坐地式平臺淘空、滑移機理分析

勝利海洋鉆井公司現有三條坐底式鉆井平臺，投產以來，在渤海灣淺水區(qū)進行海洋石油的勘探開發(fā)施工，施工中累計已發(fā)生10余次淘空、滑移事故，導致了施工中斷、井口報廢、平臺結構破壞、艙室漏水等嚴重后果，不僅影響了生產時效和施工安全，而且造成了較大的經濟損失。為避免或最大限度減少此類事故的發(fā)生，本文從平臺的結構性狀出發(fā)，結合渤海灣海底地質特點，以及風、浪流特性，分析研究坐底式平臺淘空、滑移的成因，為采取有針對性的預防措施提供有力的技術支持。

一、坐底式平臺防滑移設計概況

對于坐底式鉆井平臺在鉆井施工時，首先要考慮平臺就位以后的坐底穩(wěn)性，主要是抗滑移穩(wěn)性。所謂抗滑移穩(wěn)性，就是指當地基的剪切應力超過土壤的抗剪強度時，平臺可能沿地基土壤的某一個面發(fā)生滑移破壞。平臺抵抗這種滑移破壞的能力稱為抗滑移穩(wěn)性。目前通常按照美國石油協會（API）的規(guī)范和挪威船級社（DNV）的規(guī)范計算坐底式鉆井平臺的抗滑移穩(wěn)性。為滿足坐底式平臺施工安全的需要，平臺在建造設計和改造設計中，都要根據平臺使用海域氣候條件，海床特點，依據相關的規(guī)范，通過嚴格的設計計算，設計可靠的坐底式平臺抗滑移系統(tǒng)，制定平臺在不同工況的環(huán)境載核約束條件，但在實際施工中，由于特殊氣象因素（風暴潮）的影響，平臺所承受的環(huán)境載荷往往超過設計鉆井工況的條件，如沒有強有力的應對和預防措施，就不可避免的發(fā)生坐底式平臺的淘空滑移事故，造成慘重的經濟損失。

二、坐底式平臺淘空、滑移案例

案例一：2002年10月18日當勝利3號平臺CB306井鉆進至3403.75m時，海上風力加強，由6級升至8級，陣風達10級以上，強風浪使平臺發(fā)生尾部下沉及整體向前滑移，封井器及套管頭整體從133/8″套管母箍處脫落入海，5″鉆桿落井，10月20日風力減弱，此次大風造成平臺滑移50m多米，井口破會、鉆具落井，直接經濟損失2600多萬元。

案例二：2003年9月17日勝利2號平臺施工樁海103井遇風暴潮襲擊，海上風力求9—11級，平臺正在進行鉆井作業(yè)，起初平臺出現晃動現象，然后平臺出現下沉的現象，2003年9月19日風力減小到8級，平臺強行起出井內鉆具，此次大風造成平臺偏移1.5米、下沉2.6米，井口拆除。直接經濟損失500多萬元。

三、坐底式平臺淘空、滑移影響因素及機理分析

坐底式平臺在施工過程中出現淘空、滑移的事故，原因是多方面的，復雜的海底地形、多變的海底基質礦物組分、季風氣象的影響、海浪的沖蝕、海流的運移、海底基質液化等都是影響平臺坐底狀態(tài)的重要原因，從成因機理分析，先造成平臺周圍海底基質的液化、分散，固體顆粒在水動力作用下運移，使平臺周圍海底基質逐步淘空，在風、浪、流等外載的作用下，平臺沉墊底部支撐基質液化，就會發(fā)生坐底式平臺淘空、滑移的事故。所以，坐底式平臺在施工過程中出現淘空、滑移的現象，往往不是單一因素造成的，而是多種原因綜合作用的結果。

1、復雜的海底地形。由于復雜的海洋環(huán)境和海洋流場，形成了復雜、多變的海底地形地貌，為此，在井位坐標確定后，要對井位周圍進行超聲波掃描，繪制海底地貌圖，同時要進行24h驗潮，繪制水深圖，從資料分析，有些井位周圍坡度大、局部海底不平、有海溝或局部凹凸，對平臺就位方案的選擇非常困難，平臺的就位后出現傾斜、局部懸空，很難達到理想狀態(tài)，為后續(xù)施工留下安全隱患。

2、海底表層沉積物特性。渤海海底表層沉積物的特點是四周海灣顆粒較細，如渤海灣以粉砂淤泥為主，萊州灣則以粉砂質沉積物占優(yōu)勢，遼東灣、冀東海域分布著粉砂和砂，其中尤以廣布的細砂為特征。沒有膠結或膠結強度非常底，易水化、分散、運移，平臺坐底后，由于平臺阻擋，水動力環(huán)境發(fā)生變化，平臺周圍海底表層沉積物的水化、分散、運移速度快。實踐證明，以粉砂淤泥為主的海底表層最容易發(fā)生水化、分散、運移。所以，平臺的淘空滑移事故是與其海底沉積物特性密切相關的。

3、季風氣象。渤海灣主要的季風氣象的影響在2、3、4月份和平9、10、11月份，由于季節(jié)的變化，冷暖空氣的交匯，形成強對流天氣，風力達8級以上，持續(xù)時間長，一般持續(xù)2至3天，長的達到1周，由于坐底式平臺風阻面積大，在8級以上的大風作用，平臺的水平風阻增大，也就是平臺承受很大的環(huán)境載荷（水平風載），同時持續(xù)的大風，還會引起大浪。

4、海浪的沖蝕。鉆井平臺坐底后沉墊和立柱成為海底上一個擋浪的障礙物，破壞了原來穩(wěn)定的淺海流場和波浪場，波浪受阻反射。其影響區(qū)可能寬達四分之一波長（如波高3米，波長40米，其影響區(qū)可能寬達10米）。波浪在本平臺受阻產生水平方向的沖擊栽荷。同時，波浪沖擊，使海底沉積物松動、水化，由于重復不斷的波浪受阻形成紊流擾動，這種波浪的影響能激動砂粒，使砂粒懸浮起來。流速0.3m/s時0.08mm直徑的粉砂顆粒就可起動。

5、海流的運移。一般情況下的漲潮、落潮海流，對平臺的坐底穩(wěn)性比較小，在特殊海域，海流比較急，在經過坐底平臺時，由于平臺阻擋分流，流速突然向兩側加快，對平臺海底基質的沖刷比較明顯。當波浪的影響使砂粒激動懸浮起來，海流就會將其運移到更遠的地方，加劇了波浪對平臺的淘空影響。

6、井位海水深度及流速。坐底式平臺就位坐底以后，四周吃水部分被水包圍，海水在靜態(tài)時，平臺所受的靜水力是對稱的，當海水在流動時，由于平臺對海水流速的阻擋，流動的海水對平臺產生沖擊力，沖擊力的大小與流速成正比，與流速垂直方向的平臺水線下面積成正比，而水線下面積與吃水深度成正比，也就是說，在海流速度一定的情況下，對同一平臺，吃水越大，受海流速度的影響越大，同時，在同一水深、同一平臺的情況下，流速越大，平臺所受的沖擊力越大，所以，在出現風暴潮時，平臺周圍水深增加，增加了水線下面積，海水由于波浪的影響，使其接觸平臺的流速更快，對平臺產生的沖擊力更大，這也充分說明了在出現風暴潮期間更容易出現做底式平臺的淘空、滑移。

7、海底基質液化。坐底式平臺就位坐底，要經過預壓載和壓載程序，平臺完全坐底后，在壓載水和工作載荷的作用下，平臺沉淀完全與海底接觸，沉墊下海底基質被壓實，與海水體系隔離。但是由于浪和流的淘空作用，再加上浪的沖擊載荷作用，平臺出現震動或晃動，使沉墊下海底基質與海水接觸的外圍部分疏松、水化，并由外向內擴展，直到沉墊下海底基質完全液化，平臺處于半漂浮狀態(tài)，甚至出現平臺快速沉降，如果平臺載荷分布不均，會出現非均勻沉降，使平臺出現傾斜滑移。在風、浪、流的橫向載荷作用下平臺發(fā)生滑移的可能性更大。

四、結論

從以上坐底式平臺淘空、滑移影響因素及機理分析可以得出，是風引起了浪，是浪和流對平臺周圍海底形成沖刷和淘空，是風、浪和流的綜合水平外載促使批平臺淘空晃動，然后造成平臺沉墊下海底基質完全液化，加速批平臺的下沉和滑移。所以大風是導致平臺淘空、滑移的主要因素，浪和流是導致坐底式平臺滑移的直接因素。