復(fù)雜地層下自升式平臺(tái)插樁深度分析

蘇文濤

[摘 ?要]針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下自升式平臺(tái)插樁就位過(guò)程中可能出現(xiàn)的穿刺、入泥過(guò)深等問(wèn)題，本文結(jié)合勝利九號(hào)平臺(tái)在埕北20CA井位的插樁就位作業(yè)，收集資料，對(duì)已知的國(guó)內(nèi)外平臺(tái)插樁事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建議在復(fù)雜地層下，尤其存在硬軟交互地層且樁靴還未穿透硬地層到達(dá)持力層的情況下，采用零氣隙壓載。最后基于海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范，計(jì)算出勝利九號(hào)平臺(tái)在埕北20CA井位的入泥深度為10.3米，平臺(tái)不存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)自升式平臺(tái)的插樁就位具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]自升式平臺(tái) ?插樁 ?穿刺 ?入泥深度

中圖分類(lèi)號(hào)：TE953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）24-0128-01

1 引言

自升式鉆井平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外近海油氣田開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1]。渤海海域水深較淺，特別適合自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)。然而渤海海域地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)地質(zhì)疏松，海底表層多為粉土，向下為粉質(zhì)粘土、砂土及粘土互層。自升式平臺(tái)作業(yè)時(shí)，如果層狀地基的承載力不夠，樁靴可能穿透上部硬層，突然下陷形成穿刺造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞或使樁腿入泥過(guò)深，導(dǎo)致拔樁困難，這些給自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全性帶來(lái)了巨大的威脅。

自升式平臺(tái)作業(yè)的前提就是要“插得穩(wěn)，拔得出”。歷史上發(fā)生過(guò)多次自升式鉆井平臺(tái)因入泥過(guò)深造成拔樁過(guò)程超過(guò)30 多天、刺穿地層樁腿損壞、固樁區(qū)構(gòu)件變形等重大事故[2]。1983年11月，勘探二號(hào)自升式鉆井平臺(tái)在壓載過(guò)程中，1號(hào)樁腿突然深陷，平臺(tái)傾斜，平臺(tái)嚴(yán)重受損; 2009年，Sapphire？Driller鉆井平臺(tái)在壓載中發(fā)生刺穿事故，由于采用零氣隙壓載最大限度的減少了平臺(tái)損壞，見(jiàn)圖1。

即使在同一井位短短幾十米范圍內(nèi)，地基的承載力有時(shí)也是大大不同。勝利九號(hào)平臺(tái)在埕北151井位，首樁入泥5米，其它兩樁入泥13米。雖然自升式平臺(tái)作業(yè)前都會(huì)對(duì)井位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與評(píng)估，但每年仍有大量事故發(fā)生。本文以CB20CA井位為例，分析插樁機(jī)理及操作過(guò)程，對(duì)保證平臺(tái)的作業(yè)安全，避免不必要的經(jīng)濟(jì)和人員損失具有重要意義。

2 自升式平臺(tái)插樁機(jī)理

2.1 插樁機(jī)理

自升式鉆井平臺(tái)拖航到目標(biāo)井位后，需要進(jìn)行插樁作業(yè)。插樁，就是將平臺(tái)重量由船體浮力支持過(guò)渡到由樁腿支持的過(guò)程。插樁時(shí)，隨著船體慢慢離開(kāi)水面及后續(xù)的預(yù)壓載，樁靴逐漸插入土體，直到土體承載力和船體的預(yù)壓載荷平衡，樁靴下沉才會(huì)停止。

平臺(tái)樁靴插入土體時(shí)，土體大體會(huì)經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的流動(dòng)：

（1）在樁靴剛插入土層中，樁靴下的土體發(fā)生流動(dòng)，土層表面發(fā)生隆起，樁靴周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)小的樁坑。

（2）隨著樁靴入泥深度的增加，樁靴下的土體開(kāi)始向上流動(dòng)，并逐漸越過(guò)基礎(chǔ)的表面發(fā)生回流，直至樁靴完全埋入到土層中，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

（3）如果平臺(tái)基礎(chǔ)發(fā)生未預(yù)料到的快速沉降，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。

對(duì)于自升式鉆井平臺(tái)，為保證平臺(tái)在風(fēng)暴條件下樁腿下部土體有足夠的極限承載能力，需要計(jì)算自升式鉆井平臺(tái)在一定預(yù)壓載荷作用下的插樁入泥深度[3]。

3 CB20CA井位插樁分析

3.1 平臺(tái)概況

勝利9號(hào)平臺(tái)為3樁腿自升式平臺(tái)，樁腿長(zhǎng)56.7m，樁腿直徑2.74m，樁靴為圓形，直徑為7.91m。平臺(tái)總噸位為43000kN，起升后可變荷載13610kN。按照3樁腿均勻承載考慮，求得單樁支撐荷載18870KN。

3.2 復(fù)雜地層[4]

埕北20CA井組水深10米，井位地質(zhì)資料為：0.0～4.2m為中密狀態(tài)粉土，內(nèi)摩擦角為18°;10.3～11.0m為中密狀態(tài)粉土，內(nèi)摩擦角為15°。粘性土分布如下：4.2～10.3m為軟、可塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土，內(nèi)聚力為25kPa;11.0～17.5m為可塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土，內(nèi)聚力為45kPa。海底表層為粉土，向下為粉質(zhì)粘土、砂土及粘土互層，地質(zhì)條件復(fù)雜，為典型的復(fù)雜層狀地基。

3.3 計(jì)算方法

國(guó)外對(duì)自升式鉆井平臺(tái)插樁深度的研究開(kāi)始得比較早，L.Prandtl、A.W.Skempton、Tersaghi等人根據(jù)自己的研究成果分別提出了不同性質(zhì)土體、不同形狀基礎(chǔ)的地基極限承載力公式。考慮到海底土體的特殊性質(zhì)和自升式鉆井平臺(tái)樁靴的不同，國(guó)內(nèi)工程界對(duì)上述地基承載力公式進(jìn)行了修正，提出了適合自升式平臺(tái)插樁深度計(jì)算的基礎(chǔ)承載力規(guī)范，即海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范[5]（SY/T 6707-2008），也就是我們常說(shuō)得API推薦的關(guān)于淺基礎(chǔ)的計(jì)算方法。在該規(guī)范中，將自升式鉆井平臺(tái)分為樁腿式基礎(chǔ)和樁靴式基礎(chǔ)兩類(lèi)，并根據(jù)基礎(chǔ)的不同提出不同的土體極限承載能力。

根據(jù)海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范計(jì)算，得出

根據(jù)表1，10.3米深度基地承載力為27694kN，大于平臺(tái)的單樁最大預(yù)壓載荷18870kN，即平臺(tái)壓載后樁靴入泥深度為10.3米。

3.4 刺穿分析

上面承載力計(jì)算是假設(shè)土層全部為砂土或全部為粘土的極限承載力計(jì)算方法。根據(jù)表2，CB20CA井位，泥面下20米內(nèi)，為粉土與粉質(zhì)粘土互層，即硬軟交互地層。粉土層為硬土層，粘土層軟土層。硬層和軟弱下臥層之間承載力不同，由表2可知，10.3米下，11～17.5米為軟粘土層，承載力小于10.3～11米的硬土層，可能會(huì)存在樁腳潛在的刺穿危險(xiǎn)，需要進(jìn)行穿刺分析。

穿刺分析中通常采用YOUNG和FOCHT的3：1荷載擴(kuò)展分析法，這種方法假定施加在硬土層上的基礎(chǔ)荷載被擴(kuò)展通過(guò)硬層，在軟弱層在頂面產(chǎn)生一假設(shè)的等效基礎(chǔ)。通過(guò)硬層的擴(kuò)展比例1：3（水平方面：垂直方面），如果施加在等效基礎(chǔ)上的壓力超過(guò)下層土的承載力，刺穿將會(huì)產(chǎn)生。刺穿的安全性主要取決于上覆硬層的厚度。

Fs= =1.57>1.5 安全

4 結(jié)論

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)自升式平臺(tái)插樁過(guò)程中出現(xiàn)的事故，分析插樁機(jī)理，并結(jié)合勝利九號(hào)平臺(tái)在埕北20CA插樁的實(shí)際情況，得出：

（1）在埕北20CA井位，勝利九號(hào)鉆井平臺(tái)插樁深度為10.3米，地層極限承載力為27694 kN，插樁安全系數(shù)為1.57，不會(huì)發(fā)生刺穿。

（2）對(duì)于復(fù)雜地層、陌生海域建議采用零氣隙壓載。尤其對(duì)于樁靴預(yù)計(jì)入泥深度內(nèi)有硬軟交互地層的平臺(tái)插樁，如果壓載時(shí)樁靴沒(méi)有穿過(guò)硬土層，應(yīng)采用零氣隙壓載，防止壓載時(shí)樁靴突然刺穿硬土層，造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞。

（3）平臺(tái)就位前必須進(jìn)行充分地海況地質(zhì)調(diào)查、氣象條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。波浪較大時(shí)，盡量避免平臺(tái)的插拔樁作業(yè)。對(duì)于平臺(tái)插樁時(shí)入泥過(guò)淺，無(wú)法穿透硬土層的，建議采用Swiss Cheese方法來(lái)主動(dòng)預(yù)防硬粘土層下覆軟粘土層的穿刺問(wèn)題。對(duì)于砂土層下覆軟粘土層的穿刺問(wèn)題，用沖樁的方法達(dá)到主動(dòng)解決穿刺問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

1.汪張?zhí)?，趙建亭.自升式鉆井平臺(tái)在我國(guó)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用和發(fā)展.船舶，2008，2（1）：10-15.

2.陳慶，譚伯興.勝利六號(hào)近海自升式移動(dòng)鉆井平臺(tái)的插拔樁問(wèn)題的研究[J].海洋工程.

3.孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海：上海交大出版社，2008