復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井平臺(tái)插樁就位可行性分析及應(yīng)對(duì)
——以南海西部樂東區(qū)塊埋藏古河道為例

陳冠軍，佘 穩(wěn)，年永吉，馮湘子

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459）

隨著海洋油氣勘探活動(dòng)的不斷增多，人類所要面對(duì)的海底地下地質(zhì)條件也變得越來越復(fù)雜，想要在此類地方進(jìn)行工程施工，就需要對(duì)各類災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象開展深入的研究[1-2]。埋藏古河道是指在海底之下被沉積物充填的河床[3]，它作為一種常見的災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)海上平臺(tái)安裝、海底管線鋪設(shè)以及鉆井平臺(tái)的插樁就位等都具有重要的影響[4-5]。之前的學(xué)者們對(duì)渤海、黃海、東海和南海的埋藏古河道都開展過許多研究，取得了很多重要研究成果，主要集中在埋藏古河道的沉積充填特征、古河流重建、古地理恢復(fù)、河道變遷演化模式以及對(duì)海上工程的影響等方面[1-12]。

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)靈活方便并且易于建造，因此在海洋石油開采中得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。自升式鉆井平臺(tái)的一個(gè)最大關(guān)注點(diǎn)就在于是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測其插樁深度[15-17]，對(duì)此人們根據(jù)地層條件的復(fù)雜程度[13,18]開展了各類室內(nèi)模擬試驗(yàn)，不斷地優(yōu)化改進(jìn)樁基承載力計(jì)算模型[14,19-21]。由于取樣和孔壓靜力觸探（CPT）數(shù)據(jù)分析僅僅局限在單個(gè)位置點(diǎn)[22]，當(dāng)?shù)貙訖M向變化較快的時(shí)候，這樣針對(duì)單點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果存在著很大的局限性。

本文以南海西部樂東區(qū)塊某井場范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的埋藏古河道為例，從工程物探和工程地質(zhì)兩個(gè)角度出發(fā)[4,9,17]深入分析評(píng)價(jià)在埋藏古河道分布區(qū)域內(nèi)鉆井平臺(tái)的就位可行性[23]，并提出了應(yīng)對(duì)之策，為類似工況條件下的工程項(xiàng)目提供了借鑒。

1 工程物探方法

淺地層剖面調(diào)查是一種重要的工程物探調(diào)查方法，主要用于探測海底地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，查明海底以下一定深度范圍內(nèi)存在的埋藏古河道、斷層和淺層氣等災(zāi)害地質(zhì)因素以及地層的空間分布特征[4,9,17,22]，具有直觀的效果。

1.1 測線布設(shè)

在以預(yù)定井位為中心的2.0 km × 2.0 km調(diào)查范圍內(nèi)，布設(shè)柵格狀的調(diào)查測線（圖1），參考鉆井平臺(tái)的預(yù)定艏向，主測線方向設(shè)置為110°/290°，每條測線長2.0 km，間隔100 m和150 m不等，共計(jì)15條，聯(lián)絡(luò)線方向?yàn)?0°/200°，每條測線長2.0 km，間隔100 m，共計(jì)5條，另外布設(shè)3條測線分別過3個(gè)CPT設(shè)計(jì)位置，每條測線長2.0 km，方便各個(gè)孔位之間進(jìn)行地層對(duì)比。

圖1 工程物探調(diào)查測線布設(shè)圖

1.2 埋藏古河道分布特征

選取5條經(jīng)過各個(gè)預(yù)定位置的剖面（圖2），埋藏古河道內(nèi)部地層反射結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與周圍呈水平展布的老地層差異較大，易于辨識(shí)，埋藏古河道在剖面上呈下凹的“U”、“V”以及“W”型（圖2、圖5和圖6）。古河道中心部位的河谷向下切割老地層，下切深度大約11 m，河谷寬度大約50～60 m不等（表1），河谷底部地層反射波表現(xiàn)為強(qiáng)振幅，同相軸短，不連續(xù)，局部表現(xiàn)為丘狀突起，反射雜亂，向上發(fā)育了谷狀充填層理，反映出在沉積物充填的過程中水動(dòng)力特征發(fā)生了一定的變化。河谷兩岸的側(cè)緣部位同相軸連續(xù)性好，傾斜疊置，發(fā)育了側(cè)向加積層理、傾斜層理等，與下伏水平地層呈不整合接觸，反映出在河流發(fā)育前后沉積環(huán)境有所變化[11]。

圖2 埋藏古河道剖面特征

表1 預(yù)定位置處埋藏古河道剖面特征

根據(jù)埋藏古河道在淺地層剖面上的反射特征，在所有測線上勾繪出埋藏古河道的底部邊界，刻畫出了其平面和空間展布形態(tài)（圖3）。

在平面上，埋藏古河道呈條帶狀或樹杈狀展布，主要分布于調(diào)查區(qū)域的中部、西部和東南部，預(yù)定井位位于埋藏古河道的內(nèi)部。在空間上，這里根據(jù)古河道縱向下切深度的不同，將古河道分為河谷和側(cè)緣兩部分，河谷基本位于埋藏古河道的中部，呈彎曲的條帶狀延伸，局部寬度可達(dá)100 m，多個(gè)河谷可表現(xiàn)出匯聚和發(fā)散的特征；側(cè)緣位于河谷兩側(cè)，可與河流沉積中的邊灘、河漫灘以及點(diǎn)砂壩沉積等相對(duì)應(yīng)。這里不做更進(jìn)一步的劃分，側(cè)緣的分布寬度為100～300 m不等，基本呈對(duì)稱分布，局部寬度略有差異，底部埋深為2～8 m。河谷內(nèi)地層反射雜亂，沉積物縱向上變化明顯；側(cè)緣主要發(fā)生側(cè)向遷移，沉積相變迅速，沉積物類型繁多。

圖3 埋藏古河道空間分布

2 工程地質(zhì)方法

本文所述的鉆井平臺(tái)為三腿自升式移動(dòng)鉆井平臺(tái)，預(yù)定艏向?yàn)?10°，其樁靴式基礎(chǔ)的最寬部分面積為264.0 m2，等效直徑為18.3 m，預(yù)壓載時(shí)，每只樁靴的最大預(yù)壓載為64.7 MN（6 600 t）。

2.1 孔位布設(shè)

為了查明該井場的土質(zhì)特性、強(qiáng)度以及工程物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步計(jì)算平臺(tái)的插樁深度，定量評(píng)價(jià)樁腿刺穿可能性[17,20]，布設(shè)了1個(gè)40 m鉆孔取樣和3個(gè)40 m CPT測試孔，如表2和圖4所示。

表2 工程地質(zhì)調(diào)查孔位布設(shè)

2.2 土質(zhì)特征

土工試驗(yàn)和CPT解釋結(jié)果表明，各孔在鉆遇深度內(nèi)，土層分布基本一致，但土層厚度及強(qiáng)度在橫向上存在一定差異。各孔的土質(zhì)分層結(jié)果和柱狀圖分別見表3和圖4。其中，需要引起注意的是1#樁腿BH孔與CPT1測試孔橫向距離僅為8 m，但在海底面以下6.5～8.6 m的土層在橫向存在較大差異（圖4）：CPT1孔的6.5～8.6 m的設(shè)計(jì)不排水抗剪強(qiáng)度約為30 kPa，BH孔對(duì)應(yīng)深度處的設(shè)計(jì)不排水抗剪強(qiáng)度是前者的4.6倍，達(dá)到了138 kPa。

表3 土質(zhì)分層與特征

圖4 鉆孔取樣與CPT成果差異示意圖

2.3 插樁預(yù)測

基于上述CPT1&BH孔、CPT2孔和CPT3孔的土質(zhì)資料，本文按照《海洋井場調(diào)查規(guī)范》（SY/T 6707-2016）[24]附錄G中的方法進(jìn)行樁靴基礎(chǔ)的承載力計(jì)算及刺穿分析，對(duì)于樁靴基礎(chǔ)的極限承載力表達(dá)式如下：

式中：QS為樁靴基礎(chǔ)的極限承載力；QV為基礎(chǔ)底面土的總極限軸向承載力；WBF為基礎(chǔ)上部回填土的有效荷重；γ1為樁靴排開土的平均有效重度；V為樁靴的體積；qn為樁靴的單位面積極限承載力；P0為樁靴深度處的有效上覆壓力；A為樁靴的最大水平截面積；Dk為樁靴最大截面入泥深度；Hcav為樁靴坑上部未回填部分的深度；為基礎(chǔ)上部回填土的有效重度。

1#樁腿位置取樣鉆孔與CPT1測試孔橫向距離8 m，但兩孔位在海底面以下6.5～8.6 m深度范圍內(nèi)揭露的土層強(qiáng)度存在很大差異，分別按照2個(gè)孔位揭露的土質(zhì)資料進(jìn)行分析計(jì)算。

對(duì)BH孔土質(zhì)資料的分析結(jié)果表明：在最大預(yù)壓載下，鉆井平臺(tái)1#樁靴尖部的初始入泥深度為7.8 m，在該深度處有刺穿風(fēng)險(xiǎn)，其相對(duì)于刺穿的安全系數(shù)為1.02；如果刺穿發(fā)生，樁靴尖部的最終入泥深度為13.2 m。對(duì)CPT1孔土質(zhì)資料的分析結(jié)果表明：在最大預(yù)壓載下，鉆井平臺(tái)1#樁靴尖部的最終入泥深度為13.2 m（表4）。

對(duì)CPT2孔和CPT3孔土質(zhì)資料的分析結(jié)果表明：在最大預(yù)壓載下，鉆井平臺(tái)2#和3#樁靴尖部的最終入泥深度分別為4.5 m和2.6 m，且在相應(yīng)深度處無刺穿風(fēng)險(xiǎn)（表4）。

表4 樁靴入泥深度計(jì)算結(jié)果

從上述結(jié)果來看，3個(gè)樁腿的插樁深度存在很大差異，尤其在最大預(yù)壓載條件下，3個(gè)樁腿的插樁深度差異達(dá)到了8～9 m，且1#樁腿存在著刺穿風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生刺穿，刺穿行程可能會(huì)到達(dá)5.4 m，這將嚴(yán)重威脅到鉆井平臺(tái)的安全。

3 就位可行性分析

埋藏古河道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，橫向上和縱向上存在明顯的不均勻性，可造成鉆井平臺(tái)不同樁腿的插樁深度差異，將地層柱狀圖投影到淺地層剖面上進(jìn)行分析（圖5），預(yù)定井位和樁腿均位于埋藏古河道內(nèi)部，土質(zhì)的分層界線與埋藏古河道的底界面對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

剖面A經(jīng)過預(yù)定井位，顯示預(yù)定井位處古河道底界面埋深較淺，較為平直（圖5-a）。

剖面B經(jīng)過CPT2和CPT3，在和古河道底界面對(duì)應(yīng)的深度范圍內(nèi)土質(zhì)均為軟到稍硬的粉質(zhì)粘土，兩個(gè)孔位地層對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，橫向上變化較小（圖5-b）。

剖面C經(jīng)過CPT2、BH和CPT1，從圖中可以看出BH和CPT1位于河谷內(nèi)，在和古河道對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)CPT1揭示的土質(zhì)為軟到稍硬的粉質(zhì)粘土，BH孔海底泥面以下6.5～8.6 m為非常硬的粉質(zhì)粘土，二者所揭示的土層強(qiáng)度存在較大差異，這也充分印證了古河道內(nèi)地層的不均勻性，CPT2位于古河道側(cè)緣，古河道底部埋深較淺，3個(gè)孔位之間地層差異明顯（圖5-c）。

剖面D經(jīng)過預(yù)定井位和CPT1，從圖中可以看出CPT1位于河谷內(nèi)，預(yù)定井位則位于古河道側(cè)緣，古河道底部埋深較淺，2個(gè)孔位處地層反射特征差異明顯（圖5-d）。

剖面E經(jīng)過CPT3和CPT1，同剖面C類似（圖5-e）。

圖5-f展示了預(yù)就位鉆井平臺(tái)與埋藏古河道之間的位置關(guān)系，從圖中可以明顯看出1#樁腿位于河谷內(nèi)，2#和3#樁腿位于古河道側(cè)緣，差異十分明顯。

圖5 地層剖面與土質(zhì)對(duì)照?qǐng)D

鉆井平臺(tái)2#樁腿和3#樁腿位于埋藏古河道的側(cè)緣，土質(zhì)成分相近，樁基承載力計(jì)算結(jié)果表明無刺穿風(fēng)險(xiǎn)，但是1#樁腿位于埋藏古河道的河谷，由于埋藏古河道內(nèi)部土質(zhì)在橫向和縱向上較強(qiáng)的不均勻性，土質(zhì)成分與其他兩個(gè)樁腿差異明顯，取樣結(jié)果和CPT計(jì)算結(jié)果顯示，1#樁腿存在較大的刺穿風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)定位置處鉆井平臺(tái)插樁就位及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大，不適宜鉆井平臺(tái)插樁就位。

4 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

由于無法解決埋藏古河道范圍內(nèi)地層不均勻造成的不同樁腿入泥深度差異問題，同時(shí)為了安全有效地開展該井的鉆探作業(yè)，建議進(jìn)行移位，避開埋藏古河道。通過對(duì)淺地層剖面的分析，將移位預(yù)選區(qū)初步定在原預(yù)定井位東南側(cè)500～900 m之間的矩形區(qū)域內(nèi)（圖6），從剖面來看，預(yù)選區(qū)內(nèi)地層反射同相軸連續(xù)性好，層理發(fā)育好，地層展布穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的錯(cuò)斷以及雜亂反射等現(xiàn)象。

圖6 埋藏古河道及移位預(yù)選區(qū)剖面特征

在移位預(yù)選區(qū)內(nèi)，結(jié)合鉆井平臺(tái)的鉆探作業(yè)能力，擬定新的井位及預(yù)就位位置，針對(duì)新的位置再次開展工程地質(zhì)調(diào)查。結(jié)果表明，各孔在鉆遇深度內(nèi)，土層分布基本一致，土層厚度及強(qiáng)度在橫向上差異較小（圖7）。

圖7 移位后各個(gè)孔位土質(zhì)對(duì)比圖

新位置處的插樁深度預(yù)測表明：在輕載下，鉆井平臺(tái)1#、2#、3#樁靴尖部最終入泥深度分別為2.3 m、2.4 m、2.3 m，在對(duì)應(yīng)的深度處無刺穿風(fēng)險(xiǎn)；在最大預(yù)壓載下，鉆井平臺(tái)1#、2#、3#樁靴尖部最終入泥深度分別為3.1 m、3.4 m、3.4 m，在對(duì)應(yīng)的深度處無刺穿風(fēng)險(xiǎn)（表5）。

5 結(jié) 論

通過本文的研究及論述，得出以下研究結(jié)論：

（1）布設(shè)經(jīng)過鉆井平臺(tái)各個(gè)樁腿位置的工程物探測線，針對(duì)各個(gè)樁腿位置開展鉆孔取樣和CPT調(diào)查，分別進(jìn)行插樁深度預(yù)測，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井平臺(tái)插樁就位可行性分析很有必要。

（2）埋藏古河道在淺地層剖面上呈現(xiàn)下凹的“U”、“V”以及“W”型，其內(nèi)部主要發(fā)育了側(cè)向加積層理、谷狀充填層理、傾斜層理以及雜亂反射等，根據(jù)埋藏古河道縱向下切深度的不同，將埋藏古河道分為河谷和側(cè)緣兩部分。從剖面上來看，河谷的中心部位主要發(fā)育雜亂反射，沉積物縱向上變化明顯，河谷上部及側(cè)緣部位發(fā)育了其他類型的層理，沉積物相變迅速，沉積物類型繁多。

表5 移位后鉆井平臺(tái)樁靴入泥深度分析結(jié)果

（3）從剖面解釋出發(fā)，圈定了埋藏古河道的平面分布范圍，刻畫了埋藏古河道的空間展布形態(tài)，更加形象直觀地展示出鉆井平臺(tái)與埋藏古河道的位置關(guān)系，為進(jìn)一步的綜合分析提供了便利。

（4）物探和地質(zhì)綜合分析認(rèn)為，鉆井平臺(tái)2#樁腿和3#樁腿位于埋藏古河道的側(cè)緣，土質(zhì)成分相近；1#樁腿位于埋藏古河道的河谷，土質(zhì)成分與前兩者差異明顯，充分證明了埋藏古河道內(nèi)部土質(zhì)在橫向和縱向上具有較強(qiáng)的不均勻性，這種不均勻性，給鉆井平臺(tái)插樁就位帶來了不便。

（5）計(jì)算結(jié)果表明，3個(gè)樁腿的插樁深度存在很大差異，尤其在最大預(yù)壓載條件下，3個(gè)樁腿的插樁深度差異達(dá)到了8～9 m，原預(yù)定位置處1#樁腿存在較大的刺穿風(fēng)險(xiǎn)，鉆井平臺(tái)插樁就位及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大，不適宜鉆井平臺(tái)插樁就位。

（6）分析已有的淺地層剖面資料，優(yōu)選出地層連續(xù)性好的區(qū)域，擬定新井位，再次開展工程地質(zhì)調(diào)查，對(duì)鉆井平臺(tái)就位的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終避開了可能的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了鉆井平臺(tái)在新位置的安全就位。

埋藏古河道是一種常見的災(zāi)害地質(zhì)類型，對(duì)鉆井平臺(tái)的插樁就位存在十分不利的影響，處置不當(dāng)極有可能造成鉆井平臺(tái)傾斜等事故。本文從工程物探與工程地質(zhì)兩個(gè)角度出發(fā)展開調(diào)查分析，既能夠?qū)Φ叵聻?zāi)害地質(zhì)體有宏觀上的了解和認(rèn)識(shí)，掌握其在空間上的分布及變化情況，分析不同位置處沉積物對(duì)鉆井平臺(tái)插樁就位的影響，也為后期可能的移位選區(qū)指明了最優(yōu)化的方向，又可以針對(duì)單個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行土質(zhì)類型、工程力學(xué)性質(zhì)及插樁深度預(yù)測。在遇到類似復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，這樣的組合調(diào)查手段能有效克服工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果只針對(duì)單個(gè)位置點(diǎn)的局限性，幫助工程師更加精準(zhǔn)地做出判斷，躲避風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的安全就位。