苏文涛

[摘  要]针对复杂地质条件下自升式平台插桩就位过程中可能出现的穿刺、入泥过深等问题，本文结合胜利九号平台在埕北20CA井位的插桩就位作业，收集资料，对已知的国内外平台插桩事故进行统计分析，建议在复杂地层下，尤其存在硬软交互地层且桩靴还未穿透硬地层到达持力层的情况下，采用零气隙压载。最后基于海洋井场调查规范，计算出胜利九号平台在埕北20CA井位的入泥深度为10.3米，平台不存在穿刺风险，对自升式平台的插桩就位具有一定的参考和指导意义。

[关键词]自升式平台  插桩  穿刺  入泥深度

中图分类号：TE953 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0128-01

1 引言

自升式钻井平台在国内外近海油气田开发中得到广泛应用[1]。渤海海域水深较浅，特别适合自升式钻井平台作业。然而渤海海域地质条件复杂，部分地区地质疏松，海底表层多为粉土，向下为粉质粘土、砂土及粘土互层。自升式平台作业时，如果层状地基的承载力不够，桩靴可能穿透上部硬层，突然下陷形成穿刺造成平台结构损坏或使桩腿入泥过深，导致拔桩困难，这些给自升式钻井平台的作业安全性带来了巨大的威胁。

自升式平台作业的前提就是要“插得稳，拔得出”。历史上发生过多次自升式钻井平台因入泥过深造成拔桩过程超过30 多天、刺穿地层桩腿损坏、固桩区构件变形等重大事故[2]。1983年11月，勘探二号自升式钻井平台在压载过程中，1号桩腿突然深陷，平台倾斜，平台严重受损; 2009年，Sapphire？Driller钻井平台在压载中发生刺穿事故，由于采用零气隙压载最大限度的减少了平台损坏，见图1。

即使在同一井位短短几十米范围内，地基的承载力有时也是大大不同。胜利九号平台在埕北151井位，首桩入泥5米，其它两桩入泥13米。虽然自升式平台作业前都会对井位进行了现场地质调查与评估，但每年仍有大量事故发生。本文以CB20CA井位为例，分析插桩机理及操作过程，对保证平台的作业安全，避免不必要的经济和人员损失具有重要意义。

2 自升式平台插桩机理

2.1 插桩机理

自升式钻井平台拖航到目标井位后，需要进行插桩作业。插桩，就是将平台重量由船体浮力支持过渡到由桩腿支持的过程。插桩时，随着船体慢慢离开水面及后续的预压载，桩靴逐渐插入土体，直到土体承载力和船体的预压载荷平衡，桩靴下沉才会停止。

平台桩靴插入土体时，土体大体会经过两个阶段的流动：

（1）在桩靴刚插入土层中，桩靴下的土体发生流动，土层表面发生隆起，桩靴周围会形成一个小的桩坑。

（2）随着桩靴入泥深度的增加，桩靴下的土体开始向上流动，并逐渐越过基础的表面发生回流，直至桩靴完全埋入到土层中，最后达到一个稳定值。

（3）如果平台基础发生未预料到的快速沉降，会导致结构受损。

对于自升式钻井平台，为保证平台在风暴条件下桩腿下部土体有足够的极限承载能力，需要计算自升式钻井平台在一定预压载荷作用下的插桩入泥深度[3]。

3 CB20CA井位插桩分析

3.1 平台概况

胜利9号平台为3桩腿自升式平台，桩腿长56.7m，桩腿直径2.74m，桩靴为圆形，直径为7.91m。平台总吨位为43000kN，起升后可变荷载13610kN。按照3桩腿均匀承载考虑，求得单桩支撑荷载18870KN。

3.2 复杂地层[4]

埕北20CA井组水深10米，井位地质资料为：0.0～4.2m为中密状态粉土，内摩擦角为18°;10.3～11.0m为中密状态粉土，内摩擦角为15°。粘性土分布如下：4.2～10.3m为软、可塑状态粉质粘土，内聚力为25kPa;11.0～17.5m为可塑状态粉质粘土，内聚力为45kPa。海底表层为粉土，向下为粉质粘土、砂土及粘土互层，地质条件复杂，为典型的复杂层状地基。

3.3 计算方法

国外对自升式钻井平台插桩深度的研究开始得比较早，L.Prandtl、A.W.Skempton、Tersaghi等人根据自己的研究成果分别提出了不同性质土体、不同形状基础的地基极限承载力公式。考虑到海底土体的特殊性质和自升式钻井平台桩靴的不同，国内工程界对上述地基承载力公式进行了修正，提出了适合自升式平台插桩深度计算的基础承载力规范，即海洋井场调查规范[5]（SY/T 6707-2008），也就是我们常说得API推荐的关于浅基础的计算方法。在该规范中，将自升式钻井平台分为桩腿式基础和桩靴式基础两类，并根据基础的不同提出不同的土体极限承载能力。

根据海洋井场调查规范计算，得出

根据表1，10.3米深度基地承载力为27694kN，大于平台的单桩最大预压载荷18870kN，即平台压载后桩靴入泥深度为10.3米。

3.4 刺穿分析

上面承载力计算是假设土层全部为砂土或全部为粘土的极限承载力计算方法。根据表2，CB20CA井位，泥面下20米内，为粉土与粉质粘土互层，即硬软交互地层。粉土层为硬土层，粘土层软土层。硬层和软弱下卧层之间承载力不同，由表2可知，10.3米下，11～17.5米为软粘土层，承载力小于10.3～11米的硬土层，可能会存在桩脚潜在的刺穿危险，需要进行穿刺分析。

穿刺分析中通常采用YOUNG和FOCHT的3：1荷载扩展分析法，这种方法假定施加在硬土层上的基础荷载被扩展通过硬层，在软弱层在顶面产生一假设的等效基础。通过硬层的扩展比例1：3（水平方面：垂直方面），如果施加在等效基础上的压力超过下层土的承载力，刺穿将会产生。刺穿的安全性主要取决于上覆硬层的厚度。

Fs= =1.57>1.5 安全

4 结论

本文通过统计自升式平台插桩过程中出现的事故，分析插桩机理，并结合胜利九号平台在埕北20CA插桩的实际情况，得出：

（1）在埕北20CA井位，胜利九号钻井平台插桩深度为10.3米，地层极限承载力为27694 kN，插桩安全系数为1.57，不会发生刺穿。

（2）对于复杂地层、陌生海域建议采用零气隙压载。尤其对于桩靴预计入泥深度内有硬软交互地层的平台插桩，如果压载时桩靴没有穿过硬土层，应采用零气隙压载，防止压载时桩靴突然刺穿硬土层，造成平台结构损坏。

（3）平台就位前必须进行充分地海况地质调查、气象条件，确保数据准确。波浪较大时，尽量避免平台的插拔桩作业。对于平台插桩时入泥过浅，无法穿透硬土层的，建议采用Swiss Cheese方法来主动预防硬粘土层下覆软粘土层的穿刺问题。对于砂土层下覆软粘土层的穿刺问题，用冲桩的方法达到主动解决穿刺问题。

参考文献

1.汪张棠，赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展.船舶，2008，2（1）：10-15.

2.陈庆，谭伯兴.胜利六号近海自升式移动钻井平台的插拔桩问题的研究[J].海洋工程.

3.孙东昌，潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海：上海交大出版社，2008