高應(yīng)變監(jiān)測在海上平臺套管打入過程中的應(yīng)用

馬晉雄 劉 茜 彭甲志 景霄鵬

（1、海洋石油工程股份有限公司，天津300451 2、中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300451 3、天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司深圳分公司，天津300451）

1 概述

我國是一個海洋大國，擁有約300 萬平方公里管轄海域和18000 公里海岸線，海洋資源十分豐富，海洋油氣能源在未來發(fā)展過程中會越來越重要；海洋油氣資源開發(fā)將直接影響國家能源穩(wěn)定。同時國家也在努力發(fā)展成為海洋強國，海洋石油鉆井平臺作為海洋油氣開發(fā)的主要設(shè)備直接關(guān)系到我們海洋油氣產(chǎn)量的穩(wěn)定。常見的海洋石油鉆井平臺有固定式平臺和浮式平臺；而對于近海石油開采，固定式導(dǎo)管架平臺是非常普遍的一種形式，在我國的渤海以及南海淺海海域?qū)?dǎo)管架平臺的需求很大。

固定式平臺的上部甲板主要靠隔水套管與水下油氣田連接。隔水套管是從海上平臺下到海底淺層、隔離海水和循環(huán)鉆井液的安全通道，上接導(dǎo)流器，下連防噴器，是一組重要的水下鉆井裝備，同時也是海上井口的持力機構(gòu)。在鉆進施工過程中隔水套管的強度及完整性對海上鉆井作業(yè)的安全至關(guān)重要。同時隔水套管一般是以樁基形式打入到海底泥線以下指定深度，由于隔水套管壁厚薄、入泥深的特點增加了隔水套管打入的難度。海底地質(zhì)條件復(fù)雜，如果隔水套管在打入的過程中出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象，隔水套管應(yīng)力可能會超值，從而套管發(fā)生變形甚至損壞。因此有必要在隔水套管打入的過程中進行高應(yīng)變監(jiān)測。

在施工過程中業(yè)主和施工方都比較擔(dān)心套管的完整性，在套管的打入過程中會不會發(fā)生變形；在高應(yīng)變實時監(jiān)測過程可以監(jiān)測打樁過程中樁身應(yīng)力、打樁錘的能量、貫入度以及樁身完整性；同時還可以在采集軟件設(shè)置上限值，當樁身應(yīng)力超過上限值軟件將會有所提示，便于監(jiān)測人員及時發(fā)現(xiàn)問題。對于非均勻樁，將采集的數(shù)據(jù)用CAPWAP 軟件分析計算得到的最大樁身應(yīng)力及位置更為準確。

本文結(jié)合蓬萊19-3 平臺隔水套管打入施工過程，對套管打入過程的高應(yīng)變監(jiān)測流程進行了簡單的描述，可供以后的套管打入過程的監(jiān)測提供幫助。

2 蓬萊19-3 平臺套管介紹

2.1 套管介紹

平臺一共具有40 口井，其中直徑914mm 的有22 口，直徑508mm 的有18 口；兩種直徑套管壁厚均為25mm，914mm 直徑套管是使用IHC500S 以樁基形式打入到設(shè)計入泥深度55m，508mm 直徑套管是使用IHC280S 以樁基形式打入到設(shè)計入泥深度58m。兩種直徑的套管材質(zhì)均為DH36 高強鋼，屈服強度為355MPa。

2.2 地質(zhì)條件

蓬萊油田區(qū)塊地質(zhì)條件比較硬，在以往的項目施工過程中發(fā)生過拒錘和打壞套管的情況。通過對這次施工海域泥面以下120m 鉆芯取樣分析，按照土壤類別詳細分為15 層，以粉土和細砂為主；粘土最大抗剪強度為400KPa，粉土單位表面摩擦力最大為96KPa。

3 高應(yīng)變打樁監(jiān)測過程

3.1 高應(yīng)變動測設(shè)備

高應(yīng)變監(jiān)測儀PDA-8G、加速度傳感器、應(yīng)力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線纜及數(shù)據(jù)分析軟件CAPWAP。

圖1 傳感器和PDA 主機

3.2 檢測設(shè)備的安裝

（1）在鋼樁頂附近（508 直徑套管傳感器距頂部3.7m、914直徑套管傳感器距頂部4.7m）安裝兩個加速度傳感器和兩個應(yīng)變傳感器，將傳感器分為兩組，每組包括一個應(yīng)力傳感器和一個加速度傳感器；兩組傳感器呈180°對稱安裝，用來抵消打樁過程中偏心帶來的影響。

（2）由于套管壁厚較薄不具備鉆孔安裝傳感器的條件；所以提前準備了與傳感器尺寸相似套管材質(zhì)的鋼板焊接固定在想要安裝傳感器的位置；在焊接的鐵板上進行鉆孔、攻絲安裝傳感器。這樣既能確保傳感器應(yīng)變和加速度同套管本身一致又不損壞套管本身。

四個傳感器和PDA-8G 通過幾根25m 長的數(shù)據(jù)線纜相連接，以確保數(shù)據(jù)的實時顯示和儲存。

3.3 數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)此項目隔水套管可打入性分析得知現(xiàn)場施工拒錘風(fēng)險不高，所以現(xiàn)場分別對914 和508 兩種套管的第一根進行了打入過程中的實時高應(yīng)變監(jiān)測。如果在其他套管的打入過程中出現(xiàn)拒錘情況，隨時接入高應(yīng)變監(jiān)測。接下來對高應(yīng)變實時監(jiān)測做出簡單的概述：

（1）打開PDA-8G 采集主機設(shè)置好套管具體參數(shù)（例如：總樁長、設(shè)計入泥深度、傳感器以下長度、直徑、截面積等參數(shù)）。檢查四個傳感器的鏈接狀態(tài)，利用采集設(shè)備自帶功能標定四組傳感器，也可在采集軟件里輸入鋼材的屈服強度，在監(jiān)測的過程中能有很好的提示作用。

（2）各個參數(shù)設(shè)置完成后將進入數(shù)據(jù)采集界面，采集界面將每一錘信號顯示為曲線：應(yīng)力曲線、速度曲線、上下行波曲線、力和速度曲線。顯示可以在這些曲線中來回切換。如圖2 所示。

圖2 PDA 采集動測數(shù)據(jù)

在采集頁面左側(cè)欄能實時顯示以下信息：

傳感器位置最大壓應(yīng)力測量值-CSX

兩個傳感器測量壓應(yīng)力較大者-CSI

樁底最大壓應(yīng)力-CSB

傳遞到樁身的最大能量-EMX

能量傳輸比-ETR

傳感器位置最大打擊力-FMX

傳感器以下最大拉力值- CTX

樁底壓力計算值- CFB

顯示數(shù)據(jù)可根據(jù)現(xiàn)場需求而調(diào)整，實時顯示我們關(guān)心的數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

套管的高應(yīng)變監(jiān)測和以往的鋼樁的高應(yīng)變監(jiān)測側(cè)重點有所不同，鋼樁主要關(guān)心打完樁之后所能提供的承載力，而套管主要監(jiān)測在打樁過程中每一錘的受力情況。當然在數(shù)據(jù)采集完之后能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)進行CAPWAP 軟件分析。CAPWAP軟件根據(jù)現(xiàn)場采集到的力和速度數(shù)據(jù)，更準確地計算樁身應(yīng)力及最大應(yīng)力位置，同時也能得到相對土阻力分布、最大應(yīng)力及位置、土壤的震動和阻尼特性及模擬的靜荷載- 貫入度圖表。

CAPWAP 分析的過程主要包括：數(shù)據(jù)的選取、建立樁模型、假設(shè)土阻力參數(shù)、CAPWAP 分析、計算曲線與實測曲線的對比和數(shù)據(jù)的輸出。

（1）分析數(shù)據(jù)的選取。數(shù)據(jù)在CAPWAP 分析時需要對采集的數(shù)據(jù)進行選取，一般分析員會選取靠近打樁結(jié)束時的數(shù)據(jù)，同時也會選擇相對能量比較大的錘擊，這樣能比較直接的反饋套管在打入過程中的最大應(yīng)力和土阻力分布情況。

（2）樁模型的輸入。由于數(shù)據(jù)采集過程中PDA-S 軟件默認樁為均質(zhì)樁，但實際的情況往往會出現(xiàn)變截面的鋼樁，因此我們需要根據(jù)鋼樁的實際情況建立好樁模型，在進行CAPWAP 分析時導(dǎo)入樁模型，通過更準確的樁模型進行分析計算會得到更確切的樁身應(yīng)力及土阻力的分布。

（3）CAPWAP 計算分析。CAPWAP 分析實際為將模擬曲線和實測曲線無限重合的一個過程；在分析過程中通過調(diào)整樁側(cè)和樁端土阻力、樁側(cè)參數(shù)（JS、SS、QS、CS 等）和樁端參數(shù)（JT、ST、QT、CT 等）的反復(fù)調(diào)整過程，最終使的模擬曲線和實測曲線最大化的重合。

（4）分析結(jié)果輸出。分析結(jié)果合格后可以對計算結(jié)果進行輸出。輸出結(jié)果主要包括土阻力軸向分布、樁身最大應(yīng)力及位置、靜載試驗曲線、樁的總承載力、側(cè)摩阻力及樁端阻力、彈限和阻尼等，如圖3 所示。

圖3 典型CAPWAP 分析結(jié)果輸出圖示

4 高應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析評估

高應(yīng)變打樁監(jiān)測，監(jiān)測了整個打入過程的樁身應(yīng)力、打樁系統(tǒng)能效及對樁身承載力的評估，為保障了施工的順利進行提供了數(shù)據(jù)支持。下面以914 直徑套管為例簡單列舉下分析內(nèi)容。

樁身應(yīng)力評估：

914 套管用IHC-500S 液壓錘進行打樁作業(yè)，在整個打入過程中監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力為249.4MPa，未達到開始設(shè)定的極限值（320MPa）。為了得到更準確的應(yīng)力值，將采集的數(shù)據(jù)進行了CAPWAP 分析，得到第1431 錘最大應(yīng)力為231.6MPa，出現(xiàn)在傳感器以下39.3m 位置；且小于API 規(guī)范許用壓應(yīng)力值320MPa，即樁身鋼材屈服強度的90%，因此樁身未發(fā)生變形破壞。

5 結(jié)論

在固定式平臺隔水套管打入過程中進行高應(yīng)變打樁動態(tài)監(jiān)測，從而得到打樁過程中的樁身應(yīng)力、土阻力及樁身承載能力等數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

在打樁完成后將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行CAPWAP 計算分析，可以得到更為準確套管打入過程中所受最大應(yīng)力及位置同時還可得到土阻力的軸向分布情況。