121.92 m(400 ft)自升式鉆井船極限水深條件下插樁預(yù)測

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(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司；廣州 深圳 518067；2.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室，山東 青島 266555)

相對于渤海和黃海海域，我國南海近海域的水深較深，基本在100 m左右。部分正在勘探的油氣田所在區(qū)域的水深接近120 m，接近我國目前自升式鉆井船作業(yè)的臨界水深。目前我國的自升式鉆井平臺最大作業(yè)水深為121.92 m(400 ft)。隨著自升式鉆井船走入接近極限水深的南海，自升式鉆井船插樁預(yù)測、穩(wěn)定性分析、拔樁阻力計算等都變得更為至關(guān)重要。然而，目前還沒有針對自升式鉆井船在極限水深條件下插樁預(yù)測的研究。自升式鉆井船插樁預(yù)測問題涉及到樁基礎(chǔ)承載力的確定。確定樁端承載力的方法較多，大致可劃分為以下三類[1]：①試樁試驗方法，包括靜載試驗和動力試樁試驗；②基于土體物理力學(xué)指標(biāo)的確定方法；③承載力公式計算方法。本文將這三類方法綜合應(yīng)用于自升式鉆井船插樁預(yù)測。

1 南海部分海域海底土質(zhì)特性

1.1 海底土土質(zhì)資料的獲取

鉆取土樣、原位試驗和室內(nèi)土工試驗通常是海洋工程地質(zhì)調(diào)查中的重要部分。根據(jù)不同調(diào)查目的采用不同的取土方法。生產(chǎn)平臺基礎(chǔ)的研究要求鉆取的土樣深度可達100～200 m[2]。南海已完成工程地質(zhì)調(diào)查的井場，鉆取土樣深度一般都在120 m。在自升式鉆井船前往預(yù)定井位就位前，需要對預(yù)定井位進行工程地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容主要包括海底土土質(zhì)分層、土質(zhì)參數(shù)、力學(xué)特性、海底地貌等。

土體的承載力是決定自升式鉆井船樁腿入泥深度的直接因素。因此，在進行自升式鉆井船插樁校核時，研究樁腿入泥深度主要研究土質(zhì)特性、土體承載力的計算方法。對海底土土質(zhì)特性及土體承載力參數(shù)的測定是研究樁腿入泥深度的基礎(chǔ)。土體對擾動的高敏感性，使得通過測定和試驗得出原狀土的土力學(xué)特性很難實現(xiàn)。學(xué)術(shù)界研究土質(zhì)特性，更多的是基于理論分析，結(jié)合工程實際經(jīng)驗來展開的。

目前能減少對土體擾動的情況下測定土體力學(xué)特性的試驗技術(shù)是靜力觸探試驗(CPT)技術(shù)。隨著海洋開發(fā)的迅速發(fā)展，CPT技術(shù)在國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域的使用越來越普遍，錐形探頭的靜力觸探儀CPT借助于探頭內(nèi)的電子應(yīng)變片可測定錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力[3]。20世紀80年代初在CPT基礎(chǔ)上又發(fā)展了孔隙水壓觸探儀PCPT。它由CPT加裝壓力傳感器和陶瓷濾頭而成。壓力傳感器部分直接與經(jīng)濾頭的水接觸，只需極小的排水量(譬如0.2 mm)就能使傳感器產(chǎn)生高輸出訊號。在貫入過程中能記錄到連續(xù)的動態(tài)孔隙壓力，當(dāng)試驗停止后可記錄超靜水壓力的消散過程。根據(jù)PCPT資料，可以獲得土層中小于70 cm的薄夾層、應(yīng)力歷史、固結(jié)系數(shù)以及砂土液化勢等信息。

1.2 海底土土質(zhì)特性

以南海某井場土質(zhì)調(diào)查資料為例介紹海底土土質(zhì)特性。其PCPT試驗測試結(jié)果[4]見圖1。

圖1 南海某井的PCPT試驗測試結(jié)果

圖1給出了3條曲線：樁尖阻力隨土深變化曲線；側(cè)摩阻力隨土深變化曲線；孔隙壓力隨土深變化曲線。從而得到土體各深度的樁尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙壓力。從工程地質(zhì)調(diào)查得到的土質(zhì)資料提取的研究自升式鉆井船插拔樁所需的參數(shù)，見表1。

2 CPT測試結(jié)果預(yù)測插樁深度

由圖1可見，表示錐尖阻力的承載力曲線在2.0～3.2 m土深范圍出現(xiàn)最大值為12 MPa，相比于鉆井船設(shè)計單樁最大預(yù)壓載荷0.42 MPa(以海洋石油941平臺為例)是足夠大的，因此自升式鉆井船樁腿在預(yù)壓載過程中穿過2.0～3.2 m的土層很困難。現(xiàn)場插樁作業(yè)時測算樁腿入泥深度是按照式(1)計算的。

表1 某井位鉆井船設(shè)計參數(shù)

注:δ為粒狀土的設(shè)計土-樁摩擦角；fmax為極限表面摩擦力；qmax為極限樁尖阻力；Su為粘性土的設(shè)計不排水抗剪強度；Nq、Nr為承載力系數(shù)，是砂性土的內(nèi)摩擦角φ的函數(shù)。

h泥=h吃+L船下樁-h水

(1)

式中：h泥——樁腿入泥深度,樁腳尖端到泥線的距離；

h吃——船體吃水深度；

L船下樁——船體以下的樁腿長度；

h水——海水深度。

這里提到的樁腿包含樁靴部分。

從式(1)可見，樁腳尖的高度是樁腿入泥深度的一部分。海洋石油941號自升式鉆井平臺樁腳尖的高度為1.17 m，即樁靴的最底部到整個樁腿最大截面處的距離為1.17 m。在進行樁腿承載力計算時，考慮的是土體施加在樁腿最大截面(樁靴最大截面)上的承載力。海洋石油941平臺的樁腿最大截面積取254 m2。對于南海的這口井，在2.0～3.2 m土深范圍出現(xiàn)最大樁尖阻力12 MPa，理論計算得到最大承載力為30×105kN，超過了平臺設(shè)計的單樁11×104kN的最大預(yù)壓載量。2.0～3.2 m土深范圍的土體為平臺提供了很好的持力層。考慮到樁腳尖高度為1.17 m，粗略判斷出海洋石油941平臺在該井位的樁腿入泥深度范圍為3.17～4.37 m。所以從PCPT測試結(jié)果可以快捷直觀地判斷自升式鉆井船樁腿入泥深度范圍。

海洋石油941平臺，樁腿有效長度為146 m，樁腿入泥深度取預(yù)測的最大深度4.37 m，水深取100 m，由此根據(jù)式(2)得出海洋石油941平臺在該井位的氣隙空間范圍為

h氣=L有效樁-h泥-h水

(2)

式中：h氣——氣隙空間范圍；

L有效樁——樁腿有效長度。

由式(2)得出海洋石油941平臺在該井位的氣隙空間范圍為0～41.63 m。該氣隙空間范圍滿足自升式鉆井船對氣隙的需要。從而判斷海洋石油941號自升式鉆井平臺在接近121.92 m(400 ft)臨界水深的該井位具備作業(yè)條件。

3 自升式鉆井船樁腿插入深度

3.1 自升式鉆井船樁腿承載力計算方法

在樁腿的插入過程中，樁端阻力來自樁尖(樁靴)向下穿透土層時直接沖擠土體的反作用力；樁側(cè)阻力來自于與樁身接觸的土體對樁身外表面產(chǎn)生的滑動摩阻力。樁側(cè)阻力是隨著樁腿的下入深度的增加而增加的，樁端阻力并不一定隨樁入土深度的增加而增加。樁端所在土層的土質(zhì)特性是樁端阻力的決定性因素。

目前，對于以樁端阻力作為支撐力設(shè)計的自升式鉆井船，基本是帶樁靴的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的自升式鉆井船。對于這種自升式鉆井船單樁承載力計算，不同單位采取的方法不同。表2給出了樁端承載力的兩種計算方法。其中方法一是中國石油大學(xué)所采用的計算方法，記為石油大學(xué)計算模型。

表2 樁端承載力計算方法

表中：P0——有效上覆壓力；

Nq——量綱一量的承載力系數(shù)，是內(nèi)摩擦角(φ)的函數(shù)；

Su——樁腳下B/2以內(nèi)平均不排水抗剪強度；

Nc——不排水粘土的量綱一量的承載力系數(shù)；

Nq、Nγ——粒狀土量綱量一量的承載力系數(shù)；

γ1——由樁腳排出土的平均有效重度；

γ2——樁腳下B/2以內(nèi)土的平均有效重度；

B——樁腳的直徑(最寬截面)；

D——樁腳入泥深度(最寬截面)；

α——樁腳插深以上回填土壓力折減系數(shù)，α=0.3～0.6；

A——樁腳的最大面積；

V——樁腳的體積；

Q——平臺樁腿極限承載力。

表2中列出的方法二在計算砂性土承載力時存在計算結(jié)果偏大的情況，比如埋深淺的薄砂土層，這會對自升式鉆井平臺樁腿入泥深度的判斷帶來麻煩。以海洋石油941號自升式鉆井平臺為例，在遇到淺層砂時，用方法二得出插樁深度在2 m以內(nèi)的情況經(jīng)常出現(xiàn)。從平臺的穩(wěn)定性方面考慮，2 m以內(nèi)插樁深度不足以使樁靴被土體完全覆蓋，易出現(xiàn)樁靴底部土體被海流沖蝕掏空的現(xiàn)象，對平臺穩(wěn)定性和作業(yè)安全帶來隱患。對于像砂性土的這種粒狀土層，當(dāng)厚度較小時，利用方法二計算單樁承載力是根據(jù)經(jīng)驗取計算結(jié)果的1/3作為理論承載力，以削弱計算出的單樁承載力偏大對樁腿入泥深度預(yù)測的影響。

3.2 平臺樁腿入泥深度確定

針對自升式鉆井平臺不同的樁腿結(jié)構(gòu)，計算樁腿所受到的阻力。即樁側(cè)阻力采用土體的單位表面摩擦力乘以樁腿泥線以下部分的表面積；樁端阻力采用土體的單位樁端承載力乘以樁腿有效橫截面積。至于平臺樁腿最終的極限承載力，不同的計算模型需考慮不同影響樁腿承載力的因素，如樁靴上部回填土的影響、樁靴排開土體得到的浮力影響等。對于海洋石油941號自升式鉆井平臺，因其是桁架型式的樁腿結(jié)構(gòu)，樁腿下部裝有樁靴，在計算樁承載力時，忽略了樁側(cè)摩阻力。

將單個樁腿極限承載力與平臺設(shè)計需要加載到該樁腿上最大預(yù)壓載進行比較。當(dāng)計算出某一插樁深度處的樁腿極限承載力等于或超過該樁腿上最大預(yù)壓載時，認為該深度是可能適合的插樁深度。

4 插樁校核

在自升式鉆井船就位前，分別運用兩種自升式鉆井船樁腿極限承載力計算方法對南海該井位進行樁腿承載力計算，分析兩種計算方法得出的插樁深度，見圖2。

該井位在埋深很淺的0～0.8m處有薄砂層，從圖2可以看出采用方法二得出在2 m附近就出現(xiàn)很大樁端承載力。盡管采用選取計算結(jié)果的1/3作為理論承載力的經(jīng)驗性處理方法，得出的插樁深度依然為1.97 m。該深度對于樁靴高度為5 m的海洋石油941號自升式鉆井船來說，存在樁靴底部被沖蝕掏空的安全隱患。采用方法一得出的插樁深度為3.8 m。該深度是一個相對比較安全且有利于拔樁的深度。在南海該井位實際的3個樁靴的入泥深度分別為3.7、3.8和4.3 m。方法一得出的插樁深度預(yù)測值與實際值對比校核見表3。

圖2 某井位HY941號平臺樁插樁深度分析

由表3可見，方法一在預(yù)測自升式鉆井船樁腿入泥深度上的準(zhǔn)確性。

表3 海洋石油941號自升式鉆井平臺樁腿入泥深度對比

5 結(jié)論

1)對于121.92 m(40 ft)水深海域采用自升式鉆井平臺作業(yè)，在作業(yè)之前開展自升式鉆井船樁腿入泥深度預(yù)測分析是十分必要的，它能夠避免鉆井船的作業(yè)風(fēng)險。

2)采用多種計算方法對自升式鉆井船樁腿承載力及插樁深度進行預(yù)測分析，能夠進一步提高樁腿入泥深度的預(yù)測精度，為現(xiàn)場施工提供更可靠的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

[1] 李家奇，趙曉豹，李曉昭，等.不同地區(qū)砂土中樁端承載力計算方法的比較[J].地下空間與工程學(xué)報,2009，5(5):1007-1012.

[2] 顧小蕓.海洋工程地質(zhì)的回顧與展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2000，8(1)：40-45.

[3] 陸鳳慈.靜力觸探技術(shù)在海洋巖土工程中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4] 物探事業(yè)部工程勘察中心.海洋工程地質(zhì)調(diào)查初步報告書[R].天津：中海油田服務(wù)股份有限公司,2010.