高應變監測在海上平臺套管打入過程中的應用

馬晉雄 劉 茜 彭甲志 景霄鵬

（1、海洋石油工程股份有限公司，天津300451 2、中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300451 3、天津北海油人力資源咨詢服務有限公司深圳分公司，天津300451）

1 概述

我國是一個海洋大國，擁有約300 萬平方公里管轄海域和18000 公里海岸線，海洋資源十分豐富，海洋油氣能源在未來發展過程中會越來越重要；海洋油氣資源開發將直接影響國家能源穩定。同時國家也在努力發展成為海洋強國，海洋石油鉆井平臺作為海洋油氣開發的主要設備直接關系到我們海洋油氣產量的穩定。常見的海洋石油鉆井平臺有固定式平臺和浮式平臺；而對于近海石油開采，固定式導管架平臺是非常普遍的一種形式，在我國的渤海以及南海淺海海域對導管架平臺的需求很大。

固定式平臺的上部甲板主要靠隔水套管與水下油氣田連接。隔水套管是從海上平臺下到海底淺層、隔離海水和循環鉆井液的安全通道，上接導流器，下連防噴器，是一組重要的水下鉆井裝備，同時也是海上井口的持力機構。在鉆進施工過程中隔水套管的強度及完整性對海上鉆井作業的安全至關重要。同時隔水套管一般是以樁基形式打入到海底泥線以下指定深度，由于隔水套管壁厚薄、入泥深的特點增加了隔水套管打入的難度。海底地質條件復雜，如果隔水套管在打入的過程中出現拒錘現象，隔水套管應力可能會超值，從而套管發生變形甚至損壞。因此有必要在隔水套管打入的過程中進行高應變監測。

在施工過程中業主和施工方都比較擔心套管的完整性，在套管的打入過程中會不會發生變形；在高應變實時監測過程可以監測打樁過程中樁身應力、打樁錘的能量、貫入度以及樁身完整性；同時還可以在采集軟件設置上限值，當樁身應力超過上限值軟件將會有所提示，便于監測人員及時發現問題。對于非均勻樁，將采集的數據用CAPWAP 軟件分析計算得到的最大樁身應力及位置更為準確。

本文結合蓬萊19-3 平臺隔水套管打入施工過程，對套管打入過程的高應變監測流程進行了簡單的描述，可供以后的套管打入過程的監測提供幫助。

2 蓬萊19-3 平臺套管介紹

2.1 套管介紹

平臺一共具有40 口井，其中直徑914mm 的有22 口，直徑508mm 的有18 口；兩種直徑套管壁厚均為25mm，914mm 直徑套管是使用IHC500S 以樁基形式打入到設計入泥深度55m，508mm 直徑套管是使用IHC280S 以樁基形式打入到設計入泥深度58m。兩種直徑的套管材質均為DH36 高強鋼，屈服強度為355MPa。

2.2 地質條件

蓬萊油田區塊地質條件比較硬，在以往的項目施工過程中發生過拒錘和打壞套管的情況。通過對這次施工海域泥面以下120m 鉆芯取樣分析，按照土壤類別詳細分為15 層，以粉土和細砂為主；粘土最大抗剪強度為400KPa，粉土單位表面摩擦力最大為96KPa。

3 高應變打樁監測過程

3.1 高應變動測設備

高應變監測儀PDA-8G、加速度傳感器、應力傳感器、數據傳輸線纜及數據分析軟件CAPWAP。

圖1 傳感器和PDA 主機

3.2 檢測設備的安裝

（1）在鋼樁頂附近（508 直徑套管傳感器距頂部3.7m、914直徑套管傳感器距頂部4.7m）安裝兩個加速度傳感器和兩個應變傳感器，將傳感器分為兩組，每組包括一個應力傳感器和一個加速度傳感器；兩組傳感器呈180°對稱安裝，用來抵消打樁過程中偏心帶來的影響。

（2）由于套管壁厚較薄不具備鉆孔安裝傳感器的條件；所以提前準備了與傳感器尺寸相似套管材質的鋼板焊接固定在想要安裝傳感器的位置；在焊接的鐵板上進行鉆孔、攻絲安裝傳感器。這樣既能確保傳感器應變和加速度同套管本身一致又不損壞套管本身。

四個傳感器和PDA-8G 通過幾根25m 長的數據線纜相連接，以確保數據的實時顯示和儲存。

3.3 數據的采集

根據此項目隔水套管可打入性分析得知現場施工拒錘風險不高，所以現場分別對914 和508 兩種套管的第一根進行了打入過程中的實時高應變監測。如果在其他套管的打入過程中出現拒錘情況，隨時接入高應變監測。接下來對高應變實時監測做出簡單的概述：

（1）打開PDA-8G 采集主機設置好套管具體參數（例如：總樁長、設計入泥深度、傳感器以下長度、直徑、截面積等參數）。檢查四個傳感器的鏈接狀態，利用采集設備自帶功能標定四組傳感器，也可在采集軟件里輸入鋼材的屈服強度，在監測的過程中能有很好的提示作用。

（2）各個參數設置完成后將進入數據采集界面，采集界面將每一錘信號顯示為曲線：應力曲線、速度曲線、上下行波曲線、力和速度曲線。顯示可以在這些曲線中來回切換。如圖2 所示。

圖2 PDA 采集動測數據

在采集頁面左側欄能實時顯示以下信息：

傳感器位置最大壓應力測量值-CSX

兩個傳感器測量壓應力較大者-CSI

樁底最大壓應力-CSB

傳遞到樁身的最大能量-EMX

能量傳輸比-ETR

傳感器位置最大打擊力-FMX

傳感器以下最大拉力值- CTX

樁底壓力計算值- CFB

顯示數據可根據現場需求而調整，實時顯示我們關心的數據。

3.4 數據處理

套管的高應變監測和以往的鋼樁的高應變監測側重點有所不同，鋼樁主要關心打完樁之后所能提供的承載力，而套管主要監測在打樁過程中每一錘的受力情況。當然在數據采集完之后能夠將采集到的數據進行CAPWAP 軟件分析。CAPWAP軟件根據現場采集到的力和速度數據，更準確地計算樁身應力及最大應力位置，同時也能得到相對土阻力分布、最大應力及位置、土壤的震動和阻尼特性及模擬的靜荷載- 貫入度圖表。

CAPWAP 分析的過程主要包括：數據的選取、建立樁模型、假設土阻力參數、CAPWAP 分析、計算曲線與實測曲線的對比和數據的輸出。

（1）分析數據的選取。數據在CAPWAP 分析時需要對采集的數據進行選取，一般分析員會選取靠近打樁結束時的數據，同時也會選擇相對能量比較大的錘擊，這樣能比較直接的反饋套管在打入過程中的最大應力和土阻力分布情況。

（2）樁模型的輸入。由于數據采集過程中PDA-S 軟件默認樁為均質樁，但實際的情況往往會出現變截面的鋼樁，因此我們需要根據鋼樁的實際情況建立好樁模型，在進行CAPWAP 分析時導入樁模型，通過更準確的樁模型進行分析計算會得到更確切的樁身應力及土阻力的分布。

（3）CAPWAP 計算分析。CAPWAP 分析實際為將模擬曲線和實測曲線無限重合的一個過程；在分析過程中通過調整樁側和樁端土阻力、樁側參數（JS、SS、QS、CS 等）和樁端參數（JT、ST、QT、CT 等）的反復調整過程，最終使的模擬曲線和實測曲線最大化的重合。

（4）分析結果輸出。分析結果合格后可以對計算結果進行輸出。輸出結果主要包括土阻力軸向分布、樁身最大應力及位置、靜載試驗曲線、樁的總承載力、側摩阻力及樁端阻力、彈限和阻尼等，如圖3 所示。

圖3 典型CAPWAP 分析結果輸出圖示

4 高應變監測結果分析評估

高應變打樁監測，監測了整個打入過程的樁身應力、打樁系統能效及對樁身承載力的評估，為保障了施工的順利進行提供了數據支持。下面以914 直徑套管為例簡單列舉下分析內容。

樁身應力評估：

914 套管用IHC-500S 液壓錘進行打樁作業，在整個打入過程中監測到的最大壓應力為249.4MPa，未達到開始設定的極限值（320MPa）。為了得到更準確的應力值，將采集的數據進行了CAPWAP 分析，得到第1431 錘最大應力為231.6MPa，出現在傳感器以下39.3m 位置；且小于API 規范許用壓應力值320MPa，即樁身鋼材屈服強度的90%，因此樁身未發生變形破壞。

5 結論

在固定式平臺隔水套管打入過程中進行高應變打樁動態監測，從而得到打樁過程中的樁身應力、土阻力及樁身承載能力等數據，為現場施工提供依據。

在打樁完成后將監測數據進行CAPWAP 計算分析，可以得到更為準確套管打入過程中所受最大應力及位置同時還可得到土阻力的軸向分布情況。