几种穿刺分析法在自升式钻井平台插桩中的探讨

2021-10-09蔡龙龙刘剑涛

海岸工程 2021年3期

佘稳,蔡龙龙,刘剑涛

(中海油田服务股份有限公司,天津300459)

自升式钻井平台是海洋油气田开发的重要设备之一,利用该平台可以进行钻井、修井和试采等作业。该平台具有移动性好、作业稳定性强和适用性高等优点,因此在近海油气开发中得到了广泛应用[1-3]。仅在我国,自升式钻井平台在移动式钻井平台中所占比例高达80%[4],己经成为我国海洋油气勘探开发的重要装备。穿刺事故是钻井平台就位期间的最大风险因素,根据HSE(Healt h&Safety Executive)统计资料表明,穿刺事故约占平台总事故的53%[5]。平台穿刺事故频发主要与复杂的海底地层条件有关,特别是很多区域存在上部为砂土或硬黏土、下部为软黏土的类似“鸡蛋壳”地层,自升式钻井平台在此类区域作业时存在穿刺的风险。如果穿刺行程超过了平台自身调节控制的能力,则平台会急速倾斜或倾覆,造成设备受损或人员伤亡。因此,穿刺分析是钻井平台插桩预测过程中分析的重点。

对于海底层状结构地层,在计算时一般简化为多个双层地基的叠加。常用的成层地基极限承载力的计算方法有Hansen加权平均法[6]、Baglioni分析法[7]、3∶1穿刺分析法[8]和冲剪系数分析法[9]等方法,目前的研究仍难得到严格的理论解,所以这些方法大多为经验公式或半经验公式。海上工程地质分析中应用较多的穿刺分析法为3∶1穿刺分析法[8],该方法为《海洋井场调查规范》[10]中推荐的方法。虽然《海洋井场调查规范》[10]和SNA ME规范[11]都对冲剪系数分析法[9]进行了介绍说明,但该方法在工程实践中暂未应用,此外,《建筑地基基础设计规范》[12]对地基受力层范围内有软弱下卧层时,推荐了验算方法,即“地基压力扩散角法”,该方法暂未在自升式钻井平台插桩中运用。所以,本文将利用地基压力扩散角法对钻井平台基础承载力进行研究分析,以确定该方法在钻井平台穿刺分析中是否可行。

对于某些复杂的场址,穿刺分析的结果仍存在预测不准的情况。因此,如何准确地进行穿刺分析是地质工程师需要攻克的一个技术难点。基于此,本文选择渤海2个场址(命名为A场址和B场址)、南海1个场址(命名为C场址),利用Baglioni分析法[7]、3∶1穿刺分析法[8]、冲剪系数分析法[9]和地基压力扩散角法[12]四种穿刺分析法对钻井平台基础进行承载力分析及穿刺分析,以期提高对自升式钻井平台穿刺分析的准确性。

1 钻井平台基础承载力分析

钻井平台的插桩深度与地层的极限承载力直接相关,土质条件、桩靴的形状及尺寸是影响地层承载力的主要因素。对于自升式钻井平台,通常采用静力压载的方式将桩腿插入海底面以下的土中,当施加的载荷大于地层的极限承载力时,桩靴就会发生贯入,直到土的极限承载力不小于桩靴对土所施加的压力为止。

桩靴基础的极限承载力Qs表达式[10]为

式中: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,γ1′为基础上部回填土的有效重度。

黏性土的单位面积极限承载力qn的计算公式[10]为

式中:Bs为桩靴的当量直径,Sun为桩靴最大截面以下(Bs/2)深度内土的平均不排水抗剪强度。

砂性土的单位面积极限承载力qn计算公式[10]为

式中:γ为桩靴最大截面以下(Bs/2)深度内土的平均有效重度,Nr和Nq为排水粒状土的无量纲承载力系数,qmax为qn的限制值(Nq和qmax推荐值参考文献[13])。

2 穿刺分析

当在上硬下软的层状地层中进行预压插桩时,桩靴很可能会穿透上覆硬土层,造成桩腿的迅速下沉,形成“穿刺”现象。因此,对于这种类型的土质剖面必须进行穿刺分析来评价桩靴潜在的穿刺风险。

2.1 Baglioni分析法

Baglioni分析法[7]的原理是假定作用在上部基底的荷载沿某个角度θ(扩散角)向下线性扩散直至下卧软土层,在下层土上表面形成一个面积按比例放大的等效基础,该等效基础所受到的下层土的极限承载力即为原基础的双层地基极限承载力(图1)。

图1 Baglioni分析法示意图[7]Fig.1 Schematic diagra m of the Baglioni method[7]

Baglioni等[7]指出,当砂层厚度小于桩靴直径的2.5倍时,假定砂土的扩散角θ与砂土的有效内摩擦角Φ相等,并且当穿刺发生时,全部荷载将在破坏区域的范围内转移到假象桩靴之上,于是成层土极限承载力可以等价为软土层对假象桩靴的极限承载力,穿刺分析中计算硬土层单位面积等效净极限承载力q′n的计算公式[7]为

式中:Sub为下伏软黏土层的平均不排水抗剪强度,H′为桩靴最大截面下硬土层的厚度,W为实际基础与等效基础深度间“土塞”的有效荷重,qnh为硬土层的单位面积净极限承载力。

2.2 3∶1穿刺分析法

3∶1穿刺分析法由Young和Focht[8]于1981年提出。该方法假定施加在上层(硬层)的基础荷载通过硬层向下扩展,在下卧软弱层顶面产生一假想的“等效基础”,该等效基础的扩展比例为3∶1(垂直方向∶水平方向)。如果施加在等效基础上的压力超过下层土的承载力,则穿刺将会发生(图2)。该方法与Baglioni分析法的原理基本一致,其相当于使用了一个恒定的扩散角(θ=18.435°)。该方法计算的等效基础的大小只与砂层厚度有关,忽略了砂层密实度的影响。穿刺分析中计算硬土层单位面积等效净极限承载力q′n的计算公式[8]为

图2 3∶1穿刺分析法示意图[8]Fig.2 Sche matic diagra m of the 3∶1 method[8]

2.3 冲剪系数分析法

1980年,Hanna和Meyer hof[9]提出冲剪系数分析法,该方法原理是:假设地基中上层硬土发生剪切破坏,并根据相应理论假定破坏面的方向为竖直向下,可以将基底下的柱状土体(土塞)看作基础的一部分,则双层土的极限承载力可以看作是基础与柱状土体所受承载力的合力(图3)。由于上下土层承载力差别较大,基础底部柱体形状的土块将跟随基础一起向下运动,进入到下层软土中,在这一过程中,上层硬土和下层软土的性质不发生改变。该方法在实际插桩计算中还未得到广泛应用。利用冲剪系数分析法计算硬土层单位面积等效净极限承载力qn′的计算公式[9]为

图3 冲剪系数分析法示意图[9]Fig.3 Sche matic diagra m of the punching shear coefficient method[9]

式中:qnb为下部软黏土的单位面积净极限承载力;γy为桩靴底部硬土层的平均有效重度;Ks为上层硬砂层冲剪系数,可近似求得:KstanΦ≈3Sub/(Bsγy)。

2.4 地基压力扩散角法

地基压力扩散角法[12]的原理是:假设基底的压力按扩散角被分散至软弱下卧层的顶面,然后比较此处的应力与软弱下卧层承载力的大小(图4)。

图4 地基压力扩散角法示意图[12]Fig.4 Schematic diagram of the foundation pressure expansion angle method[12]

对矩形基础,相应于荷载效应标准组合时,软弱下卧层顶面处的附加压力值Pz的计算公式[12]为

式中:b为矩形基础底边的宽度,l为矩形基础底边的长度,Pk为标准组合时基础底面处的平均压力值,Pc为基础底面处土的自重压力值,z为基础底面至软弱下卧层顶面的距离,θ为地基压力扩散线与垂直线的夹角,可按表1计算。当z/b＜0.25时,取θ=0°,这一参数在需要时可以通过试验来确定。当0.25≤z/b≤0.50时,地基压力扩散角θ可插值使用。当z/b＞0.50时,地基压力扩散角θ取z/b=0.50时的数值。实际计算钻井平台近似圆形基础承载力时,可按式(7)简化计算。

表1 地基压力扩散角θTable 1 Foundation pressure expansion angleθ

3 钻井平台插桩实例

孔压静力触探(Piezocone Penetration Test,PCPT)是目前海上最常用的原位测试技术,其贯入过程连续,测试结果可靠,能如实反映探遇土的类型和强度随深度的变化,精确划分土层[14]。其测量指标包括锥端阻力、侧摩阻力和孔隙压力。本文选择了3个场址(2个渤海场址,命名为A场址和B场址;1个南海场址,命名为C场址)的PCPT测试结果及土质设计参数,分别利用Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法、冲剪系数分析法和地基压力扩散角法对钻井平台基础进行了承载力分析及穿刺分析。

3.1 A场址

在渤海A场址完成了1个PCPT测试孔和1个取样孔,2个孔在钻遇深度内的土层分布基本一致。A场址的PCPT测试结果(以0～30 m为例)如图5所示,结果表明:0 m＜d≤10.7 m(d为海底面以下深度)的土质为承载力较低的黏性土,10.7 m＜d≤30 m的土质主要为黏性土夹薄层砂性土。A场址土质设计参数如表2所示。

图5 A场址PCPT测试结果Fig.5 Results of PCPT test at Site A

表2 A场址土质设计参数Table 2 Parameters designed for soil at Site A

续表

A场址插桩就位的钻井平台为四腿自升式移动钻井平台,其桩靴式基础的最宽部分面积为83 m2,等效直径为10.3 m,每只桩靴的最大预压载为20.6 MN。利用表2中的土质参数进行了桩靴基础承载力分析及穿刺分析,其结果以承载力曲线形式如图6所示。Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法和冲剪系数分析法三种方法分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的初始入泥深度均为10.7 m,在该深度处3种方法的穿刺相对安全系数分别为1.25,1.20和1.23;如果穿刺发生,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为13.8 m。需要说明的是:穿刺相对安全系数为硬土层计算的最大极限承载力与单桩最大预压荷载的比值。当穿刺相对安全系数≥1.5时,穿刺不会发生;当1.2≤穿刺相对安全系数＜1.5时,穿刺发生概率较低;当1.0≤穿刺相对安全系数＜1.2时,穿刺发生的概率一般,随着数值的减小,穿刺发生的概率逐步增加;当穿刺相对安全系数＜1.0时,穿刺会发生。

图6 A场址穿刺分析结果Fig.6 Results fro m the punch-through analysis at Site A

地基压力扩散角法的分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为13.8 m。然而A场址的实际插桩结果是:钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为11.2～11.4 m,且4个桩腿在插桩过程中均未发生穿刺。

对实际插桩结果进行反分析,可以得出:Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法和冲剪系数分析法三种方法的初始入泥深度(10.7 m)与实际插桩结果(11.2～11.4 m)较为吻合;而初始入泥深度处的穿刺发生的概率较低,与实际插桩未发生穿刺也基本吻合。因此,3种方法分析结果能够对A场址就位的钻井平台提供较好的参考。但是,地基压力扩散角法分析的结果(13.8 m)与实际插桩结果(11.2～11.4 m)存在一定偏差。这是由于硬层的厚度(10.7～13.4 m)小于桩靴直径的1/4,地基压力扩散角θ取0°,即硬层的承载力直接使用下部软黏土层顶部的承载力,这显然是与实际情况存在偏差。该方法主要用来验算建筑地基基础,且主要针对的是条形基础与方形基础,因此将其应用于钻井平台的圆形基础存在一定的局限性。

此外,我们再探讨A场址10.7～13.0 m和18.3～22.0 m的穿刺分析结果:两个深度处3∶1穿刺分析法计算的硬层顶部承载力均小于Baglioni分析法和冲剪系数分析法的分析结果。这是由于3∶1穿刺分析法计算的等效基础的大小只与砂层厚度有关,忽略了砂层密实度的影响,导致该方法对于松散砂的计算结果会偏大,对于密实砂的计算结果会偏小。

3.2 B场址

在渤海B场址完成了1个PCPT测试孔和1个取样孔,2个孔在钻遇深度内的土层分布基本一致。B场址的PCPT测试结果(以0～30 m为例)如图7所示,结果表明:0 m＜d≤8.4 m的土质为承载力较低黏性土;8.4 m＜d≤10.6 m的土质为承载力较好的砂性土;10.6 m＜d≤16.2 m的土质为承载力一般的黏性土,16.2 m＜d≤30 m的土质为承载力较好的砂性土。B场址土质设计参数(以0～30 m为例)如表3所示。

图7 B场址PCPT测试结果Fig.7 Results of PCPT test at Site B

B场址插桩就位的钻井平台为三腿自升式移动钻井平台,其桩靴式基础的最宽部分面积为156.3 m2,等效直径为14.1 m,桩靴尖至最大截面处的高度为0.9 m,每只桩靴的最大预压载为42.2 MN。利用表3的土质设计参数进行了桩靴基础承载力分析及穿刺分析,其结果如图8所示。Baglioni分析和3∶1穿刺分析法的分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的初始入泥深度均为9.3 m,在该深度处2种方法的穿刺相对安全系数分别为1.16和1.14;如果穿刺发生,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为14.9 m。冲剪系数分析法和地基压力扩散角法的分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为14.9 m。

图8 B场址穿刺分析结果Fig.8 Results fro m the punch-through analysis at Site B

表3 B场址土质设计参数表Table 3 Parameters designed for soil at Site B

然而,B场址的实际插桩结果是钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为8.5～9.6 m,且3个桩腿在插桩过程中均未发生穿刺。

对实际插桩结果进行反分析,可以得出:Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法两种方法的初始入泥深度(9.3 m)与实际插桩结果(8.5～9.6 m)非常吻合;而初始入泥深度处穿刺发生的概率一般与实际插桩未发生穿刺一般吻合。因此,Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法的分析结果能够对钻井平台在B场址插桩就位提参考。然而,冲剪系数分析法和地基压力扩散角法的分析结果(14.9 m)与实际插桩结果(8.5～9.6 m)存在一定偏差。地基压力扩散角法的分析结果与实际插桩结果存在偏差原因与A场址基本一致;而冲剪系数分析法计算出来的硬层顶部承载力比下部软黏土层顶部的承载力还低,这显然是不合理的,究其原因主要还是冲剪系数选取的不合理,使用近似公式计算出的冲剪系数与实际冲剪系数存在一定的偏差。因此,冲剪系数的选取还需要根据更多的工程实践来进行优化。

3.3 C场址

在南海C场址完成了3个PCPT测试孔和1个取样孔,4个孔在钻遇深度内的土层分布基本一致。我们以1#桩腿位置0～30 m的调查成果为例来进行分析,C场址1#桩腿的PCPT测试结果和土质设计参数如图9和表4所示,结果表明:0 m＜d≤1.0 m为承载力较低黏性土;1.0 m＜d≤8.0 m的土质为承载力较好的砂性土;8.0 m＜d≤14.3 m的土质为承载力一般的黏性土,14.3 m＜d≤30 m的土质为承载力较好的砂性土夹薄层黏性土。

图9 C场址1#桩腿PCPT测试结果Fig.9 Results of PCPT test at Site C

表4 C场址土质设计参数Table 4 Para meters designed for soil at Site C

C场址插桩就位的钻井平台为三腿自升式移动钻井平台,其桩靴式基础的最宽部分面积为254 m2,等效直径为18.0 m,桩靴尖至最大截面处的高度为1.2 m,每只桩靴的最大预压载为112.2 MN。利用表4中的土质设计参数进行了桩靴基础承载力分析及穿刺分析,其结果以承载力曲线形式表示,见图10。

图10 C场址穿刺分析结果Fig.10 Results from the punch-through analysis at Site C

Baglioni分析和3∶1穿刺分析法的分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的初始入泥深度为2.8 m,在该深度处2种方法的穿刺相对安全系数分别为1.43和1.28;如果穿刺发生,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为15.5 m。冲剪系数分析法和地基压力扩散角法的分析结果表明:在最大预压载下,钻井平台桩靴尖的最终入泥深度为15.5 m。

然而,C场址的实际插桩结果是钻井平台1#桩靴尖的最终入泥深度为3.1 m,且在插桩过程中未发生穿刺。

对实际插桩结果进行反分析,可以得出:Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法两种方法的初始入泥深度(2.8 m)与实际插桩结果(3.1 m)较为吻合;而初始入泥深度处的穿刺发生的概率较低,与实际插桩未发生穿刺也基本吻合。因此,Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法的分析结果能够对A场址就位的钻井平台提供较好的参考。但是冲剪系数分析法和地基压力扩散角法的分析结果(15.5 m)与实际插桩结果(3.1 m)存在较大的偏差。地基压力扩散角法的分析结果与实际插桩结果存在偏差原因与A、B场址基本一致;而冲剪系数分析法在C场址计算出来的承载力偏低,究其原因主要还是冲剪系数选取的不合理,因此,冲剪系数的选取还需要根据更多的工程实践来进行优化。

此外,我们再探讨C场址14.3～18.2 m的穿刺分析结果:按照Baglioni分析法计算的硬层顶部承载力远大于3∶1穿刺分析法和冲剪系数分析法计算结果,这是因为Baglioni分析法的计算原理为扩散角θ与有效内摩擦角Φ相等关系在一定范围内是合适的,对于松散砂的扩散角θ实际会大于砂土有效内摩擦角Φ,密实砂扩散角θ实际会小于砂土有效内摩擦角Φ。该层为密实砂,所以Baglioni分析法计算的结果比实际结果偏大。