復(fù)雜地層條件下自升式鉆井平臺(tái)插樁穿刺分析＊

胡知輝 趙 軍 宋林松 段夢蘭

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司）

自升式鉆井平臺(tái)適用于不同海底地層條件和較大水深范圍，移動(dòng)靈活方便并且便于建造，因此在海洋石油開采中得到了廣泛應(yīng)用，在全球現(xiàn)有海上鉆井平臺(tái)中約占到40%。然而，自升式鉆井平臺(tái)在作業(yè)期間經(jīng)常遭遇意外穿刺事故，導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)受損，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)MSL公司統(tǒng)計(jì)，穿刺事故占平臺(tái)總事故的比例高達(dá)53%［1］。平臺(tái)作業(yè)前都要對井位進(jìn)行完善的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與評估，但每年仍有大量的穿刺事故發(fā)生。平臺(tái)穿刺事故頻發(fā)主要與復(fù)雜的海底地層條件有關(guān)，某些海域海底沉積物表層多為粉土，向下為粉質(zhì)粘土、砂土及粘土互層。在上硬下軟層狀地基條件下，平臺(tái)插樁預(yù)壓載時(shí)，樁腿樁靴穿透上部硬土層后在下部軟土層中快速沉降，且超出平臺(tái)自身調(diào)節(jié)控制能力，因而發(fā)生穿刺事故。目前全球存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)的主要海域及對應(yīng)的作業(yè)平臺(tái)數(shù)量如圖1所示，可以看出，平臺(tái)穿刺風(fēng)險(xiǎn)主要集中在北美、中東與亞洲等海域；平臺(tái)穿刺事故分類統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖2。隨著東南亞各國最近幾年加大對海上油氣田的開發(fā)，在相關(guān)海域作業(yè)的平臺(tái)數(shù)量逐漸增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)在2000—2008年發(fā)生的平臺(tái)穿刺事故中超過80%發(fā)生在亞洲［2］，由此也對預(yù)防平臺(tái)作業(yè)過程中穿刺事故的發(fā)生提出了迫切要求。本文在對目前已發(fā)生的平臺(tái)穿刺事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，研究了穿刺破壞機(jī)理，并以我國南海西部A井位為例提出了可行的穿刺預(yù)防措施，對指導(dǎo)自升式鉆井平臺(tái)后續(xù)作業(yè)和保證平臺(tái)作業(yè)安全具有重要意義。

1 平臺(tái)穿刺事故統(tǒng)計(jì)分析

一直以來，在世界各個(gè)海域作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)幾乎每年都有意外穿刺事故發(fā)生，由此導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)受損，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。2009年11月5日，在馬來西亞Duyong平臺(tái)作業(yè)的Trident 17號自升式鉆井平臺(tái)因遭遇惡劣天氣，左舷樁腿發(fā)生刺穿導(dǎo)致樁腿嚴(yán)重?fù)p壞，隨后10日另外兩條樁腿也相繼發(fā)生破壞［3］。2006年1月，SeaDrill公司的自升式鉆井平臺(tái)SeaDrill 5號在印度海域某一井位插樁作業(yè)時(shí)一條樁腿發(fā)生穿刺事故，隨后花了一個(gè)季度的時(shí)間進(jìn)行樁腿修復(fù)［4］。另外，ENSCO－57、Roger Mowell、PV Drilling 1、Galveston Key等平臺(tái)在越南、馬來西亞海域作業(yè)過程中均發(fā)生過穿刺事故導(dǎo)致平臺(tái)受損［5］。

除在東南亞海域外，其他海域作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)也有大量穿刺事故發(fā)生。2002年9月30日，阿拉伯鉆井公司的Arabdrill 19號自升式鉆井平臺(tái)在沙特阿拉伯的Khafji油田作業(yè)時(shí)，由于發(fā)生穿刺，平臺(tái)的一個(gè)樁腿彎曲，使平臺(tái)倒塌在旁邊的生產(chǎn)平臺(tái)上，導(dǎo)致生產(chǎn)平臺(tái)采油樹爆裂，引發(fā)大火，最終造成自升式平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)沉沒并導(dǎo)致3人死亡的事故［6］，平臺(tái)受損情況見圖3。1996年11月16日，在南澳大利亞圣文森特灣，Maersk Victory號自升式鉆井平臺(tái)發(fā)生穿刺事故，樁靴一直穿刺到海床下大約10m處的堅(jiān)硬沉積層，導(dǎo)致平臺(tái)的3根樁腿嚴(yán)重?fù)p壞，以至于不得不在修復(fù)平臺(tái)前割斷樁腿，然后再單獨(dú)修復(fù)［6］，平臺(tái)受損情況見圖4。

由于一些單位不愿意公布平臺(tái)事故等相關(guān)信息，目前公開報(bào)道的平臺(tái)事故案例還比較少，本文通過對僅有的一些行業(yè)文獻(xiàn)資料的收集整理，統(tǒng)計(jì)出到目前為止發(fā)生的大量平臺(tái)穿刺事故案例。盡管缺少事故的詳細(xì)資料與信息，但從這些事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果中也能得到一般性結(jié)論，對每起事故的發(fā)生背景、原因進(jìn)行分析，以期為以后部署平臺(tái)作業(yè)提供借鑒。本文所統(tǒng)計(jì)到的事故數(shù)據(jù)中，穿刺事故占到總事故的55%左右，與MSL公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本吻合。

1990年前后有超過一半的穿刺事故發(fā)生在北美海域，但2000年之后穿刺事故主要發(fā)生在亞洲海域，且有逐年增加的趨勢，主要原因是：北美海域的鉆井作業(yè)公司對平臺(tái)前期大量的實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，通過研究對作業(yè)海域的復(fù)雜地層條件有了更深的了解，而且形成了標(biāo)準(zhǔn)化的穿刺預(yù)測分析和評估計(jì)算方法，以及一些行業(yè)規(guī)范來指導(dǎo)平臺(tái)作業(yè)，事故發(fā)生率逐漸降低；但是在亞洲海域，大量的平臺(tái)作業(yè)主要集中在2000年之后，由于對作業(yè)區(qū)域缺乏長期深入研究，沒有掌握作業(yè)區(qū)域地層土體分布特點(diǎn)，單獨(dú)靠某一井位地質(zhì)調(diào)查很難避免平臺(tái)穿刺風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)已有的穿刺判斷方法的適應(yīng)性也存在問題，在工程實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)測某一井位存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，而平臺(tái)實(shí)際作業(yè)過程中并沒有發(fā)生穿刺，或判斷某一井位不存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，但平臺(tái)實(shí)際作業(yè)過程中卻發(fā)生了穿刺事故的情況。

2 穿刺機(jī)理分析

平臺(tái)樁腿樁靴下放到海底開始壓樁后，樁靴會(huì)貫穿表層土體，直到土體的承載能力和預(yù)壓載荷達(dá)到平衡時(shí)為止。如果某一深度范圍內(nèi)土層是層狀地基（即硬土層覆蓋軟土層），土體的承載能力隨著深度的增加而減小，在預(yù)壓載期間將會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)發(fā)生穿刺。如果層狀地基上覆硬土層強(qiáng)度較大，樁靴插樁到上覆硬土層時(shí)可能暫時(shí)是穩(wěn)定的，然而由于下伏軟土層的影響，平臺(tái)作業(yè)期間樁靴可能會(huì)突然穿透上覆硬土層并進(jìn)入下伏軟土層而形成穿刺。當(dāng)樁腿樁靴穿刺速度超過平臺(tái)齒輪齒條維持船體平衡時(shí)的下放能力，將導(dǎo)致平臺(tái)偏轉(zhuǎn)而引起力矩的增加，對平臺(tái)造成損壞（圖5），直到穿刺后土體承載力或船體入水增加的浮力達(dá)到預(yù)壓載量時(shí)為止，穿刺過程才會(huì)停止，因此平臺(tái)損傷程度與穿刺速度和幅度有關(guān)，而平臺(tái)穿刺速度和幅度又與井位地質(zhì)參數(shù)、船體壓載量、作業(yè)水深、壓樁時(shí)船體氣隙以及船體自身性能有關(guān)。

圖5 自升式鉆井平臺(tái)穿刺機(jī)理示意

層狀地基是導(dǎo)致平臺(tái)穿刺的關(guān)鍵部位，位于上層具有較高強(qiáng)度的硬殼層與下伏軟土層形成明顯強(qiáng)度差與剛度差，在壓樁載荷作用下承載方式特殊：在樁靴穿透硬殼層之前，硬殼層具有板體支撐作用，使地基中的應(yīng)力大量地聚集在硬殼層內(nèi)；另外在硬殼層的封閉效應(yīng)下，下伏軟土層中產(chǎn)生較大的水平附加應(yīng)力，當(dāng)樁靴穿透硬殼層后將在軟土層中快速沉降發(fā)生穿刺；穿透的同時(shí)會(huì)形成土塞效應(yīng)，即樁靴穿透時(shí)樁靴下表面的硬土層會(huì)形成倒錐形土塞隨樁靴一起進(jìn)入到軟土層，加大軟土層的橫向變形。土塞與下伏軟土層的相互作用機(jī)理需要進(jìn)一步研究，土塞對樁腿樁靴穿透上部硬土層后的最終入泥深度以及下部軟土層的承載能力都有一定影響。

對于自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)來說，一旦發(fā)生樁腿樁靴穿透上部硬土層導(dǎo)致穿刺后，平臺(tái)船體將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，樁腿傾斜彎曲產(chǎn)生彎矩，但在上環(huán)梁與下環(huán)梁的約束下，樁腿斜支撐梁首先發(fā)生彎曲，見圖6。在實(shí)際平臺(tái)穿刺事故過程中，就有平臺(tái)斜支撐梁被壓彎變形的實(shí)例（圖7），如果平臺(tái)穿刺速度和幅度過大將有可能導(dǎo)致平臺(tái)樁腿折斷，發(fā)生平臺(tái)嚴(yán)重?fù)p壞事故（圖8）。由此可見，穿刺對于平臺(tái)來說是屬于非常嚴(yán)重的事故類型，因此需要對平臺(tái)插樁過程中樁腿樁靴與土體的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，盡量避免穿刺事故的發(fā)生，保證平臺(tái)作業(yè)安全。

3 南海西部A井位穿刺分析

3.1 穿刺可能性分析

A井位于海南省三亞市以南100 km處，所在海域水深113.5 m，由B號鉆井船在該井位作業(yè)。B號鉆井船為一條三腿自升式移動(dòng)鉆井船，其樁腳式基礎(chǔ)的最寬部分面積為254 m2，有效直徑18.0 m。預(yù)壓載時(shí)，每只樁腳的最大預(yù)壓載為112.2 MN（11450 t）。通過海洋土質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場鉆探取樣分析獲得A井位海底土質(zhì)情況及各層土體參數(shù)見表1，在距海底4～14 m之間為砂土層覆蓋粘土層，而且砂土層土層厚、強(qiáng)度比較高，下伏粘土層厚度為5.3 m，屬于非常典型的層狀地基。

表1 南海西部A井位海底土質(zhì)情況及各層土體參數(shù)

本文采用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》［8］方法與ABAQUS數(shù)值模擬方法對A井位地基進(jìn)行承載力分析，結(jié)果如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明，B號鉆井船在11450 t的最大預(yù)壓載下，樁腳尖部的初入泥深度為5.2 m，但在4～14 m層狀地基處相對穿刺安全系數(shù)僅有1.05，根據(jù)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》關(guān)于層狀地基穿刺判斷的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)平臺(tái)發(fā)生穿刺的可能性極大。據(jù)圖8，如果發(fā)生穿刺，穿刺后沉降量可達(dá)9 m，將嚴(yán)重威脅到平臺(tái)插樁安全；如果插樁時(shí)沒有發(fā)生穿刺而保持在5.2 m的入泥情況下，鉆井船在南海惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行后續(xù)作業(yè)依然存在穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 南海西部A井位土體承載力與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線

3.2 穿刺預(yù)防措施

根據(jù)3.1節(jié)分析，針對A井位比較安全的壓載方案是預(yù)先采取安全措施主動(dòng)穿透5.2 m處層狀地基。目前對于粘性土層狀地基（硬粘土層覆蓋軟粘土），在工程實(shí)際中應(yīng)用的主動(dòng)刺穿措施是插樁前鉆孔的辦法，但對于砂土層覆蓋軟粘土的層狀地基，插樁前鉆孔的方法并不適用［9－10］。由于平臺(tái)每個(gè)樁靴底部都有高壓噴嘴，因此考慮采用沖樁的方式減小砂土層承載能力，因?yàn)闆_樁能改變砂土層孔隙水壓力及滲流力，從而使砂土層承載力減弱，達(dá)到安全穿透砂土層的目的。文獻(xiàn)［11］在滲流理論的基礎(chǔ)上分析了不同排量沖樁下樁基承載力的變化情況，將理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，并對該方法的可行性進(jìn)行了論證。

由此提出了B號鉆井船在南海西部A井位的壓樁方案：

（1）平臺(tái)就位，升船至吃水1 m左右，隨時(shí)觀察船體及樁腿入泥變化，觀察1 h。

（2）如果情況正常，單樁循環(huán)壓載緩慢加壓載水各400 t（見圖8），觀察入泥是否變化，靜壓觀察1 h。

（3）如果情況正常，開排水系統(tǒng)沖樁，觀察樁腿入泥有無變化。

（4）如果平臺(tái)入泥持續(xù)有輕微變化（樁腳入泥深度逐漸增加），采取措施：停泵及時(shí)調(diào)平船體，然后繼續(xù)沖樁，繼續(xù)調(diào)整船體，直到接近入泥深度10 m處。

（5）在樁靴穿透層狀地基后開始正常單樁壓載。

上述壓樁方案在A井位實(shí)施已獲得成功。

4 結(jié)束語

國內(nèi)外自升式鉆井平臺(tái)穿刺事故分析表明，穿刺事故占平臺(tái)總事故比例高達(dá)55%左右，嚴(yán)重影響到平臺(tái)作業(yè)安全。穿刺事故與復(fù)雜的地層條件和平臺(tái)自身性能有關(guān)，穿刺程度受上覆硬土層相對厚度、上覆硬土層與下伏軟土層強(qiáng)度比以及平臺(tái)預(yù)壓載量等因素的影響。為保證平臺(tái)作業(yè)安全，可以采取主動(dòng)穿透層狀地基的辦法來解決穿刺問題。

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