嚴(yán)維鋒，張 峰，葉俊放，段飛飛，雷 磊，左宏剛

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)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(jí)配均勻，沉積密實(shí)，具有壓縮性低、強(qiáng)度高、承載力大的特點(diǎn)，堅(jiān)硬如“鐵板”，俗稱鐵板砂地層[1-2]。自升式鉆井平臺(tái)在該種地層插樁壓載后，隨著所受載荷變化樁腿會(huì)逐漸發(fā)生下沉，威脅平臺(tái)及人員安全。通過(guò)對(duì)A井承鉆平臺(tái)整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)的樁腿下沉監(jiān)測(cè)及潛水員下水對(duì)樁靴進(jìn)行探摸，進(jìn)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(yàn)。

1 平臺(tái)插樁壓載作業(yè)

1.1 井場(chǎng)調(diào)查報(bào)告

A井作業(yè)前，對(duì)設(shè)計(jì)井位井場(chǎng)進(jìn)行了淺地層剖面探測(cè)、高分辨率地震測(cè)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(wù)，得出鉆孔地基土參數(shù)見(jiàn)表1。

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

通過(guò)以上土質(zhì)參數(shù)結(jié)合作業(yè)平臺(tái)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(kuò)展分析法[3-4]對(duì)樁腿貫入深度進(jìn)行預(yù)測(cè)：假定施加在上層（硬土層）上的基礎(chǔ)荷載被擴(kuò)展通過(guò)硬層，在軟弱層的頂面產(chǎn)生一假設(shè)的等效基礎(chǔ)，通過(guò)硬層的擴(kuò)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(guò)下層土的承載力，則刺穿將會(huì)發(fā)生。經(jīng)計(jì)算，平臺(tái)在單樁37.31 t/m2滿載荷插樁時(shí)，預(yù)測(cè)樁腿入泥深度為2 ～3 m（圖1）。

圖1 平臺(tái)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(tái)到達(dá)A井設(shè)計(jì)井位附近開(kāi)始就位作業(yè)，依據(jù)測(cè)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(jì)算，在三樁未接觸泥面或貼著泥面時(shí)平臺(tái)仍以一定航速移動(dòng)，但當(dāng)三樁接觸泥面后同時(shí)放樁10 cm，平臺(tái)停止移動(dòng)，船體吃水減少；上提三樁10 cm后，平臺(tái)立刻恢復(fù)移動(dòng)。多次重復(fù)上述動(dòng)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(tái)就會(huì)被海底地層完全支撐起來(lái)，即該井位海底地層承載力較高，樁靴插入困難。

通過(guò)分階段逐步將作業(yè)平臺(tái)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(cè)深儀及樁靴高度數(shù)據(jù)計(jì)算，樁靴仍沒(méi)有入泥。連接三樁沖樁管線，依次對(duì)三樁進(jìn)行沖樁，連續(xù)觀察樁腿入泥變化（圖2）。

圖2 平臺(tái)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(cè)深儀顯示船底板至海底泥面距離為9.8 m，經(jīng)過(guò)計(jì)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(jì)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(duì)三樁進(jìn)行單樁壓載作業(yè)，每樁分六組進(jìn)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(jì)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(tái)樁靴高度4.57 m對(duì)比，樁靴均沒(méi)有完全入泥。

2 平臺(tái)下沉及原因分析

A井在整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)，隨著平臺(tái)自身載荷及所受環(huán)境載荷的變化，監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁腿均有不同程度的下沉，下沉量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 平臺(tái)樁腿下沉統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of the sinking distance of platform legs

2.1 樁靴周?chē)巴帘粵_刷掏空

由于樁腿入泥較淺，甚至樁靴都沒(méi)有完全覆蓋，在海底暗流沖刷作用下，樁靴周?chē)韺油帘粵_刷，樁靴周?chē)嬖诖竺娣e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(duì)樁靴進(jìn)行探摸，探摸樁靴沖刷情況見(jiàn)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(méi)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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果Fig.5 The calculation result of pile foot entering the mud depth (leg3#)

通過(guò)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(duì)樁靴周?chē)韺油恋臎_刷引起樁靴下部承載土面積減小，導(dǎo)致平臺(tái)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(tái)插樁壓載就位后的初期階段，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，樁靴周?chē)翆舆_(dá)到新的平衡，平臺(tái)樁腿入泥逐步趨于穩(wěn)定。然而，隨著后期平臺(tái)所受動(dòng)載荷的增加，到達(dá)一定程度，平臺(tái)會(huì)繼續(xù)發(fā)生下沉。

2.2 動(dòng)載荷使砂土發(fā)生振動(dòng)液化

平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)載荷，風(fēng)、浪、涌等也會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的環(huán)境載荷，統(tǒng)稱為動(dòng)載荷。動(dòng)載荷會(huì)對(duì)海底樁腿處表層土強(qiáng)度性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，致使該處地層承載力降低，導(dǎo)致平臺(tái)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(xì)砂最容易產(chǎn)生振動(dòng)液化：飽和砂土由于孔隙水壓力升高引起有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的大幅下降至為零[5-6]（砂類(lèi)土振動(dòng)液化原理圖見(jiàn)圖6）。

圖6 砂類(lèi)土振動(dòng)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(dān)，土層穩(wěn)定；

（b）振動(dòng)后，砂顆粒移動(dòng)，骨架承擔(dān)的有效壓力由孔隙水來(lái)承擔(dān)，孔隙水壓力急劇升高，當(dāng)孔隙水壓力等于總應(yīng)力時(shí)，有效應(yīng)力為零，砂土的強(qiáng)度喪失，砂土呈液體流動(dòng)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(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，處于新的密實(shí)狀態(tài)。

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

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

對(duì)于排水粒裝土質(zhì)（鐵板砂地層屬于此類(lèi)），其單位面積凈極限承載力計(jì)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(wú)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)，反映土的強(qiáng)度，即土層強(qiáng)度影響單位面積凈極限承載力qn。由于作業(yè)平臺(tái)在動(dòng)載荷作用下較易產(chǎn)生振動(dòng)液化，土層強(qiáng)度大幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致單位面積凈極限承載力降低，致使平臺(tái)樁腿在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生下沉。

3 平臺(tái)樁腿下沉應(yīng)對(duì)方案

3.1 作業(yè)前，做好井場(chǎng)調(diào)查

作業(yè)前，務(wù)必做設(shè)計(jì)井位井場(chǎng)調(diào)查[9]。對(duì)于這種中密實(shí)的含水砂巖地層（鐵板砂地層），砂層要有足夠的厚度和強(qiáng)度，以便為后期作業(yè)預(yù)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(fēng)險(xiǎn)較高，建議采用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行整個(gè)鉆井作業(yè)。

3.2 插樁作業(yè)，防沖刷掏空

若海底表層一開(kāi)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(huì)對(duì)樁靴周?chē)绑w進(jìn)行沖刷，使得樁靴下部掏空，樁靴單位面積對(duì)地層的壓力增大。當(dāng)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(duì)樁靴周?chē)绑w沖刷引起樁腿下沉，此過(guò)程循環(huán)往復(fù)。隨著樁靴入泥深度增加以及沖刷海流速度的減小，砂體達(dá)到新的平衡，沖刷逐漸停止。

此過(guò)程一般會(huì)引起樁腿較大程度的下沉，對(duì)此有兩個(gè)對(duì)策：

（1）若海況較好，則可采取在樁靴周?chē)焉按姆绞椒乐购Ａ鲗?duì)周?chē)绑w的沖刷，進(jìn)而阻止平臺(tái)下沉；

（2）若海況較差不允許拋砂袋作業(yè)，則加強(qiáng)樁腿下沉監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)平船體。原則上，樁靴周?chē)绑w沖刷會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)樁腿將會(huì)停止下沉。

3.3 減小動(dòng)載荷及平臺(tái)下沉應(yīng)對(duì)

作業(yè)期間平臺(tái)發(fā)生下沉主要是因?yàn)槠脚_(tái)受到動(dòng)載荷后樁靴下部砂土發(fā)生振動(dòng)液化造成。因此，除了減小平臺(tái)所受動(dòng)載荷外，還需做好平臺(tái)發(fā)生下沉?xí)r的應(yīng)急處理方案。

（1）減少平臺(tái)受到的動(dòng)載荷。

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

（2）平臺(tái)發(fā)生下沉?xí)r具體應(yīng)對(duì)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(tái)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(duì)靜止。可由專人負(fù)責(zé)觀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(biāo)志，定時(shí)檢查并記錄其與平臺(tái)上下位置變化。

③以平臺(tái)作業(yè)最大負(fù)荷為前提，分為正常鉆井作業(yè)狀態(tài)和風(fēng)暴狀態(tài)對(duì)平臺(tái)升降裝置性能進(jìn)行分析，以驗(yàn)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(shí)可升降船狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)平臺(tái)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(xiàng)應(yīng)急預(yù)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(yīng)急預(yù)案，確保平臺(tái)附近隨時(shí)有值班船待命，以應(yīng)對(duì)緊急情況。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)鐵板砂地層，作業(yè)前進(jìn)行井場(chǎng)調(diào)查很有必要。確認(rèn)鐵板砂層厚度以及穿刺風(fēng)險(xiǎn)等，討論自升式平臺(tái)作業(yè)的可行性。

（2）鐵板砂地層插樁時(shí)，壓載后若樁靴沒(méi)有完全入泥，前期海流沖刷掏空會(huì)造成樁腿較大程度的下沉，可進(jìn)行拋砂帶覆蓋樁靴來(lái)減少?zèng)_刷；若海況條件惡劣不允許，則加強(qiáng)下沉量監(jiān)測(cè)并對(duì)平臺(tái)升降裝置性能進(jìn)行分析看是否可采取調(diào)平船體等措施來(lái)應(yīng)對(duì)下沉風(fēng)險(xiǎn)。

（3）作業(yè)期間平臺(tái)受到動(dòng)載荷的影響可引起樁腿下沉，除了采取必要措施來(lái)減少動(dòng)載荷外，制定各種工況下應(yīng)對(duì)平臺(tái)發(fā)生下沉的應(yīng)急預(yù)案很有必要。