張寶平，楊旭才，王金明，段 鵬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

帶樁靴鉆井平臺插樁過程土壓力變化規(guī)律研究

張寶平，楊旭才，王金明，段 鵬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

為了解決自升式鉆井平臺在實(shí)際插樁過程中實(shí)際插樁深度與預(yù)測深度誤差過大以及可能發(fā)生的穿刺問題，需要摸清自升式鉆井平臺插樁過程中樁靴周圍土壓力變化規(guī)律。為此，在渤海近岸處完成了多組插樁試驗(yàn)，試驗(yàn)利用土壓力計測量插樁時樁腿周圍應(yīng)力變化。按照合理方案埋設(shè)土壓力計，很好的完成了徑向、切向和垂向土壓力變化規(guī)律的研究，為海上鉆井平臺插樁設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。試驗(yàn)表明，插樁時，樁腿對周圍土體的徑向影響范圍為樁靴直徑的3倍，對周圍土體的垂向影響范圍大于插樁深度的3倍。

自升式鉆井平臺；插樁；土壓力變化；樁靴；影響范圍

目前，自升式鉆井平臺是我國近海油氣勘探開發(fā)的主要鉆探設(shè)備[1]，由于其具有定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在近海石油開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[2]。眾所周知，只有安全插樁就位才能進(jìn)行鉆井作業(yè)，平臺插樁安全是指鉆井平臺插樁達(dá)到一定深度，并且在風(fēng)暴、洋流以及正常施工時自升式鉆井平臺具有足夠的抗滑移能力和抗傾覆能力[3]。最近幾年，海上石油鉆井平臺在拖航、插拔樁、鉆井等作業(yè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)平臺傾斜、樁腿刺穿和拔樁困難的情況越來越多。主要的風(fēng)險是刺穿事故，自升式鉆井平臺在作業(yè)期間經(jīng)常遭遇意外穿刺事故，導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)受損，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。例如，某鉆井平臺在昌南6-1某探井壓載作業(yè)時發(fā)生嚴(yán)重刺穿事故，造成多根斜拉弦管變形，被迫停工返廠維修，經(jīng)濟(jì)損失5 000萬元以上；某鉆井平臺在番禺10-2某導(dǎo)管架插樁穿刺，造成桁架斜拉弦管彎曲，齒磨損、齒條卷邊嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 000多萬元。

國內(nèi)主要沿用美國石油協(xié)會API插樁計算方法[5]，該計算方法存在主要缺陷：

（1）未考慮插樁過程中樁土之間的相互作用，因此會影響壓實(shí)過程中的塑性變形和強(qiáng)度恢復(fù)的正確判斷。

（2）未考慮不同樁腿類型的區(qū)別及樁靴以上回填土對承載力的影響，可能會導(dǎo)致計算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

（3）刺穿安全系數(shù)的合理性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，該取值對于“雞蛋殼”地層插樁這一世界性難題具有重要影響。鑒于以上三點(diǎn)缺陷，插樁預(yù)測計算方法還需要改進(jìn)和完善。

由于插樁事故復(fù)雜和插樁預(yù)測方法不夠準(zhǔn)確和完善，很有必要對插樁過程中樁腿和周圍土相互作用力和影響進(jìn)行研究，摸清插樁核心機(jī)理，從而為插樁預(yù)測提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。為此在天津塘沽濱海海邊搭建試驗(yàn)平臺，開展了一系列插樁模擬試驗(yàn)，研究并得出插樁過程中周圍土壓力變化規(guī)律。本試驗(yàn)樁腿模型均為帶樁靴的，其他無樁靴（如渤海九號）和箱體（如渤海十二號）的鉆井平臺不在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)。

1 樁腿模型

本試驗(yàn)以某平臺為原型設(shè)計了4種不同比例模型，如圖1，比例分別為1∶30，1∶40，1∶50，1∶100，對應(yīng)的樁靴直徑分別為60 cm，45 cm，36 cm和18 cm。樁腿為桁架式，樁靴底部有9個沖樁孔。

圖1 樁腿模型

2 土壓力計埋設(shè)

自升式鉆井平臺插樁時，由于樁腿對周圍土體的破壞和擠壓變形，樁腿周圍的土壓力存在明顯的變化；拔樁后，由于土體的回填，土壓力會逐漸的消散，通過埋設(shè)土壓力傳感器可測出插樁和拔樁后土壓力值變化的準(zhǔn)確值。插樁時樁靴周圍土壓力分為徑向壓力、切向壓力和垂向壓力，為了能夠準(zhǔn)確測定土壓力的變化值，需要設(shè)計土壓力埋置方案，并且需要特定裝置來保持土壓力姿態(tài)。

2.1 土壓力計固定

將壓力計焊接在固定裝置上，見圖2，按照徑向、切向和垂向制作成三種姿態(tài)的土壓力計串。固定裝置可以保證土壓力計埋入一定深度后受周圍土的擠壓時，保持姿態(tài)不變，從而保證準(zhǔn)確測定各方向土壓力變化值。

圖2 壓力計固定裝置

2.2 土壓力計埋設(shè)

首先，根據(jù)應(yīng)力的傳遞特征和土壓力受力精度，設(shè)計壓力計埋設(shè)方案，如圖3，分別在一倍樁靴直徑、兩倍樁靴直徑和三倍樁靴直徑處放置三串土壓力計串，均勻分布在不同半徑的圓周上，且不相重疊，保證土壓力計測量值受前面土壓力計的阻擋所產(chǎn)生的影響盡量小。

圖3 土壓力計埋設(shè)位置

其次，在預(yù)定埋設(shè)位置鉆孔，如圖4，用套管將周圍土隔離開來，防止縮徑、回填，保證壓力計下入深度和姿態(tài)準(zhǔn)確。

圖4 鉆孔放置壓力計固定裝置

最后，下入土壓力計串，靜置等待，以便壓力計周圍土層盡可能恢復(fù)原始狀態(tài)，保證土層壓力傳遞的自然性。

3 試驗(yàn)步驟

本次模擬實(shí)驗(yàn)采用了四種不同尺寸的樁腿，其直徑為60 cm、45 cm、36 cm和18 cm，樁腿類型為桁架型。以樁靴直徑為60 cm的桁架型樁腿為例，介紹實(shí)驗(yàn)樁腿插入的主要過程。

（1）確定插樁位置，根據(jù)插樁位置埋設(shè)土壓力計（埋設(shè)過程見2.2小節(jié)）。

（2）土壓力計埋設(shè)完畢后，靜置一周左右的時間，在指定插樁位置下入樁腿，將樁腿扶正、固定，確保樁腿不會發(fā)生傾斜。

（3）在上層圓柱形樁腿上選定合適的位置焊接水箱支架（井子架），共兩個，每個水箱支架上放置加載水箱，焊接時應(yīng)確保水箱支架的牢固性。

（4）如圖5安裝水箱，在水箱的四周設(shè)計滑軌，確保加水壓載時樁腿能垂直下入，且能預(yù)防水箱安裝不穩(wěn)定造成的滑落事故。

（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的加載方式進(jìn)行注水加載，記錄加載過程中所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（6）放出水箱中的海水，拆下水箱，拔出實(shí)驗(yàn)樁腿，記錄拔樁阻力等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完畢。

圖5 水箱安裝完畢后示意圖

4 土壓力變化規(guī)律分析

試驗(yàn)采用直徑60 cm桁架樁腿模型進(jìn)行壓載插樁試驗(yàn)，實(shí)際插樁入泥深度為2 m，壓力計埋深分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，壓力計距樁靴間距分別為1倍樁靴直徑和3倍樁靴直徑，每個位置都有三串土壓力計代表三種姿態(tài)土壓力計，分別記錄不同位置和不同深度的土壓力參數(shù)，根據(jù)記錄參數(shù)，制作曲線和表格，總結(jié)分析了徑向、切向和垂向土壓力變化規(guī)律。

4.1 徑向土壓力變化規(guī)律分析

首先，根據(jù)插樁試驗(yàn)獲得的土壓力參數(shù)，分別作出土壓力計距離樁靴1倍樁徑處，土壓力計埋深1 m、3 m、6 m時，徑向土壓力變化規(guī)律曲線見圖6。

圖6 距離樁靴1倍樁徑處徑向土壓力變化曲線

根據(jù)曲線分析得到：

（1）當(dāng)土壓力計埋深小于插樁深度時，土壓力值先增加后減?。划?dāng)土壓力計埋深大于插樁深度時，土壓力值線性增加。

（2）樁腿的徑向壓力的垂向影響范圍小于插樁深度的3倍。

然后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別作出距離樁靴3倍樁徑處，土壓力計埋深1 m、3 m、6 m時，徑向土壓力變化規(guī)律曲線見圖7。

根據(jù)曲線分析得到：

（1）當(dāng)土壓力計埋深小于插樁深度時，土壓力值先增加后減??；當(dāng)土壓力計埋深大于插樁深度時，土壓力值線性增加。

（2）樁腿的徑向土壓力的橫向影響范圍大于樁靴直徑3倍。

圖7 距離樁靴3倍樁徑處徑向土壓力變化曲線

（3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別找出插樁深度為0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m處各個土壓力計埋設(shè)點(diǎn)的土壓力值，由表1可知插樁深度與土壓力計埋深相同時，徑向土壓力增加程度最大，平均值達(dá)到44.45%。

4.2 切向土壓力變化規(guī)律分析

由于插樁時樁腿對周圍土的切向力較小，因此試驗(yàn)只記錄了1倍樁靴直徑處，土壓力計埋深分別是1 m、3 m、6 m，插樁過程中切向土壓力的變化曲線見圖8。

根據(jù)曲線分析得到：

（1）當(dāng)土壓力計埋深小于插樁深度時，土壓力值先增加后減??；當(dāng)土壓力計埋深大于插樁深度時，土壓力值持續(xù)增加。

（2）樁腿的徑向土壓力的垂向影響范圍約為插樁深度的3倍。

表1 徑向土壓力的平均影響程度

圖8 切向土壓力變化曲線

（3）分析位于泥面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m處的土壓力值，發(fā)現(xiàn)插樁深度與土壓力計埋深相同時，切向土壓力增加程度最大，平均值達(dá)到9.43%，見表2。

4.3 垂向土壓力變化規(guī)律分析

試驗(yàn)記錄了1倍樁靴直徑處，土壓力計埋深分別是1 m、3 m、6m，插樁過程中垂向土壓力的變化曲線見圖9。

根據(jù)曲線分析得到：

（1）當(dāng)土壓力計埋深小于插樁深度時，土壓力值先增加后減??；當(dāng)土壓力計埋深大于插樁深度時，土壓力值持續(xù)增加。

（2）樁腿的垂向土壓力影響范圍大于插樁深度的3倍。

表2 切向土壓力的平均影響程度

圖9 垂向土壓力變化曲線

（3）分析位于泥面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m處的土壓力值，發(fā)現(xiàn)插樁深度與土壓力計埋深相同時，垂向土壓力增加程度最大，平均值達(dá)到58.72%，見表3。

4.4 樁腿對三向應(yīng)力影響程度分析

當(dāng)插樁深度為2 m時，樁腿對三向應(yīng)力的平均影響程度見表4。

從表4可以明顯看出，插樁時，樁腿對三向應(yīng)力的影響程度不同，其影響程度是：垂向應(yīng)力＞徑向應(yīng)力＞切向應(yīng)力。

5 結(jié)論

通過帶樁靴自升式鉆井平臺插拔樁海邊試驗(yàn)，摸清了樁腿在不同插樁深度對周圍土壓力的影響規(guī)律，主要規(guī)律如下：

表3 垂向土壓力的平均影響程度

（1）插樁深度一定時，當(dāng)土壓力計埋深小于插樁深度時，徑向土壓力、切向土壓力和垂向土壓力均先增加后減??；當(dāng)土壓力計埋深大于插樁深度時，徑向土壓力、切向土壓力和垂向土壓力均單調(diào)增加。

表4 三向應(yīng)力的平均影響程度

（2）插樁時，樁腿對周圍土體的徑向影響范圍為樁靴直徑3倍；對周圍土體的垂向影響范圍大于插樁深度的3倍。

[1]楊進(jìn)， 徐國賢， 劉書杰， 等. 自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算研究[J]. 中國海上油氣， 2012， 24（6）： 58-60.

[2]張愛霞，段夢蘭. 自升式平臺穿刺過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究[J]. 海洋工程，2013，30（3）：24-30.

[3]任杰， 侯勇俊， 張智亮. 自升式平臺樁腿與巖土互作用研究進(jìn)展[J]. 石油礦場機(jī)械， 2011， 40（1）： 9-14.

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Research on Soil Pressure Variation of Drilling Rig with Spudcan during Penetration

ZHANG Baoping, YANG Xucai, WANG Jinming, DUAN Peng
（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

In order to solve problem that the jack up rig's penetration depth has a large error between prediction and reality in the process of leg penetration, even punch-through happen. For the reason, a number of leg penetration test completed in the Bohai Sea coastal department to measure stress change around the leg. According to a reasonable plan to cover up soil pressure , finished study of radial, tangential and vertical variation very well, it provides scientific basis and guidance for desgin and construction of offshore drilling rig's leg penetration. Tests showed that legs' radial influence to the soil is 3 times of the spudcan's diameter, leg's the vertical influence to the soil is greater than 3 times of the penetration depth.

Jack up rig; raised platform; cantilever beam; service ability; model

TE58

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.088

1008-2336（2016）04-0088-06

2016-03-25；改回日期：2016-05-03

國家863重點(diǎn)項目“海洋平臺地基與基礎(chǔ)測試分析技術(shù)”（2008AA092701-03）；中海油研究總院重點(diǎn)項目“自升式鉆井平臺插拔樁預(yù)測技術(shù)研究與應(yīng)用”（YXKY-2014-ZY-04）。

張寶平，男，1981年生，高級工程師，主要從事自升式鉆井平臺插樁、就位方案設(shè)計和鉆井平臺定位導(dǎo)航方面的工作。

E-mail：zhangbp@cnooc.com.cn。