JU2000E钻井平台插拔桩技术要点分析

中外船舶科技2020年第4期
JU2000E钻井平台插拔桩技术要点分析
孙振华,杨含坤，唐莉
(上海外高桥造船有限公司，上海200137)
摘要：对J U2000E型自升式钻井平台在码头插、拔桩的过程进行分析，研究全部作业过程中存 在的风险以及相关技术要求，为后续J U2000E平台生产作业提供技术支撑。

关键词：自升式平台；插桩;拔桩；压栽
中图分类号：TE951 文献标志码:A
插拔桩作业是自升式钻井平台重要的工作之
一，是其正常作业的重要组成部分。

插拔桩作业成
功与否也是检验平台建造质量的重要标准[1<。

所
谓插桩就是利用平台自身的升降机构将桩腿插至海
底泥面以下的设计深度，并站立在海床上，利用桩腿
托起船使船壳底部离开海平面一定距离的过程;拔
桩就是平台完成预定工作后，利用自身升降机构将
桩腿从海底收起拔出，使平台由支撑状态转为自由
漂浮状态的过程。

JU2000E自升式钻井平台为3桩腿支撑的自升
式钻井平台。

平台每条粧腿下端配有一个桩靴，桩
靴的最大截面面积为254 m2,有效直径为18.0 m,
高度13.7 111，体积66〇1113。

文中以11112000£型自升
式钻井平台为例，对其插拔桩作业前的准备工作，作
业过程中的压载情况、受力情况及注意事项进行分
析研究。

1插粧压载前地质调查及地基承载力分析
自升式钻井平台在海上作业时,除了平台自身 重力及平台上可变载荷外，还会受到风、浪、流的水 平作用力。

这些水平环境力在平台上会产生倾覆弯 矩，此弯矩会给下风方向的桩靴施加一个附加垂直 力，在恶劣风暴期间能引起桩腿的附加贯人,导致平 台倾覆。

图1为自升式钻井平台的受力情况。

作者简介:孙振华，主任设计师，研究方向为船体结构。

图1自升式平台受力
平台压载的目的是通过较短时间的压载作用使 桩靴的稳定性达到风暴状态下的最大粧靴反作用力，模拟平台可能遇到的最大重力载荷和环境载荷。

在编制插桩压载作业方案前，需对插桩位置地 质进行取样，并计算好地基承载力[>4]。

图2为某 JU2000E平台插桩时地基承载力曲线。

通过曲线可 以看出，插桩区域的地质条件较好，适合插桩作业。

插桩时，在人泥2 ~ 3 m时会发生微小的穿
刺
图3桩靴结构示意图
根据平台作业及风暴抗台等工作的需要，
JU 2000E 平台插桩压载作业时，单个粧靴的反作用 约为98 066. 5 kN ( 10 000 t )。

地基承载力为
桩靴反作用力/桩靴最大截面积，
（1)
由式（1)计算平台插桩预压完成后地基承载力 约为386.3 kPa (39.4t / m 2)。

根据图2,预计插桩 深度约在10 ~ 11 m 左右。

虽然在实施压载作业前进行了预见性调查分 析，但在实施过程中仍需谨慎小心。

同时，应根据具
2.1插桩作业
钻井平台到达码头预定的插桩位置时，3个粧 腿同时下放，进行空船插桩。

此时每个桩靴的受力 情况分别为：
空船插柱的重心为weight with VL = 18 815_ 4 t ,
LCG =29.06 m ,TCG = -0.02 m ；
艉部两个粧靴合力=总载荷x (平台纵向重心-
艏桩纵向重心)/桩腿纵向 距离；
艏部桩靴受力=总载荷-艉部两个桩靴合力； 右桩靴受力=艉部两粧靴合力X (平台横向重
心+桩腿横向距离/2)/桩腿横 向距离；
左桩靴受力=艉部两个粧靴合力-右粧靴受力。

通过计算得：艏桩受力为62 112.4 kN ( 6333. 7 0，左桩受力为61 142. 5 kN (6234. 8 〇，右粧受力为
图2插桩位置地基承载力分析
JU 2000E 自升式钻井平台的桩靴结构如图3所
〇
体情况将压载方案及压载步骤进行适当的调整。

2
插粧、压载作业
中外船舶科技 2020年第4期
(PUNCH )，穿刺过后，随着压载水的注入，整个预压 过程会非常平稳，直至预压工作完成。

地基丨承载力（I • nr :)
100
200
——S W -1寸 6.g
I r
-—s «r -i z .8.寸
i
24
61 261.2 kN (6246. 9 t )，此时地基承载最大值为 244.58 kPa (24.94 t / m 2)。

与图2比较，理论桩腿 人泥都在10 m 左右，即靠自重插桩时会一步到达预 计的插桩深度。

实际插粧情况是，艏桩和右粧都已 插到预定深度，而左桩没有插人到预计的深度，也就 是此处为“鸡蛋壳”，会发生穿刺的风险。

在后续的 预压过程中，需要密切关注左桩。

在进行插桩作业时应注意以下关键事项。

(1) 平台吃水。

此自升式平台拖航时平均吃水 为5.6 m ，小于载重线吃水限制（6.69 m )，可满足稳 性要求。

(2) 平台浮态。

自升式平台下放桩腿插桩时， 需控制平台的浮态，斜不能超过0. 5° ,如果超过此
值，则需要调平。

(3) 平台运动控制。

当桩腿下放接触到海底 时，要用拖轮将平台定好位，不能让平台发生漂移或
绕一条腿扭转的情况，以防导致桩靴和粧腿的损坏。

(4) 保压。

靠自重插桩后，需保压2 h ,观察平 台的沉降情况。

2.2压载作业
空船插桩后需要注人压载水，进行预压作业。

初步计划采用三桩同时压载的方法进行平台预压。

根据具体压载情况考虑是否需要单桩压载。

在压载过程中主要注意以下注意事项。

(1)
压载过程中桩腿穿刺，尤其应对左粧进行 实时监控。

根据平台实际情况，在第一轮和第二轮 压载水打完后，整个平台只发生了微小的沉降。

考 虑到左腿有“鸡蛋壳”，第三步压载决定单腿压载， 直至刺破“鸡蛋壳”。

发生穿刺的过程中，升降丁程 师应迅速调整平台的水平度，将高处的船体向下降,
以免平台升降单元上下滑道发生损伤。

(2) 全部压载加在平台上并且平台稳定之后， 应保持这种状态2.5 h 。

当压载状态已经稳定后，没 有发生平台沉降或者贯人情况，则压载过程结束。

平台压载完成后，每个桩靴受力为：艏粧受力为 97 440.8 kN (9936. 2 t );左桩受力为 97 577. 1 kN (9950. 1 t );右桩受力为 98 118. 5 kN ( 10 005. 3 t )。

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均与设定值一致。

平台压载以及保压作业完成之后，泄放压载水，
同时保证3个桩腿上升降单元的每个小齿轮受力不 超过正常的升降能力。

然后将平台升到预定气隙， 保证最高潮浪拍击不到平台底部。

3自升式钻井平台拔桩作业
3.1拔桩时平台受力分析
自升式钻井平台在完成钻探作业后就要拔桩移 位。

桩腿从海底土壤中拔出的过程，就是破坏土壤
阻力的过程。

自升式平台拔桩过程中，垂直向上的力为平台 的浮力，即桩腿、桩靴、船体3个部分的浮力。

垂直
向下的力由4部分组成:桩腿桩靴的重力、桩靴底部 的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力和桩靴上部的覆土
压力。

根据土质情况，覆土压力又可分为覆土的重 力和被移动覆土体侧面的阻力。

平台阻力包括覆土压力、桩靴侧面摩擦力和吸 附力。

由于平台设计有粧靴喷冲系统，平台拔桩阻 力计算可先不考虑吸附力；桩侧摩擦力较小,也可以 忽略。

因此，阻力即为覆土压力。

3.1. 1阻力
桩靴最大截面积为254 m 2,桩靴高度为13. 7 m ，泥土平均浮容量为7. 97 kN /m 3，桩靴底部顶点至
底部斜坡高度为1.8 m 。

拔桩阻力=254 x (13.7 -1.8) x 7.97 x 3
=72 270 kN 。

3.1.2拔桩能力
平台空船重为18 000 t ,排水量为3419 t /m ，压
载水体积为600 m 3。

根据平台参数，可计算出桩腿
浮力（主要考虑桩靴的浮力）F , =660 x l .025 x 3 t =2029.5 t 0
钻井平台拔桩时，可变荷载要处于拖航状态，建 议在高潮时进行拔桩作业。

计算的平台最大浮力
F 2见表1。

表1
平台浮力
平台
最大吃水/m
每米吃水排水量/t 吃水8. 9 m 时排水量/t
平台作业浮力心/t
JU 2000平台
9.4
3419
30 459
12 459
25
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桩靴压载水重：F 3 = 600 x 1.025 x 3 = 1845 t
平台总拔桩能力为：F = F l +F 2-Fi =2029. 5 t + 12 459 t - 1845 t =12 643.5 t ( 123 990.4 kN )
从计算结果可知，其拔桩能力远远大于阻力，拔 桩可以完成。

3.2自升式钻井平台拔桩前准备工作
在拔桩之前需要做好充分的准备工作，主要包
括以下几个方面。

(1) 升降系统检查。

首先对3个桩腿各弦管齿 轮受力情况进行检查，对受力差异较大者进行力矩 再分配，以使每个弦管齿轮受力均衡。

同时，应对升 降系统工作环境进行清理，以清除桩腿周围影响降
船作业的所有障碍物。

(2) 逆功电阻检查。

由于平台下降时会消耗大 量功率，应准备好逆功电阻。

如打开照明设备、把风
机都打开等。

(3) 安全检查。

由于平台起桩后平台是漂浮在 海上的，须关闭所有不使用的水密门、舱口盖、通风 口以及阀门等，同时应确保所有报警系统处于安全 工作状态。

另外,平台上应准备好必要的应急备品。

平台在降船之前，须将平台上移动设备及物品全部 固定，悬臂梁和钻台等滑移部件应全部锁定。

(4) 稳性计算。

在拔桩之前应初步计算拔桩起 来的浮态和稳性情况。

考虑到拔桩后平台吃水有可
能会超过载重线吃水，拔桩应选择在良好的天气状 况下进行。

(5) 抛锚带缆。

考虑到实际码头的水流流速比 较大，为了防止平台拔粧后发生漂移，在拔桩前需要 抛锚和带缆。

以JU 2000E 平台为例，左舷抛的两个
锚与中线夹角为45°，右舷的两个锚考虑到现场情况 没有安装。

锚钢丝接上缆绳，与码头绞车连接。

具
体布置情况参见图4。

图4拔桩抛锚带缆布置
3.3自升式钻井平台拔桩实际操作3.3.1 降平台
在所有准备工作都完成后，先将平台降至吃水
1 m 。

检查所有压载舱以及与海水接触舱和通海阀 的水密性，确认没有漏水。

在确认完后，继续降平 台，至机械甲板层，重复上述工作，以确认机械舱室 没有漏水。

在确认后将平台降到最大载重线吃水，
同时查看桩腿入泥深度的情况，查看桩腿是否有上 升的趋势。

根据本项目的实际情况，在最大载重线 吃水的情况下，浮力是远远小于拔桩阻力的。

在降平台的过程中，应保持平台的倾斜度不超
过0.5°，最好控制在0. 3°，同时严格观察平台周围 是否发生挂、
碰现象。

中外船舶科技2020年第4期船袖设计与龙进
3.3.2拔桩和冲桩
拔桩一般按照先集中后分散，先高压后低压的
原则进行。

将平台降至预定的漂浮状态后，收紧锚
缆，然后进行以下操作：
(1)在最大吃水的基础上，继续加大0.3 m的吃水进行拔桩。

(2)如果在增大浮力的情况下，依然不能拔出 桩腿，可使用平台桩靴喷冲系统，进行冲桩。

对没有上升趋势的桩腿,一般先用潜水泵低压
打通冲桩管线的水眼并进行低压冲桩30 tnin,中控
室密切观察桩腿和船体的吃水变化情况。

首先启用1台泥浆泵进行冲桩，泥浆泵泵冲由
小逐步加大到80 ~ 110冲程，利用桩腿的高压冲管
进行冲桩20 ~50 min(不超过1h)，同时密切观察桩
腿和船体的吃水变化情况;如果还没有变化，应将原
有的1台泥浆泵速降至20冲程，增加1台泥浆泵，
逐步由小加大到80 ~ 110冲程，并继续密切观察桩
腿和船体的吃水变化情况。

对很难拔出的桩腿，可以采用边冲桩边单点拔
桩的方法，但船体的倾斜度不能超过3°。

(3)依照以上步骤所述将3个桩腿全部拔松盘 活,依次将3个桩脚全部从泥中拔出。

如果拔桩过
程中仅一个桩腿松动，不能立即将它拔出，必要时再
要插进去，以保证平台的水平度。

如果直接拔出，有
可能会导致没有拔出的2条腿发生弯曲，导致变形。

(4) 3个桩腿还未从泥中拔出时，各拖船或带
揽应做好起拖或帯缆准备，预防船体漂浮时与拖船 或码头发生碰撞。

4结语
通过对JU2000E自升式钻井平台整个插拔桩过 程的分析可知，自升式平台作业是一个复杂的过程，涉及环境条件监控、计算、操作以及应急响应等环节，任何一个环节失误,都有可能导致插拔粧作业失 败。

对JU2_E自升式平台插拔桩过程操作要点分 析并进行实际操作，理论研究与积累的工程实际经 验，能够为其他自升式钻井平台的插拔桩作业提供 技术方面的借鉴和指导。

参考文献：
[1]姚进.JU2000E钻井平台在临港前沿码头区域插拔桩分
析[J].创新与应用,2017( 15) :8 -9.
[2]臧孟，罗晓兰，刘阳，等.自升式钻井平台插拔桩及冲桩
试验系统[J].海洋石油装备,2017(1) :48 -52.
[3]邓海峰.复杂地层条件下自升式平台桩腿插桩深度对比
分析[J].石油工程建设,2015(5) :12 - 15.
[4]刘剑涛，吴文峰，蒋宝凡.自升式钻井船插桩深度预测
[C].2007年度海洋工程学术会议论文集:329 -334.。