海上鉆井隔水導管打入作業溜樁深度預測

張海山 楊 進 嚴 德 田瑞瑞 劉佳偉 王 嘯

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030；2.中國石油大學，北京 102249）

海上鉆井隔水導管打入作業溜樁深度預測

張海山1楊 進2嚴 德2田瑞瑞2劉佳偉2王 嘯2

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030；2.中國石油大學，北京 102249）

目前樁體施工溜樁深度預測主要集中在大直徑超長樁的打樁風險分析中，對海上隔水導管施工溜樁機理和深度預測缺乏研究，存在作業盲目性和風險性。通過對海上隔水導管施工中導管與平臺幾何關系分析、導管極限承載力計算和溜樁機理分析，提出了海上隔水導管施工溜樁深度預測理論模型。溜樁深度預測理論模型在我國某海域油氣田數口井的隔水導管施工作業中得到了成功應用，施工預測深度范圍與實際溜樁深度基本一致，為隔水導管施工風險評估提供了理論基礎，確保了海上作業的安全性。

隔水導管；打樁；極限承載力；溜樁；深度；預測

溜樁是在打樁過程中一種樁體快速下沉的現象，在該過程中不用打樁錘的作用樁體自動下滑，貫入度極大［1］。海上隔水導管施工過程中經常在打樁初期發生溜樁，嚴重時溜樁深度可達20～30 m。溜樁是海上隔水導管施工安裝過程中的最大危害之一，大幅度的溜樁不利于施工控制，輕則沖斷鋼絲繩、樁錘損壞、斷樁等，影響到接樁、換錘等正常施工程序；重則造成樁錘滑落海中、樁錘報廢等事故，給海上作業帶來了極大的經濟損失和安全風險。目前，國內外針對樁體溜樁深度預測主要集中在海洋平臺大直徑（直徑≥2 438.40 mm）超長樁的沉樁過程［2-4］，未見對隔水導管（直徑通常為609.60 mm、762.00 mm）施工過程的溜樁深度預測。筆者通過分析隔水導管施工溜樁機理，提出預測溜樁深度的理論模型，為海上隔水導管施工設計及控制提供技術指導。

1 海上隔水導管施工過程

海上隔水導管打樁作業通常在自升式鉆井平臺進行，由打樁錘將隔水導管從平臺轉盤面處錘入。自升式鉆井平臺下方有一個井口小平臺，隔水導管貫穿井口小平臺和下方導管架平臺上的導向孔進入海底地層。一般情況下，自升式鉆井平臺甲板高度約為40 m，井口小平臺高度約為25 m。圖1描述了海上隔水導管打樁作業時與海上平臺之間的位置關系。

圖1 海上隔水導管施工示意圖

2 隔水導管極限承載力分析

對于隔水導管來說，可以作為一個不帶樁靴的鉆井船樁腿對待［5-7］。在API規范中可用單樁軸向極限承載力經驗公式，來進行極限承載力計算。

單樁軸向極限承載力計算公式

式中，Qf為隔水導管樁側壁摩阻力，kN；Qp為隔水導管樁端阻力，kN；f為隔水導管樁側壁單位摩擦力，kN/m2；qu為隔水導管樁底部單位極限阻力，kN/m2；As為隔水導管樁側壁表面積，m2；Ap為隔水導管樁底部截面積，m2。

2.1 隔水導管打入黏性土層

隔水導管打入黏性土層中與土體的摩擦力，可采用API方法2來計算

式中，α為黏著系數；Su為不排水抗剪強度，kN/m2，當Su小于2.44 kN/m2和大于7.32 kN/m2時， α值分別為1.0和0.5；當Su介于2.44～7.32 kN/m2之間時，α值會隨Su線性減小。α值是經驗性的，用此法求得的f值，不應大于196 kN/m2。

2.2 隔水導管打入砂性土層

隔水導管打入砂性土層中與土體的摩擦力，可采用式（3）計算

式中，K為地層側壓力系數，對軸向壓縮荷載K=0.5～1.0；P0為有效上覆土壓力，kN/m2；δ為土與樁之間摩擦角，一般取δ=φ-5°，φ為土的內摩擦角，°。

3 溜樁風險預測

3.1 溜樁機理分析

海上隔水導管施工過程溜樁可分兩種：一是打樁初期隔水導管在自重作用下發生溜樁；二是打樁過程中的溜樁。打樁初期，隔水導管在自重作用下沉樁，貫入一定的深度，當導管獲得的地層阻力大于自重時，溜樁停止。打樁過程中，當下部地層中存在軟弱夾層時，由于隔水導管貫穿上覆較硬地層，打樁錘具有較大能量，隨著導管進入軟弱夾層，其所獲得的樁端和側壁阻力迅速減小，使得樁身貫入度迅速增大，發生溜樁。

3.2 溜樁深度預測

隔水導管施工初期的溜樁深度即導管在自重作用下的初始貫入深度。隔水導管獲得土動阻力組合考慮如下：表面摩阻力，在黏土中為靜表面摩阻力的30%，在砂土中為靜表面摩阻力的100%；樁端阻力，在黏土和砂土中均為靜樁端阻力的100%，但只作用在樁端壁厚形成的環形面積上。由于隔水導管外徑通常為609.60 mm、762.00 mm，導管在沉樁過程中容易在管內形成長度為10倍樁徑的土塞，對于土塞對導管內壁的摩擦力，考慮為外壁表面摩阻力的50%。由此，可求得隔水導管施工初期的溜樁深度計算模型為

式中，H溜樁為溜樁深度，m；W為隔水導管自重，kN；qp、f分別為單位樁端和樁側摩阻力，kN/m2；D為隔水導管外徑，m；d為隔水導管內徑，m。

隔水導管施工過程溜樁通常發生在地層中的薄弱夾層，溜樁深度即為薄弱夾層厚度。

4 工程實例分析

我國某海域油氣田采用外徑609.60 mm、壁厚24.5 mm隔水導管進行了打樁施工，海域海底土質參數如表1所示。

根據上文建立的隔水導管施工初期溜樁深度預測計算模型，得到隔水導管獲得的土阻力和自重圖版如圖2所示。從圖中可看出，泥線以下21 m范圍內導管獲得的土阻力小于其自重，隔水導管施工初期將發生溜樁，溜樁深度范圍在海底泥線以下21 m。此外，從表1可知，海底泥線以下深度32.0～39.5存在薄弱夾層，土體單位表面摩擦力和單位樁端承載力均明顯小于其上覆土層值，因此存在溜樁風險。阻力和樁內土塞的影響，并在我國某海域油氣田實際隔水導管施工作業中得到了檢驗和應用，取得了良好的應用效果。

表1 海底淺層土質參數

圖2 隔水導管初期溜樁深度預測

（3）海底淺層土質參數是預測海上鉆井隔水導管打樁溜樁深度的基礎數據，為提高預測精度，應保證海底土質取樣和測試的準確性。

該油氣田隔水導管施工實際溜樁深度與預測范圍對比如表2所示。從對比結果可知，隔水導管在打樁初期和打樁過程中溜樁實際深度與預測范圍基本一致。

表2 隔水導管施工實際溜樁深度與預測范圍對比

5 結論及建議

（1）海上隔水導管施工中發生溜樁將給海上鉆井作業帶來安全風險，并造成極大的經濟損失。

（2）通過對海上鉆井隔水導管打樁施工承載力計算和溜樁機理分析，首次提出了隔水導管打樁溜樁深度預測模型，該模型綜合考慮了樁側、樁端土的動

［1］侯金林.海上平臺樁基施工風險及技術對策［A］//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集［C］.北京：海洋出版社，2011：532-534.

［2］董偉.海洋采油平臺大直徑超長樁動力沉樁分析方法研究［D］.天津：天津大學，2009：63-73.

［3］HORSNELL M R, TOOLAN F E.Risk of foundation failure of offshore jacket piles［A］//Offshore Technology Conference OTC-7997［C］.Houston,Texas,USA, 1996：381-392.

［4］陳波，閆澎旺，李家鋼.動力沉樁中土塞作用數值分析［J］.天津大學學報，2001，34（5）：636-640.

［5］王平雙，楊進，周建良，等.群樁作用下鉆井隔水導管入泥深度計算方法研究［J］.中國海上油氣，2007，19（3）：184-187.

［6］楊進，彭蘇萍.群樁條件下樁土相互作用實驗研究［J］.巖土力學，2004，25（2）：312-315.

［7］彭蘇萍，楊進，周建良，等.群樁作用下隔水導管可打性試驗［J］.石油鉆采工藝，2002，24（5）：8-10.

（修改稿收到日期 2013-04-03）

Study on the slip pile depth prediction for offshore drilling conductor installation

ZHANG Haishan1, YANG Jin2, YAN De2, TIAN Ruirui2, LIU Jiawei2, WANG Xiao2

（1. CNOOC Shanghai Branch,Shanghai200030,China; 2. China University of Petroleum,Beijing102249,China）

In view of the slip pile depth prediction in pile construction is concentrated on pile driving risk analysis of large diameter and super-long piles, but the slip depth and slip pile mechanism of offshore riser construction is lack of study, which means blindness and risk exist in operation. The geometrical relationship between conductor and offshore platform during pile driving operation, the ultimate bearing capacity of conductor and the slip pile mechanism were analyzed, and then the theoretical prediction model of the slip depth for offshore conductor driving construction was proposed. The theoretical prediction model of slip depth has been successfully applied in several wells in an offshore oil fi eld, and the actual slip depth of conductor driving is nearly in line with the calculated result. The research achievements provide the theoretic foundation for risk assessment of conductor operation, and ensure security for offshore drilling.

conductor; pile driving; ultimate bearing capacity; slip pile; depth; prediction

張海山，楊進，嚴德，等.海上鉆井隔水導管打入作業溜樁深度預測 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：22-24.

TE52

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0022 – 03

國家科技重大專項 “海上稠油油田快速高效開發新技術”部分研究成果（編號：2008ZX05024）。

張海山，1994年畢業于石油大學（北京），獲碩士學位，現任中海石油（中國）有限公司上海分公司鉆完井部技術經理，從事海上油氣勘探開發的鉆完井工程技術研究與管理工作，高級工程師。電話：021-64395300。E-mail：zhanghsh@cnooc.com.cn。

〔編輯

付麗霞〕