关于立方形金属罐在含有夹层砂-粘土结构的沉积物中的穿透潜力

《Ocean Engineering》：On the punch-through potential of a cubic spudcan in sediments with interbedded sand-over-clay

立方形井腿在砂土与粘土交错层中的贯入破坏潜力研究，通过有限应变有限元分析和离心试验验证，发现立方形井腿在峰值和后峰值抗力方面均优于传统圆锥形井腿，并建立了相应的预测方法。

　　

赵军|刘春燕|张宝平|张阳|高攀|曾伟

西安石油大学石油工程学院海洋油气工程系，中国西安

摘要

在具有夹层砂-粘土结构的海床上为自升式钻井平台安装井筒护筒，在海上工业中面临相当大的挑战，因为存在穿透失败的风险。目前用于预测穿透失败的方法主要集中在通用圆锥形井筒护筒上，往往忽略了井筒护筒的几何特性。针对专为BH12#自升式钻井平台设计的立方形井筒护筒，本文旨在研究在通用井筒护筒中观察到的穿透潜力是否也适用于这种立方形井筒护筒。采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法进行了一系列大变形有限元（LDFE）分析，考虑了砂的渐进性破坏和粘土的应变软化效应。与通用井筒护筒相比，这种立方形井筒护筒在减轻穿透方面表现出积极的效果。在砂覆盖粘土的层状沉积物中，立方形井筒护筒的峰值阻力保持不变，而峰值后的阻力明显高于通用井筒护筒。相反，在具有夹层砂-粘土的多层沉积物中，这种立方形井筒护筒的峰值和峰值后阻力都得到了提高。此外，还开发了预测方法来估计在夹层砂-粘土沉积物中立方形井筒护筒相对于通用井筒护筒的峰值和峰值后阻力的增加情况。

引言

自升式钻井平台由于其灵活性、机动性和成本效益，在浅水到中等水深的海上钻探和勘探中得到了广泛应用（Randolph等人，2005年）。除了传统的自升式钻井平台外，自升式风力涡轮机安装船（WTIVs）也配备了这些井筒护筒。在安装自升式钻井平台时，通过逐步增加腿部的重量来逐步加载井筒护筒，直到达到规定的预载荷下的最大穿透深度。在具有强软土层交替分布的层状沉积物中，井筒护筒存在穿透失败的风险，其特征是突然且不受控制地穿透到下层较软的土层中。这种类型的井筒护筒失效可能导致腿部屈曲，并可能使整个结构倒塌。井筒护筒的穿透失败被认为是与自升式钻井平台相关的最严重的地质灾害，由于复杂的现场土壤条件，近年来这种风险仍然存在。

尽管井筒护筒具有不同的几何特性（图1a–d），但在预测穿透失败时，通常在一定程度上忽略了井筒护筒的几何特征。井筒护筒被视为一个薄板，其面积等于井筒护筒最大截面的面积（ISO 2016；SNAME 2008），如图1e所示。这种简化在某种程度上会导致一定的偏差。目前指南中推荐的 punching shear 和 projected area 方法通常会低估井筒护筒的峰值阻力 q_peak（Lee等人，2013a；Hu等人，2021）。Lee等人（2013a）、Hu等人（2014）和Zheng等人（2022）基于一系列数值模拟和离心试验（Craig和Chua，1990；Teh，2007；Lee，2009；Lee等人，2013b；Hossain等人，2014a）开发了通用圆锥形基础的q_peak的新预测方法。与圆锥角α不小于7度的圆锥形基础相比，平面基础（α = 0，图1a）表现出较低的峰值阻力（Hu等人，2016）。对于圆锥角在7到21度之间的基础（图1b），底部轮廓对峰值阻力没有显著影响（Lee等人，2019）。关于矩形井筒护筒（图1c）–Fan等人（2021）观察到，在均匀粘土中深度穿透时，矩形井筒护筒上方的土壤流动机制和空腔的形成与传统的圆锥形井筒护筒不同，并受到截面纵横比的影响。然而，没有对矩形井筒护筒（图1c）的极限承载能力或穿透失败潜力进行评估。关于井筒护筒穿透失败的大多数现有研究主要集中在通用圆锥形井筒护筒上（图1b），这些井筒护筒通常是轴对称的，并具有倒锥形。关于矩形井筒护筒的研究，尤其是其穿透失败的研究很少。

对于在现场部署的BH12#自升式钻井平台，设计了一种独特的立方形井筒护筒，如图1d所示。与图1c中显示的矩形井筒护筒（Fan等人，2021）相比，这种立方形井筒护筒具有边长L = 6.3米的正方形截面和显著较高的侧高H = 6.5米（略超过截面边长L），以及一个以60°倾斜的突出部分（尖端高度h = 0.138H）。对于这种特定的立方形井筒护筒，在砂覆盖粘土的深度穿透过程中，基础几何形状，特别是显著增高的侧面，对主导变形机制的影响尚未得到充分研究。本研究的主要目的是检验在具有夹层砂-粘土层的沉积物中深度穿透时，通用井筒护筒中观察到的穿透潜力是否适用于这种特殊的立方形井筒护筒。此外，本研究还旨在阐明其背后的机制和独特特性。

章节片段

有限元建模

在本研究中，使用CEL方法进行了LDFE分析。为了减少计算成本并利用问题的轴对称性，只对域的四分之一进行了建模（图2a）。土壤被表示为一个四直径欧拉域，以确保边界远在塑性区之外。选择了一个水平延伸为0.75D的细网格区域，以覆盖由基础穿透引起的显著土壤运动。

验证

为了验证数值模型的准确性，分析了五项离心试验，以模拟在具有夹层砂-粘土层的沉积物中井筒护筒的深度穿透。这些试验包括有初始粘土层和没有初始粘土层的情景：FS9和FS13试验包含了一层粘土，而H3C14、T1和D1SP70a试验则没有。这些离心试验中使用的具体土壤参数总结在表1中。在T1试验（Teh等人，2008）、H3C14试验（Hu，2015）和D1SP70a试验（Lee等人）中

有限元结果

为了评估通用井筒护筒和立方形井筒护筒（图1）在具有夹层砂覆盖粘土的沉积物中深度穿透时的性能，进行了一系列LDFE分析，如表2所总结。立方形井筒护筒截面的边长（L = √(πD)/2）（图1）被选为与相应通用井筒护筒的最大截面面积相匹配。如图4所示，从T1和FS13试验的LDFE分析中获得的土壤运动轨迹

讨论

井筒护筒的穿透失败可以使用两个参数来量化，如图7a所示：(a) 峰值后承载力降低的程度，表示为 λ = Δ[q_u]/s_u，以及 (b) 穿透深度 dpun。λ 可以用来评估穿透失败的可能性，而第二个参数可以用来定义穿透失败的严重程度。λ ≤ 0 表示存在穿透失败的风险，而 λ > 0 表示安装更加稳定和可控

预测

对于砂覆盖粘土中的通用井筒护筒（图1a），无论是否存在顶部粘土层，都可以根据指南（SNAME和ISO）以及Lee等人（2013a）、Hu等人（2014）和Zheng等人（2022）提出的方法来预测峰值阻力。此外，Ullah等人（2017）和Hu等人（2018）分别提出了在有和没有顶部粘土层的砂覆盖粘土沉积物中通用井筒护筒的峰值后阻力的方法。

结论

对于BH12#自升式钻井平台的特殊立方形井筒护筒，本文通过数值模拟了在由砂覆盖非均匀粘土的沉积物中的深度穿透，旨在研究立方形井筒护筒与通用井筒护筒在穿透失败潜力方面的不同表现。通过使用CEL方法，进行了系列LDFE分析，并采用了MMC模型和扩展的Tresca模式来模拟夹层砂的渐进性破坏

CRediT作者贡献声明

赵军：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，资金获取，正式分析，概念化。刘春燕：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，数据管理。张宝平：可视化，资源管理，数据管理。张阳：可视化，研究，数据管理。高攀：验证，软件。曾伟：写作 – 审稿与编辑，可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：51609201）、陕西省自然科学基础研究计划（编号：2020JQ-784）以及山东海洋航空航天装备技术创新中心，鲁东大学的开放项目计划（授权号：MAETIC2021-06）提供的财务支持。