深水鉆井導管水下打樁站立穩定性分析與建議

鄧玉明

(中海油能源發展股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著深海油氣開發規模的擴大及深海油氣資源開發戰略地位的逐步提升，深海油氣開發所涉及的鉆完井作業量、基礎設施結構的樁基安裝，例如深水開發平臺TLP[1]、SPAR[2]等平臺的基樁安裝、海底設施支撐基樁安裝等與日俱增。深海開發規模的擴大，也使井的批量作業數量呈上升趨勢。由于深海油氣鉆探項目成本高昂，為了節約成本，業內有項目采用打樁的方法批量安裝深水鉆井導管，即利用深水打樁錘將表層導管錘入至設計深度，完成導管的批量安裝作業，達到降低作業費用的目的，且保障了導管安裝精度。深水鉆井導管水下打樁安裝技術[3]不僅在特定的背景下能有效降低作業成本，且能有效降低深水表層導管安裝的風險[4-5]。

深水鉆井導管在水下打樁過程中，導管首先完成初步入泥。在放置樁錘后，導管在打樁錘的重力載荷作用下會繼續下沉，直至無法繼續克服下沉土阻力為止。此時，處于泥線以上的導管自由段與打樁錘完全無任何約束，并站立于海底。深水水下打樁導管海底站立穩定性指的就是站立于海底的導管能否在水流與置錘前后錘重載荷的共同作用下保持穩定的問題，它是導管能否進一步施工的關鍵。

此外，由于深水鉆完井對導管的傾斜要求非常嚴格，不同的公司及項目，其要求也不同。以中國海洋石油有限公司為例，其常規深水探井作業要求鉆井導管的安裝傾斜角不能大于1.5°[6]。采用多井槽井眼群開發的油田，例如TLP開發模式，導管的安裝精度要求更高，例如巴西深水油田BC-10 Parque das Conchas和TLP平臺P-16油田，要求導管傾斜角度小于1.0°。因此，導管在滿足屈曲穩定性的基礎上，還要能滿足深水開發導管安裝傾斜度要求。

綜上，導管的站立穩定性分析對深水鉆井導管打樁意義重大，是鉆井導管水下打樁設計的關鍵內容，其對導管站立穩定性的要求主要在2個方面：①深水環境中，導管在自重力作用下入泥后，其本體強度能滿足置錘載荷要求，不發生屈曲破壞；②導管在放置樁錘前后的傾斜度或撓度能否滿足安裝要求。因此，需要對導管的自由站立穩定性進行分析。

1 導管站立載荷分析

深水鉆井導管在水下打樁整個作業過程中，導管與打樁錘均完全在海底環境中，要對導管在海底的站立穩定性進行分析，首先就要充分了解導管在海底站立工況下所承受的載荷，再根據導管的綜合載荷，分析導管產生的彎矩、應力及傾斜或者撓度是否滿足導管屈曲強度及安裝精度要求。因此，導管載荷分析是其站立穩定性分析的關鍵第1步。鉆井導管在海底的站立如圖1所示。

1.1 水流載荷

鉆井導管在海底自沉并置錘后，導管與樁錘均完全在海底環境中。因此，導管與樁錘不受風與浪的環境載荷作用，只受到海底水流橫向載荷作用。計算水流載荷時，水流方向夾角至少考慮0、90、180°工況[7]，再計算作用在導管上的水流力[8]。

圖1 深水鉆井導管水下打樁海底站立示意

1.2 自重載荷

導管被送入至海底后，導管在自重力作用下入泥，直至導管自重力無法克服土阻力，無法繼續入泥為止。由于工程上導管入泥后難以達到完全垂直，一般都會有一定的初始傾斜度。此時，導管除了承受水流載荷外，還承受其自重載荷，要求導管在這2個載荷的綜合作用下能保持站立穩定性。

1.3 置錘載荷

導管在自重力作用下入泥后，要將打樁錘放置在導管頂部，即低壓井口頭頂部。打樁錘在海水中的浮重將由導管承擔，處于泥線以上的導管段在錘重與水流載荷的相互作用下能否保持穩定，決定了能否進行下一步打樁作業。這要求導管體強度能承受錘重載荷，不發生屈曲破壞。同時，導管的傾斜度或撓度要能滿足作業要求。此時，導管要在水流、自重力及錘重力3個載荷聯合作用下保持站立穩定性。錘重力對深水打樁作業的影響非常關鍵，分析打樁錘對導管站立穩定性影響具有重要意義[9]。

1.4 附加載荷

在軸向上，導管頂部低壓井口頭在置錘后，軸向上承受錘重載荷。根據A PI RP 2A-LRFD[10]規范的工況推薦，在導管站立穩定性分析時，要考慮導管傾斜與重心偏心問題。在計算彎矩時要將其視為至少有2%以上傾斜度的懸臂梁來計算，同時要考慮導管傾斜對導管頂部水平位移的P-Δ效應及其產生的彎矩。導管因P-Δ效應產生的內力和變形可采用m法[11]或“P-Y”曲線法[12]計算。

1.5 渦激振動載荷

對于圓柱體海洋工程結構，其水下構件在波流作用下會發生振動，如果這種振動處于定長狀態而連續發生，將導致結構因疲勞壽命縮短而破壞[13]。鉆井導管在海底站立期間，承受水流作用，應考慮渦激振動影響。渦激振動分析的典型工具有麻省理工大學的SHEAR7軟件[14]，在工程領域中廣泛應用。

2 導管站立穩定性分析方法與影響因素

根據目前海洋樁基工程經驗及已實施深水鉆井導管批量打樁施工案例，導管的站立穩定性分析可依照相關標準規范進行，其分析方法主要有能量法[15]、鐵木辛柯法[16-18]和API規范法[19]及有限元數值模擬方法[20]。

要對導管站立穩定性進行分析，并進行優化設計，就要掌握穩定性影響因素與影響規律。通過對導管站立穩定性關鍵影響因素及其影響表現進行分析，掌握各因素對導管站立穩定性的影響規律，為導管站立穩定性的優化設計提供更有效、經濟的技術參考。

根據導管站立工況載荷分析，導管穩定性的主要影響因素有土質參數、導管規格、導管站立高度、導管傾斜度及導管傾斜角與水流引起的水平向載荷。通常情況下，在進行導管海底站立穩定性分析時，海底土質參數與環境參數已定，因此，不考慮土質因素，可將導管站立海底視為底部固定約束、頂部自由的壓桿來進行分析。

根據南海典型的導管數據(如表1)與已實踐案例中典型深水打樁錘數據(如表2)，基于鐵木辛柯法與API規范法，進行初步計算，再分析不同因素對導管穩定性的影響規律。導管穩定性初步計算結果如表3所示。由表3可知，組合應力極限系數小于1，說明導管在錘重與水流力載荷下，不會發生屈曲破壞。

表1 導管規格與力學參數

表2 樁錘參數與水流參數

表3 導管站立穩定性初步計算結果

2.1 導管傾斜度

根據中海油深水鉆井作業規程與指南，導管噴射前要控制傾斜度不小于2°。基于南海深水作業實踐，通常導管噴射前的傾斜度在0.5～1.5°。假定導管初始入泥16 m，站立高度為54 m。分別計算導管傾斜度在0.5～1.5°時的側向彎矩的等效軸向載荷Ple。由圖2可以看出，隨著導管傾斜度增加，達到相同側向彎矩時的等效軸向載荷Ple下降約66%，說明在導管初步入泥階段，傾斜度對導管軸向載荷有著顯著影響，要嚴格控制導管初始入泥的傾斜度。

圖2 導管傾角與導管側向載荷彎矩的等效軸向載荷變化曲線

2.2 導管水平載荷

深水鉆井導管水下打樁中，導管的水平載荷主要來自樁錘與水流。API規范中推薦2%的樁錘重力為附加水平載荷。當水流參數不變，導管傾斜1°時，分析不同比例錘重的附加水平載荷下總的側向載荷的等效軸向載荷Ple。由圖3可以看出，錘重比例由2%增加至6%，等效軸向載荷Ple等比例增加約2.3倍，說明導管置錘下沉后，錘重比例的附加水平載荷越大，導管等效軸向載荷越大，對導管屈曲穩定性有著顯著影響，要嚴格控制錘重及錘重比例。

圖3 錘重附加水平載荷比例與等效軸向載荷變化曲線

2.3 導管站立高度

導管的初始入泥深度可通過外力措施來改變。算例中設定不同導管初始入泥或站立高度，分析其它導管的臨界屈曲載荷影響。由圖4可以看出，當導管站立高度下降，導管的臨界屈曲載荷增加。每下降1 m，臨界屈曲載荷增加4%。站立高度的下降，有利于導管在海底的站立穩定性。

圖4 導管站立高度與臨界屈曲載荷變化曲線

3 導管穩定性分析方法應用建議

在進行導管站立穩定性分析時，由于采用不同的分析方法，其結果的側重點及指向性不同。充分掌握相關方法的適用性，對導管穩定性分析與設計有重要的指導意義。同時，載荷余量設定也非常關鍵，載荷余量設定過小可能導致施工安全隱患，過大則可能導致技術實現難度提高且成本提高。此外，對于穩定性不滿足要求的情況，結合穩定性關鍵影響因素，建立合理的設計優化思路與方法，對工程設計與施工可靠性與合理性有關鍵影響。因此，筆者結合已有案例實踐分析，提出了導管站立穩定性分析與優化的幾點建議，為分析與優化提供指導。

3.1 分析方法的適用性

1)鐵木辛柯法及API規范法。由于導管的穩定性對站立長度與自重比較敏感，鐵木辛柯法及API規范法在經典歐拉公式的基礎上考慮了沿長度分布的重力因素，該方法更符合實際工程工況，能廣泛適用于海洋工程中的壓桿穩定性分析，但二者在深水鉆井導管工程中應用有一定的局限性。二者只考慮了底部固定、頂部自由的工況，而導管在自沉后，其穩定性還與土壤相互作用力有關。這兩種方法把導管與土體的作用當成剛性連接的底部固定桿，計算結果無法反應導管在海底土壤的真實受力情況，其分析結果不安全，更適合做理想靜力穩定性分析。此外，API規范法只是定性地求解構件在組合載荷下的穩定性結果，未深入考慮土體的影響作用及導管在不同屈曲模態及其應力分布。

2)三維非線性有限元方法。采用三維非線性有限元方法對導管進行站立穩定性分析，通過P-Y曲線來描述鉆井導管與土壤的相互力學作用特性，有效地考慮了導管與土壤變形的非線性問題，同時考慮結構的幾何非線性和環境與樁錘重力綜合載荷的作用，得到導管開始變得不穩定時的臨界荷載，同時能夠得到導管屈曲模態和應力分布，其分析結果更能反應真實情況，更加安全，能更好地為穩定性設計與優化提供依據。有限元的三維數值模擬分析方法在已實施案例中被使用，是分析的首選方法。

3.2 載荷余量設定

1)導管的傾斜角設定。由于鉆井導管水下打樁施工與傳統的鉆孔及噴射施工完全不同，后者在施工過程中對導管的實時傾斜角仍有調整的手段，而水下打樁施工過程中無法對導管進行控制。因此，在穩定性分析中，結合導管的最終安裝傾斜角要求，重點關注導管頂部在綜合載荷作用下泥線處的水平位移及管土分離情況，不能超過安裝傾斜角要求對應的水平位移。

2)水流力計算。在計算總彎矩時可考慮水流力的方向與傾斜方向一致，加大了導管應力，使計算結果更加保守。

3)導管橫向附加載荷設定。根據API規范，在導管的橫向載荷上附加一定比例的錘載荷，以使計算結果更加保守。在已實施工程中，例如，巴西深水開發鉆井導管批量水下打樁項目，其在分析中附加了5%錘重載荷作為導管的橫向附加載荷，增加了導管彎矩及內應力。導管在受力狀態下，強度校核安全系數不能小于1.6。因此，附加載荷比例可以考慮由API規范推薦的2%增加至5%，提高施工安全余量的同時又不額外增加技術實現難度。

4)導管渦激振動載荷設定。要結合環境與施工周期因素考慮。以南海深水環境為例，在水深大于500 m海底，1 a重現期內海底水流速度通常小于0.5 m/s。根據國外已實施案例，導管水下打樁施工周期通常較短，導管在海底承受水流作用時間一般為1～3 d。因此，在導管站立穩定性分析中可針對具體作業特點與環境，嚴格參照相關規范，評估水流渦激振動影響，分析水流產生影響的臨界流速[21]，為工程設計進行指導，確保施工安全。

3.3 穩定性優化思路與方法

在進行打樁初步設計過程中，對于導管站立穩定性不滿足要求的情況，需要進行設計優化。當沒有優化空間時，可制定措施來提高導管站立穩定性。

根據穩定性關鍵影響因素分析結果，可從以下幾個方面考慮：

1)減小外部載荷。可以減小的主要外部載荷為由樁錘重力引起的軸向載荷與橫向分載荷，減小打樁錘重力即可減小外部載荷。因此，在滿足施工要求的前提下，合理的打樁錘優化選型，有利于緩解樁錘引起的導管站立穩定性挑戰。

2)由于導管的初始傾角對穩定性影響顯著，加上深水開發鉆井導管安裝傾角要求苛刻，可研制導管初始傾斜角的控制裝備，制定措施，使導管在置錘前盡量趨于垂直。

3)導管的站立穩定性與導管材料力學性能相關，尤其是當導管外徑一定時，其自身強度決定了導管站立時的抗屈曲破壞能力，而其自身強度與其外徑、規格、鋼級等相關，因此，導管站立穩定性的分析也是對水下打樁導管初步設計結果的校核，為導管優化設計提供技術依據。

4)對于一定的地質條件與導管規格及錘型，導管站立高度越小對導管站立穩定性越有利。因此，可考慮采取措施以增加鉆井導管的初始入泥深度，減小導管站立高度，以提高導管站立穩定性。

4 結語

深水鉆井導管水下打樁技術是繼傳統鉆孔技術與噴射技術之后的一種新型導管安裝技術。經實踐驗證，該技術有效可行，具有獨特的優勢，對深水表層導管安裝技術的發展具有積極意義。其中，導管站立穩定性是該技術的關鍵內容之一，它涉及導管、樁錘及土壤3要素，是一項系統性的分析工作。其分析結果影響著施工技術難度與經濟性。因此，合理、有效的分析十分關鍵。

目前，我國南海深水油氣開發的導管安裝主要依靠鉆孔與噴射技術，尚無水下打樁技術應用案例。文章基于現有行業研究成果與已有案例實踐，分析了導管站立穩定性分析的關鍵內容、方法特點、關鍵載荷及影響因素與規律，提出了導管站立穩定性分析與優化建議，為導管站立穩定性分析與優化設計提供參考。