复杂地质条件下钻井平台插桩就位可行性分析及应对——以南海西部乐东区块埋藏古河道为例

陈冠军，佘 稳，年永吉，冯湘子

（中海油田服务股份有限公司，天津300459）

随着海洋油气勘探活动的不断增多，人类所要面对的海底地下地质条件也变得越来越复杂，想要在此类地方进行工程施工，就需要对各类灾害地质现象开展深入的研究[1-2]。埋藏古河道是指在海底之下被沉积物充填的河床[3]，它作为一种常见的灾害地质现象，对海上平台安装、海底管线铺设以及钻井平台的插桩就位等都具有重要的影响[4-5]。之前的学者们对渤海、黄海、东海和南海的埋藏古河道都开展过许多研究，取得了很多重要研究成果，主要集中在埋藏古河道的沉积充填特征、古河流重建、古地理恢复、河道变迁演化模式以及对海上工程的影响等方面[1-12]。

自升式钻井平台适用于不同海底地层条件和较大水深范围，移动灵活方便并且易于建造，因此在海洋石油开采中得到了广泛应用[13-14]。自升式钻井平台的一个最大关注点就在于是否能够准确预测其插桩深度[15-17]，对此人们根据地层条件的复杂程度[13,18]开展了各类室内模拟试验，不断地优化改进桩基承载力计算模型[14,19-21]。由于取样和孔压静力触探（CPT）数据分析仅仅局限在单个位置点[22]，当地层横向变化较快的时候，这样针对单点的计算结果存在着很大的局限性。

本文以南海西部乐东区块某井场范围内发现的埋藏古河道为例，从工程物探和工程地质两个角度出发[4,9,17]深入分析评价在埋藏古河道分布区域内钻井平台的就位可行性[23]，并提出了应对之策，为类似工况条件下的工程项目提供了借鉴。

1 工程物探方法

浅地层剖面调查是一种重要的工程物探调查方法，主要用于探测海底地层结构和构造特征，查明海底以下一定深度范围内存在的埋藏古河道、断层和浅层气等灾害地质因素以及地层的空间分布特征[4,9,17,22]，具有直观的效果。

1.1 测线布设

在以预定井位为中心的2.0 km × 2.0 km调查范围内，布设栅格状的调查测线（图1），参考钻井平台的预定艏向，主测线方向设置为110°/290°，每条测线长2.0 km，间隔100 m和150 m不等，共计15条，联络线方向为20°/200°，每条测线长2.0 km，间隔100 m，共计5条，另外布设3条测线分别过3个CPT设计位置，每条测线长2.0 km，方便各个孔位之间进行地层对比。

图1 工程物探调查测线布设图

1.2 埋藏古河道分布特征

选取5条经过各个预定位置的剖面（图2），埋藏古河道内部地层反射结构复杂，与周围呈水平展布的老地层差异较大，易于辨识，埋藏古河道在剖面上呈下凹的“U”、“V”以及“W”型（图2、图5和图6）。古河道中心部位的河谷向下切割老地层，下切深度大约11 m，河谷宽度大约50～60 m不等（表1），河谷底部地层反射波表现为强振幅，同相轴短，不连续，局部表现为丘状突起，反射杂乱，向上发育了谷状充填层理，反映出在沉积物充填的过程中水动力特征发生了一定的变化。河谷两岸的侧缘部位同相轴连续性好，倾斜叠置，发育了侧向加积层理、倾斜层理等，与下伏水平地层呈不整合接触，反映出在河流发育前后沉积环境有所变化[11]。

图2 埋藏古河道剖面特征

表1 预定位置处埋藏古河道剖面特征

根据埋藏古河道在浅地层剖面上的反射特征，在所有测线上勾绘出埋藏古河道的底部边界，刻画出了其平面和空间展布形态（图3）。

在平面上，埋藏古河道呈条带状或树杈状展布，主要分布于调查区域的中部、西部和东南部，预定井位位于埋藏古河道的内部。在空间上，这里根据古河道纵向下切深度的不同，将古河道分为河谷和侧缘两部分，河谷基本位于埋藏古河道的中部，呈弯曲的条带状延伸，局部宽度可达100 m，多个河谷可表现出汇聚和发散的特征；侧缘位于河谷两侧，可与河流沉积中的边滩、河漫滩以及点砂坝沉积等相对应。这里不做更进一步的划分，侧缘的分布宽度为100～300 m不等，基本呈对称分布，局部宽度略有差异，底部埋深为2～8 m。河谷内地层反射杂乱，沉积物纵向上变化明显；侧缘主要发生侧向迁移，沉积相变迅速，沉积物类型繁多。

图3 埋藏古河道空间分布

2 工程地质方法

本文所述的钻井平台为三腿自升式移动钻井平台，预定艏向为110°，其桩靴式基础的最宽部分面积为264.0 m2，等效直径为18.3 m，预压载时，每只桩靴的最大预压载为64.7 MN（6 600 t）。

2.1 孔位布设

为了查明该井场的土质特性、强度以及工程物理力学性质，进一步计算平台的插桩深度，定量评价桩腿刺穿可能性[17,20]，布设了1个40 m钻孔取样和3个40 m CPT测试孔，如表2和图4所示。

表2 工程地质调查孔位布设

2.2 土质特征

土工试验和CPT解释结果表明，各孔在钻遇深度内，土层分布基本一致，但土层厚度及强度在横向上存在一定差异。各孔的土质分层结果和柱状图分别见表3和图4。其中，需要引起注意的是1#桩腿BH孔与CPT1测试孔横向距离仅为8 m，但在海底面以下6.5～8.6 m的土层在横向存在较大差异（图4）：CPT1孔的6.5～8.6 m的设计不排水抗剪强度约为30 kPa，BH孔对应深度处的设计不排水抗剪强度是前者的4.6倍，达到了138 kPa。

表3 土质分层与特征

图4 钻孔取样与CPT成果差异示意图

2.3 插桩预测

基于上述CPT1&BH孔、CPT2孔和CPT3孔的土质资料，本文按照《海洋井场调查规范》（SY/T 6707-2016）[24]附录G中的方法进行桩靴基础的承载力计算及刺穿分析，对于桩靴基础的极限承载力表达式如下：

式中：QS为桩靴基础的极限承载力；QV为基础底面土的总极限轴向承载力；WBF为基础上部回填土的有效荷重；γ1为桩靴排开土的平均有效重度；V为桩靴的体积；qn为桩靴的单位面积极限承载力；P0为桩靴深度处的有效上覆压力；A为桩靴的最大水平截面积；Dk为桩靴最大截面入泥深度；Hcav为桩靴坑上部未回填部分的深度；为基础上部回填土的有效重度。

1#桩腿位置取样钻孔与CPT1测试孔横向距离8 m，但两孔位在海底面以下6.5～8.6 m深度范围内揭露的土层强度存在很大差异，分别按照2个孔位揭露的土质资料进行分析计算。

对BH孔土质资料的分析结果表明：在最大预压载下，钻井平台1#桩靴尖部的初始入泥深度为7.8 m，在该深度处有刺穿风险，其相对于刺穿的安全系数为1.02；如果刺穿发生，桩靴尖部的最终入泥深度为13.2 m。对CPT1孔土质资料的分析结果表明：在最大预压载下，钻井平台1#桩靴尖部的最终入泥深度为13.2 m（表4）。

对CPT2孔和CPT3孔土质资料的分析结果表明：在最大预压载下，钻井平台2#和3#桩靴尖部的最终入泥深度分别为4.5 m和2.6 m，且在相应深度处无刺穿风险（表4）。

表4 桩靴入泥深度计算结果

从上述结果来看，3个桩腿的插桩深度存在很大差异，尤其在最大预压载条件下，3个桩腿的插桩深度差异达到了8～9 m，且1#桩腿存在着刺穿风险，一旦发生刺穿，刺穿行程可能会到达5.4 m，这将严重威胁到钻井平台的安全。

3 就位可行性分析

埋藏古河道内部结构复杂，横向上和纵向上存在明显的不均匀性，可造成钻井平台不同桩腿的插桩深度差异，将地层柱状图投影到浅地层剖面上进行分析（图5），预定井位和桩腿均位于埋藏古河道内部，土质的分层界线与埋藏古河道的底界面对应关系良好。

剖面A经过预定井位，显示预定井位处古河道底界面埋深较浅，较为平直（图5-a）。

剖面B经过CPT2和CPT3，在和古河道底界面对应的深度范围内土质均为软到稍硬的粉质粘土，两个孔位地层对应关系较好，横向上变化较小（图5-b）。

剖面C经过CPT2、BH和CPT1，从图中可以看出BH和CPT1位于河谷内，在和古河道对应深度范围内CPT1揭示的土质为软到稍硬的粉质粘土，BH孔海底泥面以下6.5～8.6 m为非常硬的粉质粘土，二者所揭示的土层强度存在较大差异，这也充分印证了古河道内地层的不均匀性，CPT2位于古河道侧缘，古河道底部埋深较浅，3个孔位之间地层差异明显（图5-c）。

剖面D经过预定井位和CPT1，从图中可以看出CPT1位于河谷内，预定井位则位于古河道侧缘，古河道底部埋深较浅，2个孔位处地层反射特征差异明显（图5-d）。

剖面E经过CPT3和CPT1，同剖面C类似（图5-e）。

图5-f展示了预就位钻井平台与埋藏古河道之间的位置关系，从图中可以明显看出1#桩腿位于河谷内，2#和3#桩腿位于古河道侧缘，差异十分明显。

图5 地层剖面与土质对照图

钻井平台2#桩腿和3#桩腿位于埋藏古河道的侧缘，土质成分相近，桩基承载力计算结果表明无刺穿风险，但是1#桩腿位于埋藏古河道的河谷，由于埋藏古河道内部土质在横向和纵向上较强的不均匀性，土质成分与其他两个桩腿差异明显，取样结果和CPT计算结果显示，1#桩腿存在较大的刺穿风险，预定位置处钻井平台插桩就位及作业风险极大，不适宜钻井平台插桩就位。

4 风险应对

由于无法解决埋藏古河道范围内地层不均匀造成的不同桩腿入泥深度差异问题，同时为了安全有效地开展该井的钻探作业，建议进行移位，避开埋藏古河道。通过对浅地层剖面的分析，将移位预选区初步定在原预定井位东南侧500～900 m之间的矩形区域内（图6），从剖面来看，预选区内地层反射同相轴连续性好，层理发育好，地层展布稳定，未出现明显的错断以及杂乱反射等现象。

图6 埋藏古河道及移位预选区剖面特征

在移位预选区内，结合钻井平台的钻探作业能力，拟定新的井位及预就位位置，针对新的位置再次开展工程地质调查。结果表明，各孔在钻遇深度内，土层分布基本一致，土层厚度及强度在横向上差异较小（图7）。

图7 移位后各个孔位土质对比图

新位置处的插桩深度预测表明：在轻载下，钻井平台1#、2#、3#桩靴尖部最终入泥深度分别为2.3 m、2.4 m、2.3 m，在对应的深度处无刺穿风险；在最大预压载下，钻井平台1#、2#、3#桩靴尖部最终入泥深度分别为3.1 m、3.4 m、3.4 m，在对应的深度处无刺穿风险（表5）。

5 结 论

通过本文的研究及论述，得出以下研究结论：

（1）布设经过钻井平台各个桩腿位置的工程物探测线，针对各个桩腿位置开展钻孔取样和CPT调查，分别进行插桩深度预测，对于复杂地质条件下钻井平台插桩就位可行性分析很有必要。

（2）埋藏古河道在浅地层剖面上呈现下凹的“U”、“V”以及“W”型，其内部主要发育了侧向加积层理、谷状充填层理、倾斜层理以及杂乱反射等，根据埋藏古河道纵向下切深度的不同，将埋藏古河道分为河谷和侧缘两部分。从剖面上来看，河谷的中心部位主要发育杂乱反射，沉积物纵向上变化明显，河谷上部及侧缘部位发育了其他类型的层理，沉积物相变迅速，沉积物类型繁多。

表5 移位后钻井平台桩靴入泥深度分析结果

（3）从剖面解释出发，圈定了埋藏古河道的平面分布范围，刻画了埋藏古河道的空间展布形态，更加形象直观地展示出钻井平台与埋藏古河道的位置关系，为进一步的综合分析提供了便利。

（4）物探和地质综合分析认为，钻井平台2#桩腿和3#桩腿位于埋藏古河道的侧缘，土质成分相近；1#桩腿位于埋藏古河道的河谷，土质成分与前两者差异明显，充分证明了埋藏古河道内部土质在横向和纵向上具有较强的不均匀性，这种不均匀性，给钻井平台插桩就位带来了不便。

（5）计算结果表明，3个桩腿的插桩深度存在很大差异，尤其在最大预压载条件下，3个桩腿的插桩深度差异达到了8～9 m，原预定位置处1#桩腿存在较大的刺穿风险，钻井平台插桩就位及作业风险极大，不适宜钻井平台插桩就位。

（6）分析已有的浅地层剖面资料，优选出地层连续性好的区域，拟定新井位，再次开展工程地质调查，对钻井平台就位的可行性进行评价，最终避开了可能的风险，实现了钻井平台在新位置的安全就位。

埋藏古河道是一种常见的灾害地质类型，对钻井平台的插桩就位存在十分不利的影响，处置不当极有可能造成钻井平台倾斜等事故。本文从工程物探与工程地质两个角度出发展开调查分析，既能够对地下灾害地质体有宏观上的了解和认识，掌握其在空间上的分布及变化情况，分析不同位置处沉积物对钻井平台插桩就位的影响，也为后期可能的移位选区指明了最优化的方向，又可以针对单个位置点进行土质类型、工程力学性质及插桩深度预测。在遇到类似复杂地质条件时，这样的组合调查手段能有效克服工程地质调查结果只针对单个位置点的局限性，帮助工程师更加精准地做出判断，躲避风险，实现钻井平台的安全就位。