复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析.pdf

第２ ３卷 第５期 ２ ０ １ １年１ ０月中国海上油气ＣＨ Ｉ ＮＡ Ｏ Ｆ Ｆ Ｓ ＨＯ Ｒ Ｅ Ｏ Ｉ Ｌ ＡＮ Ｄ ＧＡ ＳＶ ｏ ｌ ． ２ ３ Ｎ ｏ ． ５ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ １＊国家“８ ６ ３” 高技术研究发展计划项目（２ ０ ０ ８ ＡＡ ０ ９ ２ ７ ０ １－３） 、 中海油田服务股份有限公司项目（Ｊ Ｓ Ｋ Ｆ ２ ０ ０ ８ Ｙ Ｊ ０ １） 部分研究成果 第一作者简介：胡知辉， 男， 中国石油大学（ 北京） 在读博士研究生， 主要从事海洋立管、 平台结构的研究地址： 北京市昌平区府学路１ ８ 号中国石油大学（ 北京） 海洋油气研究中心（ 邮编：１ ０ ２ ２ ４ ９） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｚ ｈ ｉ ｈ ｕ ｉ＿ｈ ｕ＠ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析＊胡知辉１ 赵 军１ 宋林松２ 段梦兰１（１． 中国石油大学（ 北京） 海洋油气研究中心； ２． 中海油田服务股份有限公司）摘 要 在复杂地层（ 硬土层覆盖软土层， 即层状地基） 条件下， 自升式钻井平台预压载期间可能发生桩腿桩靴穿透上部硬土层， 并在下伏软土层中快速沉降形成穿刺， 导致平台结构受损， 造成重大经济损失。

对自升式钻井平台穿刺事故进行了统计分析， 同时对穿刺破坏机理进行了研究， 并以南海西部 Ａ井位为例， 提出了可行的穿刺预防措施， 对保证平台作业安全具有重要意义关键词 自升式钻井平台 层状地基 插桩穿刺 破坏机理 预防措施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， 移动灵活方便并且便于建造， 因此在海洋石油开采中得到了广泛应用， 在全球现有海上钻井平台中约占到４ ０％然而， 自升式钻井平台在作业期间经常遭遇意外穿刺事故， 导致平台结构受损，造成重大经济损失据 ＭＳ Ｌ 公司统计， 穿刺事故占平台总事故的比例高达５ ３％［１］平台作业前都要对井位进行完善的现场地质调查与评估， 但每年仍有大量的穿刺事故发生平台穿刺事故频发主要与复杂的海底地层条件有关， 某些海域海底沉积物表层多为粉土， 向下为粉质粘土、 砂土及粘土互层在上硬下软层状地基条件下， 平台插桩预压载时， 桩腿桩靴穿透上部硬土层后在下部软土层中快速沉降， 且超出平台自身调节控制能力， 因而发生穿刺事故目前全球存在穿刺风险的主要海域及对应的作业平台数量如图１所示， 可以看出， 平台穿刺风险主要集中在北美、 中东与亚洲等海域； 平台穿刺事故分类统计分析结果见图２。

随着东南亚各国最近几年加大对海上油气田的开发， 在相关海域作业的平台数量逐渐增多， 据统计在２ ０ ０ ０—２ ０ ０ ８年发生的平台穿刺事故中超过８ ０ ％发生在亚洲［２］， 由此也对预防平台作业过程中穿刺事故的发生提出了迫切要求本文在对目前已发生的平台穿刺事故进行统计分析的基础上， 研究了穿刺破坏机理， 并以我国南海西部 Ａ 井位为例提出了可行的穿刺预防措施， 对指导自升式钻井平台后续作业和保证平台作业安全具有重要意义１ 平台穿刺事故统计分析一直以来， 在世界各个海域作业的自升式钻井平台几乎每年都有意外穿刺事故发生， 由此导致平台结构受损， 造成了重大经济损失２ ０ ０ ９年１ １月５第２ ３卷 第５期胡知辉等： 复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析３ ４ ５ 日， 在马来西亚Ｄ ｕ ｙ ｏ ｎ ｇ平台作业的Ｔ ｒ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ １ ７号自升式钻井平台因遭遇恶劣天气， 左舷桩腿发生刺穿导致桩腿严重损坏， 随后１ ０日另外两条桩腿也相继发生破坏［３］２ ０ ０ ６年１月，Ｓ ｅ ａ Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ公司的自升 式钻井平台Ｓ ｅ ａ Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ５号在印度海域某一井位插桩作业时一条桩腿发生穿刺事故， 随后花了一个季度的时间进行桩腿修复［４］。

另外，Ｅ Ｎ Ｓ Ｃ Ｏ－５ ７、Ｒ ｏ ｇ ｅ ｒＭ ｏ ｗ ｅ ｌ ｌ、Ｐ Ｖ Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ １、Ｇ ａ ｌ ｖ ｅ ｓ ｔ ｏ ｎ Ｋ ｅ ｙ等平台在越南、 马来西亚海域作业过程中均发生过穿刺事故导致平台受损［５］除在东南亚海域外， 其他海域作业的自升式钻井平台也有大量穿刺事故发生２ ０ ０ ２年９月３ ０日， 阿拉伯钻井公司的Ａ ｒ ａ ｂ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ １ ９号自升式钻井平台在沙特阿拉伯的Ｋ ｈ ａ ｆ ｊ ｉ油田作业时， 由于发生穿刺， 平台的一个桩腿弯曲， 使平台倒塌在旁边的生产平台上， 导致生产平台采油树爆裂， 引发大火， 最终造成自升式平台和生产平台沉没并导致３人死亡的事故［６］， 平台受损情况见图３１ ９ ９ ６年１ １月１ ６日， 在南澳大利亚圣文森特湾，Ｍ ａ ｅ ｒ ｓ ｋ Ｖ ｉ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ号自升式钻井平台发生穿刺事故， 桩靴一直穿刺到海床下大约１ ０ ｍ处的坚硬沉积层， 导致平台的３根桩腿严重损坏， 以至于不得不在修复平台前割断桩腿， 然后再单独修复［６］， 平台受损情况见图４由于一些单位不愿意公布平台事故等相关信息， 目前公开报道的平台事故案例还比较少， 本文通过对仅有的一些行业文献资料的收集整理， 统计出到目前为止发生的大量平台穿刺事故案例。

尽管缺少事故的详细资料与信息， 但从这些事故统计结果中也能得到一般性结论， 对每起事故的发生背景、 原因进行分析， 以期为以后部署平台作业提供借鉴本文所统计到的事故数据中， 穿刺事故占到总事故的５ ５％左右， 与 ＭＳ Ｌ公司统计结果基本吻合１ ９ ９ ０年前后有超过一半的穿刺事故发生在北美海域， 但２ ０ ０ ０年之后穿刺事故主要发生在亚洲海域， 且有逐年增加的趋势， 主要原因是： 北美海域的钻井作业公司对平台前期大量的实际作业经验进行了总结， 通过研究对作业海域的复杂地层条件有了更深的了解， 而且形成了标准化的穿刺预测分析和评估计算方法， 以及一些行业规范来指导平台作业， 事故发生率逐渐降低； 但是在亚洲海域， 大量的平台作业主要集中在２ ０ ０ ０年之后，由于对作业区域缺乏长期深入研究， 没有掌握作业区域地层土体分布特点， 单独靠某一井位地质调查很难避免平台穿刺风险， 同时已有的穿刺判断方法的适应性也存在问题， 在工程实际中经常出现预测某一井位存在穿刺风险， 而平台实际作业过程中并没有发生穿刺， 或判断某一井位不存在穿刺风险， 但平台实际作业过程中却发生了穿刺事故的情况２ 穿刺机理分析平台桩腿桩靴下放到海底开始压桩后， 桩靴会贯穿表层土体， 直到土体的承载能力和预压载荷达到平衡时为止。

如果某一深度范围内土层是层状地基（ 即硬土层覆盖软土层） ， 土体的承载能力随着深度的增加而减小， 在预压载期间将会导致平台发生穿刺如果层状地基上覆硬土层强度较大， 桩靴插桩到上覆硬土层时可能暂时是稳定的， 然而由于下伏软土层的影响， 平台作业期间桩靴可能会突然穿透上覆硬土层并进入下伏软土层而形成穿刺当桩腿桩靴穿刺速度超过平台齿轮齿条维持船体平衡时的下放能力， 将导致平台偏转而引起力矩的增加， 对平台造成损坏（ 图５） ， 直到穿刺后土体承载力或船体入水增加的浮力达到预压载量时为止， 穿刺过３ ４ ６ 中 国 海 上 油 气２ ０ １ １年 图５ 自升式钻井平台穿刺机理示意 程才会停止， 因此平台损伤程度与穿刺速度和幅度有关， 而平台穿刺速度和幅度又与井位地质参数、 船体压载量、 作业水深、 压桩时船体气隙以及船体自身性能有关层状地基是导致平台穿刺的关键部位， 位于上层具有较高强度的硬壳层与下伏软土层形成明显强度差与刚度差， 在压桩载荷作用下承载方式特殊： 在桩靴穿透硬壳层之前， 硬壳层具有板体支撑作用， 使地基中的应力大量地聚集在硬壳层内； 另外在硬壳层的封闭效应下， 下伏软土层中产生较大的水平附加应力， 当桩靴穿透硬壳层后将在软土层中快速沉降发生穿刺； 穿透的同时会形成土塞效应， 即桩靴穿透时桩靴下表面的硬土层会形成倒锥形土塞随桩靴一起进入到软土层， 加大软土层的横向变形。

土塞与下伏软土层的相互作用机理需要进一步研究， 土塞对桩腿桩靴穿透上部硬土层后的最终入泥深度以及下部软土层的承载能力都有一定影响对于自升式钻井平台结构来说， 一旦发生桩 腿桩靴穿透上部硬土层导致穿刺后， 平台船体将会发生偏转， 桩腿倾斜弯曲产生弯矩， 但在上环梁与下环梁的约束下， 桩腿斜支撑梁首先发生弯曲，见图６在实际平台穿刺事故过程中， 就有平台斜支撑梁被压弯变形的实例（ 图７） ， 如果平台穿刺速度和幅度过大将有可能导致平台桩腿折断， 发生平台严重损坏事故（ 图８） 由此可见， 穿刺对于平台来说是属于非常严重的事故类型， 因此需要对平台插桩过程中桩腿桩靴与土体的相互作用机理进行深入研究， 尽量避免穿刺事故的发生， 保证平台作业安全３ 南海西部Ａ井位穿刺分析３ ． １ 穿刺可能性分析Ａ 井位于海南省三亚市以南１ ０ ０ ｋ ｍ 处， 所在海域水深１ １ ３ ． ５ ｍ， 由Ｂ号钻井船在该井位作业Ｂ号钻井船为一条三腿自升式移动钻井船， 其桩脚式基础的最宽部分面积为２ ５ ４ ｍ２， 有效直径１ ８ ． ０ ｍ预压载时， 每 只 桩 脚 的 最 大 预 压 载 为１ １ ２ ． ２ ＭＮ（１ １ ４ ５ ０ ｔ） 。

通过海洋土质调查和现场钻探取样分析获得 Ａ 井位海底土质情况及各层土体参数见表１， 在距海底４～１ ４ ｍ 之间为砂土层覆盖粘土层，而且砂土层土层厚、 强度比较高， 下伏粘土层厚度为５ ． ３ ｍ， 属于非常典型的层状地基第２ ３卷 第５期胡知辉等： 复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析３ ４ ７ 表１ 南海西部 Ａ井位海底土质情况及各层土体参数层号深度（ｍ）土质描述水下容重 （ｋ Ｎ／ｍ３）设计抗剪强度 （ｋ Ｐ ａ）粒状土设计参数 （ 内摩擦角）ＮｑＮγ１ ０～４ ． ０非常软的粉质粘土７ ． ０ ４ ． ０～７ ． ０２ ４ ． ０～８ ． ７中密实的细砂８ ． ７ ２ ５ °１ ０ ． ７ １ ０ ． ９３８ ． ７～１ ２ ． ９ １ ２ ． ９～１ ４ ． ０稍硬到硬的 粉质粘土８ ． ０ ８ ． ０５ ０ ． ０ ７ ５ ． ０４ １ ４ ． ０～２ １ ． ４密实的细砂 和粉质细砂９ ． ２ ３ ０ °１ ８ ． ４ ２ ２ ． ４５ ２ １ ． ４～４ ０ ． ３硬的粉质粘土８ ． ８ ５ ５ ． ０注：Ｎｑ、Ｎγ为承载力系数［８］；Ｎｑ＝ｅ ｘ ｐ（π ｔ ａ ｎ）ｔ ａ ｎ２（４ ５＋／２） ，Ｎγ＝（Ｎｑ＋１）ｔ ａ ｎ。

本 文 采 用 《 海 洋 井 场 调 查 规 范》［８］方 法 与Ａ Ｂ Ａ ＱＵ Ｓ数值模拟方法对 Ａ井位地基进行承载力分析， 结果如图９所示计算结果表明，Ｂ号钻井船在１ １ ４ ５ ０ ｔ的最大预压载下， 桩脚尖部的初入泥深度为５ ． ２ ｍ， 但在４ ～ １ ４ ｍ层状地基处相对穿刺安全系数仅有１ ． ０ ５， 根据《 海洋井场调查规范》 关于层状地基穿刺判断的评价标准， 预计平台发生穿刺的可能性极大据图８， 如果发生穿刺， 穿刺后沉降量可达９ ｍ，将严重威胁到平台插桩安全； 如果插桩时没有发生穿刺而保持在５ ． ２ ｍ的入泥情况下， 钻井船在南海恶劣的环境条件下进行后续作业依然存在穿刺的风险图９ 南海西部Ａ井位土体承载力与桩脚尖入泥深度关系曲线３ ． ２ 穿刺预防措施 根据３ ． １节分析， 针对 Ａ 井位比较安全的压载方案是预先采取安全措施主动穿透５ ． ２ ｍ 处层状地基目前对于粘性土层状地基（ 硬粘土层覆盖软粘土） ， 在工程实际中应用的主动刺穿措施是插桩前钻孔的办法， 但对于砂土层覆盖软粘土的层状地基，插桩前钻孔的方法并不适用［９－１ ０］。

由于平台每个桩靴底部都有高压喷嘴， 因此考虑采用冲桩的方式减小砂土层承载能力， 因为冲桩能改变砂土层孔隙水压。