带桩靴钻井平台插桩过程土压力变化规律研究

张宝平，杨旭才，王金明，段 鹏

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

带桩靴钻井平台插桩过程土压力变化规律研究

张宝平，杨旭才，王金明，段 鹏

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

为了解决自升式钻井平台在实际插桩过程中实际插桩深度与预测深度误差过大以及可能发生的穿刺问题，需要摸清自升式钻井平台插桩过程中桩靴周围土压力变化规律。为此，在渤海近岸处完成了多组插桩试验，试验利用土压力计测量插桩时桩腿周围应力变化。按照合理方案埋设土压力计，很好的完成了径向、切向和垂向土压力变化规律的研究，为海上钻井平台插桩设计和施工提供科学依据和指导。试验表明，插桩时，桩腿对周围土体的径向影响范围为桩靴直径的3倍，对周围土体的垂向影响范围大于插桩深度的3倍。

自升式钻井平台；插桩；土压力变化；桩靴；影响范围

目前，自升式钻井平台是我国近海油气勘探开发的主要钻探设备[1]，由于其具有定位能力强、作业稳定性好等优点，在近海石油开发中得到广泛应用[2]。众所周知，只有安全插桩就位才能进行钻井作业，平台插桩安全是指钻井平台插桩达到一定深度，并且在风暴、洋流以及正常施工时自升式钻井平台具有足够的抗滑移能力和抗倾覆能力[3]。最近几年，海上石油钻井平台在拖航、插拔桩、钻井等作业环节出现平台倾斜、桩腿刺穿和拔桩困难的情况越来越多。主要的风险是刺穿事故，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[4]。例如，某钻井平台在昌南6-1某探井压载作业时发生严重刺穿事故，造成多根斜拉弦管变形，被迫停工返厂维修，经济损失5 000万元以上；某钻井平台在番禺10-2某导管架插桩穿刺，造成桁架斜拉弦管弯曲，齿磨损、齿条卷边严重，经济损失达9 000多万元。

国内主要沿用美国石油协会API插桩计算方法[5]，该计算方法存在主要缺陷：

（1）未考虑插桩过程中桩土之间的相互作用，因此会影响压实过程中的塑性变形和强度恢复的正确判断。

（2）未考虑不同桩腿类型的区别及桩靴以上回填土对承载力的影响，可能会导致计算结果与实际情况相差较大。

（3）刺穿安全系数的合理性需要进一步验证，该取值对于“鸡蛋壳”地层插桩这一世界性难题具有重要影响。鉴于以上三点缺陷，插桩预测计算方法还需要改进和完善。

由于插桩事故复杂和插桩预测方法不够准确和完善，很有必要对插桩过程中桩腿和周围土相互作用力和影响进行研究，摸清插桩核心机理，从而为插桩预测提供理论依据和实践基础。为此在天津塘沽滨海海边搭建试验平台，开展了一系列插桩模拟试验，研究并得出插桩过程中周围土压力变化规律。本试验桩腿模型均为带桩靴的，其他无桩靴（如渤海九号）和箱体（如渤海十二号）的钻井平台不在本试验研究范围内。

1 桩腿模型

本试验以某平台为原型设计了4种不同比例模型，如图1，比例分别为1∶30，1∶40，1∶50，1∶100，对应的桩靴直径分别为60 cm，45 cm，36 cm和18 cm。桩腿为桁架式，桩靴底部有9个冲桩孔。

图1 桩腿模型

2 土压力计埋设

自升式钻井平台插桩时，由于桩腿对周围土体的破坏和挤压变形，桩腿周围的土压力存在明显的变化；拔桩后，由于土体的回填，土压力会逐渐的消散，通过埋设土压力传感器可测出插桩和拔桩后土压力值变化的准确值。插桩时桩靴周围土压力分为径向压力、切向压力和垂向压力，为了能够准确测定土压力的变化值，需要设计土压力埋置方案，并且需要特定装置来保持土压力姿态。

2.1 土压力计固定

将压力计焊接在固定装置上，见图2，按照径向、切向和垂向制作成三种姿态的土压力计串。固定装置可以保证土压力计埋入一定深度后受周围土的挤压时，保持姿态不变，从而保证准确测定各方向土压力变化值。

图2 压力计固定装置

2.2 土压力计埋设

首先，根据应力的传递特征和土压力受力精度，设计压力计埋设方案，如图3，分别在一倍桩靴直径、两倍桩靴直径和三倍桩靴直径处放置三串土压力计串，均匀分布在不同半径的圆周上，且不相重叠，保证土压力计测量值受前面土压力计的阻挡所产生的影响尽量小。

图3 土压力计埋设位置

其次，在预定埋设位置钻孔，如图4，用套管将周围土隔离开来，防止缩径、回填，保证压力计下入深度和姿态准确。

图4 钻孔放置压力计固定装置

最后，下入土压力计串，静置等待，以便压力计周围土层尽可能恢复原始状态，保证土层压力传递的自然性。

3 试验步骤

本次模拟实验采用了四种不同尺寸的桩腿，其直径为60 cm、45 cm、36 cm和18 cm，桩腿类型为桁架型。以桩靴直径为60 cm的桁架型桩腿为例，介绍实验桩腿插入的主要过程。

（1）确定插桩位置，根据插桩位置埋设土压力计（埋设过程见2.2小节）。

（2）土压力计埋设完毕后，静置一周左右的时间，在指定插桩位置下入桩腿，将桩腿扶正、固定，确保桩腿不会发生倾斜。

（3）在上层圆柱形桩腿上选定合适的位置焊接水箱支架（井子架），共两个，每个水箱支架上放置加载水箱，焊接时应确保水箱支架的牢固性。

（4）如图5安装水箱，在水箱的四周设计滑轨，确保加水压载时桩腿能垂直下入，且能预防水箱安装不稳定造成的滑落事故。

（5）根据实验方案设计的加载方式进行注水加载，记录加载过程中所需要的实验数据。

（6）放出水箱中的海水，拆下水箱，拔出实验桩腿，记录拔桩阻力等数据，实验完毕。

图5 水箱安装完毕后示意图

4 土压力变化规律分析

试验采用直径60 cm桁架桩腿模型进行压载插桩试验，实际插桩入泥深度为2 m，压力计埋深分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，压力计距桩靴间距分别为1倍桩靴直径和3倍桩靴直径，每个位置都有三串土压力计代表三种姿态土压力计，分别记录不同位置和不同深度的土压力参数，根据记录参数，制作曲线和表格，总结分析了径向、切向和垂向土压力变化规律。

4.1 径向土压力变化规律分析

首先，根据插桩试验获得的土压力参数，分别作出土压力计距离桩靴1倍桩径处，土压力计埋深1 m、3 m、6 m时，径向土压力变化规律曲线见图6。

图6 距离桩靴1倍桩径处径向土压力变化曲线

根据曲线分析得到：

（1）当土压力计埋深小于插桩深度时，土压力值先增加后减小；当土压力计埋深大于插桩深度时，土压力值线性增加。

（2）桩腿的径向压力的垂向影响范围小于插桩深度的3倍。

然后，根据试验数据分别作出距离桩靴3倍桩径处，土压力计埋深1 m、3 m、6 m时，径向土压力变化规律曲线见图7。

根据曲线分析得到：

（1）当土压力计埋深小于插桩深度时，土压力值先增加后减小；当土压力计埋深大于插桩深度时，土压力值线性增加。

（2）桩腿的径向土压力的横向影响范围大于桩靴直径3倍。

图7 距离桩靴3倍桩径处径向土压力变化曲线

（3）根据试验数据，分别找出插桩深度为0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m处各个土压力计埋设点的土压力值，由表1可知插桩深度与土压力计埋深相同时，径向土压力增加程度最大，平均值达到44.45%。

4.2 切向土压力变化规律分析

由于插桩时桩腿对周围土的切向力较小，因此试验只记录了1倍桩靴直径处，土压力计埋深分别是1 m、3 m、6 m，插桩过程中切向土压力的变化曲线见图8。

根据曲线分析得到：

（1）当土压力计埋深小于插桩深度时，土压力值先增加后减小；当土压力计埋深大于插桩深度时，土压力值持续增加。

（2）桩腿的径向土压力的垂向影响范围约为插桩深度的3倍。

表1 径向土压力的平均影响程度

图8 切向土压力变化曲线

（3）分析位于泥面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m处的土压力值，发现插桩深度与土压力计埋深相同时，切向土压力增加程度最大，平均值达到9.43%，见表2。

4.3 垂向土压力变化规律分析

试验记录了1倍桩靴直径处，土压力计埋深分别是1 m、3 m、6m，插桩过程中垂向土压力的变化曲线见图9。

根据曲线分析得到：

（1）当土压力计埋深小于插桩深度时，土压力值先增加后减小；当土压力计埋深大于插桩深度时，土压力值持续增加。

（2）桩腿的垂向土压力影响范围大于插桩深度的3倍。

表2 切向土压力的平均影响程度

图9 垂向土压力变化曲线

（3）分析位于泥面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m处的土压力值，发现插桩深度与土压力计埋深相同时，垂向土压力增加程度最大，平均值达到58.72%，见表3。

4.4 桩腿对三向应力影响程度分析

当插桩深度为2 m时，桩腿对三向应力的平均影响程度见表4。

从表4可以明显看出，插桩时，桩腿对三向应力的影响程度不同，其影响程度是：垂向应力＞径向应力＞切向应力。

5 结论

通过带桩靴自升式钻井平台插拔桩海边试验，摸清了桩腿在不同插桩深度对周围土压力的影响规律，主要规律如下：

表3 垂向土压力的平均影响程度

（1）插桩深度一定时，当土压力计埋深小于插桩深度时，径向土压力、切向土压力和垂向土压力均先增加后减小；当土压力计埋深大于插桩深度时，径向土压力、切向土压力和垂向土压力均单调增加。

表4 三向应力的平均影响程度

（2）插桩时，桩腿对周围土体的径向影响范围为桩靴直径3倍；对周围土体的垂向影响范围大于插桩深度的3倍。

[1]杨进， 徐国贤， 刘书杰， 等. 自升式钻井平台桩腿入泥深度计算研究[J]. 中国海上油气， 2012， 24（6）： 58-60.

[2]张爱霞，段梦兰. 自升式平台穿刺过程结构响应研究[J]. 海洋工程，2013，30（3）：24-30.

[3]任杰， 侯勇俊， 张智亮. 自升式平台桩腿与岩土互作用研究进展[J]. 石油矿场机械， 2011， 40（1）： 9-14.

[4]胡知辉， 赵军， 宋林松， 等. 复杂地层条件下自升式钻井平台插桩穿刺分析[J]. 中国海上油气， 2011， 23（5）： 344-348.

[5]李洪， 邓金根， 孙焱， 等. 自升式平台桩脚在含硬壳层地基中的插深分析[J]. 海岸工程， 2010， 29（2）： 31-37.

Research on Soil Pressure Variation of Drilling Rig with Spudcan during Penetration

ZHANG Baoping, YANG Xucai, WANG Jinming, DUAN Peng
（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

In order to solve problem that the jack up rig's penetration depth has a large error between prediction and reality in the process of leg penetration, even punch-through happen. For the reason, a number of leg penetration test completed in the Bohai Sea coastal department to measure stress change around the leg. According to a reasonable plan to cover up soil pressure , finished study of radial, tangential and vertical variation very well, it provides scientific basis and guidance for desgin and construction of offshore drilling rig's leg penetration. Tests showed that legs' radial influence to the soil is 3 times of the spudcan's diameter, leg's the vertical influence to the soil is greater than 3 times of the penetration depth.

Jack up rig; raised platform; cantilever beam; service ability; model

TE58

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.088

1008-2336（2016）04-0088-06

2016-03-25；改回日期：2016-05-03

国家863重点项目“海洋平台地基与基础测试分析技术”（2008AA092701-03）；中海油研究总院重点项目“自升式钻井平台插拔桩预测技术研究与应用”（YXKY-2014-ZY-04）。

张宝平，男，1981年生，高级工程师，主要从事自升式钻井平台插桩、就位方案设计和钻井平台定位导航方面的工作。

E-mail：zhangbp@cnooc.com.cn。