121.92 m(400 ft)自升式鉆井船極限水深條件下插樁預(yù)測(cè)

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(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司；廣州 深圳 518067；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266555)

相對(duì)于渤海和黃海海域，我國(guó)南海近海域的水深較深，基本在100 m左右。部分正在勘探的油氣田所在區(qū)域的水深接近120 m，接近我國(guó)目前自升式鉆井船作業(yè)的臨界水深。目前我國(guó)的自升式鉆井平臺(tái)最大作業(yè)水深為121.92 m(400 ft)。隨著自升式鉆井船走入接近極限水深的南海，自升式鉆井船插樁預(yù)測(cè)、穩(wěn)定性分析、拔樁阻力計(jì)算等都變得更為至關(guān)重要。然而，目前還沒有針對(duì)自升式鉆井船在極限水深條件下插樁預(yù)測(cè)的研究。自升式鉆井船插樁預(yù)測(cè)問題涉及到樁基礎(chǔ)承載力的確定。確定樁端承載力的方法較多，大致可劃分為以下三類[1]：①試樁試驗(yàn)方法，包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)力試樁試驗(yàn)；②基于土體物理力學(xué)指標(biāo)的確定方法；③承載力公式計(jì)算方法。本文將這三類方法綜合應(yīng)用于自升式鉆井船插樁預(yù)測(cè)。

1 南海部分海域海底土質(zhì)特性

1.1 海底土土質(zhì)資料的獲取

鉆取土樣、原位試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)通常是海洋工程地質(zhì)調(diào)查中的重要部分。根據(jù)不同調(diào)查目的采用不同的取土方法。生產(chǎn)平臺(tái)基礎(chǔ)的研究要求鉆取的土樣深度可達(dá)100～200 m[2]。南海已完成工程地質(zhì)調(diào)查的井場(chǎng)，鉆取土樣深度一般都在120 m。在自升式鉆井船前往預(yù)定井位就位前，需要對(duì)預(yù)定井位進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容主要包括海底土土質(zhì)分層、土質(zhì)參數(shù)、力學(xué)特性、海底地貌等。

土體的承載力是決定自升式鉆井船樁腿入泥深度的直接因素。因此，在進(jìn)行自升式鉆井船插樁校核時(shí)，研究樁腿入泥深度主要研究土質(zhì)特性、土體承載力的計(jì)算方法。對(duì)海底土土質(zhì)特性及土體承載力參數(shù)的測(cè)定是研究樁腿入泥深度的基礎(chǔ)。土體對(duì)擾動(dòng)的高敏感性，使得通過測(cè)定和試驗(yàn)得出原狀土的土力學(xué)特性很難實(shí)現(xiàn)。學(xué)術(shù)界研究土質(zhì)特性，更多的是基于理論分析，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來展開的。

目前能減少對(duì)土體擾動(dòng)的情況下測(cè)定土體力學(xué)特性的試驗(yàn)技術(shù)是靜力觸探試驗(yàn)(CPT)技術(shù)。隨著海洋開發(fā)的迅速發(fā)展，CPT技術(shù)在國(guó)內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域的使用越來越普遍，錐形探頭的靜力觸探儀CPT借助于探頭內(nèi)的電子應(yīng)變片可測(cè)定錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力[3]。20世紀(jì)80年代初在CPT基礎(chǔ)上又發(fā)展了孔隙水壓觸探儀PCPT。它由CPT加裝壓力傳感器和陶瓷濾頭而成。壓力傳感器部分直接與經(jīng)濾頭的水接觸，只需極小的排水量(譬如0.2 mm)就能使傳感器產(chǎn)生高輸出訊號(hào)。在貫入過程中能記錄到連續(xù)的動(dòng)態(tài)孔隙壓力，當(dāng)試驗(yàn)停止后可記錄超靜水壓力的消散過程。根據(jù)PCPT資料，可以獲得土層中小于70 cm的薄夾層、應(yīng)力歷史、固結(jié)系數(shù)以及砂土液化勢(shì)等信息。

1.2 海底土土質(zhì)特性

以南海某井場(chǎng)土質(zhì)調(diào)查資料為例介紹海底土土質(zhì)特性。其PCPT試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[4]見圖1。

圖1 南海某井的PCPT試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖1給出了3條曲線：樁尖阻力隨土深變化曲線；側(cè)摩阻力隨土深變化曲線；孔隙壓力隨土深變化曲線。從而得到土體各深度的樁尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙壓力。從工程地質(zhì)調(diào)查得到的土質(zhì)資料提取的研究自升式鉆井船插拔樁所需的參數(shù)，見表1。

2 CPT測(cè)試結(jié)果預(yù)測(cè)插樁深度

由圖1可見，表示錐尖阻力的承載力曲線在2.0～3.2 m土深范圍出現(xiàn)最大值為12 MPa，相比于鉆井船設(shè)計(jì)單樁最大預(yù)壓載荷0.42 MPa(以海洋石油941平臺(tái)為例)是足夠大的，因此自升式鉆井船樁腿在預(yù)壓載過程中穿過2.0～3.2 m的土層很困難?，F(xiàn)場(chǎng)插樁作業(yè)時(shí)測(cè)算樁腿入泥深度是按照式(1)計(jì)算的。

表1 某井位鉆井船設(shè)計(jì)參數(shù)

注:δ為粒狀土的設(shè)計(jì)土-樁摩擦角；fmax為極限表面摩擦力；qmax為極限樁尖阻力；Su為粘性土的設(shè)計(jì)不排水抗剪強(qiáng)度；Nq、Nr為承載力系數(shù)，是砂性土的內(nèi)摩擦角φ的函數(shù)。

h泥=h吃+L船下樁-h水

(1)

式中：h泥——樁腿入泥深度,樁腳尖端到泥線的距離；

h吃——船體吃水深度；

L船下樁——船體以下的樁腿長(zhǎng)度；

h水——海水深度。

這里提到的樁腿包含樁靴部分。

從式(1)可見，樁腳尖的高度是樁腿入泥深度的一部分。海洋石油941號(hào)自升式鉆井平臺(tái)樁腳尖的高度為1.17 m，即樁靴的最底部到整個(gè)樁腿最大截面處的距離為1.17 m。在進(jìn)行樁腿承載力計(jì)算時(shí)，考慮的是土體施加在樁腿最大截面(樁靴最大截面)上的承載力。海洋石油941平臺(tái)的樁腿最大截面積取254 m2。對(duì)于南海的這口井，在2.0～3.2 m土深范圍出現(xiàn)最大樁尖阻力12 MPa，理論計(jì)算得到最大承載力為30×105kN，超過了平臺(tái)設(shè)計(jì)的單樁11×104kN的最大預(yù)壓載量。2.0～3.2 m土深范圍的土體為平臺(tái)提供了很好的持力層。考慮到樁腳尖高度為1.17 m，粗略判斷出海洋石油941平臺(tái)在該井位的樁腿入泥深度范圍為3.17～4.37 m。所以從PCPT測(cè)試結(jié)果可以快捷直觀地判斷自升式鉆井船樁腿入泥深度范圍。

海洋石油941平臺(tái)，樁腿有效長(zhǎng)度為146 m，樁腿入泥深度取預(yù)測(cè)的最大深度4.37 m，水深取100 m，由此根據(jù)式(2)得出海洋石油941平臺(tái)在該井位的氣隙空間范圍為

h氣=L有效樁-h泥-h水

(2)

式中：h氣——?dú)庀犊臻g范圍；

L有效樁——樁腿有效長(zhǎng)度。

由式(2)得出海洋石油941平臺(tái)在該井位的氣隙空間范圍為0～41.63 m。該氣隙空間范圍滿足自升式鉆井船對(duì)氣隙的需要。從而判斷海洋石油941號(hào)自升式鉆井平臺(tái)在接近121.92 m(400 ft)臨界水深的該井位具備作業(yè)條件。

3 自升式鉆井船樁腿插入深度

3.1 自升式鉆井船樁腿承載力計(jì)算方法

在樁腿的插入過程中，樁端阻力來自樁尖(樁靴)向下穿透土層時(shí)直接沖擠土體的反作用力；樁側(cè)阻力來自于與樁身接觸的土體對(duì)樁身外表面產(chǎn)生的滑動(dòng)摩阻力。樁側(cè)阻力是隨著樁腿的下入深度的增加而增加的，樁端阻力并不一定隨樁入土深度的增加而增加。樁端所在土層的土質(zhì)特性是樁端阻力的決定性因素。

目前，對(duì)于以樁端阻力作為支撐力設(shè)計(jì)的自升式鉆井船，基本是帶樁靴的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的自升式鉆井船。對(duì)于這種自升式鉆井船單樁承載力計(jì)算，不同單位采取的方法不同。表2給出了樁端承載力的兩種計(jì)算方法。其中方法一是中國(guó)石油大學(xué)所采用的計(jì)算方法，記為石油大學(xué)計(jì)算模型。

表2 樁端承載力計(jì)算方法

表中：P0——有效上覆壓力；

Nq——量綱一量的承載力系數(shù)，是內(nèi)摩擦角(φ)的函數(shù)；

Su——樁腳下B/2以內(nèi)平均不排水抗剪強(qiáng)度；

Nc——不排水粘土的量綱一量的承載力系數(shù)；

Nq、Nγ——粒狀土量綱量一量的承載力系數(shù)；

γ1——由樁腳排出土的平均有效重度；

γ2——樁腳下B/2以內(nèi)土的平均有效重度；

B——樁腳的直徑(最寬截面)；

D——樁腳入泥深度(最寬截面)；

α——樁腳插深以上回填土壓力折減系數(shù)，α=0.3～0.6；

A——樁腳的最大面積；

V——樁腳的體積；

Q——平臺(tái)樁腿極限承載力。

表2中列出的方法二在計(jì)算砂性土承載力時(shí)存在計(jì)算結(jié)果偏大的情況，比如埋深淺的薄砂土層，這會(huì)對(duì)自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度的判斷帶來麻煩。以海洋石油941號(hào)自升式鉆井平臺(tái)為例，在遇到淺層砂時(shí)，用方法二得出插樁深度在2 m以內(nèi)的情況經(jīng)常出現(xiàn)。從平臺(tái)的穩(wěn)定性方面考慮，2 m以內(nèi)插樁深度不足以使樁靴被土體完全覆蓋，易出現(xiàn)樁靴底部土體被海流沖蝕掏空的現(xiàn)象，對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性和作業(yè)安全帶來隱患。對(duì)于像砂性土的這種粒狀土層，當(dāng)厚度較小時(shí)，利用方法二計(jì)算單樁承載力是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取計(jì)算結(jié)果的1/3作為理論承載力，以削弱計(jì)算出的單樁承載力偏大對(duì)樁腿入泥深度預(yù)測(cè)的影響。

3.2 平臺(tái)樁腿入泥深度確定

針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)不同的樁腿結(jié)構(gòu)，計(jì)算樁腿所受到的阻力。即樁側(cè)阻力采用土體的單位表面摩擦力乘以樁腿泥線以下部分的表面積；樁端阻力采用土體的單位樁端承載力乘以樁腿有效橫截面積。至于平臺(tái)樁腿最終的極限承載力，不同的計(jì)算模型需考慮不同影響樁腿承載力的因素，如樁靴上部回填土的影響、樁靴排開土體得到的浮力影響等。對(duì)于海洋石油941號(hào)自升式鉆井平臺(tái)，因其是桁架型式的樁腿結(jié)構(gòu)，樁腿下部裝有樁靴，在計(jì)算樁承載力時(shí)，忽略了樁側(cè)摩阻力。

將單個(gè)樁腿極限承載力與平臺(tái)設(shè)計(jì)需要加載到該樁腿上最大預(yù)壓載進(jìn)行比較。當(dāng)計(jì)算出某一插樁深度處的樁腿極限承載力等于或超過該樁腿上最大預(yù)壓載時(shí)，認(rèn)為該深度是可能適合的插樁深度。

4 插樁校核

在自升式鉆井船就位前，分別運(yùn)用兩種自升式鉆井船樁腿極限承載力計(jì)算方法對(duì)南海該井位進(jìn)行樁腿承載力計(jì)算，分析兩種計(jì)算方法得出的插樁深度，見圖2。

該井位在埋深很淺的0～0.8m處有薄砂層，從圖2可以看出采用方法二得出在2 m附近就出現(xiàn)很大樁端承載力。盡管采用選取計(jì)算結(jié)果的1/3作為理論承載力的經(jīng)驗(yàn)性處理方法，得出的插樁深度依然為1.97 m。該深度對(duì)于樁靴高度為5 m的海洋石油941號(hào)自升式鉆井船來說，存在樁靴底部被沖蝕掏空的安全隱患。采用方法一得出的插樁深度為3.8 m。該深度是一個(gè)相對(duì)比較安全且有利于拔樁的深度。在南海該井位實(shí)際的3個(gè)樁靴的入泥深度分別為3.7、3.8和4.3 m。方法一得出的插樁深度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比校核見表3。

圖2 某井位HY941號(hào)平臺(tái)樁插樁深度分析

由表3可見，方法一在預(yù)測(cè)自升式鉆井船樁腿入泥深度上的準(zhǔn)確性。

表3 海洋石油941號(hào)自升式鉆井平臺(tái)樁腿入泥深度對(duì)比

5 結(jié)論

1)對(duì)于121.92 m(40 ft)水深海域采用自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)，在作業(yè)之前開展自升式鉆井船樁腿入泥深度預(yù)測(cè)分析是十分必要的，它能夠避免鉆井船的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2)采用多種計(jì)算方法對(duì)自升式鉆井船樁腿承載力及插樁深度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，能夠進(jìn)一步提高樁腿入泥深度的預(yù)測(cè)精度，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供更可靠的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

[1] 李家奇，趙曉豹，李曉昭，等.不同地區(qū)砂土中樁端承載力計(jì)算方法的比較[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009，5(5):1007-1012.

[2] 顧小蕓.海洋工程地質(zhì)的回顧與展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(1)：40-45.

[3] 陸鳳慈.靜力觸探技術(shù)在海洋巖土工程中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4] 物探事業(yè)部工程勘察中心.海洋工程地質(zhì)調(diào)查初步報(bào)告書[R].天津：中海油田服務(wù)股份有限公司,2010.