因插拔桩作业的盲目性造成时效低带来的经济浪费，达到了既安全又经济的目的。

以下以本发明的确定自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法来确定番禺10-5-1井位海洋石油941自升式钻井平台桩腿入泥深度的实际应用作为具体的实施例对本发明做进一步说明。

首先对番禺10-5-1井位平台区域现场进行取样，对取得土样进行测量化验后得到表1所示的土质性质；

然后，获取941平台的设计参数，其中，确定桩腿入泥深度所需的平台设计参数如表2所示。

根据表1中所示的土力学参数，采用下述公式(公式1、公式2、公式3公式4)可以得出单位面积摩擦力f和净单位桩端承载力q。

(1)单位表面摩擦力f的计算如下：

(a)粘性土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝a*S_u                       公式1

式中，S_u：不排水抗剪强度

a：粘聚力系数

粘聚力系数a的计算方法如下：

①当ψ≤1.0时：

a＝0.5ψ^-0.5

②当ψ≥1.0时：

a＝0.5ψ^-0.25

式中：ψ＝S_u/P₀

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

(b)粒状土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝KP₀tanδ                  公式2

式中：K＝土压力系数

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

δ＝桩土间摩擦角

对于自升式钻井平台桩靴，无论压荷载或拉荷载情况，均假设K＝0.8。关于桩土间摩擦角，在分析中使用API RP 2A规范中对粒状硅质土参数的建议值。规范中亦规定了粒状土中表面摩擦力的最大限定值(f_max)。

(2)净单位桩端承载力q的计算如下：

(a)粘性土中净单位桩端承载力由下式计算：

q＝N_cS_u，(N_c＝9)                   公式3

(b)粒状土中净单位桩端承载力由下式计算：

q＝P_oN_q                            公式4

其中：

S_u：桩脚以下B/2以内平均不排水抗剪强度，B为桩脚的直径(最宽截面)；

N_c：粘土不排水条件下的无量纲承载力系数；

P₀：桩脚深度处的有效上覆土压力；

N_q：根据内摩擦角而定的排水粒状土的无量纲承载力系数；

其中，有效上覆土压力P₀的计算公式如下：

$P_0={\∫}_0^D\mathrm{\γdh}$

其中：

D：计算点处的深度，m；

γ：土体的有效重度，kN/m³。

由净单位桩端承载力q按照下述公式(公式5)可以得出单位桩端承载力q(u，δ)：

q(u，δ)＝q·u(t_jing)δ(v，t)           公式5

其中，

u：桩腿下入速度影响系数，与桩腿下入的净时间有关。通过实验和多口井的现场实际插桩校核统计反演得出的经验值。

δ：群桩效应影响系数，与桩腿下入时间和下入速度有关。通过实验和多口井的现场实际插桩校核统计反演得出的经验值。

t_jing：桩腿下入净时间，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：桩腿下入速度，m/s。

t：桩腿下入总时间，s。

至此，已经得出了番禺10-5-1井位海底土和平台桩腿相互作用的单位面积摩擦力和单位桩端承载力，结合自升式钻井平台桩腿和桩靴(带有桩靴的平台桩腿)结构尺寸，即表2中部分参数。计算出不考虑桩靴上部回流土体影响下的自升式钻井平台桩腿承载力Q_初始。得出随着土的深度变化平台桩腿承载力纵向变化规律。采用的计算式如下(公式6)：

Q_初始＝fA_s+q(u，δ)A_p                 公式6

其中，

Q_初始：不考虑回流土体影响下的桩腿承载力，t；

A_s-埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f-单位表面摩擦力，t/m²；

q(u，δ)-桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

A_p-桩端(桩靴)横向截面积，m²

经过计算得出了平台初始桩腿承载力Q_初始，再考虑自升式钻井平台桩腿底部以上区域回流到桩腿范围里的土体对桩腿承载力的影响，计算最终桩腿承载力Q，即为DRC计算模型得出的自升式钻井平台桩腿承载力。最终桩腿承载力Q的计算式如下：

Q＝Q_初始-αP₀A_p′＝fA_s+q(u，δ)A_p-αP₀A_p′

其中，

Q_初始：不考虑回流土体影响下的桩腿承载力，t；

A_s-埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f-单位表面摩擦力，t/m²；

q(u，δ)-桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

A_p-桩端(桩靴)横向截面积，m²

A_p′-桩靴有效面积与桩腿有效面积之差，m²；

α-回填土压力折减系数，α＝0.3～0.6；

P₀-桩脚深度处的有效上覆土压力，KPa；

u-桩腿下入速度影响系数；

δ-群桩效应影响系数。

根据表2中给出的941平台设计最大预压载11000t，找出与该最大预压载相等的最终桩腿承载力Q，取Q所对应的最小的入泥深度作为由DRC模型确定出的桩腿入泥深度。DRC模型确定的桩腿入泥深度与实际作业中桩腿入泥深度之间的校核情况如表3所示。

表1番禺10-5-1井位井场土质特性

表2海油石油941平台部分设计参数

序号	参数项	参数值	单位
				1	桩靴直径	18	m
2	桩靴最大截面积	254	m2
				3	桩靴体积	660	m3
4	桩脚尖高度	1.17	m
				5	桩靴高度	5.95	m
6	桩腿有效面积(不含桩靴部分)	1.47	m2
				7	平台设计最大预压载	11000	t

表3番禺10-5-1井位941平台桩腿入泥深度校核表

从上述事例可以看出，采用本发明的DRC模型对自升式钻井船桩腿入泥深度进行预测，预测的桩腿入泥深度与实际桩腿入泥深度吻合度高，预测结果相对误差分别为5.4％、5.26％、6.98％，均在10％以内，能够科学地指导现场施工，降低了自升式钻井平台插桩作业过程中的风险发生概率。自升式钻井平台插桩作业中存在的风险有：各桩腿入泥深度不相同带来船体倾斜与稳定性控制问题、桩腿入泥过深会对桩腿有效长度提出挑战和带来平台撤离时的拔桩困难、刺穿风险的发生带来桩腿不可控制的下沉，造成桩腿和升降系统的损坏，甚至导致船体倾覆等。

综上所述，本发明的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法包括：

根据工程地质调查得出的海底土土质资料计算海底土承载力，其中包括计算单位表面摩擦力以及结合自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载因素及群桩效应因素来计算单位桩端承载力；

根据桩腿结构并结合插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响来计算自升式钻井平台的桩腿承载力；

确定自升式钻井平台的最大预压载量；

判断并找出与最大预压载量相等的桩腿承载力对应的桩腿入泥深度，该入泥深度即为自升式钻井平台桩腿入泥深度。

由于考虑了桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素，因此，本发明能够合理的确定出自升式钻井平台桩腿入泥深度，避免在自升式钻井平台就位、进行预压载插桩作业时的盲目性，减少自升式钻井平台桩腿入泥深度过浅或者过深而导致的海上事故。

由于本发明的DRC模型所涉及的参数较多，本文中未曾提及具体获得方法的参数可以通过现有技术公开的内容来获得，特此说明。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：该方法是利用结合桩腿下入的动载因素、桩腿区域回填土因素和群桩效应因素的DRC模型来确定自升式钻井平台桩腿入泥深度，该方法包括：

自升式钻井平台桩腿承载力计算，此步骤采用DRC模型，即考虑自升式钻井平台桩腿插入过程所产生的动载对桩腿入泥深度的影响、插入泥面以下的桩靴上部土体的回流对桩腿入泥深度的影响以及多个桩腿的自升式钻井平台各桩腿进入泥面以下后彼此影响而使得桩腿排挤土体带来的群桩效应，其中，桩腿承载力Q的计算式如下：

Q＝Q_f+Q_P＝fA_s+q(u,δ)A_p-αP₀A_p′

其中：

Q－桩极限承载力，t；

Q_f－桩侧阻力，t；

Q_p－桩端阻力，t；

A_p－桩靴横向截面积，m²；

A_p′－桩靴有效面积与桩腿有效面积之差，m²；

A_s－埋入泥线以下桩侧总表面积，m²；

f－单位表面摩擦力，t/m²；

q(u,δ)－桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

α－回填土压力折减系数，α＝0.3～0.6；

P₀－计算点处的有效上覆土压力，KPa；

u－桩腿下入速度影响系数；

δ－群桩效应影响系数；

计算出桩腿承载力Q后，找出所对应的桩腿承载力等于平台最大预压载量的桩腿入泥深度，该入泥深度即为采用DRC模型确定的自升式钻井平台桩腿入泥深度。

2.根据权利要求1所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤100：根据自升式钻井平台桩腿结构，进行桩腿承载力的计算；

步骤200：根据自升式钻井平台的设计参数，找出自升式钻井平台在插桩预压载作业时的最大压载量，记为P，单位为t；

步骤300：根据步骤100得出的不同桩腿入泥深度的桩腿承载力Q，结合步骤200得出的自升式钻井平台最大预压载量P，找出所对应的桩腿承载力Q等于平台最大预压载量P的桩腿入泥深度，即：Q＝P时对应的桩腿入泥深度，该入泥深度即为采用DRC模型确定出的自升式钻井平台桩腿入泥深度。

3.根据权利要求2所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：所述步骤100中的单位表面摩擦力f的计算公式如下：

(1)单位表面摩擦力f的计算

(a)粘性土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝a·S_u

式中：Su＝不排水抗剪强度

a＝粘聚力系数

粘聚力系数a的计算方法如下：

①当ψ≤1.0时：

a＝0.5ψ^-0.5

②当ψ≥1.0时：

a＝0.5ψ^-0.25

式中：ψ＝Su/P₀

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

(b)粒状土中单位表面摩擦力由下式计算：

f＝KP₀tanδ

式中：K＝土压力系数

P₀＝计算点处的有效上覆土压力

δ＝桩土间摩擦角。

4.根据权利要求3所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：对于自升式平台桩靴，无论压荷载或拉荷载情况，均假设土压力系数K＝0.8。

5.根据权利要求3所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：关于桩土间摩擦角，该方法使用API RP2A规范中对粒状硅质土参数的建议值，并采用该规范中所规定的粒状土中表面摩擦力的最大限定值f_max。

6.根据权利要求2所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：所述步骤100中的桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力q(u,δ)的计算公式如下：

q(u,δ)＝q·u(t_jing)δ(v,t)

其中：

q(u,δ)：桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力，t/m²；

q：净单位桩端承载力，t/m²；

u(t_jing)：桩腿下入速度影响系数，与桩腿下入的净时间有关；

δ(v,t)：群桩效应影响系数，与桩腿下入时间和下入速度有关；

t_jing：桩腿下入净时间，排除压载作业过程中的静止等候时间，s；

v：桩腿下入速度，m/s；

t：桩腿下入总时间，s。

7.根据权利要求6所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：所述桩腿下入动载和群桩效应影响下的单位桩端承载力q(u,δ)的计算公式中的净单位桩端承载力q的计算公式如下：

1)粘性土

q＝N_cS_u，其中N_c＝9

2)粒状土

q＝P_oN_q

其中：

S_u：桩脚以下B/2以内平均不排水抗剪强度，B为桩脚的直径；

N_c：粘土不排水条件下的无量纲承载力系数；

P₀：计算点处的有效上覆土压力；

N_q：根据内摩擦角而定的排水粒状土的无量纲承载力系数。

8.根据权利要求2、3或7所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：所述计算点处的有效上覆土压力P₀的计算公式如下：

$P_0={\∫}_0^D\mathrm{\γdh}$

其中：

D：计算点处的深度，m；

γ：土体的有效重度，kN/m³。

9.根据权利要求2所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：在步骤100之前还包括：调查海底土质及土质分析。

10.根据权利要求2所述的确定海上自升式钻井平台桩腿入泥深度的方法，其特征在于：步骤300中，是将最小入泥深度作为自升式钻井平台桩腿入泥深度初始预测值，当初始预测值所表示的深度λ1处的土体成硬土层下卧软土层的层状土层时，需要结合刺穿风险分析来判定自升式钻井平台桩腿入泥深度范围。