121.92 m(400 ft)自升式钻井船极限水深条件下插桩预测

2012-01-22，，，，，，

船海工程 2012年5期

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(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司；广州深圳 518067；2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，山东青岛 266555)

相对于渤海和黄海海域，我国南海近海域的水深较深，基本在100 m左右。部分正在勘探的油气田所在区域的水深接近120 m，接近我国目前自升式钻井船作业的临界水深。目前我国的自升式钻井平台最大作业水深为121.92 m(400 ft)。随着自升式钻井船走入接近极限水深的南海，自升式钻井船插桩预测、稳定性分析、拔桩阻力计算等都变得更为至关重要。然而，目前还没有针对自升式钻井船在极限水深条件下插桩预测的研究。自升式钻井船插桩预测问题涉及到桩基础承载力的确定。确定桩端承载力的方法较多，大致可划分为以下三类[1]：①试桩试验方法，包括静载试验和动力试桩试验；②基于土体物理力学指标的确定方法；③承载力公式计算方法。本文将这三类方法综合应用于自升式钻井船插桩预测。

1 南海部分海域海底土质特性

1.1 海底土土质资料的获取

钻取土样、原位试验和室内土工试验通常是海洋工程地质调查中的重要部分。根据不同调查目的采用不同的取土方法。生产平台基础的研究要求钻取的土样深度可达100～200 m[2]。南海已完成工程地质调查的井场，钻取土样深度一般都在120 m。在自升式钻井船前往预定井位就位前，需要对预定井位进行工程地质调查。调查内容主要包括海底土土质分层、土质参数、力学特性、海底地貌等。

土体的承载力是决定自升式钻井船桩腿入泥深度的直接因素。因此，在进行自升式钻井船插桩校核时，研究桩腿入泥深度主要研究土质特性、土体承载力的计算方法。对海底土土质特性及土体承载力参数的测定是研究桩腿入泥深度的基础。土体对扰动的高敏感性，使得通过测定和试验得出原状土的土力学特性很难实现。学术界研究土质特性，更多的是基于理论分析，结合工程实际经验来展开的。

目前能减少对土体扰动的情况下测定土体力学特性的试验技术是静力触探试验(CPT)技术。随着海洋开发的迅速发展，CPT技术在国内外海洋工程领域的使用越来越普遍，锥形探头的静力触探仪CPT借助于探头内的电子应变片可测定锥尖阻力和侧壁摩擦力[3]。20世纪80年代初在CPT基础上又发展了孔隙水压触探仪PCPT。它由CPT加装压力传感器和陶瓷滤头而成。压力传感器部分直接与经滤头的水接触，只需极小的排水量(譬如0.2 mm)就能使传感器产生高输出讯号。在贯入过程中能记录到连续的动态孔隙压力，当试验停止后可记录超静水压力的消散过程。根据PCPT资料，可以获得土层中小于70 cm的薄夹层、应力历史、固结系数以及砂土液化势等信息。

1.2 海底土土质特性

以南海某井场土质调查资料为例介绍海底土土质特性。其PCPT试验测试结果[4]见图1。

图1 南海某井的PCPT试验测试结果

图1给出了3条曲线：桩尖阻力随土深变化曲线；侧摩阻力随土深变化曲线；孔隙压力随土深变化曲线。从而得到土体各深度的桩尖阻力、侧摩阻力和孔隙压力。从工程地质调查得到的土质资料提取的研究自升式钻井船插拔桩所需的参数，见表1。

2 CPT测试结果预测插桩深度

由图1可见，表示锥尖阻力的承载力曲线在2.0～3.2 m土深范围出现最大值为12 MPa，相比于钻井船设计单桩最大预压载荷0.42 MPa(以海洋石油941平台为例)是足够大的，因此自升式钻井船桩腿在预压载过程中穿过2.0～3.2 m的土层很困难。现场插桩作业时测算桩腿入泥深度是按照式(1)计算的。

表1 某井位钻井船设计参数

注:δ为粒状土的设计土-桩摩擦角；fmax为极限表面摩擦力；qmax为极限桩尖阻力；Su为粘性土的设计不排水抗剪强度；Nq、Nr为承载力系数，是砂性土的内摩擦角φ的函数。

h泥=h吃+L船下桩-h水

(1)

式中：h泥——桩腿入泥深度,桩脚尖端到泥线的距离；

h吃——船体吃水深度；

L船下桩——船体以下的桩腿长度；

h水——海水深度。

这里提到的桩腿包含桩靴部分。

从式(1)可见，桩脚尖的高度是桩腿入泥深度的一部分。海洋石油941号自升式钻井平台桩脚尖的高度为1.17 m，即桩靴的最底部到整个桩腿最大截面处的距离为1.17 m。在进行桩腿承载力计算时，考虑的是土体施加在桩腿最大截面(桩靴最大截面)上的承载力。海洋石油941平台的桩腿最大截面积取254 m2。对于南海的这口井，在2.0～3.2 m土深范围出现最大桩尖阻力12 MPa，理论计算得到最大承载力为30×105kN，超过了平台设计的单桩11×104kN的最大预压载量。2.0～3.2 m土深范围的土体为平台提供了很好的持力层。考虑到桩脚尖高度为1.17 m，粗略判断出海洋石油941平台在该井位的桩腿入泥深度范围为3.17～4.37 m。所以从PCPT测试结果可以快捷直观地判断自升式钻井船桩腿入泥深度范围。

海洋石油941平台，桩腿有效长度为146 m，桩腿入泥深度取预测的最大深度4.37 m，水深取100 m，由此根据式(2)得出海洋石油941平台在该井位的气隙空间范围为

h气=L有效桩-h泥-h水

(2)

式中：h气——气隙空间范围；

L有效桩——桩腿有效长度。

由式(2)得出海洋石油941平台在该井位的气隙空间范围为0～41.63 m。该气隙空间范围满足自升式钻井船对气隙的需要。从而判断海洋石油941号自升式钻井平台在接近121.92 m(400 ft)临界水深的该井位具备作业条件。

3 自升式钻井船桩腿插入深度

3.1 自升式钻井船桩腿承载力计算方法

在桩腿的插入过程中，桩端阻力来自桩尖(桩靴)向下穿透土层时直接冲挤土体的反作用力；桩侧阻力来自于与桩身接触的土体对桩身外表面产生的滑动摩阻力。桩侧阻力是随着桩腿的下入深度的增加而增加的，桩端阻力并不一定随桩入土深度的增加而增加。桩端所在土层的土质特性是桩端阻力的决定性因素。

目前，对于以桩端阻力作为支撑力设计的自升式钻井船，基本是带桩靴的桁架式桩腿结构的自升式钻井船。对于这种自升式钻井船单桩承载力计算，不同单位采取的方法不同。表2给出了桩端承载力的两种计算方法。其中方法一是中国石油大学所采用的计算方法，记为石油大学计算模型。

表2 桩端承载力计算方法

表中：P0——有效上覆压力；

Nq——量纲一量的承载力系数，是内摩擦角(φ)的函数；

Su——桩脚下B/2以内平均不排水抗剪强度；

Nc——不排水粘土的量纲一量的承载力系数；

Nq、Nγ——粒状土量纲量一量的承载力系数；

γ1——由桩脚排出土的平均有效重度；

γ2——桩脚下B/2以内土的平均有效重度；

B——桩脚的直径(最宽截面)；

D——桩脚入泥深度(最宽截面)；

α——桩脚插深以上回填土压力折减系数，α=0.3～0.6；

A——桩脚的最大面积；

V——桩脚的体积；

Q——平台桩腿极限承载力。

表2中列出的方法二在计算砂性土承载力时存在计算结果偏大的情况，比如埋深浅的薄砂土层，这会对自升式钻井平台桩腿入泥深度的判断带来麻烦。以海洋石油941号自升式钻井平台为例，在遇到浅层砂时，用方法二得出插桩深度在2 m以内的情况经常出现。从平台的稳定性方面考虑，2 m以内插桩深度不足以使桩靴被土体完全覆盖，易出现桩靴底部土体被海流冲蚀掏空的现象，对平台稳定性和作业安全带来隐患。对于像砂性土的这种粒状土层，当厚度较小时，利用方法二计算单桩承载力是根据经验取计算结果的1/3作为理论承载力，以削弱计算出的单桩承载力偏大对桩腿入泥深度预测的影响。

3.2 平台桩腿入泥深度确定

针对自升式钻井平台不同的桩腿结构，计算桩腿所受到的阻力。即桩侧阻力采用土体的单位表面摩擦力乘以桩腿泥线以下部分的表面积；桩端阻力采用土体的单位桩端承载力乘以桩腿有效横截面积。至于平台桩腿最终的极限承载力，不同的计算模型需考虑不同影响桩腿承载力的因素，如桩靴上部回填土的影响、桩靴排开土体得到的浮力影响等。对于海洋石油941号自升式钻井平台，因其是桁架型式的桩腿结构，桩腿下部装有桩靴，在计算桩承载力时，忽略了桩侧摩阻力。

将单个桩腿极限承载力与平台设计需要加载到该桩腿上最大预压载进行比较。当计算出某一插桩深度处的桩腿极限承载力等于或超过该桩腿上最大预压载时，认为该深度是可能适合的插桩深度。

4 插桩校核

在自升式钻井船就位前，分别运用两种自升式钻井船桩腿极限承载力计算方法对南海该井位进行桩腿承载力计算，分析两种计算方法得出的插桩深度，见图2。

该井位在埋深很浅的0～0.8m处有薄砂层，从图2可以看出采用方法二得出在2 m附近就出现很大桩端承载力。尽管采用选取计算结果的1/3作为理论承载力的经验性处理方法，得出的插桩深度依然为1.97 m。该深度对于桩靴高度为5 m的海洋石油941号自升式钻井船来说，存在桩靴底部被冲蚀掏空的安全隐患。采用方法一得出的插桩深度为3.8 m。该深度是一个相对比较安全且有利于拔桩的深度。在南海该井位实际的3个桩靴的入泥深度分别为3.7、3.8和4.3 m。方法一得出的插桩深度预测值与实际值对比校核见表3。