近岸區(qū)井場坐底式平臺拋砂整砂處理

近岸區(qū)井場坐底式平臺拋砂整砂處理

cb151井場位于福建島油田東南部。有一個簡單的平臺cb151和cb151，三個井，所有井都有三個。這是最初的福建省油氣公司生產(chǎn)領(lǐng)域。自1992年試采以來,已累計生產(chǎn)原油10.73×104t,為勝利油田增儲上產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。由于該井場水深較淺,依靠坐底式采油平臺生產(chǎn),先后共進(jìn)行了8次坐底式平臺就位作業(yè)和起浮拖航,并相應(yīng)伴有至少8次拋沙平整及拋砂平臺防護(hù),平臺坐底就位與起浮拖航時間間隔最長一次為13個月,最短一次不足1d。多次和短期間內(nèi)在井場不同方位頻繁進(jìn)行的平臺坐底、插樁、起浮、拋砂平整、拋砂防護(hù)等工作,使海底特征發(fā)生了變化,嚴(yán)重影響著坐底式平臺坐底就位及作業(yè)過程中的安全生產(chǎn),如2000年1月15日,“開發(fā)二號”采油平臺在CB151單壓載插樁時,插樁4根,樁深3.0m,平臺出現(xiàn)右傾2.1°,壓載水已壓2/3,重約1700～1800t,就位未成功,使“開發(fā)二號”采油平臺不得不排水起浮,拖回碼頭,既影響了油井采油時率,又增加了采油平臺拖航費(fèi)用?？梢?針對由于坐底式平臺多次就位、多次拋砂、多次起浮拖航而對下次坐底式平臺坐底就位及作業(yè)過程中的安全生產(chǎn)的影響進(jìn)行研究是非常必要的。1海底地形特征1.1海底高差變化2000年5月16日、17日,在以CB151單井為中心的300m×300m區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了水深調(diào)查。海底地形總體表現(xiàn)為西南淺、東北深,最淺約3.0m,最深5.5m。CB151單井-CB151井組附近,由于坐底式平臺多次就位、人工拋砂的影響,海底高差變化大,但大部分水深較淺,多為3.3～4.0m。井場其它區(qū)域水深均在4.0～5.5m之間,水深4.5m以上區(qū)域呈環(huán)帶狀圍繞著CB151單井-CB151井組處的人工投砂區(qū),井場內(nèi)坡降較大區(qū)均出現(xiàn)在井口周圍人工拋砂區(qū)的邊緣,最大坡降值高達(dá)130‰,其與周圍海底近于陡坎接觸。由于人工拋投沙袋的不均勻,造成了井口附近海底地形起伏較大,并形成了很多人工“淺點(diǎn)”(表1),高差可達(dá)1.8m,這些“淺點(diǎn)”對平臺坐底影響很大。1.2地面人工拋砂現(xiàn)狀CB151井場海底地貌較為單一,主要有2種地貌類型:(1)人工拋砂地貌于2000年5月16日、17日,用美國KLEIN公司SYSTEM2000型雙頻數(shù)字聲納系統(tǒng)進(jìn)行掃海,通過旁掃聲納掃海資料發(fā)現(xiàn),人工拋砂地貌主要分布在CB151單井-CB151井組連線周圍,海底極為粗糙,見有強(qiáng)的沙袋聲波反射和明顯的反射陰影區(qū),人工拋投的沙袋主要集中在井口附近,遠(yuǎn)離井口的人工拋砂區(qū)沙袋數(shù)量較少。另外,CB151單井東側(cè)和東北側(cè),曾進(jìn)行2次坐底作業(yè),坐底遺跡在海底的形態(tài)呈長方形,內(nèi)有小型砂波,遺跡的邊緣為人工拋沙形成的斷續(xù)凸起的“邊框”,“邊框”處水深較淺,局部形成了“淺點(diǎn)”。(2)粗糙海底地貌粗糙海底地貌區(qū)覆蓋了井場大部海底,海底粗糙,聲波反射明顯較大,其表層物質(zhì)組成為較致密的粉砂。2平坦層特征2.1現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)(1)鉆孔布設(shè)為更準(zhǔn)確的查明不同工程地質(zhì)環(huán)境條件下,地基土的工程地質(zhì)性質(zhì)和差異,為坐底式平臺工作的穩(wěn)定性做出正確評價,CB151井場共布設(shè)鉆孔3個(表2)。(2)分層地質(zhì)特征鉆孔現(xiàn)場記錄和室內(nèi)土工試驗(yàn)資料分析表明,CB151井場10m以淺的地基土地層分為3或4層:第1層,粉土,黃褐色,呈軟塑-可塑狀態(tài),含有粉質(zhì)粘土團(tuán)塊,粘粒含量向下部逐漸增多,底部見有灰黑色有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊及貝殼碎屑,在強(qiáng)地震、暴風(fēng)浪等外力作用下,可能發(fā)生液化現(xiàn)象。各鉆孔第1層現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)見表3。從表3可以看出,在CB151井場正常地層范圍內(nèi)第1層頂部約有0.2m的浮泥,在原平臺就位區(qū)域或拋砂區(qū)范圍內(nèi)有1層厚度不等的粗砂層,從現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)看,CB151井場拋砂區(qū)域和坐底式平臺就位區(qū)強(qiáng)度明顯高于正常地質(zhì)區(qū)域。第2層,淤泥質(zhì)粘土,褐黃色,軟塑-流塑狀態(tài),局部含有灰黑色粉土團(tuán)塊,在強(qiáng)地震、暴風(fēng)浪等外力作用下,可能發(fā)生液化現(xiàn)象。各鉆孔第2層現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)見表4。由表4可以看出,在CB151井場附近,原坐底式平臺就位過的地方第2層軟弱層厚度小于拋砂位置,而拋砂位置區(qū)第2層軟弱層厚度小于CB151井場正常區(qū)域;從現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)看,原坐底平臺就位過的區(qū)域土力學(xué)強(qiáng)度大于拋砂區(qū),而拋砂區(qū)土力學(xué)強(qiáng)度又明顯大于CB151井場正常地層區(qū)域。第3層,粉土,褐黃色,可塑狀態(tài),含少量粉質(zhì)粘土團(tuán)塊及有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊,在強(qiáng)地震、暴風(fēng)浪等外力作用下,可能發(fā)生液化現(xiàn)象。各鉆孔第3層現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)見表5。由表5可見,坐底式平臺多次就位、多次拋砂,對該區(qū)域影響較大。第4層,僅見于CB151(3)孔:粉質(zhì)粘土,褐黃-灰黃色,呈軟塑狀態(tài),無明顯層理,含有粉土及粘土團(tuán)塊,層厚>2.2m,此層未見底。天然含水量ω=33.4%,天然密度ρ=1.91g/cm3,壓縮系數(shù)a1-2=0.25mPa-1,內(nèi)聚力C=14.6kPa;為中壓縮性土層。2.2覆蓋物界面組成CB151井場地層結(jié)構(gòu)較為單一,10m以淺地層中有一個聲波反射能量較大的聲阻抗界面(R1),該界面標(biāo)高極為穩(wěn)定,界面平滑,埋深6.4～7.5m,埋深值主要受海底地形的影響,在井場邊緣區(qū)R1界面的埋深較大,為7.2～7.8m,CB151單井-CB151井組區(qū),由于人工拋砂的影響,R1界面的埋深多在7.2～7.6m,而位于井場邊緣和井位之間的區(qū)域R1界面的埋深多在7m以下。R1界面上覆聲學(xué)地層A層,物質(zhì)組成極為均一,未發(fā)現(xiàn)連續(xù)的聲波亞阻抗界面。A層的層厚及變化規(guī)律與R1界面的埋深相同,在CB151單井和CB151井組附近,A層的厚度為7.2～7.6m,物質(zhì)組成為堆積較緊密的粉砂,在井位附近,A層上部有厚度不等的人工拋砂。R1界面以下聲學(xué)地層B層,層內(nèi)可見有多條反射能量中等、標(biāo)高穩(wěn)定的連續(xù)亞聲阻抗界面,反映了B層物質(zhì)組成在垂向上有較大的變化,B層的層厚大于3m,其由薄層粉砂和薄層粉質(zhì)粘土相間構(gòu)成。3次固結(jié)沉降發(fā)生的機(jī)理建筑物基礎(chǔ)的沉降是由地基土的變形引起的。基礎(chǔ)沉降按其發(fā)生的原因和次序來說,可以分為初始沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降3部分。初始沉降是基礎(chǔ)荷載一旦加上后,立即發(fā)生的那一部分沉降,對于飽和土地基,是由于土體的側(cè)向膨脹;對于固結(jié)沉降是由于飽和土地基在基礎(chǔ)荷載下降引起超孔隙水壓力,地基內(nèi)各點(diǎn)的超孔隙水壓力值不同,其壓力梯度促使孔隙水逐漸從土粒間孔隙滲出,引起地基土緩慢壓縮而產(chǎn)生的沉降;次固結(jié)沉降是發(fā)生在土體固結(jié)后期,此時超孔隙水壓力雖已消散為零,但土粒表面上吸附水層受壓變形,離開土粒表面較遠(yuǎn)的那部分吸附水逐漸轉(zhuǎn)化為自由水,這樣引起的地基土的壓縮而產(chǎn)生次固結(jié)沉降,其持續(xù)時間極長。固結(jié)沉降是土體在壓力作用下,由于孔隙中的水和氣體(對于飽和土僅為水)的排出,土體體積縮小而引起的。對于一般粘性土,固結(jié)沉降只是基礎(chǔ)總沉降的一個主要部分。對于較軟的粘性土,次固結(jié)沉降在總沉降中占一客觀比例。對于砂質(zhì)土地基,由于固結(jié)速率很快,初始沉降和固結(jié)沉降這兩部分已和在一起,難以區(qū)分。CB151井場內(nèi)沉積物主要類型為:粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土和淤泥類,因此,計算坐底式平臺基礎(chǔ)沉降主要考慮其固結(jié)沉降。3.1地基土的實(shí)際壓縮層設(shè)計固結(jié)沉降的計算,目前在工程中廣泛采用的方法是以無側(cè)向變形條件下的壓縮量計算公式為基礎(chǔ)的分層總和法。該法按照壓縮曲線所取坐標(biāo)的不同,又可分為e-p曲線法和e-logp曲線法。這里選用e-p曲線法。對于天然沉積的土層,由于經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代,土體本身已在自重下壓縮穩(wěn)定,所以土的自重應(yīng)力即為地基中的初始應(yīng)力,即p1=σs,而地基的壓縮則是由外界壓力在地基中引起的附加應(yīng)力產(chǎn)生的,亦即壓力增量△p=σz或p2=σs+σz。在理論上,附加應(yīng)力可深達(dá)無窮遠(yuǎn),但在實(shí)際計算地基土的壓縮量時,只考慮某一深度范圍內(nèi)土層的壓縮量,這一深度范圍內(nèi)的土層稱為“壓縮層”。根據(jù)《港口工程地基規(guī)范》(JTJ250-98)規(guī)定,地基壓縮層的計算深度Zn應(yīng)符合下式要求:式中,σz為Zn處地基垂直附加應(yīng)力設(shè)計值(kPa);σs為Zn處地基自重壓力設(shè)計值(kPa)。地基最終沉降量計算可按下式計算:式中,Sd∞為地基最終沉降量設(shè)計值(cm);hi為第i層土的厚度(cm);e1i,e2i分別為第i層土受到平均自重壓力設(shè)計值(σs)和平均最終壓力設(shè)計值(σz+σs)壓縮穩(wěn)定時的孔隙比設(shè)計值,可取均值;ms為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)選取。3.2沉降層深度計算坐底式平臺平臺技術(shù)參數(shù)設(shè)為:坐底式基礎(chǔ)長50m,寬20m,滿載靜荷重3900t。按均布靜荷載計算,產(chǎn)生的附加應(yīng)力σz=39kPa,考慮波流的可能加載,附加應(yīng)力為40.27～42.79kPa。根據(jù)土層自重壓力可知,“壓縮層”計算深度在20m左右。考慮附加應(yīng)力較小,對10m以下土層影響不大,因此在這里計算地基沉降量時,選用壓縮層深度為10m。根據(jù)上述計算原理,對CB151井場布設(shè)的3個鉆孔位置上放置平臺后所產(chǎn)生的沉降進(jìn)行計算,結(jié)果見表6。從表6可見,CB151井場坐底平臺固結(jié)沉降量主要是第1層粉土和第2層淤泥質(zhì)粘土,第3層粉土固結(jié)沉降量較小,第3層以深地層對坐底式平臺的沉降較小。在CB151井場區(qū),原坐底式平臺就位區(qū)固結(jié)沉降量最小,而多次拋砂區(qū)次之,正常海底區(qū)域坐底式平臺固結(jié)沉降量最大。3.3不同保護(hù)板下平臺基礎(chǔ)沉降量軟土在動荷載作用下,與松砂不同,孔隙水壓力上升不明顯,但振動附加下沉則十分明顯。因此在軟弱土地區(qū)地震烈度為7度或大于7度時,采用天然地基的建筑物都存在震陷問題。根據(jù)《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JGJ83-91)規(guī)定,CB151井區(qū)按表7所列參考值確定。CB151(1)場區(qū)主要受力層范圍內(nèi),軟土層厚度達(dá)3.0m,因此7度地震作用下震陷量約3cm,8度地震作用下震陷量約15cm,9度地震作用下震陷量約35cm。由此可見,在地震作用下,平臺基礎(chǔ)沉降量將增加,7度地震作用下沉降量約19.5cm,8度地震作用下沉降量約31.5cm,9度地震作用下沉降量約51.5cm。CB151(2)場區(qū)主要受力層范圍內(nèi),軟土層厚度達(dá)2.2m,因此7度地震作用下震陷量約2.2cm,8度地震作用下震陷量約11cm,9度地震作用下震陷量約25cm。由此可見,在地震作用下,平臺基礎(chǔ)沉降量將增加,7度地震作用下沉降量約17.2cm,8度地震作用下沉降量約26.0cm,9度地震作用下沉降量約40.0cm。CB151(3)場區(qū)主要受力層范圍內(nèi),軟土層厚度達(dá)2.0m,因此7度地震作用下震陷量約2cm,8度地震作用下震陷量約10cm,9度地震作用下震陷量約24cm。由此可見,在地震作用下,平臺基礎(chǔ)沉降量將大大增加,7度地震作用下沉降量約14.9cm,8度地震作用下沉降量約22.9cm,9度地震作用下沉降量約36.9cm。由上可知,隨著地震烈度的增強(qiáng),CB151井場對坐底式平臺的震陷會急劇增大,多次拋砂區(qū)域或坐底式平臺曾就位過的區(qū)域與正常海底區(qū)域相比,震陷量要小。4結(jié)論和建議4.1海底地貌分析(1)海底地形在西南部淺、東北部深的基礎(chǔ)上,由于人工拋投沙袋和多次坐底式平臺就位的影響,造成井口附近地形起伏較大,形成了很多人工“淺點(diǎn)”,這些“淺點(diǎn)”對坐底式平臺就位影響很大。(2)根據(jù)旁掃聲納探測,埕島近岸區(qū)井場海底地貌主要有人工拋砂地貌和粗糙海底地貌2種類型。(3)正常海底約有0.2m厚的浮泥,在井口附近拋砂取分布厚度不等的粗砂層,從現(xiàn)場土工試驗(yàn)參數(shù)看,坐底式平臺就位區(qū)和拋砂區(qū)土力學(xué)強(qiáng)度明顯高于正常(原始)海底區(qū)域。(4)坐底式平臺就位過的區(qū)域第2層軟弱層厚度小于拋砂區(qū),土力學(xué)強(qiáng)度較大,拋砂區(qū)第2層軟弱層厚度又小于正常區(qū)域,正常區(qū)域海底土力學(xué)強(qiáng)度最低。(5)坐底式平臺固結(jié)沉降量,坐底式平臺就位過的地方小于拋砂區(qū),而拋砂區(qū)又小于正常區(qū)域,坐底式平臺沉降量一般影響深度淺于10m,第1層、第2層影響較大。(6)震動對坐底式平臺沉陷影響很大,而拋砂對震動沉陷有一定的抑制作用。4.2沙袋制作的改良建議(1)對于人工拋投沙袋而使井口海底隆起較高的井場,采取破壞拋沙袋的措施,并適當(dāng)進(jìn)行人工清挖工作。當(dāng)沙袋被人工破壞后,潮流可沖蝕井口區(qū)的中粗砂,并將其搬運(yùn)沉積到低洼地區(qū),潮流的這種夷平作用不僅可消除以前由于人工拋砂所形成的淺點(diǎn),而且降低了井口附近海底隆起的高度,有利于平臺安全地坐底工作。但由于沙袋不可能全部被人工破壞,因而在經(jīng)過一定時間的海洋動力作用后,可能還有局部的淺點(diǎn)存在,對此類淺點(diǎn),有必要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逋谡交虿扇≡俅纹茐纳炒拇胧?2)改善沙袋制作材料。以前使用的沙袋,多為尼龍編織袋,較為牢固,且多年不腐爛,如果人工破壞沙袋,工作量太大,是否能使用腐爛時間稍長于平臺工作周期的材料制作沙袋,具有一定的研究意義,建議開展必要