海上工程地質(zhì)鉆探隔水套管沉管的影響因素

莫 建，于彥江，張志剛，耿雪樵

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海城市的建設(shè)不斷加強(qiáng)，跨海工程日益增多，工程地質(zhì)鉆探作為前期勘察的重要手段越來越多地應(yīng)用到跨海工程的前期勘察中。2010年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗五號(hào)”船執(zhí)行了“瓊州海峽跨海工程可行性研究階段”工程地質(zhì)鉆探項(xiàng)目，完成鉆探孔5個(gè)(其中最深孔水深83 m，鉆孔深120 m)，抽水試驗(yàn)孔1個(gè)。

1 概述

1.1 工區(qū)概況

被譽(yù)為“黃金水道”的瓊州海峽屬中國的三大海峽之一，海峽東西長約80 km，南北寬 16～30 km，水深 0～90幾 m。潮汐具有特殊的周期性和往復(fù)性，潮流流速較大。大潮時(shí)，海水流速最大達(dá)到4節(jié)，最大潮差2.5 m。海底地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，海底地形變化大，地層多變。海峽中部基本為第三紀(jì)和第四紀(jì)沉積層。

1.2 調(diào)查船狀況及配套設(shè)備

“奮斗五號(hào)”船為一艘地質(zhì)鉆探船，總長:68 m，型寬:10 m，滿載排水量:1091 t。艏錨為 2個(gè)重 1.5 t的特種大抓力錨，錨繩長:800 m;艉錨為2個(gè)重1.8 t的特種大抓力錨，錨繩長:1 000 m。拋錨采用首尾側(cè)錨式。配備有導(dǎo)航定位系統(tǒng)、測深儀、海流計(jì)、多波束系統(tǒng)等設(shè)備。

圖1 “奮斗五號(hào)”船拋錨作業(yè)中

1.3 鉆機(jī)參數(shù)

“奮斗五號(hào)”船船載 HGD－300型海洋工程勘察鉆機(jī)性能參數(shù)如表1。

1.4 基本鉆進(jìn)工藝

HGD－300型海洋工程勘察鉆機(jī)采用的基本鉆進(jìn)工藝如圖2所示:采用 Φ178套管進(jìn)行海水隔離和鉆孔導(dǎo)向;采用Φ127套管進(jìn)行泥漿護(hù)壁或跟管鉆進(jìn);采用Φ50鉆桿加硬質(zhì)合金鉆頭作為鉆具，通過回轉(zhuǎn)、壓入、錘擊、回轉(zhuǎn)加壓法進(jìn)行鉆進(jìn);Φ50鉆桿加標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)頭進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);以Φ108或 Φ89的巖芯管進(jìn)行取芯。

表1 HGD－300型海洋工程勘察鉆機(jī)性能參數(shù)

圖2 鉆探工藝示意圖

2 隔水套管的影響因素及沉管工藝

2.1 隔水套管的作用

海上鉆探作業(yè)與陸地鉆探作業(yè)的最大不同之處在于受到海水環(huán)境的影響。因此，海上鉆探作業(yè)的首要任務(wù)就是下隔水套管隔離海水，減小海水環(huán)境對鉆探的影響，對內(nèi)部鉆具和鉆孔形成保護(hù)。隔水套管的主要作用［1］是:

(1)可以防止海底地層坍塌;

(2)具有導(dǎo)向定位作用;

(3)具有隔水作用，可以消除海流沖擊對鉆具的影響;

(4)采用泥漿鉆進(jìn)時(shí)，可以作為回收泥漿的引流管。

隔水套管沉管工作完成的好壞關(guān)系到整個(gè)鉆探作業(yè)能否成功進(jìn)行。因此，隔水套管沉管工作是海上鉆探作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。海上鉆探作業(yè)一般采用兩層隔水套管——Φ178管和Φ127管，而最外層的Φ178套管又是最關(guān)鍵的。因此，這里主要討論Φ178管的沉管技術(shù)。

2.2 隔水套管的影響因素及沉管工藝

隔水套管沉管工作一般受到水深、海流、底質(zhì)和潮汐等因素的影響，下面分析各因素對其影響作用。

2.2.1 水深

水深對隔水套管的影響很大。水深的增加會(huì)大大增加下隔水套管的難度。水深對隔水套管的影響具體分析如下。

HGD－300型鉆機(jī)使用的隔水套管是 Φ178管，新管外徑為180 mm，壁厚為10 mm，重量為42.2 kg/m，水中重量為36.9 kg/m。壓桿穩(wěn)定臨界壓力的計(jì)算公式—?dú)W拉公式［2］為其中，Pcr為臨界壓力，E為材料的彈性模量，I為慣性矩，μ為長度系數(shù)，l為長度。

計(jì)算套管水中自重造成其自身彎曲的臨界長度時(shí)，可以將Pcr描述為

在最深的鉆探孔位(水深83 m)，即使是水流最小時(shí)，在船上觀察，套管一著底也是傾斜的，調(diào)錨不但不能改善狀況，而且還會(huì)增加套管斷裂的危險(xiǎn)。因此，海上鉆探作業(yè)，調(diào)錨是大忌。

針對水深的影響，采用新的沉管工藝:在下隔水套管時(shí)，用鋼纜吊著套管(如圖3)，把其自身產(chǎn)生的彎曲拉直，然后下鉆具掃孔。掃足夠深后，逐漸下放隔水套管;然后再掃孔，再下放隔水套管，如此反復(fù)，下放到足夠深度。在此過程中，始終用鋼纜拉著隔水套管，使其處于直立狀態(tài)。

2.2.2 海流

海流對隔水套管的影響同樣比較大。船舶拋錨后，開始鉆探作業(yè)之前，必須至少觀測一個(gè)周期的海流，以便根據(jù)海流情況決定能否進(jìn)行鉆探作業(yè)，并選擇下隔水套管的最佳時(shí)機(jī)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般淺水作業(yè)(50 m以淺)不用考慮大潮的影響，拋好錨觀測一個(gè)周期海流后，就可以選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行作業(yè)。選擇流速達(dá)到峰值開始下降時(shí)，下放隔水套管，在流速最小時(shí)著底，以確保其處于垂直狀態(tài)沉入海底。

深水作業(yè)(50 m以深)就要考慮海流的影響。大潮期海流流速大，最小流速停留時(shí)間短。以瓊州海峽為例:大潮期，海流峰值達(dá)到4節(jié)，最小流速(小于0.5節(jié))停留時(shí)間只有一小時(shí)左右(如圖4)，這么短的時(shí)間無法將隔水套管沉入海底足夠深度。小潮期，海流峰值一般為2節(jié)左右，最小流速(小于0.5節(jié))停留時(shí)間有幾個(gè)小時(shí)(如圖5)，有充足的時(shí)間進(jìn)行隔水套管沉管作業(yè)。因此，深水區(qū)鉆探作業(yè)需要選擇在小潮期進(jìn)行。此時(shí)海流最小，不但有足夠的時(shí)間處理好隔水套管沉管工作，而且鉆探效率極高，幾乎可以24 h作業(yè)，出現(xiàn)鉆探事故的概率也最低。

圖3 用鋼纜拉直隔水套管

圖4 大潮期流速圖(圖中流速為平均流速)

圖5 小潮期流速圖(圖中流速為平均流速)

2.2.3 底質(zhì)

海上鉆探常遇到的底質(zhì)有兩種——軟底質(zhì)和硬底質(zhì)，這兩種底質(zhì)對隔水套管沉管的影響是截然不同的。淤泥或粘土等軟底質(zhì)不會(huì)對隔水套管沉管作業(yè)造成麻煩，只需要在海流最小時(shí)將隔水套管著底，隔水套管的自重就能使其以垂直狀態(tài)沉入海底若干米，然后掃孔讓隔水套管繼續(xù)沉入海底到達(dá)足夠深度即可。

當(dāng)遇到沙層或沙石層等硬底質(zhì)時(shí)，就會(huì)對隔水套管沉管造成較大麻煩。隔水套管靠自重?zé)o法沉入海底，一著底就會(huì)發(fā)生彎曲，而且常規(guī)的掃孔下套管方式也不再適用。掃完孔提鉆時(shí)，就會(huì)發(fā)生坍塌現(xiàn)象，隔水套管依舊沉不下去。對于淺水區(qū)沙層底質(zhì)，可采用鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)隔水套管旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并輔助高壓水沖孔的方式完成沉管工作。而對于深水區(qū)沙層底質(zhì)，采用鋼纜拉直套管掃孔，同時(shí)使用濃泥漿將砂粒反循環(huán)上來的方式完成沉管作業(yè)。

2.2.4 潮汐

潮汐也是影響隔水套管沉管的重要因素。根據(jù)海水漲落情況，隔水套管上部需用短管連接，當(dāng)落潮時(shí)，逐級(jí)下卸短管;當(dāng)漲潮時(shí)，逐級(jí)接上短管。隔水套管在軟底質(zhì)地層可隨潮汐漲落而升降，但在硬底質(zhì)地層只能隨潮水漲而拔直，可進(jìn)行鉆探作業(yè);如果潮差較大，就必須增加隔水套管，否則潮水會(huì)將隔水套管拔起。潮水回落時(shí)，隔水套管不能下沉又會(huì)產(chǎn)生彎曲，必須用鋼纜將隔水套管吊起拉直或墊上支撐塊，使隔水套管處于相對垂直狀態(tài)，才能進(jìn)行鉆探作業(yè)，否則就會(huì)發(fā)生無法下鉆、甚至卡鉆等現(xiàn)象。

3 結(jié)語

海上工程地質(zhì)鉆探作業(yè)，隔水套管的沉管作業(yè)是最重要的環(huán)節(jié)之一，需要解決水深、海流、底質(zhì)、潮汐等因素的影響。

1)深水區(qū)作業(yè)，遇到隔水套管一著底就發(fā)生彎曲時(shí)，可以采用鋼纜拉直套管，然后下鉆具掃孔完成隔水套管沉管作業(yè)。

2)海上鉆探作業(yè)開始之前，必須至少觀測一個(gè)周期的海流，以便根據(jù)海流情況選擇下隔水套管的最佳時(shí)機(jī)。隔水套管必須在流速最小時(shí)著底，以確保其處于垂直狀態(tài)沉入海底。

3)遇到硬底質(zhì)地層，隔水套管靠自重?zé)o法沉入海底時(shí)，可以采用鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)隔水套管向下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式完成沉管作業(yè)。

4)海上工程地質(zhì)鉆探，進(jìn)行隔水套管沉管作業(yè)，適宜選擇在小潮期進(jìn)行，時(shí)機(jī)把握非常重要，否則就要等待下一個(gè)潮水周期的到來。

［1］譚長偉.濱淺海工程地質(zhì)鉆探應(yīng)注意的若干問題［J］.海岸工程.1996，3:15(1).23 －28.

［2］孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社.2002.