深水鉆井井口吸力樁穩(wěn)定性計算和校核方法

李舒展 楊進 朱國倞 黃熠 王寧 萬宏宇 馬會珍

摘要：深水松軟土質(zhì)下，傳統(tǒng)噴射法安裝的表層導(dǎo)管在鉆井階段存在下沉和傾斜的風(fēng)險。為了提升深水鉆井水下井口的穩(wěn)定性，提出了井口吸力樁表層建井的方法，開展了吸力樁下入深度和穩(wěn)定性分析?；跇痘休d理論和廣義Winkler 地基梁模型，建立了井口吸力樁穩(wěn)定性理論模型，并通過有限元方法和有限差分法研究了井口吸力樁穩(wěn)定性特征及影響因素。以南中國海某井工程參數(shù)為依據(jù)，對井口吸力樁穩(wěn)定性開展理論計算，與有限元計算結(jié)果進行對比，豎向極限承載力誤差為4.23%，最大水平位移誤差為6.0%，最大彎矩誤差為2.96%，印證了計算結(jié)果的準確性。在鉆井工況極限載荷作用下，相比于傳統(tǒng)表層導(dǎo)管，井口吸力樁豎向承載力提升了43.91%，水平位移減少了63.21%，抗彎安全系數(shù)是前者的24.5 倍。分別對井口吸力樁施加不同水平位移和彎矩，結(jié)果表明水平載荷對橫向穩(wěn)定性影響較為顯著。井口吸力樁具有很高的豎向承載力和橫向承載力，顯著提高了水下井口的穩(wěn)定性，研究結(jié)果為其在深水松軟土質(zhì)中表層建井提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深水鉆井；井口吸力樁；豎向極限承載力；橫向極限承載力；穩(wěn)定性校核；有限元分析

中圖分類號：TE52 文獻標(biāo)識碼： A

0 引言

深水淺部地層通常成巖性差、地層強度低，多采用噴射法進行導(dǎo)管水下安裝［1］。水下安裝過程中，由于未固井，上部存在防噴器等大重量設(shè)備，容易導(dǎo)致水下井口下沉或井眼報廢等事故［2］。同時，浮式鉆井平臺（船） 的漂移和隔水管的鉆進過程振動，亦會導(dǎo)致導(dǎo)管發(fā)生撓曲變形［3］。如果深水鉆井導(dǎo)管橫向位移過大，也將造成水下井口失穩(wěn)［4］。為了提升深水鉆井過程中水下井口的穩(wěn)定性，確保在海底松軟土層中作業(yè)的安全，提出了井口吸力樁表層建井的新方法。井口吸力樁是一種新型的表層建井基礎(chǔ)，由表層導(dǎo)管和吸力樁基礎(chǔ)組合而成。其大尺寸特性，可大幅提高表層建井的豎向承載力、橫向承載力和抗彎能力，從而提升井口穩(wěn)定性；對于松軟的海床，起到很好的支撐［5］。南中國海海底地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，淺部埋藏了大量的淺水流、淺層氣和天然氣水合物［6］。南中國海鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生淺層地質(zhì)災(zāi)害，威脅水下井口穩(wěn)定性，此種結(jié)構(gòu)可以有效解決淺部復(fù)雜地質(zhì)條件下建井的難題［7］。然而，井口吸力樁作為一種新型裝備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未有成熟的理論求解其穩(wěn)定性，亟待建立井口吸力樁穩(wěn)定性模型和校核方法。

國內(nèi)外學(xué)者針對吸力基礎(chǔ)開展了一系列的研究。Fuglsang 等［8］通過試驗研究了吸力樁在黏土和砂土中上拔過程中的破壞模式，表明吸力樁內(nèi)部吸力可以增加抗拔阻力。Bye 等［9］基于現(xiàn)有的工程數(shù)據(jù)和模型試驗提出了一套吸力樁地基承載力模型，并對循環(huán)載荷作用下的新的導(dǎo)管架平臺開展了吸力基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計，但僅針對試驗土質(zhì)。AGSPANC軟件［10］是基于Murff-Hamilton 上限解法開發(fā)的一套計算吸力樁橫向承載力的程序，輸入確定的模型參數(shù)后，可以通過數(shù)值積分給出水平極限承載力。Gerolymos 等［11］基于廣義Winkler 地基梁模型和Bouc-Wen 準則，建立了可用于分析樁基在橫向荷載作用下變形的BWGG 彈塑性模型。Cheng 等［12］提出了一種增量彈塑性有限元法，用于模擬軟黏土中承受循環(huán)荷載的吸力基礎(chǔ)的不排水變形過程，并用試驗結(jié)果進行了校核，但該算法需要借助有限元軟件實現(xiàn)，計算時間較長。Wang 等［13］通過一系列離心試驗和數(shù)值分析，研究了海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的橫向承載力，并計算了吸力樁的旋轉(zhuǎn)中心。國內(nèi)學(xué)者在20 世紀下半葉也開始了吸力基礎(chǔ)研究。施曉春等［14］根據(jù)吸力樁在水平位移下的土壓力分布結(jié)果，推導(dǎo)出了吸力基礎(chǔ)水平承載力的計算方法，但該試驗使用的淺層土質(zhì)強度極低，有機玻璃吸力樁未考慮樁自身的彈塑性變形，存在局限性。張金來等［15］分別采用ABAQUS 有限元軟件和模擬實驗給出了耦合載荷作用下的吸力樁極限承載力，并探究了橫向和豎向承載力隨長徑比的變化趨勢，但該規(guī)律只是針對飽和砂土且沒有總結(jié)出極限承載力理論模型。張其一等［16］通過有限元軟件研究了吸力樁失效破壞與不同系泊點位置之間的關(guān)系，并給出了水平極限承載力與系泊點位置之間的擬合公式，但只考慮了單一載荷影響。劉書杰等［17］開展了小尺寸吸力樁實驗，發(fā)現(xiàn)吸力樁直徑越大、下入越深，安裝完成后承載力恢復(fù)時間越長，但只研究了豎向承載力的特征。王磊等［18］比較了在深水表層鉆遇水合物時常規(guī)噴射鉆井和井口吸力樁建井的施工設(shè)計特征，發(fā)現(xiàn)井口吸力樁在表層建井時更有優(yōu)勢。暢元江等［19］提出了一種考慮了水下防噴器組豎向重載與土壤相互作用的砂土p-y 模型，分析隔水管-水下井口系統(tǒng)力學(xué)性能，但沒有給出海床土體的破壞模式。李舒展等［5］建立了考慮了安裝效應(yīng)下井口吸力樁的豎向承載力模型，并用有限元法驗證了理論模型的準確性，計算了某井的井口吸力樁最小下入深度，但該模型沒有探究水平載荷作用下的井口吸力樁穩(wěn)定性。楊進等［20］分析了深海吸力樁建井模式在深水表層建井方面的優(yōu)勢，并給出了豎向穩(wěn)定性和橫向傾覆穩(wěn)定性的校核標(biāo)準，但沒有給出計算案例和過程。