自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法与流程

[0001]
本发明涉及海洋工程监测与安全保障领域，尤其涉及自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法。


背景技术：

[0002]
海洋油气已成为国家油气增储上产的重要接替区和重要支柱之一，海上油气实现增储、稳产乃至上产是保障国内油气安全供应的重要力量。
[0003]
自升式钻井平台是近海和边际油田开发的主要设备，为保证平台稳定、作业顺利进行，需将桩腿插入海底地层之中。在平台插桩作业中，时常遇到上硬下软的多层地基，硬壳地层(俗称“鸡蛋壳”地层)；桩腿刺破鸡蛋壳地层后产生不可控制的快速沉降现象，称之为穿刺。穿刺是自升式平台作业过程中的重大风险隐患，轻者可能损伤平台结构，造成上千万人民币的经济损失，重者可导平台倾覆及人员伤亡，造成几十亿人民币的经济损失，而在所有因地基问题发生的事故中，穿刺事故占53％以上。我国沿海地质情况复杂，存在大量硬壳地层，穿刺事件时有发生，成为制约自升式平台在复杂地层进一步应用的瓶颈性难题。
[0004]
相关技术人员在预测穿刺事故方面也进行了大量的工程测量和相关研究：包括桩基附近地层的地震勘探测量、声呐侧扫成像测量和桩基地层的取心及相应的岩心实验室测量，并基于工程测量数据和岩心测量数据的桩底地层承载力与载荷、桩腿下沉深度等参量之间的关系进行理论和模拟实验研究。mathieu对第四系沉积进行了地震地层学评价，并对沉积和基岩界面进行了成像。anitha通过地质数据的解释推测了印度某地区的浅海环境特征。peng和shi等人也在岩心取样技术、设备及室内测量上有较深入的研究。cosl将国内近海主要油气区块按土壤特征通过大量取样进行了研究及划分。目前，海洋地质的测量作业无法进行大量可重复性的结果验证，测量范围大，且针对性较差；取心实验结果受取样点分布、取样扰动等多种因素影响，代表性较差，导致上述研究都无法反映原位土层受压变形时的实时特征，难以真正解决工程实践中插桩穿刺预测及防控问题。
[0005]
因此，已有的工程测量和研究工作所提供的插桩作业方案与实际插桩过程的插桩深度、地层承载力等多种参数之间差异很大、无法满足安全插桩作业的需要，穿刺事故的预测及防控依旧是一个亟待解决的行业技术难题。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中的问题，本发明提供一种自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008]
一种自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法，包括：
[0009]
在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置三分量声波接收器阵列；
[0010]
获取插桩过程中该三分量声波接收器阵列连续接收的来自桩靴下部地层的声发射信号；
[0011]
根据该声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态以及断裂点位置。
[0012]
进一步地，该根据该声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态以及断裂点位置，包括：
[0013]
根据该声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态；
[0014]
当预测结果为桩靴底部桩基地层即将断裂时，对该声发射信号进行反演得到断裂点位置。
[0015]
进一步地，该根据该声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态，包括：
[0016]
根据该声发射信号的特征参数预测表征硬壳地层疲劳状态的有效事件；
[0017]
根据有效事件的累计数预测桩靴底部桩基地层是否即将断裂。
[0018]
进一步地，该根据有效事件的累计数预测桩靴底部桩基地层是否即将断裂，包括：
[0019]
获取插桩过程中的有效事件的累计数曲线；
[0020]
实时监控该累计数曲线的斜率；
[0021]
当该累计数曲线的斜率达到极大值时，发送桩靴底部桩基地层即将断裂的预警信息。
[0022]
进一步地，该特征参数包括：能量、相似性和/或幅频关系。
[0023]
进一步地，每个该桩靴底部设置的三分量声波接收器不小于3个。
[0024]
进一步地，该三分量声波接收器的工作频率范围为4khz～20khz。
[0025]
本发明提供的自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法，在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置三分量声波接收器阵列；获取插桩过程中该三分量声波接收器阵列连续接收的来自桩靴下部地层的声发射信号；根据该声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态以及断裂点位置，其中，在钻井平台插装的过程中，通过在桩靴底部布置三分量声波接收器，采集硬壳地层疲劳过程中会发出的声发射信号，作为预测断裂状态和断裂点位置的数据基础，能够判断桩基地层发生断裂的可能时间以及位置，从而避免发生刺穿事故。
[0026]
本发明既可以应用于自升式钻井平台的就位过程监测，也可用于就位后平台的就位状态的实时监测。
[0027]
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0029]
图1为本发明实施例的应用原理流程图；
[0030]
图2示出了本发明实施例中的自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法的流程图；
[0031]
图3示出了本发明实施例中的三分量声波接收器的布置；
[0032]
图4示出了本发明实施例中的自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测的
原理；
[0033]
图5示出了本发明实施例中的步骤s300的具体步骤；
[0034]
图6为本发明实施例中的声发射信号时域波形示意图；
[0035]
图7示出了本发明实施例中的步骤s310的具体步骤；
[0036]
图8示出了本发明实施例中的步骤s312的具体步骤；
[0037]
图9为预测地层断裂临界状态的特征示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0039]
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
[0040]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0041]
已有的工程测量和研究工作所提供的插桩作业方案与实际插桩过程的插桩深度、地层承载力等多种参数之间差异很大、无法满足安全插桩作业的需要，穿刺事故的预测及防控依旧是一个亟待解决的行业技术难题。
[0042]
为至少部分解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法，在钻井平台插装的过程中，通过在桩靴底部布置三分量声波接收器，采集硬壳地层疲劳过程中会发出的声发射信号，作为预测断裂状态和断裂点位置的数据基础，能够判断桩基地层发生断裂的可能时间以及位置，从而避免发生刺穿事故。
[0043]
图1为本发明实施例的应用原理流程图；如图1所示，桩靴底部硬壳地层受力变形后，会产生声发射信号，用三分量接收器阵列接收声发射信号，对声发射信号进行采集、处理，根据声发射信号特征预测地层断裂状态。
[0044]
值得说明的是，通过申请人大量研究发现，在插桩作业过程中，因桩靴的下沉导致桩基地层所受的承载力加大、地层的结构会发生变形、硬壳地层因受力不断增加而进入疲劳至断裂的演变过程。硬壳地层的断裂意味着可能产生穿刺事故。此演变过程中必然伴随声发射(acoustic emission，ae)信号的产生。因此，若桩靴底部有硬壳地层，其疲劳断裂过程中会发出声发射信号，在桩靴的下沉过程中，实时地获取硬壳地层的声发射信号，根据声发射信号的能量、相似性和幅频关系等声发射信号参数提取表征硬壳地层疲劳状态的有效事件，就可以评价桩靴底部桩基地层的疲劳发展状态和断裂点位置(即将发生的穿刺事件的位置)。
[0045]
图2示出了本发明实施例中的自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法的流程图。如图2所示，该自升式钻井平台插桩过程中的桩基地层破裂预测方法可以包括
以下内容：
[0046]
步骤s100：在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置三分量声波接收器阵列；
[0047]
步骤s200：获取插桩过程中所述三分量声波接收器阵列连续接收的来自桩靴下部地层的声发射信号；
[0048]
其中，在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置的三分量声波接收器阵列在插桩过程中连续接收来自桩靴下部地层的声发射信号。当下部地层没有疲劳断裂时，没有声发射信号产生，当下部地层没有疲劳断裂时，三分量声波接收器阵列采集声发射信号。
[0049]
步骤s300：根据所述声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态以及断裂点位置。
[0050]
通过采用上述技术方案，利用在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置三分量声波接收器阵列，在插桩过程中连续接收来自桩靴下部地层的声发射信号。若桩靴底部有硬壳地层发生变形引起地层断裂、桩靴下沉，“鸡蛋壳”地层疲劳断裂过程中发出声发射信号，三分量声波接收器r会接收到地层产生的声发射信号，参见图4，并将接收到的信号传输至处理器或服务器，处理器或服务器通过对三分量声波接收器获取的声发射信号离散采集和处理，就可以确定桩基下地层中的弹性波场和桩基地层的疲劳程度以及即将发生的穿刺事件的位置。
[0051]
在一个可选的实施例中，在每个桩靴底部布置不少于三个三分量声波接收器(即接收换能器)，参见图3，这些三分量声波接收器可以连续接收到声发射信号。
[0052]
通过采用上述技术方案，能够有效采集桩靴下部地层的声发射信号，进一步提高预测精度。
[0053]
在一个可选的实施例中，三分量声波接收器的工作频率范围为4khz～20khz或者4khz～15khz，与现有的微地震监测技术的分辨率和频率范围等均不同。
[0054]
值得说明的是，选择三分量声波接收器的工作频率范围高于4khz是为了避免由于海浪、潮汐、海风和钻井平台机电设备等各种原因产生的噪声干扰，但工作频率又不能够选得太高，以免因声波信号衰减太大，探测的空间范围不足。
[0055]
在一个可选的实施例中，参见图5，该步骤s300可以包括以下内容：
[0056]
步骤s310：根据所述声发射信号预测桩靴底部桩基地层的断裂状态；
[0057]
具体地，参见图6中的声发射信号时域波形，若插桩过程中硬壳地层发生变形断裂，通过对不同接收器所接收的声发射信号的时域波形信号的能量、相似性和幅频关系等特征进行分析，就可以评价疲劳状态和断裂点的空间位置(即将发生的穿刺事件的位置)。
[0058]
步骤s320：当预测结果为桩靴底部桩基地层即将断裂时，对所述声发射信号进行反演得到断裂点位置。
[0059]
具体地，当预测结果为桩靴底部桩基地层即将断裂时，启动对所述声发射信号进行反演，得到声源位置，即可能的断裂点位置。
[0060]
值得说明的是，通过申请人大量研究发现，当硬壳地层受剪切应力的作用时，地层中发出声发射信号。随着地层所受剪切应力的持续增加，表征硬壳地层疲劳状态的有效事件的累积数迅速增加、有效事件累积数曲线的斜率(增加率)将呈现极大值，此后声发射事件累计数曲线增速减缓。因此，有效事件累积数曲线的斜率呈现极大值的状态可以用来作为硬壳地层即将断裂的预警特征信息。
[0061]
基于此，参见图7，该步骤s300可以包括以下内容：
[0062]
步骤s311：根据所述声发射信号的特征参数预测表征硬壳地层疲劳状态的有效事件；
[0063]
其中，每一个有效事件对应于多道接收信号中的脉冲信号、不同的接收器接收到的同一个事件的脉冲信号具有相似性。
[0064]
具体地，特征参数包括：能量、相似性和/或幅频关系等。
[0065]
举例来说，当多道声发射信号的时域波形信号的能量、相似性和/或幅频关系出现特定情形或异常情形时，即有可能是地层发生了断裂，作为一个有效事件。
[0066]
步骤s312：根据有效事件的累计数预测桩靴底部桩基地层是否即将断裂。
[0067]
具体地，参见图8，该步骤s312包括以下步骤：
[0068]
步骤s312a：获取插桩过程中的有效事件的累计数曲线，参见图9；
[0069]
步骤s312b：实时监控所述累计数曲线的斜率；
[0070]
步骤s312c：当所述累计数曲线的斜率达到极大值时，发送桩靴底部桩基地层即将断裂的预警信息。
[0071]
通过采用上述技术方案，利用在自升式钻井平台的每个桩靴底部布置三分量声波接收器阵列，在插桩过程中连续接收来自桩靴下部地层的声发射信号。若桩靴底部有硬壳地层发生变形引起地层断裂、桩靴下沉，“鸡蛋壳”地层疲劳断裂过程中发出声发射信号，三分量声波接收器r会接收到地层产生的声发射信号，参见图4，并将接收到的信号传输至处理器或服务器，处理器或服务器通过对三分量声波接收器获取的声发射信号离散采集和处理，就可以确定桩基下地层中的弹性波场和桩基地层的疲劳程度以及即将发生的穿刺事件的位置，以便工作人员采用应急措施，比如迅速向平台外排泥浆以减轻平台载荷，进而防止发生穿刺事件，减少损失。
[0072]
值得说明的是，本发明实施例关注桩靴下几十米范围内地层的疲劳状态问题，而不像一般的基于超声波频段的声发射无损检测技术仅探测几十厘米范围内的疲劳裂缝发育程度，也不像石油工业中的微地震监测技术要探测几百米或几千米范围内地层的疲劳断裂程度。
[0073]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0074]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0075]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0076]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。