1 大桩靴设计背景
桩腿和桩靴是自升式钻井平台的重要结构之一，承受整个平台重量的结构。其强度和刚度特性对自升式海洋平台整体的安全性具有极其重要的影响。大型自升式钻井平台因其较大的作业水深和可变载荷，受到越来越多国内外船东的青睐，逐渐成为自升式钻井平台的主流。但由于其桩靴压强过大，难以适应如东部、西部等软地层区域，导致类似区块的开发进度长期受阻，急需有更大桩靴的钻井平台进行作业。
2 大桩靴解决方案
2.1 总体方案
平台大桩靴设计，在行业内没有成熟经验可以借鉴，只能先期进行详实的可行性分析后，再着手进行建造。对于桩靴进行的改进，同样没有经验可以借鉴。本文主要探讨如采用矩形桩靴设计，在理论分析的基础上，是否可以解决改造对船体的影响及桩靴间相互干涉等问题。如该技术成功应用，则会填补国内大桩靴自升式钻井平台的空白，优化公司船队结构，扩展平台使用范围，为软地层油气田开发提打下基础。
大型自升式钻井平台具有较大的船体和较长的桩腿，以适应大水深作业，这些特点导致平台自重通常在1万5千吨以上，桩靴底面压强可达到普通平台的两倍左右。在如东海、南海等软地层油气田作业时，有可能导致泥深度增加、穿刺风险增大、拔桩困难等一系列问题。因此需要对大型自升式平台的桩靴进行加大设计，降低压强。
桩靴作为自升式平台的重要结构之一，其大小受到船体空间以及相关结构强度的限制。同时过大的桩靴可能导致对崎岖海底的适应性降低，增大平台滑移、拔桩困难及桩靴受力不均等风险。
三种不同类型自升式钻井平台插桩深度对比（图1）
为了得到合理的设计目标，可以根据中国东海和南海常规水深区域的土层特点，选取多个区块的多个井位，通过分析对比CJ46和JU2000E平台的插桩深度（图1），分析了不同桩靴在目标海域的适应性，最终确定了设计目标：桩靴压强达到25t/m2。
2.2 方案难点
（1）桩靴体积加大，如伸出船体外会影响拖航和进坞；
（2）桩靴与桩腿强度要求较高，特别是桩腿桩靴连接部位；
（3）围阱区域加大，船体刚度下降，需对船体进行加强；
（4）桩靴面积加大，对土层排挤能力增加，可能导致各桩之间的相互干涉；
（5）为达到预定目标，需尽量控制改造增重，同时减小平台其他部分重量；
2.3 具体研究内容
通过对不同类型自升式钻井平台的对比分析（图2），我们选择CJ50平台进行大桩靴改造研究，该型平台具有较大的桩腿跨距和可变载荷，可以为改造留出更多空间和余量。此外项目颠覆了传统圆形或多边形对称桩靴设计，创新性的提出矩形大桩靴方案。在具有相同的投影面积时，矩形桩靴可以有效减小桩靴宽度，避免桩靴伸出船体之外，同时降低插桩时桩靴之间的相互干涉。
不同类型桩靴大小对比（图2） 桩靴外形模拟（图3）
在通过数学建模及有限元分析基础上，通过多次实验进行论证，克服了桩靴受力不对称、内部空间狭小、钢板厚度大、强度级别高、焊后精度要求高等众多困难，最终将桩靴面积大幅扩大（图3）。
2.4 该桩靴具有以下特点
（1）桩靴面积较原设计大幅扩大，在全球大型自升式平台中位居第一；
（2）桩靴底面压强减低到常规自升式钻井平台水平；
（3）桩靴高度较低，顶部坡度较缓，有利于海床沙地中减小对流程的扰动、降低桩靴底部沙土被急流掏空的几率；
由于桩靴面积的加大，作用在桩靴底面的力矩增加，对桩靴本身及其与桩腿连接部位的强度要求较高。
2.5 新技术保障桩靴的安全可靠
（1）高强度钢材
（2）首次采用桩腿插入桩靴内部的设计，提高耦合强度（图4）。
无齿条桩腿插入式设计（图4）
2.6 全方位强度校核
桩靴的设计考虑了不完全入泥、半桩靴入泥及地基倾斜的特殊情况，必须在设计上完全满足实际作业要求，以确保桩靴安全。
2.7 应特别注意要点
此外，由于桩靴需要完全回收，船体围井区加大导致船体刚度下降。为了保障船体强度，对局部结构进行加强改造，又导致重量增加。平台的其他部分适宜采用全铝制直升机甲板、泥浆池分组进排气合并设计等新技术，严格控制改造重量，进一步降低桩靴压强。
3 结论
大型自升式钻井平台大桩靴设计，国内首次对平台进行加大改造方面的技术研究，也是在全球的首次大桩靴改进，没有经验可以借鉴。该技术填补了中国大型自升式平台大桩靴自升式钻井平台的空白，优化了公司钻井船队结构，扩展了平台的使用范围，为软地层油气田开发提打下基础。
参考文献
[1]蒙占彬,田海庆,宋强,等.海洋自升式平台桩靴触底碰撞动力学研究?[J].石油机械,2016,44(4):57-61.
作者简介：来宣朝（1978-），男，中海油服墨西哥公司总裁，研究方向：海洋石油勘探开发。
论文作者:来宣朝
论文发表刊物:《红地产》2017年2月
论文发表时间:2018/12/13
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