自升式平臺在埕島海區插樁作業安全性的探討

■安有杰 黃忠平 吳寧

（中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司 山東東營 257000）

自升式平臺在埕島海區插樁作業安全性的探討

■安有杰 黃忠平 吳寧

（中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司 山東東營 257000）

勝利海區位于現代黃河三角洲水下部分，其沉積物主要由粉土和軟粘性土組成，具有液化特性的粉土與軟弱粘性土相間分布的層序特征，由于河道頻繁改道，河口沉積泥砂在波浪作用下被簸選、搬運、再沉積。多期河口沉積的疊加，形成葉瓣狀展布的三角洲堆積體;勝利海區特殊的土層結構和水動力環境復雜，決定了工程性質差異大以及地質災害多發，地質災害因素對鉆井平臺施工的安全影響非常大。本文通過埕島海區的海洋地質災害的因素溝隴海底地貌、液化、沖刷掏空和海底滑坡、崩塌等的探討，可以有效地防范工程地質災害，減少平臺穩性影響因素，保障鉆井平臺安全。

自升式平臺埕島海區安全

1 自升式平臺概述

自升式鉆井平臺一般由三或四各獨立升降的樁腿所支撐。當自升式鉆井平臺到達一個新井位時，樁腿向下伸到海底，平臺和樁腿的重量通過樁靴傳遞到下伏的地基土上，樁靴一直貫入至地基土抗力相當于平臺的荷載，待樁腿穩定后，鉆井平臺上升至海面上要求的作業高度進行鉆井作業。其穩定性與樁靴貫入情況密切相關。影響樁靴貫入的主要因素是樁腿最大預期荷載和地基土的工程地質條件，樁靴貫入深度的問題即是分析地基土極限承載力能否滿足插樁壓力的問題[1]。

由于海底地基土的性狀復雜，常為多層土交疊狀態，分析時需要考慮持力層影響深度范圍內所有土層的性狀。對于上硬下軟的層狀地基，地基的承載能力取決于上部硬土層的厚度及上部土層和下部土層的相對強度。如果承載力不夠，樁靴可能會突然穿透上覆硬土層進入下臥地層，形成刺穿[2]。因此，平臺就位前需要進行地基穩定性分析，以保證平臺作業安全。在海洋油氣開發史上，由于對海洋工程地質調查和研究不充分，對地基穩定性分析不足，造成平臺樁靴突然刺穿或滑移的情況時有發生。

1.1 發展概況

世界上第一座自升式鉆井平臺“德朗1號”建于1954年，隨著技術的發展，平臺的工作水深、甲板荷載能力不斷加大，目前世界各國已建和在建的各類自升式鉆井平臺約300余座。我國海洋油氣勘探開發起步于上世紀70年代，勘探范圍主要分布在渤海灣、黃海、東海以及南海，渤海灣的水深和地質條件尤其適合自升式鉆井平臺作業。自升式鉆井平臺可分為兩大類：帶沉墊的自升式平臺和獨立樁腿式或樁腿帶樁靴的自升式平臺。獨立樁腿式或樁腿帶樁靴的自升式平臺由于可適應不同海底的坡度而被廣泛使用。

1.2 主要裝置

自升式鉆井平臺主要裝置包括：船體、升降裝置、固樁結構、樁腿和樁靴、吊機和甲板以及生活設施[4]。

1.3 作業過程

自升式鉆井平臺是一種特殊的海洋工程船，既可以升降船體也可以升降樁腿以進行遷航和海上作業。當自升式鉆井平臺到達一個新井位時，樁腿向下伸到海底，平臺和樁腿的重量通過樁靴傳遞到下伏的地基土上，樁靴一直貫入至地基土抗力相當于平臺的荷載，待樁腿穩定后，鉆井平臺上升至海面上要求的作業高度進行鉆井作業；作業完畢，拔樁、固樁后進行拖航。

1.4 影響平臺作業穩定性的因素

在海洋工程中，很多地區存在一層硬殼層覆蓋在正常固結或稍超固結的軟弱粘土上的情況。在這種地基條件下，地基承載力與地質結構、樁靴的幾何尺寸以及樁靴入泥深度有關。當樁靴位于硬粘土層或粒狀土層之下潛伏有軟土層時，可能會出現樁靴失穩的情況。地基土中樁靴失穩較常見的模式是刺穿。在層狀地層特別是較薄的硬土層（砂層或硬粘土層）下臥為較軟弱的粘性土層中，當樁靴插入到上覆硬土層中時，暫時可能是穩定的，然而由于下臥軟弱層的影響，樁靴可能會突然穿透上覆硬土層進入下臥地層，形成刺穿。

樁靴貫入的運動過程通?？烧J為有兩種狀態：一種狀態為正常貫入，隨著樁靴貫入深度的增加，地基土的承載力亦隨之提高，當地基土抗力相當于平臺的荷載時樁腿即保持穩定；另一種狀態為刺入，隨著樁靴貫入深度增加，地基土的承載力陡然降低，樁腿和樁靴發生快速貫入，直至下部較硬地層的土抗力相當于平臺荷載時，刺入過程停止。第一種正常貫入狀態通常在厚度較大的粘性土或砂性土中發生，第二種刺入狀態則常見于上硬下軟的“硬殼層”地層中。

Dier統計分析表明，自升式平臺發生的事故中與基礎問題相關的事故高達1/3，其中樁腿突然刺入引起的平臺事故占很大比重，約占53%。因此，對層狀地層中自升式鉆井平臺樁靴穩定性進行分析是非常重要的。

圖3 自升式鉆井平臺事故原因調查統計分類

隨著勝利海區的勘探開發，截止到2010年，已完鉆井位達數百口，鉆井、作業等各類型平臺進行插拔樁和座底施工作業已達數百

次，通過現有規范進行的平臺插樁入泥深度理論計算與實際座底插樁記錄多有差距，一旦超過其容許值，將會造成較大的影響。一是會增加拖航就位工作時間和費用，二是會影響平臺后續的作業及安全。雖然平臺的插樁深度影響因素很多，如平臺的壓載操作、預壓載能力、平臺的沖拔樁能力等，但是平臺作業井場區域的地層地質情況是最重要的一個環節，理論計算結果依然是現場施工作業很重要的參考依據。

理論計算偶爾出現一定數量的不符，究其原因，初步分析有以下幾個因素：

一是海區地質條件復雜多變，埕島海區位于現代黃河三角洲水下部分，其沉積物主要由粉土和軟粘性土組成，具有液化特性的粉土與軟弱粘性土相間分布的層序特征，同時由于河道頻繁改道，河口沉積泥砂在波浪作用下被簸選、搬運、再沉積，在河口兩側形成粉土帶，在河口兩側后方形成兩片“爛泥”。多期河口沉積的疊加，形成葉瓣狀展布的三角洲堆積體。這就決定了黃河三角洲地層工程性質差異大以及災害多發性。

二是理論計算模式還有一定的不足，目前井場海洋地質調查后進行的平臺入泥深度理論計算國內規范一般引用API規范，其理論是根據美國密西西比三角洲地基土對海上構筑物的作用機理而形成的相關理論計算模式。而黃河三角洲成因更為復雜（這是國際公認的），我國規范等同采用了美國石油學會API RP2A-LRFD的有關做法，按常規調查土工參數和API方法計算得到樁腿貫入深度，與實際插樁記錄多有差距，土工參數的失真，能導致樁腿刺穿破壞，嚴重損壞平臺，造成工程事故。

三是工區作業頻繁造成地基土擾動從而使得井場地層情況更為復雜。隨著工程活動的增多，各類平臺插拔樁對地基土造成擾動和破壞，使得地基土強度降低。雖然在海洋水動力作用下，地基土強度會恢復，但由于其強度與周邊強度存在差別，再次進行工程活動，也會造成工程事故。

2 研究區工程地質災害類型及工程處理對策

2.1 前言

在工程進行施工前，查明工程附近海域的海洋地質災害因素對工程施工的安全來說是非常重要的。李俊杰等人通過研究發現：由于埕島海區特殊的土層結構和海洋水動力環境，地質災害分布很廣泛。如果不對海洋地質災害因素產生足夠的重視，將會對海上構筑物的安全產生隱患。埕島海區的海洋地質災害的因素主要有：溝隴海底地貌、液化、沖刷掏空和海底滑坡、崩塌等。

2.2 研究區工程地質災害類型

2.2.1 溝垅海底地貌

溝垅海底地貌是影響研究區海洋工程穩定性的最主要因素，陡峭的壟溝壁是滑坡產生的根源；剪裂面、張裂面、滑動面的產生均能破壞表層鐵板砂的強度，粉砂、砂質粉土屬易液化土，驗算資料表明當鐵板砂強度大時屬非液化砂土，強度弱時處屬于液化沙土，強度降低后的活動面附近鐵板砂，受震動時可以導致液化。因此，海洋石油工程在壟溝發育區構筑時應極為慎重。座底式平臺宜在較大垅崗中部或寬溝槽中部就位，壟溝交界能導致平臺產生滑移失穩；淺插樁式鉆井平臺在本區就位時，若樁端選擇表層鐵板砂為持力層時，一方面要進行刺穿驗算，另一方面注意不要位于小垅崗或垅崗周邊及陡坡帶。對陡坡帶或垅崗邊緣地帶，宜選用深插樁平臺，樁端插至三角洲沉積相之下的陸相層中。

詳細研究區海底地形溝垅發育的規律及發展趨勢，可以避免海洋工程地質災害的發生。因此在平臺就位之前，應在進行詳細地質調查的基礎上，對可能存在的海底滑坡、斷陷和溝垅地貌，采用高精度側掃聲納和淺地層剖面測量等技術手段進行調查，為工程建設布局及具體工程建設時采取必要的防護措施。

另外平臺就位在海底基床上，樁腳入泥深度較淺時，其樁腳穩定性與樁靴周圍土層在波浪和潮流作用下被沖刷掏空有非常密切的關系。例如2010年勝利3#作業平臺在渤海灣傾覆，就是由于在風暴潮作用下，樁靴周圍的鐵板砂層受到沖刷侵蝕而導致樁基失穩傾覆。

2.2.2 海底土的液化

海底刺穿現象在研究區廣泛存在，李廣雪等1996年就在該研究區內觀測到了海底刺穿體，并且根據淺地層剖面資料證明研究區內的前三角洲沉積相是海底刺穿的發源層。

2.2.3 沖刷淘空

研究區復雜的水動力環境，一直侵蝕著埕島海區的海床。特別是海上構筑物的出現會改變工程附近的水動力條件。在工程建成后，工程附近的水動力條件將會發生比較大的變化。一般情況下潮流流速會變大，侵蝕力度會加劇，直至達到侵蝕沖淤平衡為止，之后海底土的侵蝕和沖淤會交替出現。

2.2.4 海底滑坡

海底滑坡是在波浪、地震等外因因素的影響下沿著一定坡度的滑動面而產生的一種地質災害現象。楊作升等早在上世紀80年代，就在黃河水下三角洲上發現了海底滑坡,且主要發生在水下三角洲前緣斜坡。

水下三角洲前緣坡折附近侵蝕速率比較大，這與上硬下軟的地層結構密切相關。水下三角洲前緣坡度變大處，表層粉土的厚度變化亦大，向海側隨著粉土的減薄，軟土厚度相應增大。下臥軟土的強度隨上覆粉土的厚度增大而增大，測試資料證明，無粉土覆蓋的軟土，容許承載力僅25～30Kpa；厚層粉土覆蓋下的軟土，容許承載力可達60～90Kpa。粉土的有效重度為10KN/m3左右，8米以上厚度的粉土，足以使下臥軟土產生大的塑性變形乃至剪切破壞?？亢韧恋膫认扌∮陉憘?，加之軟粘土具有蠕變的特點，對具有彈塑性的粉土，其抗拉強度仍然很小，無法抵御由于下臥軟土沉降差產生的張力，造成粉土層的拉斷，并產生向海方向的滑移。拉斷擾動后的粉土，極易液化，在潮流作用下，沿裂隙遭受迅速沖刷，常形成粉砂流，裂隙壁過于陡峭時發生垮塌、滑坡。通過研究海底滑坡，可以為鉆井平臺的就位、海底管線的鋪設提供參考。

2.2.5 埋藏溝谷

常方強等根據最近10年的地質調查資料發現埋藏溝谷分布在埕島海區的西部、中部和東南部。埋藏溝谷一般為“U”形或“V”形，包括埋藏沖溝、古河道和潮溝。

3 結論

隨著勝利海區油氣資源的勘探開發，地基土力學差異及其導致的工程隱患日益顯著，采油導管架設置不到預定土層深度及鉆井平臺樁腿刺穿失穩等工程施工風險易造成較大的經濟損失。

隨著工程活動的增多，各類平臺插拔樁對地基土造成擾動和破壞，使得地基土強度降低。雖然在海洋水動力作用下，地基土強度會恢復，但由于其強度與周邊強度存在差別，再次進行工程活動，有造成工程事故風險。

對區域內平臺穩性風險因素分析，研究區域內影響平臺穩性的工程地質類型，制定工程地質災害風險防范對策，只要對影響平臺穩性的工程地質因素考慮周全，措施落實到位，在域內環境多變的情況下，可以有效地防范工程地質災害，減少影響平臺穩性影響因素，有效保障平臺施工期間的安全。

[1]Young.A G,and Focht J A.1981.Subsurface Hazards affect mobile jack-up rig operations, Soundings[J],Mcclelland Engieers Inc,Houston,Vol 3,No,2.pp.4-9.

[2]M J Cassidy,G T Houlsby etc.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[A].Proceedings of OMAE 2002[C].

[3]陳宏,李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述 [J].中國海洋平臺,2007,22(6):1-6.

[4]付麗娜.自升鉆井船樁靴承載能力研究.[碩士學位論文].天津：天津大學.結構工程. 2008.

P67[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-392-2