深水鉆井導管水下打樁關鍵技術

韋紅術 鄧玉明 同武軍 孫子剛 趙蘇文 趙維青

1.中海石油深海開發有限公司；2.中海油能源發展股份有限公司

隨著深水油氣田開發規模的不斷擴大和開發力度的加強，在現有的技術背景下，行業面臨高昂的成本與高風險挑戰。如何基于目前成熟的技術，運用多學科綜合力量，嘗試新的工藝探索應用以降低深水油氣田開發各階段的風險與成本，成為業內亟待解決的問題。

近年來，業內提出將打樁技術與深水鉆井表層導管安裝結合來實現導管的批量安裝，并在巴西海域進行了應用［1］。實踐證明，在特定背景下，該方法有良好的技術優勢，如土壤撓動程度小、降低淺層地質災害風險、導管承載力時效性高等。鑒于國內對該技術應用的專項技術性分析匱乏，筆者通過充分的調研與分析，介紹了水下打樁技術的基本原理、流程、關鍵點內涵和技術優勢與局限，為解決該技術應用于我國南海深水油氣開發面臨的難點與方案制定提供參考。

1 水下打樁機理

深水鉆井導管水下打樁是指將表層導管視為管樁，采用打樁的方式，將整串導管錘至設計入泥深度，實現導管的安裝。它是依靠導管自重和樁錘的沖擊力，在深水水下環境將表層導管錘入地層的方法。打樁全過程導管與樁錘始終完全處于水下環境。

深水表層導管水下打樁的機理與目前海洋工程平臺導管打樁相似，整串表層導管被視為一根鋼樁，通過水下液壓錘加速下落的錘體沖擊樁頭，錘體通過沖擊的形式將打擊能量傳遞給樁。撞擊過程結束后，打擊能量以應力波的形式在樁體和土壤中傳播，首先是在樁內進行能量傳遞，這個過程中樁承擔能量傳遞的媒介，進而通過樁和土壤的接觸將能量傳遞至整個土壤，克服地層的土阻力，最終使樁下沉貫入土層，從而把后續載荷傳遞到較深和較強的土層中去，荷載傳遞同時出現在樁側表面和樁端支撐面上，并且涉及離開樁的相當距離范圍內的土體［2］。

在軸向極限承載力的確定機理上，它主要由導管的側向摩擦阻力和端部摩擦阻力共同確定，計算方法以API 規范法為主。導管打樁后承載力具有時效性，合理分析承載力時效性［3-4］對導管的穩定性有重要影響。

在分析打樁過程時，其涉及因素很多，就管-土-錘打樁系統本身而言需要考慮導管規格與材質、液壓錘規格與性能以及土質特性等，由于在水下環境打樁，還需要考慮水流力［5］對打樁系統的影響。

基于動力沉樁機理的導管水下打樁技術涉及水流力學、土力學及材料力學等學科，理論方法包括彈性理論、有限元法［6-7］、動力打樁公式法［8］及一維波動方程法等。目前分析深水導管打樁過程主要以有限元法及一維波動方程法［9］為主。

2 水下打樁基本流程

深水表層導管水下打樁施工所需要的物料及裝備主要包括導管、低壓井口頭、工程船、物料船、拖輪、深水液壓打樁錘、扶正導向基盤/扶正框、導管串入水工具(吸入頭)以及獨立水下鋼纜升沉補償器等。表層導管水下打樁的施工基本流程：(1)加工組裝導管串和基盤/扶正框；(2)裝載液壓錘、基盤/扶正框、導管串；(3)動員船舶至井位；(4)布置基盤/扶正框(視情況而定)；(5)放置導管串；(6)放置液壓錘至導管頂部；(7)液壓錘將導管錘入設計入泥深度；(8)回收液壓錘、基盤/扶正框；(9)復原。表層導管水下打樁作業示意圖如圖1 所示。

圖1 深水鉆井導管打樁作業示意圖Fig.1 Schematic piling operation of deepwater drilling conductor

根據一次性集中作業數量情況，可分為單井導管打樁和多井批量導管打樁2 種方式，二者所需主要裝備及工具大致相同。單井打樁在扶正需求上可能只需要獨立的水下扶正框，而多井批量打樁更適合用海底基盤。因此，基于作業井數與土質特性的不同，所采用的施工方案及工序也可能不同，從而所需工程船的裝備配置與能力及輔助工具也不同，要根據實際情況擬定，以達到作業優化高效的目的。

批量導管打樁與單井導管打樁在工序與工具上的使用基本相似。在深水鉆井導管水下打樁作業中，二者都要考慮導管穩定性的問題，這也決定了后續輔助工具可能不同。對于油氣田多井槽的批量打樁可能需要用特定尺寸的基座進行定位與穩定導管，而單井打樁可能只需要簡易的海底扶正器/框架來增強其作業的穩定性。

批量水下打樁方案，按照施工方式的不同，可分為兩種打樁方案：方案1，將導管逐根送入泥后再錘入設計深度；方案2，批量將導管送入泥后，回收送入工具，再批量將導管錘入設計深度。

根據行業實踐，方案2 的平均單井時效比單井打樁時效要高，且批量打樁井數越多，整體施工效率就相對越高，從而降低了單井打樁綜合成本。

3 水下打樁關鍵技術分析

導管是深水鉆井井身結構的重要組成部分。表層導管通過高壓井口頭的聯合作用，為后續的套管串、水下防噴器組提供基礎承載和支撐，并承擔著泥線附近的彎曲載荷。表層導管下入深度應滿足井口設備、表層套管固井及套管坐掛等工況下的承載力要求［10］。導管安裝還要考慮潛在的淺層氣或淺層流等淺層地質災害挑戰。實踐證明，通過打樁技術來安裝深水鉆井導管，由于其對土壤撓動程度小，可以有效降低淺層地質災害風險，提高施工安全性。

因此，在深水鉆井導管水下打樁項目前期準備中如何把握關鍵因素并做好相應預案，對整個項目的前期設計準備及后期作業具有重要意義。

影響表層導管水下打樁工藝的主要因素為打樁錘系統、土系統、導管系統。通過對3 個系統建立打樁系統模型，再結合工程船及輔助裝備進行綜合分析，制定出最優水下打樁方案。

3.1 導管的設計與加工

深水油氣田鉆井工程領域通常使用的表層導管的外徑主要為762 mm (30 in)至1 066.8 mm (42 in)，采用傳統方法安裝時，導管是在鉆井平臺上逐根連接下入。每根導管的外徑一般相同，而單根導管的壁厚根據不同位置的受力不同而存在差異。采用打樁方法安裝導管時，由于利用工程船取代了鉆井平臺，受設備能力等限制，需要在陸地提前將導管焊接成一串整體的導管串，因此要提前設計好導管的壁厚與長度，再進行焊接加工及檢測以滿足作業要求。

在設計導管的壁厚與長度時，由于采用的是打樁的方法，因此，除了要滿足采用傳統方法安裝的設計要求(導管的承載能力、井口-導管系統強度和穩定性、井生命周期內的導管系統強度)，導管的強度還要能承受打樁工況下的載荷，這對導管的焊接質量也提出很高的要求。

導管在打樁工況下，液壓錘每次錘擊導管都會對導管及焊接處產生拉伸及壓縮的循環應力波從而對導管及井口頭產生疲勞損傷。目前主流的疲勞損傷評估方法主要是基于最大拉應力與張應力進行評估分析［11］，它還與地質參數及入泥深度相關。通常保守地假定打樁過程中最大應力沿導管長度分布，即整個導管串都承受打樁錘的每次錘擊。疲勞受力在導管串的焊縫最集中，焊縫疲勞受力最嚴重，包括導管單根之間的環形焊縫和導管本體的縱向焊縫，尤其低壓井口頭與導管之間的環形焊縫。低壓井口頭與第1 根導管的焊接質量非常關鍵，因其長期要承受高的應力，分別來自打樁作業及鉆井作業期間隔水管連接后產生的應力以及生產期間連接生產立管產生的應力。因此，鑒于導管焊縫質量與強度的關鍵性，在導管加工期間對焊接質量要求與強度檢測需要嚴格管控，要針對相應的焊接工藝，建立嚴格的無損檢測方案，確保焊縫質量滿足施工要求。

國內在海洋工程管材焊接技術與焊縫檢測技術方面，尤其在埋弧自動焊及ECA 試驗檢測，目前的技術現狀［12-14］能滿足深水打樁導管的焊制要求。在深水鉆井導管的打樁工況下的導管設計方面，由于目前國內尚無實踐應用，相關針對性研究文獻較少。因此，建議針對深水打樁工況下的導管柱設計方法與關鍵內容進一步開展研究，為該技術在我國南海的應用提供技術依據。

3.2 深水水下打樁錘的選型

深水水下打樁錘是打樁作業的關鍵裝備，通常深水領域水下工程施工中主要使用液壓打樁錘。不同型號的液壓錘其規格及輸出能量不同，適用環境也不同。

深水打樁錘的能力與可靠性要能夠適應深水環境。通常深水打樁錘在選型時其能力及性能上要考慮以下因素：(1)能在深水的高水壓低溫環境下，仍可保證液壓錘深水作業時液壓驅動系統、控制系統、錘擊系統長時間正常工作并且錘擊效率穩定；(2)液壓錘能在深水環境下實現非觸水錘-樁能量傳遞，減少能量傳遞環節及損失，確保其錘擊效率；(3)樁錘及其水下控制管線要長時間承受海水的腐蝕與水柱壓力，因此要求其有相應的防腐能力和密封能力，確保液壓錘長期在水下仍能保持性能穩定；(4)便于運輸、安裝，現場作業操作方便，關鍵零部件儲備與更換方便,現場作業期間故障率低且故障處理不復雜,后期維護保養簡單且成本低。

針對具體的打樁應用工程，在已知地質參數的基礎上進行水下打樁錘的精細化選型，需要綜合考慮導管模型、錘模型及土模型三者的相互影響關系。

打樁錘的精細化選型主要方法有錘擊能量法、經驗綜合比較法和波動方程法等，每種方法所針對的應用領域有所區別。目前水下打樁作業選錘的主流方法是波動方程法。無論打樁錘選型采用什么方法，總體上要把握的原則是考慮滿足鉆井導管克服地層對其的錘入阻力，沖擊能力過大或過小的打樁錘對于打樁作業都不利［15］。同時還要確保打樁錘輸出能量不會使井口-導管系統在打樁過程中受到破壞，但又要保證錘擊的效率和錘自身不受到破壞，因此錘的打擊能量也不能太小，否則不僅無法有效將導管錘至設計深度，還會影響施工效率與進度。

目前針對深水鉆井導管水下打樁錘選型相關綜合性研究文獻較少［16］，且深水液壓打樁錘資源少及費率高昂，不同能量級別對應的錘型費率不同。因此，優化樁錘的選型方法對技術應用的經濟性有積極作用，在應用評估中要充分考慮樁錘費用的影響，結合油氣田整體開發方案,充分提高裝備利用率與經濟性。

3.3 導管可打入性分析

導管的可打入性分析是導管打樁設計的重要內容，它是指通過分析導管在打樁過程與土壤的相互作用，在假定的打樁錘及入泥深度的前提下求解導管打樁應力及導管的軸向承載力，并反向驗證所假定錘能量下的導管打入深度及設計可行性。影響可打入性分析的因素主要有液壓錘的規格與性能、導管規格與材質、土阻力模型以及土壤參數等。

分析打樁的公式有很多，早期基于撞擊原理的動力打樁公式為主流計算分析方法。隨著打樁理論的研究發展，后續出現了波動理論且不斷完善。目前深水表層導管水下打樁主要采用波動理論的一維波動方程法模擬分析導管打樁過程中導管的軸向承載力、入泥深度、應力、樁錘能量及錘擊數等。

在運用一維波動方程進行表層導管打樁分析時，由于表層土質參數如土質分層、土質描述、土質力學性能參數等通過解釋得來的數據精度有限，分析所需輸入參數中的土阻力與實際接近程度也有限，從而土阻力參數對打樁分析結果影響最為顯著，因此如何準確預測土阻力對導管打樁分析極其關鍵。土阻力的計算方法主要有2 種，一種是以Steven和Semple 為代表的計算方法［17］，另一種方法是采用靜力觸探試驗(CPT)進行測定結果分析計算法。目前的深水工程及已實施相關案例，其在計算土阻力時通常采用Stevens 等(1982)和Puech 等(1990)推薦法及Semple &Gemeinhardt(1981)方法［18］，并結合以往水下打樁經驗。通過計算，建立上、下限值土阻力曲線圖，然后再通過基于一維波動方程原理的計算機程序如GRLWEAP 和TNOWAVE 等對導管打樁全程進行分析，指導工程施工。

導管的可打入性評估是深水鉆井導管打樁技術應用可行性的一個關鍵內容。在評估該技術在我國南海深水的適應性時，可結合南海典型深水表層土壤特性，對導管進行可打性分析，評估我國南海深水開發典型導管能否安全錘至典型下入深度［19］。

3.4 低壓井口頭設計與選型主要考慮事項

低壓井口頭在井的結構中承擔著重要的作用，其內部承托環承載來自高壓井口頭的負荷，外部鎖槽承受來自基盤的負荷。雖然目前市場上井口供應商提供的深水低壓井口頭種類較多，其規格也因應用的針對性(應用技術要求、安裝方法、泥墊安裝需求等)而有所不同，但其主要功能基本類似，而且所提供的低壓井口頭類型也主要針對傳統鉆井工藝的應用，專門針對打樁用的低壓井口頭并不普遍。

深水打樁用低壓井口頭的設計除了要滿足傳統工藝施工的性能要求外，在打樁方面又提出了其他更苛刻的要求。在前期設計選型中，打樁用低壓井口頭的幾何尺寸需要考慮的主要問題有：(1)由于打樁錘的錘擊沖擊能量直接傳遞給低壓井口頭的頂部，因此其頂部端面的平整度要求高，同時頂部面積又要足夠大以分散錘的沖擊負荷；井口頭端部制造精度及與井口頭本體的垂直度方面極其重要，以防止在打樁作業期間低壓井口頭提前損壞；(2)低壓井口頭在打樁作業中還起到引導打樁錘的作用，因此其外部輪廓要有平滑的圓柱剖面，尤其是其與打樁錘匹配的引導段不能有外突形狀，以避免與打樁錘引導筒不匹配；(3)為了降低井口頭結構的復雜性，以增加其強度，在非必要的情況下，不考慮與高壓井口頭的預張力鎖緊結構；(4)由于打樁作業方式與井口頭吊裝操作的特殊性，還要有其他特殊要求，如外部或內部提升槽環、導流孔及相應的孔堵頭等。總之，打樁用低壓井口頭的性能設計與傳統的低壓井口頭的設計出發點可能會有所沖突，比如送入低壓井口頭的方式、水力影響等，這些傳統的設計出發點在打樁工藝中的重要性成為非主要考慮因素。

完成井口頭的規格設計與選型后，要對其進行強度校核以確保其選定的規格結構能夠滿足設計要求。井口頭的疲勞受力始終貫穿井的生命周期，即初始打樁作業、鉆井作業、連接隔水管后作業、生產作業，尤其是TLP 平臺的生產方式對井口頭造成的疲勞應力更為嚴重。因此，對井口頭-導管系統進行疲勞分析對井的穩定性極為重要。

目前我國南海深水開發的高低壓井口頭主要采用進口常規井口。盡管我國已經實現井口頭自主研發，但仍未大規模投入使用，且由于在國內深水鉆井導管打樁技術尚無應用案例，井口頭的研發設計并未考慮對水下打樁技術的適應性。為加強關鍵裝備的自主化研究，進一步積累沉淀行業創新技術，可將水下打樁技術適應性列入井口的設計研制中，填補技術空白。

3.5 導管自由站立穩定性與強度分析

導管自由站立穩定性是指在導管完成初始入泥后，處于泥線以上的導管段在錘重或外載荷的相互作用下能否保持穩定性的問題。這里的穩定性主要指2 個方面：一是導管的傾斜角或撓度能否滿足設計要求；二是導管是否能滿足強度要求，不發生屈曲破壞。因此需要對導管的自由站立穩定性及強度進行校核，使其滿足規范的要求。

導管自由站立穩定性分析通常考慮導管受到的載荷包括導管自重、水流力載荷、錘重及錘重附加側向載荷。在進行分析時，應根據導管的綜合載荷進行導管的強度校核［20］。最常見的載荷影響因素包括靜彎矩、軸向載荷、打樁錘初始放置時產生的側向載荷及環境載荷等。這些載荷能使導管出海底泥線的最大自由站立高度受到限制，尤其在淺層土壤剪切強度較大或有硬夾層情況下，對水下打樁作業的影響更大。在已有案例中，采用了相關有限元分析軟件對導管柱進行了建模，并根據API RP-2A WSD［21］推薦工況，進行了考慮導管與土壤相互作用的穩定性分析，該方法滿足現場實踐要求。

導管的穩定性分析是打樁分析的關鍵一步。在南海進行應用評估時，可結合南海典型深水表層土壤特性，對導管站立穩定性展開研究，分析存在的挑戰并提出相應的解決方案。

4 結論

(1)采用水下打樁法安裝深水鉆井導管經實踐證實有獨特的技術優勢，可以避免采用傳統鉆井工藝時鉆遇如淺層氣、淺層高壓流及淺部斷層等引發的井下事故，有效降低了淺層地質災害的發生，同時還能簡化表層導管安裝施工作業等，而且在特殊的項目背景下能夠顯著降低作業成本［22］。

(2)鑒于深水導管打樁技術的獨特優勢，通過研究國外成功經驗，總結分析了該技術關鍵點。由于篇幅限制，只對涉及的部分關鍵點進行了概括性的分析，并立足國內行業技術現狀，指出該技術在我國南海探索應用存在的空白或挑戰，旨在為后續技術應用研究方向提供參考。

(3)目前國內深水鉆井導管打樁技術尚無應用案例，若要在國內進行探索應用，就要結合我國南海深水開發典型特點，針對性地解決關鍵點的技術挑戰。此外，由于在深水打樁錘裝備上仍高度依賴國外技術，其高昂費用也限制了該技術在國內的探索應用。因此，還要加快形成具有自主知識產權的深水裝備，為我國深水開發提供技術儲備，填補國內的技術空白。