南黃海鐵板砂地層插樁分析及應對

嚴維鋒，張 峰，葉俊放，段飛飛，雷 磊，左宏剛

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國石油化工集團有限公司上海海洋石油局，上海 200120）

南黃海某探井A井位于南黃海盆地南部構(gòu)造，該區(qū)域海底表層土質(zhì)為中密的灰色粉砂，顆粒大小級配均勻，沉積密實，具有壓縮性低、強度高、承載力大的特點，堅硬如“鐵板”，俗稱鐵板砂地層[1-2]。自升式鉆井平臺在該種地層插樁壓載后，隨著所受載荷變化樁腿會逐漸發(fā)生下沉，威脅平臺及人員安全。通過對A井承鉆平臺整個作業(yè)周期內(nèi)的樁腿下沉監(jiān)測及潛水員下水對樁靴進行探摸，進行了下沉原因分析并提出可行性解決措施，可作為相似井重要參考經(jīng)驗。

1 平臺插樁壓載作業(yè)

1.1 井場調(diào)查報告

A井作業(yè)前，對設計井位井場進行了淺地層剖面探測、高分辨率地震測量、表層取樣、工程地質(zhì)淺鉆等綜合工程地質(zhì)調(diào)查任務，得出鉆孔地基土參數(shù)見表1。

表1 A井井場鉆孔地基土參數(shù)Table 1 Soil parameters of borehole at wellsite of Well A

通過以上土質(zhì)參數(shù)結(jié)合作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)及樁靴數(shù)據(jù)，采用Young和Focht發(fā)展的3∶1荷載擴展分析法[3-4]對樁腿貫入深度進行預測：假定施加在上層（硬土層）上的基礎(chǔ)荷載被擴展通過硬層，在軟弱層的頂面產(chǎn)生一假設的等效基礎(chǔ)，通過硬層的擴展比例為3∶1（垂直方向∶水平方向），如果施加在等效基礎(chǔ)上的壓力超過下層土的承載力，則刺穿將會發(fā)生。經(jīng)計算，平臺在單樁37.31 t/m2滿載荷插樁時，預測樁腿入泥深度為2 ～3 m（圖1）。

圖1 平臺插樁單一土層承載力與樁腳入泥深度關(guān)系曲線圖Fig.1 The relationship between the bearing capacity of a single soil layer and the depth of the pile foot into the sea bed

1.2 就位插樁及壓載作業(yè)

自升式鉆井平臺到達A井設計井位附近開始就位作業(yè)，依據(jù)測深儀（船底至海底的距離）及樁靴高度（船底至樁靴底的距離）計算，在三樁未接觸泥面或貼著泥面時平臺仍以一定航速移動，但當三樁接觸泥面后同時放樁10 cm，平臺停止移動，船體吃水減少；上提三樁10 cm后，平臺立刻恢復移動。多次重復上述動作，反饋結(jié)果相同。此現(xiàn)象表明樁靴接觸泥面后一旦放樁，平臺就會被海底地層完全支撐起來，即該井位海底地層承載力較高，樁靴插入困難。

通過分階段逐步將作業(yè)平臺由漂浮吃水4 m減少至吃水3.6 m，即逐步增大插樁力，根據(jù)測深儀及樁靴高度數(shù)據(jù)計算，樁靴仍沒有入泥。連接三樁沖樁管線，依次對三樁進行沖樁，連續(xù)觀察樁腿入泥變化（圖2）。

圖2 平臺船底板至各樁靴底距離Fig.2 The distance from the bottom of the platform to the bottom of each leg

測深儀顯示船底板至海底泥面距離為9.8 m，經(jīng)過計算，三樁入泥值為：1#樁入泥0.3 m，2#樁入泥0 m，3#樁入泥0.3 m；升船至吃水1 m，觀察各樁入泥深度變化，計算各樁腿入泥為：1#樁0.8 m、2#樁0.6 m、3#樁0.7 m。

后續(xù)對三樁進行單樁壓載作業(yè)，每樁分六組進行加水壓載，1#樁總壓載量1698 t，2#樁總壓載量總壓載量2279 t，3#樁總壓載量2279 t，計算各樁腿最終入泥深度為：1#樁2.2 m，2#樁1.9 m，3#樁2.4 m。各樁最終入泥深度經(jīng)與平臺樁靴高度4.57 m對比，樁靴均沒有完全入泥。

2 平臺下沉及原因分析

A井在整個作業(yè)周期內(nèi)，隨著平臺自身載荷及所受環(huán)境載荷的變化，監(jiān)測平臺樁腿均有不同程度的下沉，下沉量統(tǒng)計見表2。

表2 平臺樁腿下沉統(tǒng)計表Table 2 Statistics of the sinking distance of platform legs

2.1 樁靴周圍砂土被沖刷掏空

由于樁腿入泥較淺，甚至樁靴都沒有完全覆蓋，在海底暗流沖刷作用下，樁靴周圍表層土被沖刷，樁靴周圍存在大面積掏空現(xiàn)象，表層土承載力降低，樁腿發(fā)生下沉。作業(yè)期間曾派潛水員潛入海底對樁靴進行探摸，探摸樁靴沖刷情況見圖3～圖5。

1#樁B弦管樁靴底部外緣向下約30～40 cm的高度沒有接觸泥面，存在較大面積掏空現(xiàn)象（圖3）。

圖3 1#樁靴入泥深度潛水探摸計算結(jié)果Fig.3 The calculation result of pile foot entering the mud depth (leg1#)

2#樁A弦管樁靴外緣（底）距泥面高度約70 cm，AB弦管間掏空深度約1 m；B弦管樁靴外緣（底）距泥面高度約50 cm，BC弦管間掏空深度約1 m；C弦管樁靴外緣（底）幾乎與泥面平齊，AC弦管間掏空深度在1.5～2 m之間（圖4）。

圖4 2#樁靴入泥深度潛水探摸計算結(jié)果Fig.4 The calculation result of pile foot entering the mud depth (leg2#)

3#樁A弦管樁靴外緣（底）距泥面高度約40 cm，AB弦管間掏空深度約1 m；B弦管樁靴外緣（底）距泥面高度約30 cm，BC弦管間掏空深度約1 m；C弦管樁靴外緣（底）距泥面高度約40 cm，AC弦管間掏空深度在1.5～2 m之間（圖5）。

圖5 3#樁靴入泥深度潛水探摸計算結(jié)果Fig.5 The calculation result of pile foot entering the mud depth (leg3#)

通過潛水員下水探摸記錄數(shù)據(jù)表明：三樁均存在掏空現(xiàn)象，樁靴外緣（底）距泥面最大懸空距離約70 cm，最大掏空深度在1.5～2 m之間。

上述現(xiàn)象表明，海流對樁靴周圍表層土的沖刷引起樁靴下部承載土面積減小，導致平臺出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。需要注意的是，此現(xiàn)象通常發(fā)生在平臺插樁壓載就位后的初期階段，隨著沖刷時間的延長，樁靴周圍土層達到新的平衡，平臺樁腿入泥逐步趨于穩(wěn)定。然而，隨著后期平臺所受動載荷的增加，到達一定程度，平臺會繼續(xù)發(fā)生下沉。

2.2 動載荷使砂土發(fā)生振動液化

平臺在作業(yè)過程中會產(chǎn)生振動載荷，風、浪、涌等也會對平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的環(huán)境載荷，統(tǒng)稱為動載荷。動載荷會對海底樁腿處表層土強度性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，致使該處地層承載力降低，導致平臺樁腿發(fā)生下沉。

根據(jù)相關(guān)資料，土層平均粒徑d50在0.1 mm附近的中密含水粉砂、細砂最容易產(chǎn)生振動液化：飽和砂土由于孔隙水壓力升高引起有效應力和抗剪強度的大幅下降至為零[5-6]（砂類土振動液化原理圖見圖6）。

圖6 砂類土振動液化原理圖Fig.6 Schematic diagram of vibration liquefaction of sandy soil

（a）初始的疏松狀態(tài)，砂土壓力由砂骨架承擔，土層穩(wěn)定；

（b）振動后，砂顆粒移動，骨架承擔的有效壓力由孔隙水來承擔，孔隙水壓力急劇升高，當孔隙水壓力等于總應力時，有效應力為零，砂土的強度喪失，砂土呈液體流動狀態(tài)，稱為液化現(xiàn)象；

（c）孔隙水排出后，壓力重新傳給土粒承受，砂土達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，處于新的密實狀態(tài)。

本井海底表層土顆粒組成見表3，由表可得本井海底表層土粒徑d50=0.075～0.250 mm，細砂含比高達61.9%，即在動載荷作用下較易產(chǎn)生振動液化，土層強度大幅降低。

表3 A井井場海底表層土顆粒組成表Table 3 Particle composition of sea bed soil at wellsite of Well A

對于排水粒裝土質(zhì)（鐵板砂地層屬于此類），其單位面積凈極限承載力計算公式[7-8]為：

式中：qn為單位面積凈極限承載力，kPa；R為基礎(chǔ)面以下地基土的平均有效密度，kN·m3；B為樁腿直徑，m；Nr、Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數(shù)，據(jù)內(nèi)摩擦角而定；P0為樁腿端部位置的有效上覆土壓力，kPa。

以上公式中，Nr、Nq為土的力學性質(zhì)指標，反映土的強度，即土層強度影響單位面積凈極限承載力qn。由于作業(yè)平臺在動載荷作用下較易產(chǎn)生振動液化，土層強度大幅降低，進而導致單位面積凈極限承載力降低，致使平臺樁腿在動載荷作用下產(chǎn)生下沉。

3 平臺樁腿下沉應對方案

3.1 作業(yè)前，做好井場調(diào)查

作業(yè)前，務必做設計井位井場調(diào)查[9]。對于這種中密實的含水砂巖地層（鐵板砂地層），砂層要有足夠的厚度和強度，以便為后期作業(yè)預留較大下沉空間。若鐵板砂層厚度較小，且下部地層承載力較小，則穿刺風險較高，建議采用浮式鉆井平臺進行整個鉆井作業(yè)。

3.2 插樁作業(yè)，防沖刷掏空

若海底表層一開始即為鐵板砂地層，由于該種地層承載力大，樁腿插入困難，即便樁靴也難以完全入泥，海底海流會對樁靴周圍砂體進行沖刷，使得樁靴下部掏空，樁靴單位面積對地層的壓力增大。當大于下部地層承載力后即發(fā)生下沉，直到樁靴與地層充分接觸方才停止下沉，然后海流再次對樁靴周圍砂體沖刷引起樁腿下沉，此過程循環(huán)往復。隨著樁靴入泥深度增加以及沖刷海流速度的減小，砂體達到新的平衡，沖刷逐漸停止。

此過程一般會引起樁腿較大程度的下沉，對此有兩個對策：

（1）若海況較好，則可采取在樁靴周圍堆砂袋的方式防止海流對周圍砂體的沖刷，進而阻止平臺下沉；

（2）若海況較差不允許拋砂袋作業(yè)，則加強樁腿下沉監(jiān)測，及時調(diào)平船體。原則上，樁靴周圍砂體沖刷會達到一個動態(tài)平衡，此時樁腿將會停止下沉。

3.3 減小動載荷及平臺下沉應對

作業(yè)期間平臺發(fā)生下沉主要是因為平臺受到動載荷后樁靴下部砂土發(fā)生振動液化造成。因此，除了減小平臺所受動載荷外，還需做好平臺發(fā)生下沉時的應急處理方案。

（1）減少平臺受到的動載荷。

控制平臺可變載荷，在允許范圍之內(nèi)，盡可能減少平臺可變載荷；靠船系泊作業(yè)時，關(guān)注天氣及海況，避免拖輪系泊纜繩張力過大導致平臺橫向拉力過大；通過改變鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速）來避開鉆具的共振區(qū)，以減少平臺收到的振動載荷；調(diào)整平臺載荷分布，盡可能使三樁受力均勻。

（2）平臺發(fā)生下沉時具體應對措施。

①與防噴器連接的伸縮節(jié)盡可能拉伸到最大狀態(tài)，若平臺下沉，伸縮節(jié)可以有較大的壓縮空間，保證井口及防噴器組的安全。

②東海區(qū)域鉆井隔水管入泥多為60～75 m深的持力層[10]，與海底相對靜止?？捎蓪Ｈ素撠熡^察中控水平儀是否發(fā)生變化，每2 h記錄一次觀察判斷樁靴是否下沉，并在井口隔水管處制作刻度及固定標志，定時檢查并記錄其與平臺上下位置變化。

③以平臺作業(yè)最大負荷為前提，分為正常鉆井作業(yè)狀態(tài)和風暴狀態(tài)對平臺升降裝置性能進行分析，以驗證能否滿足作業(yè)需求。

④作業(yè)期間不使用鎖緊裝置，且升降裝置24 h送電，保持隨時可升降船狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)平臺傾斜需要調(diào)船，需要在懸臂梁收回狀態(tài)且可變載荷及船體重量均勻分布在三樁升降裝置上，且滿足正常升降載荷。

⑤做好各項應急預案。做好可回收懸臂梁、不可回收懸臂梁、發(fā)生穿刺等各種工況下的應急預案，確保平臺附近隨時有值班船待命，以應對緊急情況。

4 結(jié)論

（1）針對鐵板砂地層，作業(yè)前進行井場調(diào)查很有必要。確認鐵板砂層厚度以及穿刺風險等，討論自升式平臺作業(yè)的可行性。

（2）鐵板砂地層插樁時，壓載后若樁靴沒有完全入泥，前期海流沖刷掏空會造成樁腿較大程度的下沉，可進行拋砂帶覆蓋樁靴來減少沖刷；若海況條件惡劣不允許，則加強下沉量監(jiān)測并對平臺升降裝置性能進行分析看是否可采取調(diào)平船體等措施來應對下沉風險。

（3）作業(yè)期間平臺受到動載荷的影響可引起樁腿下沉，除了采取必要措施來減少動載荷外，制定各種工況下應對平臺發(fā)生下沉的應急預案很有必要。