深水淺軟地層吸力樁基盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬寶金 張愛霞

摘要：我國(guó)南海深水海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，但環(huán)境條件惡劣、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高，鉆井作業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，提出了一種組成簡(jiǎn)單、建造成本低、安裝效率高、可根據(jù)工程需要重復(fù)利用的新型吸力樁基盤結(jié)構(gòu)型式，以適應(yīng)我國(guó)南海深水淺軟地層安全鉆井作業(yè)的需求。采用規(guī)范法和有限元法全面分析了此類大直徑桶形結(jié)構(gòu)的承載性能；基于二次開發(fā)土體本構(gòu)模型，研究了循環(huán)荷載作用對(duì)吸力樁基盤承載力的弱化效應(yīng)；結(jié)合工程實(shí)例分析揭示了多樁吸力基盤的承載性能特點(diǎn)。分析結(jié)果表明，與常規(guī)井口基盤相比，吸力樁基盤結(jié)構(gòu)型式可明顯改善整體井口系統(tǒng)的承載能力，為深水淺軟地層鉆井作業(yè)提供了安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的解決方案。所得結(jié)論和計(jì)算方法可為實(shí)際工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深水淺軟地層鉆井；吸力樁基盤；承載力；規(guī)范法；有限元法

0 引 言

我國(guó)南海深水海域蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣資源，對(duì)保障我國(guó)能源安全發(fā)揮著重要作用。但南海環(huán)境條件惡劣，風(fēng)急波高浪大，臺(tái)風(fēng)、內(nèi)波流頻繁發(fā)生。同時(shí)，海底地質(zhì)條件復(fù)雜，存在淺層氣、淺層水流、斷層、滑坡等多種災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)［1］。當(dāng)海床發(fā)生滑坡時(shí)，會(huì)快速沉積形成松軟、高含水、未膠結(jié)、不穩(wěn)定的地層。在這種淺軟地層進(jìn)行鉆井作業(yè)，如果采用常規(guī)的建井技術(shù)，很容易發(fā)生淺層井壁坍塌、井口失穩(wěn)等事故，導(dǎo)致井控問題。因此，迫切需要開發(fā)一種適合深水淺軟地層鉆井作業(yè)的井口裝備，能夠在海底淺部地層提供較大的承載及抗彎能力，保障深水油氣鉆采作業(yè)安全可靠實(shí)施。

水下井口系統(tǒng)通常由隔水導(dǎo)管、水下防噴器和水下井口裝置組成。水下井口承受的載荷包括隔水導(dǎo)管底部接頭處的橫向力及豎向力、水下防噴器組的重力、作用于水下防噴器組并傳遞到水下井口裝置的橫向流力、懸掛于井口套管串的重力、海底土壤對(duì)水下井口裝置豎向和橫向的土體抗力、海底流對(duì)吸力樁的作用力等。在實(shí)際作業(yè)過程中，由于鉆井平臺(tái)的漂移，井口系統(tǒng)還會(huì)承受隔水導(dǎo)管底部傳遞的彎矩等橫向載荷［2］。

為滿足深水淺軟地層鉆井目的要求，有時(shí)需要在泥面以下100～200 m處實(shí)現(xiàn)淺層造斜，這樣對(duì)導(dǎo)管的長(zhǎng)度、置入深度及承載力就有特定的限制要求。在這種限制下，如果導(dǎo)管長(zhǎng)度不足，無(wú)法提供足夠的承載力，就會(huì)發(fā)生井口下沉、失穩(wěn)等嚴(yán)重后果。挪威Neodrill公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型吸力樁基盤結(jié)構(gòu)，將吸力樁與井口基盤結(jié)合，可有效解決淺軟地層鉆井的水下井口穩(wěn)定性問題，并成功應(yīng)用到實(shí)際工程。

吸力樁是一種頂端封閉、底端敞開的大直徑桶體結(jié)構(gòu)，通過桶體側(cè)壁與土壤之間形成的摩擦力來(lái)抵抗外力，具有施工簡(jiǎn)便、安裝速度快捷、可重復(fù)利用、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］。安裝吸力樁時(shí)，首先依靠樁體自身重力貫入海底，再通過吸力泵抽出樁內(nèi)海水和空氣，形成內(nèi)外部壓力差，最終被貫入到設(shè)計(jì)深度［4］。筆者在分析單樁吸力基盤結(jié)構(gòu)承載力特性和循環(huán)載荷弱化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)三樁吸力基盤在深水淺軟地層鉆井作業(yè)中的實(shí)際工程案例進(jìn)行分析，驗(yàn)證了此類結(jié)構(gòu)可為井口系統(tǒng)提供有效支撐，保障鉆井作業(yè)穩(wěn)定、安全實(shí)施。

1 單樁吸力基盤承載性能分析

吸力基礎(chǔ)直徑通常為4～8 m，高度超過10 m，工程中可根據(jù)需要采用單樁基盤、三樁基盤和多樁基盤等結(jié)構(gòu)形式。本文以外徑4 m，高度15.5 m，入泥深度15 m的單樁基盤為研究對(duì)象，探索單樁基盤結(jié)構(gòu)的承載性能。假設(shè)單樁基盤作業(yè)海域地基為單一勻質(zhì)黏土，土體有效重度為5 kN/m3，不排水抗剪切強(qiáng)度為5～30 kPa。

1.1 承載力分析

根據(jù)土力學(xué)和樁基理論，吸力樁基盤的豎向承載力包括貫入深度范圍內(nèi)周圍土體對(duì)內(nèi)、外側(cè)壁產(chǎn)生的摩擦阻力，以及底部土壤對(duì)端部產(chǎn)生的支承力，可采用規(guī)范公式或有限元分析方法開展相關(guān)評(píng)估分析［3］。

1.1.1 規(guī)范方法

1.1.2 有限元法

本文采用ABAQUS有限元軟件，使用位移加載方式對(duì)吸力樁基盤的極限承載能力進(jìn)行分析。為消除模型邊界效應(yīng)，土體取為基盤外徑5倍的圓柱體，深度為其入泥深度的2倍。由于基盤為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，建立1/4有限元模型；邊界條件設(shè)定為底面邊界進(jìn)行固定約束，根據(jù)施加位移載荷的方向，在側(cè)面邊界上對(duì)相應(yīng)的自由度進(jìn)行約束。

吸力樁基盤與土體的接觸、脫離以及發(fā)生滑動(dòng)等狀態(tài)在載荷施加過程中會(huì)發(fā)生改變，本模型采用“硬接觸”（Hard Contact）模型，根據(jù)吸力樁體與土體之間接觸面上法向應(yīng)力的方向判斷所處的接觸狀態(tài)［6］。當(dāng)法向應(yīng)力判定為壓應(yīng)力時(shí)，基盤與地基土之間為黏結(jié)狀態(tài)，接觸面上的摩擦力由庫(kù)倫摩擦定律計(jì)算得到；法向應(yīng)力判定為拉應(yīng)力時(shí)，則定義樁體與地基土相對(duì)脫離，土體和樁體間產(chǎn)生裂紋，接觸面上摩擦力為0。

圖1為土壤在不同剪切強(qiáng)度下吸力樁基盤的應(yīng)力云圖。由圖1可以看到，當(dāng)土體剪切強(qiáng)度較小時(shí)，在豎向位移載荷作用下，基盤周圍土體發(fā)生了明顯的塑性應(yīng)變，軟弱土層不能夠承受較大的變形和載荷，將發(fā)生豎向剪切破壞。隨著剪切強(qiáng)度的增加，土體抵抗變形的能力增強(qiáng)，發(fā)生塑性應(yīng)變的區(qū)域逐漸變小。

另外，在豎向位移載荷作用下，土體應(yīng)力主要沿樁側(cè)向分布，受樁周土圍壓影響，側(cè)向土體收斂成梨形。吸力樁下部土體產(chǎn)生明顯的塑性應(yīng)變，而上部土體形變相對(duì)較小，應(yīng)力水平較低，說(shuō)明上部土體對(duì)吸力基礎(chǔ)側(cè)壁產(chǎn)生的摩擦力有限，下部土體對(duì)承載力的貢獻(xiàn)更大。因此，在確定吸力樁的設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)，應(yīng)確保樁端在持力層上。

根據(jù)各個(gè)計(jì)算工況下加載過程中的荷載位移曲線，選擇拐點(diǎn)位置為土體的極限承載力。由于本文采用1/4吸力樁基盤模型，以土體抗剪切強(qiáng)度25 kPa為例（見圖2）。

豎向承載力為2 325 kN，則整體承載力為：2 325 kN×4=9 300 kN。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表1、表2分別列出了采用規(guī)范法和有限元法進(jìn)行吸力樁基盤豎向和橫向承載力計(jì)算的結(jié)果。由表1可以看到，采用有限元法計(jì)算結(jié)果比規(guī)范法計(jì)算結(jié)果大10%～20%，說(shuō)明規(guī)范法更為保守，可在實(shí)際工程項(xiàng)目中作為評(píng)估吸力樁承載力的初步手段。

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，如果采用常規(guī)井口，相同長(zhǎng)度下直徑為914 mm的隔水導(dǎo)管所能提供的豎向承載力僅為樁徑為4 m的吸力樁基盤結(jié)構(gòu)的20%。與采用常規(guī)井口（見圖3）相比，吸力樁基盤井口（見圖4）通過大直徑桶形結(jié)構(gòu)，增加了與土壤的接觸面積，大大提高了基礎(chǔ)的承載能力，滿足深水淺軟地層油氣鉆采井口系統(tǒng)對(duì)承載力的要求。

在ABAQUS中采用有限元二次開發(fā)子程序構(gòu)建土體在循環(huán)載荷作用下的土體本構(gòu)模型。將循環(huán)載荷施加到吸力基盤的頂部，采用位移控制法，分析循環(huán)載荷對(duì)吸力樁基盤承載力的影響。為控制循環(huán)載荷作用時(shí)間，設(shè)置合理的分析步時(shí)長(zhǎng)。

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)載荷作用下，吸力樁基盤周圍的土體孔壓逐漸增大，累積后趨于平穩(wěn)，如圖5所示。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)載荷作用下正常固結(jié)軟黏土孔隙水壓力逐漸增加，而孔壓的增加將導(dǎo)致土體發(fā)生剛度和強(qiáng)度軟化，從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞。

隨著循環(huán)載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，循環(huán)載荷對(duì)吸力基礎(chǔ)承載力的弱化作用先逐漸增強(qiáng)，然后趨于平穩(wěn)，如圖6所示。到達(dá)平穩(wěn)區(qū)間的極限承載力可以代表吸力基礎(chǔ)全壽命周期的極限承載力，在吸力基礎(chǔ)的全壽命周期內(nèi)，循環(huán)荷載對(duì)極限承載力的弱化作用在15%左右。

2 三樁吸力基盤選型及承載性能分析

下面以南海某1 300 m深水淺軟地層鉆井項(xiàng)目為例進(jìn)行研究。以往工程項(xiàng)目中單樁吸力基礎(chǔ)的垂直度偏差一般在1.0°～1.5°，而本項(xiàng)目中要求吸力樁基盤垂直度偏差不得大于0.5°。由于本案例對(duì)吸力樁基盤的安裝精度要求高，為滿足鉆井作業(yè)要求，選取三樁形式吸力基盤。三樁吸力基盤可以獲得較大的承載面積，穩(wěn)定性較高；在安裝過程中可以隨時(shí)調(diào)整樁體垂直度，垂直度偏差能夠控制在0.5°以內(nèi)［3］。

三樁吸力基盤有限元模型如圖7所示。三樁吸力基盤在各樁之間設(shè)置中心管，中心管上方連接喇叭口支撐井口系統(tǒng)。各樁之間距離為5.3 m，每個(gè)樁頂分別配備吸力泵，樁間連接板上布置監(jiān)控系統(tǒng)，用以監(jiān)控基盤在安裝過程中的傾斜度。

2.2 三樁吸力基礎(chǔ)承載力有限元預(yù)測(cè)

建立如圖8所示的三樁基盤有限元分析模型。

由于群樁基礎(chǔ)載荷影響范圍比單樁更大，模型中設(shè)定土體高度為入泥深度的3倍，土體直徑約為單樁直徑的9倍。施加邊界條件和土體與基盤的接觸條件，并分別在3個(gè)吸力樁樁頂施加大小為0.5 m的豎向位移及橫向位移。

圖9為三樁吸力基盤在豎向荷載作用下土體應(yīng)力分布云圖。由圖9可以看到，由于各樁間距較小，樁頂載荷通過樁側(cè)摩阻力傳遞至樁側(cè)和樁端的土層中，應(yīng)力之間產(chǎn)生重疊，使各樁的側(cè)阻力和端阻力受到影響，產(chǎn)生了明顯的群樁效應(yīng)，地基所受壓力在影響范圍和深度上都比單樁明顯加大。

通過計(jì)算，得到各樁的豎向承載力和橫向承載力以及基盤整體承載力，如表6所示。總承載力均大于最低承載力（5 880 kN），滿足承載要求。

2.3 三樁吸力基礎(chǔ)操作工況承載力復(fù)核

為確保吸力樁基盤安全運(yùn)行，還應(yīng)校核操作工況中的土體承載力。在有限元模型中施加運(yùn)行過程中實(shí)際承受的垂向載荷、基盤重力及橫向彎矩，進(jìn)行吸力樁基盤性能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10表明，在吸力樁基盤運(yùn)行過程中，土體實(shí)際應(yīng)力最大為10.26 kPa，小于其剪切強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生土體破壞。

各樁端部土體最大反力及樁頂位移大小如表7所示。其中FR1、FR2、FR3分別為X、Y、Z方向的反力，U1、U2、U3分別為X、Y、Z方向的位移?？梢钥吹?，各樁受到的支反力均小于極限承載力，垂直方向上的最大位移遠(yuǎn)小于1 mm，可滿足井口安全工作要求。

3 結(jié)論及建議

（1）針對(duì)深水淺軟地層鉆井作業(yè)的需求，提出一種吸力樁基盤結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，可明顯改善整體井口系統(tǒng)的承載能力，比常規(guī)井口更加安全、高效，且建造成本低，海上安裝效率高，為深水淺軟地層鉆井作業(yè)提供了可靠的解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。

（2）吸力樁基盤是一種摩擦樁，增加側(cè)摩阻力可以顯著提高整體結(jié)構(gòu)的承載力；當(dāng)土體不排水剪切強(qiáng)度較小時(shí)，可以通過增加樁長(zhǎng)或適當(dāng)增加樁徑增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載性能。

（3）采用規(guī)范法計(jì)算吸力樁基盤的承載力，結(jié)果比有限元法更為保守；且公式明確，便于計(jì)算，在實(shí)際工程中可用于初步評(píng)估吸力樁結(jié)構(gòu)的承載力。

（4）應(yīng)考慮吸力樁基盤在循環(huán)載荷作用下極限承載力的弱化效應(yīng)。

（5）與單樁吸力基盤相比，多樁基盤可以獲得較大的承載面積，穩(wěn)定性較高，安裝精度高，但應(yīng)考慮群樁效應(yīng)對(duì)承載力的折減作用；在實(shí)際工程中，可根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件及施工要求選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。

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