自升式平台在埕岛海区插桩作业安全性的探讨

■安有杰 黄忠平 吴宁

（中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司 山东东营 257000）

自升式平台在埕岛海区插桩作业安全性的探讨

■安有杰 黄忠平 吴宁

（中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司 山东东营 257000）

胜利海区位于现代黄河三角洲水下部分，其沉积物主要由粉土和软粘性土组成，具有液化特性的粉土与软弱粘性土相间分布的层序特征，由于河道频繁改道，河口沉积泥砂在波浪作用下被簸选、搬运、再沉积。多期河口沉积的叠加，形成叶瓣状展布的三角洲堆积体;胜利海区特殊的土层结构和水动力环境复杂，决定了工程性质差异大以及地质灾害多发，地质灾害因素对钻井平台施工的安全影响非常大。本文通过埕岛海区的海洋地质灾害的因素沟陇海底地貌、液化、冲刷掏空和海底滑坡、崩塌等的探讨，可以有效地防范工程地质灾害，减少平台稳性影响因素，保障钻井平台安全。

自升式平台埕岛海区安全

1 自升式平台概述

自升式钻井平台一般由三或四各独立升降的桩腿所支撑。当自升式钻井平台到达一个新井位时，桩腿向下伸到海底，平台和桩腿的重量通过桩靴传递到下伏的地基土上，桩靴一直贯入至地基土抗力相当于平台的荷载，待桩腿稳定后，钻井平台上升至海面上要求的作业高度进行钻井作业。其稳定性与桩靴贯入情况密切相关。影响桩靴贯入的主要因素是桩腿最大预期荷载和地基土的工程地质条件，桩靴贯入深度的问题即是分析地基土极限承载力能否满足插桩压力的问题[1]。

由于海底地基土的性状复杂，常为多层土交叠状态，分析时需要考虑持力层影响深度范围内所有土层的性状。对于上硬下软的层状地基，地基的承载能力取决于上部硬土层的厚度及上部土层和下部土层的相对强度。如果承载力不够，桩靴可能会突然穿透上覆硬土层进入下卧地层，形成刺穿[2]。因此，平台就位前需要进行地基稳定性分析，以保证平台作业安全。在海洋油气开发史上，由于对海洋工程地质调查和研究不充分，对地基稳定性分析不足，造成平台桩靴突然刺穿或滑移的情况时有发生。

1.1 发展概况

世界上第一座自升式钻井平台“德朗1号”建于1954年，随着技术的发展，平台的工作水深、甲板荷载能力不断加大，目前世界各国已建和在建的各类自升式钻井平台约300余座。我国海洋油气勘探开发起步于上世纪70年代，勘探范围主要分布在渤海湾、黄海、东海以及南海，渤海湾的水深和地质条件尤其适合自升式钻井平台作业。自升式钻井平台可分为两大类：带沉垫的自升式平台和独立桩腿式或桩腿带桩靴的自升式平台。独立桩腿式或桩腿带桩靴的自升式平台由于可适应不同海底的坡度而被广泛使用。

1.2 主要装置

自升式钻井平台主要装置包括：船体、升降装置、固桩结构、桩腿和桩靴、吊机和甲板以及生活设施[4]。

1.3 作业过程

自升式钻井平台是一种特殊的海洋工程船，既可以升降船体也可以升降桩腿以进行迁航和海上作业。当自升式钻井平台到达一个新井位时，桩腿向下伸到海底，平台和桩腿的重量通过桩靴传递到下伏的地基土上，桩靴一直贯入至地基土抗力相当于平台的荷载，待桩腿稳定后，钻井平台上升至海面上要求的作业高度进行钻井作业；作业完毕，拔桩、固桩后进行拖航。

1.4 影响平台作业稳定性的因素

在海洋工程中，很多地区存在一层硬壳层覆盖在正常固结或稍超固结的软弱粘土上的情况。在这种地基条件下，地基承载力与地质结构、桩靴的几何尺寸以及桩靴入泥深度有关。当桩靴位于硬粘土层或粒状土层之下潜伏有软土层时，可能会出现桩靴失稳的情况。地基土中桩靴失稳较常见的模式是刺穿。在层状地层特别是较薄的硬土层（砂层或硬粘土层）下卧为较软弱的粘性土层中，当桩靴插入到上覆硬土层中时，暂时可能是稳定的，然而由于下卧软弱层的影响，桩靴可能会突然穿透上覆硬土层进入下卧地层，形成刺穿。

桩靴贯入的运动过程通常可认为有两种状态：一种状态为正常贯入，随着桩靴贯入深度的增加，地基土的承载力亦随之提高，当地基土抗力相当于平台的荷载时桩腿即保持稳定；另一种状态为刺入，随着桩靴贯入深度增加，地基土的承载力陡然降低，桩腿和桩靴发生快速贯入，直至下部较硬地层的土抗力相当于平台荷载时，刺入过程停止。第一种正常贯入状态通常在厚度较大的粘性土或砂性土中发生，第二种刺入状态则常见于上硬下软的“硬壳层”地层中。

Dier统计分析表明，自升式平台发生的事故中与基础问题相关的事故高达1/3，其中桩腿突然刺入引起的平台事故占很大比重，约占53%。因此，对层状地层中自升式钻井平台桩靴稳定性进行分析是非常重要的。

图3 自升式钻井平台事故原因调查统计分类

随着胜利海区的勘探开发，截止到2010年，已完钻井位达数百口，钻井、作业等各类型平台进行插拔桩和座底施工作业已达数百

次，通过现有规范进行的平台插桩入泥深度理论计算与实际座底插桩记录多有差距，一旦超过其容许值，将会造成较大的影响。一是会增加拖航就位工作时间和费用，二是会影响平台后续的作业及安全。虽然平台的插桩深度影响因素很多，如平台的压载操作、预压载能力、平台的冲拔桩能力等，但是平台作业井场区域的地层地质情况是最重要的一个环节，理论计算结果依然是现场施工作业很重要的参考依据。

理论计算偶尔出现一定数量的不符，究其原因，初步分析有以下几个因素：

一是海区地质条件复杂多变，埕岛海区位于现代黄河三角洲水下部分，其沉积物主要由粉土和软粘性土组成，具有液化特性的粉土与软弱粘性土相间分布的层序特征，同时由于河道频繁改道，河口沉积泥砂在波浪作用下被簸选、搬运、再沉积，在河口两侧形成粉土带，在河口两侧后方形成两片“烂泥”。多期河口沉积的叠加，形成叶瓣状展布的三角洲堆积体。这就决定了黄河三角洲地层工程性质差异大以及灾害多发性。

二是理论计算模式还有一定的不足，目前井场海洋地质调查后进行的平台入泥深度理论计算国内规范一般引用API规范，其理论是根据美国密西西比三角洲地基土对海上构筑物的作用机理而形成的相关理论计算模式。而黄河三角洲成因更为复杂（这是国际公认的），我国规范等同采用了美国石油学会API RP2A-LRFD的有关做法，按常规调查土工参数和API方法计算得到桩腿贯入深度，与实际插桩记录多有差距，土工参数的失真，能导致桩腿刺穿破坏，严重损坏平台，造成工程事故。

三是工区作业频繁造成地基土扰动从而使得井场地层情况更为复杂。随着工程活动的增多，各类平台插拔桩对地基土造成扰动和破坏，使得地基土强度降低。虽然在海洋水动力作用下，地基土强度会恢复，但由于其强度与周边强度存在差别，再次进行工程活动，也会造成工程事故。

2 研究区工程地质灾害类型及工程处理对策

2.1 前言

在工程进行施工前，查明工程附近海域的海洋地质灾害因素对工程施工的安全来说是非常重要的。李俊杰等人通过研究发现：由于埕岛海区特殊的土层结构和海洋水动力环境，地质灾害分布很广泛。如果不对海洋地质灾害因素产生足够的重视，将会对海上构筑物的安全产生隐患。埕岛海区的海洋地质灾害的因素主要有：沟陇海底地貌、液化、冲刷掏空和海底滑坡、崩塌等。

2.2 研究区工程地质灾害类型

2.2.1 沟垅海底地貌

沟垅海底地貌是影响研究区海洋工程稳定性的最主要因素，陡峭的垄沟壁是滑坡产生的根源；剪裂面、张裂面、滑动面的产生均能破坏表层铁板砂的强度，粉砂、砂质粉土属易液化土，验算资料表明当铁板砂强度大时属非液化砂土，强度弱时处属于液化沙土，强度降低后的活动面附近铁板砂，受震动时可以导致液化。因此，海洋石油工程在垄沟发育区构筑时应极为慎重。座底式平台宜在较大垅岗中部或宽沟槽中部就位，垄沟交界能导致平台产生滑移失稳；浅插桩式钻井平台在本区就位时，若桩端选择表层铁板砂为持力层时，一方面要进行刺穿验算，另一方面注意不要位于小垅岗或垅岗周边及陡坡带。对陡坡带或垅岗边缘地带，宜选用深插桩平台，桩端插至三角洲沉积相之下的陆相层中。

详细研究区海底地形沟垅发育的规律及发展趋势，可以避免海洋工程地质灾害的发生。因此在平台就位之前，应在进行详细地质调查的基础上，对可能存在的海底滑坡、断陷和沟垅地貌，采用高精度侧扫声纳和浅地层剖面测量等技术手段进行调查，为工程建设布局及具体工程建设时采取必要的防护措施。

另外平台就位在海底基床上，桩脚入泥深度较浅时，其桩脚稳定性与桩靴周围土层在波浪和潮流作用下被冲刷掏空有非常密切的关系。例如2010年胜利3#作业平台在渤海湾倾覆，就是由于在风暴潮作用下，桩靴周围的铁板砂层受到冲刷侵蚀而导致桩基失稳倾覆。

2.2.2 海底土的液化

海底刺穿现象在研究区广泛存在，李广雪等1996年就在该研究区内观测到了海底刺穿体，并且根据浅地层剖面资料证明研究区内的前三角洲沉积相是海底刺穿的发源层。

2.2.3 冲刷淘空

研究区复杂的水动力环境，一直侵蚀着埕岛海区的海床。特别是海上构筑物的出现会改变工程附近的水动力条件。在工程建成后，工程附近的水动力条件将会发生比较大的变化。一般情况下潮流流速会变大，侵蚀力度会加剧，直至达到侵蚀冲淤平衡为止，之后海底土的侵蚀和冲淤会交替出现。

2.2.4 海底滑坡

海底滑坡是在波浪、地震等外因因素的影响下沿着一定坡度的滑动面而产生的一种地质灾害现象。杨作升等早在上世纪80年代，就在黄河水下三角洲上发现了海底滑坡,且主要发生在水下三角洲前缘斜坡。

水下三角洲前缘坡折附近侵蚀速率比较大，这与上硬下软的地层结构密切相关。水下三角洲前缘坡度变大处，表层粉土的厚度变化亦大，向海侧随着粉土的减薄，软土厚度相应增大。下卧软土的强度随上覆粉土的厚度增大而增大，测试资料证明，无粉土覆盖的软土，容许承载力仅25～30Kpa；厚层粉土覆盖下的软土，容许承载力可达60～90Kpa。粉土的有效重度为10KN/m3左右，8米以上厚度的粉土，足以使下卧软土产生大的塑性变形乃至剪切破坏。靠海侧土的侧限小于陆侧，加之软粘土具有蠕变的特点，对具有弹塑性的粉土，其抗拉强度仍然很小，无法抵御由于下卧软土沉降差产生的张力，造成粉土层的拉断，并产生向海方向的滑移。拉断扰动后的粉土，极易液化，在潮流作用下，沿裂隙遭受迅速冲刷，常形成粉砂流，裂隙壁过于陡峭时发生垮塌、滑坡。通过研究海底滑坡，可以为钻井平台的就位、海底管线的铺设提供参考。

2.2.5 埋藏沟谷

常方强等根据最近10年的地质调查资料发现埋藏沟谷分布在埕岛海区的西部、中部和东南部。埋藏沟谷一般为“U”形或“V”形，包括埋藏冲沟、古河道和潮沟。

3 结论

随着胜利海区油气资源的勘探开发，地基土力学差异及其导致的工程隐患日益显著，采油导管架设置不到预定土层深度及钻井平台桩腿刺穿失稳等工程施工风险易造成较大的经济损失。

随着工程活动的增多，各类平台插拔桩对地基土造成扰动和破坏，使得地基土强度降低。虽然在海洋水动力作用下，地基土强度会恢复，但由于其强度与周边强度存在差别，再次进行工程活动，有造成工程事故风险。

对区域内平台稳性风险因素分析，研究区域内影响平台稳性的工程地质类型，制定工程地质灾害风险防范对策，只要对影响平台稳性的工程地质因素考虑周全，措施落实到位，在域内环境多变的情况下，可以有效地防范工程地质灾害，减少影响平台稳性影响因素，有效保障平台施工期间的安全。

[1]Young.A G,and Focht J A.1981.Subsurface Hazards affect mobile jack-up rig operations, Soundings[J],Mcclelland Engieers Inc,Houston,Vol 3,No,2.pp.4-9.

[2]M J Cassidy,G T Houlsby etc.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[A].Proceedings of OMAE 2002[C].

[3]陈宏,李春祥.自升式钻井平台的发展综述 [J].中国海洋平台,2007,22(6):1-6.

[4]付丽娜.自升钻井船桩靴承载能力研究.[硕士学位论文].天津：天津大学.结构工程. 2008.

P67[文献码]B

1000-405X（2015）-10-392-2