深海資源鉆探吸力樁建井模式研究

楊 進(jìn)，朱國(guó)倞，李舒展，李 磊，管 申，宋 宇

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）海南研究院,北京 102249）

目前，世界深水油氣和天然氣水合物鉆探的建井模式主要有噴射法和鉆入法，這2 種建井模式適用范圍較廣，國(guó)際上80%以上深水鉆井作業(yè)采用噴射法安裝表層導(dǎo)管[1–4]。隨著深水資源勘探開發(fā)的不斷深入，對(duì)作業(yè)時(shí)間和成本的要求越來越高，而傳統(tǒng)建井模式作業(yè)效率的提高空間有限，不管是鉆入法還是噴射法，都需要利用鉆井船進(jìn)行作業(yè)，成本較高；同時(shí)，其承載力過度依賴表層導(dǎo)管的下入深度，承載力的提升空間受限[5]。

吸力樁建井模式采用寬淺式筒形基礎(chǔ)，內(nèi)置導(dǎo)向管以容納井口，通過負(fù)壓貫入地層，安裝作業(yè)能夠擺脫必須使用鉆井船或鉆井平臺(tái)的限制，可以使用工程船完成安裝作業(yè)，降低了成本，適用性強(qiáng)；吸力樁作為基盤式的井口，更可以滿足一樁多井眼的同時(shí)下入，施工效率大大提高，應(yīng)用前景廣闊；其入泥深度只有傳統(tǒng)方法的1/4～1/5，同時(shí)下入擾動(dòng)較小，縮短了安裝下入及后續(xù)作業(yè)等待時(shí)間[6]。吸力樁作為一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在海洋工程結(jié)構(gòu)物樁基方面已得到廣泛應(yīng)用，但吸力樁作為一種建井基盤結(jié)構(gòu)還處于探索階段，對(duì)包含井筒的吸力樁結(jié)構(gòu)的下入控制、入泥深度設(shè)計(jì)等方面的研究較少[7–9]，深水建井方面存在難以下入到位、井口傾斜控制難度大等問題。為此，筆者通過分析大量文獻(xiàn)和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，研究了吸力樁及井筒的功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了算例分析，以期為吸力樁建井設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

1 吸力樁建井工藝

吸力樁建井模式不僅可以使用鉆井船、鉆井平臺(tái)，還可以使用工程船進(jìn)行下入安裝，在泥面處需與遙控潛水器（remote operated vehicle，ROV）及吸力泵配合進(jìn)行負(fù)壓貫入作業(yè)。該建井模式由于使用帶中心管的吸力樁，既可以單獨(dú)下入吸力樁后再下入表層導(dǎo)管，也可以集成表層導(dǎo)管后一并下入，其作業(yè)流程如下：

1）海上運(yùn)輸。將在陸地上制造完成的吸力樁基盤裝船固定，由鉆井平臺(tái)、鉆井船或工程船運(yùn)送到海上井場(chǎng)位置。

2）吊裝準(zhǔn)備。就位后進(jìn)行吊裝準(zhǔn)備，將纜繩固定在吸力樁吊耳上，切除吸力樁在工程船上的焊接固定。

3）吊裝。將吸力樁吊放到水面（如圖1 所示），同時(shí)吊ROV 入水。吸力樁下至泥面時(shí)，ROV 確認(rèn)吸力樁及吊裝索具狀態(tài)良好，準(zhǔn)備貫入吸力樁

圖1 吸力樁入水示意Fig. 1 Suction pile entering the water

4）吸力樁重力沉貫。吊裝吸力樁繼續(xù)下放并開始吸力樁的重力沉貫，重力沉貫過程中，ROV 需要一直監(jiān)測(cè)吸力樁貫入進(jìn)尺及傾斜情況。

5）吸力樁負(fù)壓貫入。重力沉貫完成之后，ROV攜帶吸力泵插入排水孔，抽水繼續(xù)貫入。貫入完成之后，ROV 收回泵接口，解開吊裝索具，并將吸力泵回收到甲板上。

2 吸力樁設(shè)計(jì)

2.1 吸力樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 吸力樁貫入主控因素

吸力樁負(fù)壓沉貫過程中的動(dòng)力主要為樁體內(nèi)外壓差產(chǎn)生的作用于樁頂?shù)膲毫?，?jì)算公式為：

式中：F為貫入動(dòng)力，kN；W為吸力樁井口自重，kN；Fm為負(fù)壓載荷，kN；Δp為樁體內(nèi)外壓差，樁內(nèi)抽至真空時(shí)達(dá)到最大，kPa；Ad為樁體頂部面積，m2。

可見，吸力樁貫入動(dòng)力隨著吸力樁頂部面積增大而增大，在土質(zhì)條件和吸力泵抽吸能力一定的條件下，吸力樁外徑需要大于臨界值，才能完成貫入。

2.1.2 吸力樁外徑與高度的設(shè)計(jì)

吸力樁的外徑與高度共同影響著井口的承載力和穩(wěn)定性，吸力樁的外徑和高度越大，井口承載力越大，穩(wěn)定性越好。隨著吸力樁外徑增大，所需樁體高度可相應(yīng)減小[10]。相比常規(guī)建井模式，吸力樁的入泥深度大幅降低。

若吸力樁外徑過大，下入過程中的調(diào)平精度就低，甚至難以調(diào)平以至于井口傾斜；若吸力樁高度過大，因地層土質(zhì)不均一，下入時(shí)會(huì)頻繁發(fā)生傾斜，斜度控制難度較大。優(yōu)化吸力樁的外徑和高度，可以達(dá)到最佳的貫入效果。

2.1.3 吸力樁材質(zhì)和壁厚設(shè)計(jì)

考慮深水開發(fā)的適用性，制造吸力樁的原材料應(yīng)滿足強(qiáng)度高、低溫韌性好的要求。鋼材在海水中的電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)涂覆防腐涂料，并加裝足量的犧牲陽(yáng)極塊。

在鉆井工況下，鉆井平臺(tái)的晃動(dòng)和風(fēng)浪流的作用沿著隔水管傳遞到井口，在吸力樁上產(chǎn)生較大的剪力及彎矩作用，吸力樁需要一定的壁厚，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；同樣吸力樁下入時(shí)的負(fù)壓載荷也對(duì)其提出了強(qiáng)度要求。

2.2 吸力樁入泥深度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)吸力樁入泥深度時(shí)，主要考慮井口所受的載荷、目標(biāo)井場(chǎng)的土質(zhì)情況和吸力樁的橫向穩(wěn)定性[11–13]。

2.2.1 井口承載力

吸力樁作為井口持力結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)上部裝備帶來的所有井口載荷[14–16]。吸力樁井口承載力包括樁體外側(cè)側(cè)向摩擦力Qf,1、樁體內(nèi)側(cè)側(cè)向摩擦力Qf,2、導(dǎo)向管外側(cè)側(cè)向摩擦力Qf,3、底部承載力Qp,b和頂蓋承載力Qp,t，如圖2 所示。

圖2 吸力樁井口承載力示意Fig. 2 Wellhead bearing capacity of the suction pile

吸力樁井口承載力的計(jì)算公式為：

式中：Qc為吸力樁井口承載力，kN；Qf為樁體側(cè)向摩擦力，kN；Qp為樁端承載力，kN。

樁側(cè)摩擦力包括樁體和導(dǎo)向管的側(cè)面摩擦力，可表示為：

樁端承載力為：

式（4）描述了樁側(cè)摩擦力的組成，其各部分側(cè)向摩擦力的計(jì)算公式為：

式中：j為側(cè)向摩擦力的各組成部分；i為土的分層數(shù)；fi(z)為樁第i層土的單位側(cè)向摩擦力，kPa，其計(jì)算參照API RP 2GEO；As,i為樁在第i層土的樁周表面積，m2。

式（5）中的樁端承載力各組成部分計(jì)算公式為：

式中：Su,k為樁底部或頂蓋處的土體不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；下標(biāo)k為b 或t，表示樁底部和頂蓋處；Ap,k為相應(yīng)位置的端部面積，m2。

2.2.2 橫向穩(wěn)定性

吸力樁的橫向失穩(wěn)通常遵循小位移失穩(wěn)規(guī)律[17–20]。達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移較小，吸力樁內(nèi)部填充滿土，樁土合一，當(dāng)樁體繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)時(shí)，底、頂面受力遠(yuǎn)端受到土的擠壓，受力近端認(rèn)為與土脫開不受力。吸力樁的受力情況如圖3 所示。

樁體受力包括：自身重力G，上部結(jié)構(gòu)傳遞的軸向力V，剪力H，彎矩M，樁體所受土壓力E1，導(dǎo)向管所受土壓力E2，樁后外側(cè)摩擦力f1，樁前外側(cè)摩擦力f2，導(dǎo)向管后外側(cè)摩擦力f3，導(dǎo)向管前外側(cè)摩擦力f4，頂蓋摩擦力F1，樁底摩擦力F2，頂蓋端阻力q1，樁底端阻力q2。

井口吸力樁尤其是多井口吸力樁面臨偏心受載情況時(shí)，在防噴器重力、水下采油樹重力及海流力等的影響下會(huì)產(chǎn)生較大的傾覆力矩，抗傾安全系數(shù)通常選擇1.60[21]?？箖A安全系數(shù)可表示為：

式中：K為抗傾安全系數(shù)；MR為吸力樁樁體各部分所受土體反力產(chǎn)生的抗傾覆力矩之和，kN·m；MS為傾覆力矩之和，kN·m。

3 井筒設(shè)計(jì)

吸力樁作為水下泥線基盤結(jié)構(gòu)能夠提供巨大的承載力，可以實(shí)現(xiàn)多井口的同時(shí)安裝下入，所以要對(duì)吸力樁的井口布置和井筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足承載力需求并保證施工順利，縮短水下井口安裝時(shí)間，提高整個(gè)鉆井作業(yè)的效率。

3.1 井口布置設(shè)計(jì)

吸力樁井口布置遵循中心對(duì)稱原則，將單井口置于中心，雙井口對(duì)稱排列于吸力樁頂面的中線上（見圖4），多井口均布于四周。

圖4 雙井口吸力樁Fig. 4 Double wellhead suction pile

井口布置形式可分為內(nèi)置井口和外置井口。內(nèi)置井口全部位于吸力樁的樁體內(nèi)部，吸力樁的外徑較大；外置井口部分包含于樁體內(nèi)、部分突出樁體輪廓外，結(jié)構(gòu)更為緊湊，但穩(wěn)定性較差。

隨著井口數(shù)量增加，吸力樁的外徑及重量呈指數(shù)增大，會(huì)對(duì)作業(yè)船舶的吊裝能力、吸力泵的抽汲能力和結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性能提出更高的要求。應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)井口的數(shù)量和布置形式。

3.2 井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于吸力樁提供了充足的承載力和穩(wěn)定性，內(nèi)部井筒通常只需要采用?508.0 mm 套管坐放井口頭。為了克服軟地層中造斜的難題，可在井筒下端預(yù)制出弧度，在吸力樁底部形成初始井斜角，有助于深海淺部資源的鉆探和開發(fā)。

下入吸力樁過程中，井筒受到土壤擠壓，為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生變形及位移，需要在吸力樁內(nèi)部加設(shè)數(shù)層加強(qiáng)肋板以固定井筒，但這也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)貫入阻力增大，因此，通常只在井筒頂部及下部各設(shè)置一層加強(qiáng)肋板，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 吸力樁井筒剖視圖Fig. 5 Section view of the suction pile wellbore

4 算例分析

4.1 目標(biāo)井場(chǎng)土質(zhì)參數(shù)

選取南海某區(qū)塊深水井場(chǎng)的土質(zhì)參數(shù)，用于吸力樁承載力設(shè)計(jì)，該井場(chǎng)泥線以下19 m 內(nèi)的土質(zhì)參數(shù)見表1，該區(qū)域土質(zhì)主要為黏土，隨深度增大土質(zhì)由軟到硬，泥線以下3～4 m 為砂質(zhì)夾層。

表1 南海某深水井場(chǎng)土質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil quality parameters of a deep water well site in the South China Sea

4.2 吸力樁入泥深度設(shè)計(jì)

4.2.1 承載力計(jì)算

根據(jù)2.2.1 節(jié)的吸力樁承載力計(jì)算方法，計(jì)算外徑為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5 和7.0 m 吸力樁不同入泥深度下的極限承載力，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同外徑吸力樁在不同入泥深度下的極限承載力Fig. 6 Ultimate bearing capacity of suction piles with different external diameters at different mud depth

從圖6 可以看出：不同外徑吸力樁的極限承載力隨入泥深度的變化規(guī)律相同，即隨著入泥深度增加，吸力樁的極限承載力均增大；同一入泥深度下，隨著外徑增大，吸力樁極限承載力增大。

4.2.2 橫向穩(wěn)定性計(jì)算

假定吸力樁安裝到位后的初始傾斜角為1.5°，根據(jù)2.2.2 節(jié)的吸力樁橫向穩(wěn)定性計(jì)算方法計(jì)算外徑為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5 和7.0 m 吸力樁不同入泥深度下的抗傾覆力矩，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同外徑吸力樁在不同入泥深度下的抗傾覆力矩Fig. 7 Anti-overturning moment of suction piles with different external diameters at different mud depth

從圖7 可以看出：不同外徑吸力樁的抗傾覆力矩隨入泥深度的變化規(guī)律相同，即隨著入泥深度增加，吸力樁的抗傾覆力矩均增大；同一入泥深度下，隨著外徑增大，吸力樁抗傾覆力矩增大，曲線斜率增大速度極快。

4.3 吸力樁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

在貫入主控因素滿足要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮吸力樁結(jié)構(gòu)所受重力及具體工程要求的樁頂空間大小，優(yōu)選吸力樁外徑；結(jié)合井口承載力和橫向穩(wěn)定性分析，優(yōu)選吸力樁高度；需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)度要求，選擇樁體及內(nèi)部?508.0 mm 套管的壁厚，優(yōu)先選通用壁厚；考慮強(qiáng)度、作業(yè)溫度等因素，優(yōu)選吸力樁的材質(zhì)。

該井場(chǎng)吸力樁參數(shù)優(yōu)選結(jié)果為：外徑6 m 左右，高度12 m 左右，樁體壁厚25.4 mm，?508.0 mm 套管壁厚25.4 mm 或38.1 mm，樁體使用船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，套管使用API 規(guī)范的管線鋼。

由優(yōu)選結(jié)果可知，吸力樁為長(zhǎng)圓筒形結(jié)構(gòu)，考慮安全系數(shù)的極限承載力為3900 kN。南海深水海域鉆完井作業(yè)的井口載荷通常在2900～3900 kN，所以吸力樁建井模式適用于該井場(chǎng)。

5 結(jié) 論

1）基于南海鉆探資料的計(jì)算分析結(jié)果表明，吸力樁建井模式適用于南海已發(fā)現(xiàn)油氣和天然氣水合物的海域。

2）安裝吸力樁時(shí)不僅可以使用鉆井平臺(tái)或鉆井船，也可以使用其他工程船，安裝方法靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，安裝效率高。

3）吸力樁建井模式可以同時(shí)安裝下入2 個(gè)或多個(gè)井口，大大提高了深水多井開發(fā)的建井效率。

4）吸力樁建井模式可以進(jìn)行井筒的預(yù)斜，有利于深水松軟淺層的造斜，適合于淺層水平井和大位移井作業(yè)施工，有助于深水淺層油氣、天然氣水合物資源的勘探開發(fā)。