CN103870640A - 自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其步骤为：1）确定导管架桩侧土层的均一等效弹性模量；2）建立三维结构分析模型和三维弹塑性有限元CEL模型，设置弹性模量；3）确定环境参数的角度；4）确定环境荷载效应下桩身的UC值分布、桩头力及桩头位移数据；5）确定插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移；6）建立桩土非线性地基梁模型，计算桩身内力；7）根据海洋工程中的设计规范在MS EXCEL下编程，得到挤土效应作用下桩身的UC值分布；8）确定环境荷载效应与挤土效应耦合作用下桩身UC值；9）对耦合条件下桩身UC值进行校核；10）对导管架桩基进行分析；11）对分析结果进行校核判断是否满足设计要求。

Description

自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法

技术领域

本发明涉及一种海上石油开发领域中的评估方法，特别是关于一种应用于海上石油开发过程中的自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法。

背景技术

自升式钻井船是用于海上石油开发中钻完井作业的一种特殊海洋工程装备，适用于水深可达120m的海域中。在百米水深的油气田开发中，与新建平台上设置模块钻机或修井机方案、采用半潜式钻井船进行钻井作业方案相比，采用自升式钻井船的方案一般具有较好的经济效益。因此，近年来自升式钻井船越来越多地应用于我国近海油气开发的工程方案中。

自升式钻井船一般支撑于3个独立桩腿上，每个桩腿固定在较大尺寸的锥形基础上即桩靴，例如HYSY941其桩靴直径达18m。自升式钻井船在海上就位，采用液压或者机械的方法进行预压载，将桩靴插入海床一定深度，以承受钻完井作业荷载和外界环境荷载而保持船体稳定不倾覆。受自升式钻井船悬臂能力及定位精度的限制，桩靴通常与导管架平台的桩基距离较近。海上平台通常采用钢质圆管桩基作为结构基础，圆管桩基通常插入海床数十米甚至上百米以充分保证固定平台安全可靠。当大直径的桩靴挤压入泥到一定深度时，会引起大体积的土体重塑和流动。若桩靴距离导管架的桩基较近，则土体的运动会对桩基产生显著的侧向挤压影响，严重时会危及平台的安全。自升式钻井船进行钻完井作业通常需要一年甚至更长时间，当作业期间遭遇极端风暴条件时，钻井船无足够时间完成撤离操作，因此需要考虑钻井船插桩挤土效应与极端环境荷载效应的耦合作用对桩基的影响。

国内外多针对钻井船插桩的挤土效应进行研究，但未考虑插桩挤土效应和环境荷载效应的耦合作用影响，因此不能应用到工程实践中。如何评估自升式钻井船插桩挤土效应和环境荷载效应的耦合作用影响，并对其危害进行控制，成为海上石油开发技术中的一个亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，解决了桩靴深入泥时土体大变形可能导致的导管架桩基严重扭曲的问题，可用于指导工程实践中平台桩基的设计。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其包括以下步骤：1）确定导管架桩侧土层的均一等效弹性模量；2）建立三维结构分析模型和三维弹塑性有限元CEL模型，并根据步骤1）计算结果设置模型中土体的弹性模量；①根据环境参数、假定的导管架桩基参数、与桩径相应的土体参数，建立平台-导管架桩基-土体相互作用的三维结构分析模型；②根据土体参数、假定的导管架桩基参数、桩靴参数，建立桩靴-土体-导管架桩基相互作用的三维弹塑性有限元CEL模型；3）根据步骤2）中建立的三维结构分析模型和三维弹塑性有限元CEL模型，确定环境参数的角度；4）根据步骤3）确定的环境参数角度，采用三维结构分析模型模拟与该角度对应的环境荷载效应，求解得到环境荷载效应下桩身的UC值分布、桩头力及桩头位移数据；5）根据步骤4）得到的桩头力和桩头位移数据，计算得到桩头刚度，并根据桩头刚度设置三维弹塑性有限元CEL模型中桩头刚度，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移；6）建立分析桩土相互作用的桩土非线性地基梁模型，根据步骤5）结果设置桩头刚度，将步骤5）中得到的桩身挤土位移以荷载形式施加到桩土非线性地基梁模型上，计算得到与此位移相对应的桩身弯矩以及剪力的桩身内力；7）根据海洋工程中的设计规范API RP2A-WSD在MS EXCEL下编程，输入步骤6）计算得到的桩身内力，求解得到挤土效应作用下桩身的UC值分布；8）根据步骤4）求得的环境荷载效应的桩身UC值和步骤7）求得的桩靴挤土效应的桩身UC值，求解得到环境荷载效应与挤土效应耦合作用下桩身UC值；9）根据步骤7）中的设计规范，对步骤8）求得的耦合条件下桩身UC值进行校核；若耦合UC值＜1.0，则进行步骤10）；若耦合UC值≥1.0，则需要调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤8），直至步骤8）求得的耦合UC值＜1.0为止；10）根据步骤9）确定的导管架桩基参数，进行导管架桩基的承载力分析、起吊分析、自由站立分析、打桩分析、疲劳分析和桩腿连接分析；11）根据步骤7）中的设计规范，对步骤10）分析结果进行校核，判断是否满足设计要求；若满足设计要求，则结束；反之，则需调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤10），反复迭代直至满足要求。

所述步骤1）中，均一等效弹性模量确定方法如下：①假定导管架桩基参数已知，依据与导管架桩径相对应的土体参数，建立桩土相互作用的导管架非线性地基梁模型，计算单桩桩头在水平荷载作用下的水平荷载-位移曲线；②根据土体参数，假定土体的均一等效弹性模量，按照实际钢管桩建立一个单桩与土相互作用的三维有限元常规拉格朗日模型，通过有限元计算得到桩头的水平荷载-位移曲线；③对比步骤①和步骤②计算的水平荷载-位移曲线结果，若二者相差超过5%，则调整土层的等效弹性模量，重复步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5%为止。

所述步骤3）中，所述环境参数角度的确定方法如下：①假定环境参数的角度，利用步骤2）中建立的SACS模型模拟环境荷载效应，求解得到平台桩基的桩头力及桩头位移、转角数据，根据求得的桩头力和桩头位移计算相应的桩头刚度；②根据步骤①计算的桩头刚度对三维弹塑性有限元CEL模型的桩头进行赋值，通过CEL大变形分析，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移，并计算出桩身最大挤土位移的角度；③将步骤①中桩头位移的角度与步骤②中桩身最大挤土位移的角度对比，若二者相差超过5度，则重新假定环境参数的角度，重复步骤①和步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5度为止，确定最终的环境参数角度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用有限元CEL（耦合欧拉-拉格朗日）方法对钻井船插桩过程进行数值模拟，该方法吸取了拉格朗日分析与欧拉分析的优点，相比于传统拉格朗日（Lagrangian）有限元方法，解决了桩靴深入泥时土体大变形可能导致的土体有限元网格严重扭曲的问题。2、相对于离心机模型试验，本发明具有实施时间短、经济性好、土壤适应广、可灵活调整桩头刚度等优点。3、本发明从工程实践需要出发，通过多个模型数据的密切衔接，求解挤土效应下的桩身位移角度，进而确定环境荷载效应的角度。通过编程实现挤土效应和环境荷载效应的耦合分析，指导桩基设计参数的调整，并控制了插桩效应对平台桩基的危害程度。这对于指导工程设计具有非常重要的指导意义。4、本发明在国内外尚无规范和标准可循的情况下，建立了一种便于工程应用的实用计算方法，明确了插桩情况下平台桩基的设计控制标准和基本原则，促进了海洋石油开发技术的进步与创新。本发明可广泛应用于海上石油开发领域。

附图说明

图1是本发明的计算流程示意图；

图2是本发明确定导管架桩侧土层的均一等效弹性模量流程示意图；

图3是本发明确定环境参数的角度流程示意图；

图4是本发明的钻井船插桩时与导管架桩基的平面布置图；

图5是本发明的导管架桩基-土体相互作用的二维有限元地基梁模型示意图；

图6是本发明的单桩-土体相互作用的常规拉格朗日有限元模型示意图；

图7是本发明的平台-导管架桩基-土体相互作用的三维SACS结构模型示意图；

图8是本发明的桩靴-土体-导管架桩基相互作用的三维有限元CEL模型示意图；

图9是本发明的环境荷载效应下导管架桩基A的水平位移图；

图10是本发明的环境荷载效应下导管架桩基A的桩身UC图；

图11是本发明的插桩至9.08m时挤土效应下导管架桩基A的水平位移图；

图12是本发明的插桩至9.08m时挤土效应下导管架桩基A的弯矩图；

图13是本发明的插桩至9.08m时挤土效应下导管架桩基A的桩身UC图；

图14是本发明的挤土效应和操作环境荷载效应耦合作用下导管架桩基A的桩身UC图；

图15是本发明的挤土效应和极端环境荷载效应耦合作用下导管架桩基A的桩身UC图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其包括以下步骤：

1）确定导管架桩侧土层的均一等效弹性模量（如图2所示）；

①假定导管架桩基参数（分段、直径、壁厚、入泥深度等）已知，依据与导管架桩径相对应的土体参数（P-Y数据、T-Z数据、Q-Z数据），建立桩土相互作用的导管架非线性地基梁模型(Ⅰ)，计算单桩桩头在水平荷载作用下的水平荷载-位移曲线；

②根据土体参数（分层、分类、泊松比、内摩擦角、粘聚力），假定土体的均一等效弹性模量，按照实际钢管桩建立一个单桩与土相互作用的三维有限元常规拉格朗日模型(Ⅱ)，通过有限元计算得到桩头的水平荷载-位移曲线。

③对比步骤①和步骤②计算的水平荷载-位移曲线结果，若二者相差超过5%，则调整土层的等效弹性模量，重复步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5%为止。此时土层的弹性模量就是与导管架非线性地基梁模型(Ⅰ)以及P-Y数据等效的土层弹性模量。

2）建立三维结构分析（SACS）模型（Ⅲ）和三维弹塑性有限元CEL（CoupleEulerian-Lagrangian）模型（Ⅳ），并根据步骤1）计算结果设置模型中土体的弹性模量；

①根据环境参数（水深、风、浪、流）、假定的导管架桩基参数（分段、直径、壁厚、入泥深度）、与桩径相应的土体参数（P-Z、T-Z、Q-Z数据），采用海洋工程中常用软件SACS建立平台-导管架桩基-土体相互作用的三维结构分析模型（Ⅲ）；

②根据土体参数（分层、分类、泊松比、内摩擦角、粘聚力）、假定的导管架桩基参数（分段、直径、壁厚、入泥深度）、桩靴参数（直径、预计入泥深度、与平台桩基的距离），建立桩靴-土体-导管架桩基相互作用的三维弹塑性有限元CEL模型（Ⅳ）。

3）确定环境参数的角度（如图3所示）；

①假定环境参数的角度，利用步骤2）中建立的SACS模型（Ⅲ）模拟环境荷载效应，求解得到平台桩基的桩头力（含弯矩）及桩头位移（含转角）等数据，根据求得的桩头力和桩头位移计算相应的桩头刚度；

②根据步骤①计算的桩头刚度对三维弹塑性有限元CEL模型（Ⅳ）的桩头进行赋值，通过CEL大变形分析，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移，并计算出桩身最大挤土位移的角度；

③将步骤①中桩头位移的角度与步骤②中桩身最大挤土位移的角度对比，若二者相差超过5度，则重新假定环境参数的角度，重复步骤①和步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5度为止，进而确定最终的环境参数角度。

4）根据步骤3）确定的环境参数角度，采用SACS模型（Ⅲ）模拟与该角度对应的环境荷载效应，求解得到环境荷载效应下桩身的UC（Unit Check）值分布、桩头力及桩头位移等数据。

5）根据步骤4）得到的桩头力和桩头位移数据，计算得到桩头刚度。并根据桩头刚度设置三维弹塑性有限元CEL模型（Ⅳ）中桩头刚度，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移。

6）建立分析桩土相互作用的桩土非线性地基梁模型（Ⅴ），根据步骤5）结果设置桩头刚度，将步骤5）中得到的桩身挤土位移以荷载形式施加到桩土非线性地基梁模型（Ⅴ）上，计算得到与此位移相对应的桩身弯矩、剪力等桩身内力。

7）根据海洋工程中常用设计规范API RP2A-WSD（2007）在MS EXCEL下编程，输入步骤6）计算得到的桩身内力，求解得到挤土效应作用下桩身的UC值分布。

8）根据步骤4）求得的环境荷载效应的桩身UC值和步骤7）求得的桩靴挤土效应的桩身UC值，求解得到环境荷载效应与挤土效应耦合作用下桩身UC值。

9）根据步骤7）中的设计规范，对步骤8）求得的耦合条件下桩身UC值进行校核。若耦合UC值＜1.0，则进行步骤10）；若耦合UC值≥1.0，则需要调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤8），直至步骤8）求得的耦合UC值＜1.0为止。

10）根据步骤9）确定的导管架桩基参数，进行导管架桩基常规设计：承载力分析、起吊分析、自由站立分析、打桩分析、疲劳分析和桩腿连接分析等。

11）根据步骤7）中的设计规范，对步骤10）分析结果进行校核，判断是否满足设计要求。若满足设计要求，则结束；若不满足设计要求，则需调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤10），反复迭代直至满足要求。

下面以宝云亭WHPA井口平台考虑钻井船插桩影响的平台桩基为例，对本发明做进一步的具体应用介绍。该平台的导管架裙桩拟采用外径84in的两开口钢管桩，打入泥面以下80m。采用HYSY941钻井船进行插桩作业，其桩靴直径为18m，桩靴插桩深度为9.08m。考虑1.5m的就位误差，插桩时钻井船桩靴与导管架桩基的相对位置如图4所示。

1）确定导管架桩侧土层的等效弹性模量；

①假定导管架桩基参数，根据与导管架桩径相对应的土体参数，建立导管架非线性地基梁模型(Ⅰ)（如图5所示），计算单桩桩头在水平荷载作用下的水平荷载-位移曲线；

②根据土体参数、假定土体的均一等效弹性模量，建立单桩的有限元模型(Ⅱ)（如图6所示），通过有限元计算得到桩头的水平荷载-位移曲线。

③对比步骤①和步骤②计算的水平荷载-位移曲线结果，反复迭代，使二者差别小于5%，得到等效的弹性模量。

2）根据环境参数、假定的桩基参数、土体参数等，采用SACS建立结构分析模型（Ⅲ）（如图7所示）；根据土体参数、假定的桩基参数、桩靴参数等，建立有限元CEL模型（Ⅳ）（如图8所示），并根据步骤1）设置模型中土体的弹性模量。

3）确定环境参数的角度；

①假定环境参数的角度，利用步骤2）中建立的SACS模型（Ⅲ）求解环境荷载作用下平台桩基的桩头力（含弯矩）及桩头位移（含转角）等数据，根据求得的桩头力和桩头位移计算相应的桩头刚度；

②根据步骤①计算的桩头刚度对有限元CEL模型（Ⅳ）的桩头进行赋值，通过CEL有限元分析，求得挤土效应下桩基的桩身位移，并计算出桩身最大位移的角度；

③将步骤①中桩头位移的角度与步骤②中桩身最大位移的角度对比，反复迭代最终确定环境参数角度为251°。

4）根据步骤3）确定的环境参数角度，采用SACS模型（Ⅲ）模拟环境荷载效应（包括操作环境荷载和极端环境荷载），求解得到251°环境荷载效应下桩头力、桩头位移、桩身位移分布（如图9所示）及桩身的UC值分布（如图10所示）。

5）根据步骤4）得到的桩头力和桩头位移数据，计算得到桩头刚度。设置有限元CEL模型（Ⅳ）中桩头刚度，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移（如图11所示）。

6）建立分析桩土非线性地基梁模型（Ⅴ），根据步骤5）结果设置桩头刚度，将步骤5）中得到的桩身挤土位移以荷载形式施加到桩土非线性地基梁模型（Ⅴ）上，计算得到与此位移相对应的桩身弯矩分布（如图12所示）。

7）根据海洋工程中常用设计规范API RP2A-WSD（2007）在MS EXCEL下编程，输入步骤6）计算得到的桩身内力，求解得到挤土效应作用下桩身的UC值分布（如图13所示）。

8）根据步骤4）求得的环境荷载效应的桩身UC值和步骤7）求得的桩靴挤土效应的桩身UC值，求解环境荷载效应与挤土效应耦合作用下桩身UC值（如图14和图15所示）。

9）根据步骤7）中的设计规范，对步骤8）求得的耦合条件下桩身UC值进行校核。结果表明桩身耦合UC值均满足UC＜1.0。

10）根据步骤9）确定的桩基参数，进行桩基常规设计：承载力分析、起吊分析、自由站立分析、打桩分析、疲劳分析和桩腿连接分析等。

11）根据步骤7）中的设计规范，对步骤10）计算结果进行校核，分析表明以上工况均满足设计要求，计算结束。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上对本发明的个别步骤进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其包括以下步骤：

1）确定导管架桩侧土层的均一等效弹性模量；

2）建立三维结构分析模型和三维弹塑性有限元CEL模型，并根据步骤1）计算结果设置模型中土体的弹性模量；

①根据环境参数、假定的导管架桩基参数、与桩径相应的土体参数，建立平台-导管架桩基-土体相互作用的三维结构分析模型；

②根据土体参数、假定的导管架桩基参数、桩靴参数，建立桩靴-土体-导管架桩基相互作用的三维弹塑性有限元CEL模型；

3）根据步骤2）中建立的三维结构分析模型和三维弹塑性有限元CEL模型，确定环境参数的角度；

4）根据步骤3）确定的环境参数角度，采用三维结构分析模型模拟与该角度对应的环境荷载效应，求解得到环境荷载效应下桩身的UC值分布、桩头力及桩头位移数据；

5）根据步骤4）得到的桩头力和桩头位移数据，计算得到桩头刚度，并根据桩头刚度设置三维弹塑性有限元CEL模型中桩头刚度，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移；

6）建立分析桩土相互作用的桩土非线性地基梁模型，根据步骤5）结果设置桩头刚度，将步骤5）中得到的桩身挤土位移以荷载形式施加到桩土非线性地基梁模型上，计算得到与此位移相对应的桩身弯矩以及剪力的桩身内力；

7）根据海洋工程中的设计规范API RP2A-WSD在MS EXCEL下编程，输入步骤6）计算得到的桩身内力，求解得到挤土效应作用下桩身的UC值分布；

8）根据步骤4）求得的环境荷载效应的桩身UC值和步骤7）求得的桩靴挤土效应的桩身UC值，求解得到环境荷载效应与挤土效应耦合作用下桩身UC值；

9）根据步骤7）中的设计规范，对步骤8）求得的耦合条件下桩身UC值进行校核；若耦合UC值＜1.0，则进行步骤10）；若耦合UC值≥1.0，则需要调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤8），直至步骤8）求得的耦合UC值＜1.0为止；

10）根据步骤9）确定的导管架桩基参数，进行导管架桩基的承载力分析、起吊分析、自由站立分析、打桩分析、疲劳分析和桩腿连接分析；

11）根据步骤7）中的设计规范，对步骤10）分析结果进行校核，判断是否满足设计要求；若满足设计要求，则结束；反之，则需调整导管架桩基参数，重复步骤1）～步骤10），反复迭代直至满足要求。

2.如权利要求1所述的自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其特征在于：所述步骤1）中，均一等效弹性模量确定方法如下：

①假定导管架桩基参数已知，依据与导管架桩径相对应的土体参数，建立桩土相互作用的导管架非线性地基梁模型，计算单桩桩头在水平荷载作用下的水平荷载-位移曲线；

②根据土体参数，假定土体的均一等效弹性模量，按照实际钢管桩建立一个单桩与土相互作用的三维有限元常规拉格朗日模型，通过有限元计算得到桩头的水平荷载-位移曲线；

③对比步骤①和步骤②计算的水平荷载-位移曲线结果，若二者相差超过5%，则调整土层的等效弹性模量，重复步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5%为止。

3.如权利要求1或2所述的自升式钻井船插桩对临近导管架平台桩基影响的评估方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述环境参数角度的确定方法如下：

①假定环境参数的角度，利用步骤2）中建立的SACS模型模拟环境荷载效应，求解得到平台桩基的桩头力及桩头位移、转角数据，根据求得的桩头力和桩头位移计算相应的桩头刚度；

②根据步骤①计算的桩头刚度对三维弹塑性有限元CEL模型的桩头进行赋值，通过CEL大变形分析，模拟钻井船的桩靴插桩入泥过程，求解得到插桩挤土效应下导管架桩基的桩身位移，并计算出桩身最大挤土位移的角度；

③将步骤①中桩头位移的角度与步骤②中桩身最大挤土位移的角度对比，若二者相差超过5度，则重新假定环境参数的角度，重复步骤①和步骤②中的计算，直至二者计算结果相差小于5度为止，确定最终的环境参数角度。

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