深水淺軟地層吸力樁基盤結構優化設計研究

馬寶金 張愛霞

摘要：我國南海深水海域蘊藏著豐富的油氣資源，但環境條件惡劣、地質風險高，鉆井作業面臨著嚴峻挑戰。為此，提出了一種組成簡單、建造成本低、安裝效率高、可根據工程需要重復利用的新型吸力樁基盤結構型式，以適應我國南海深水淺軟地層安全鉆井作業的需求。采用規范法和有限元法全面分析了此類大直徑桶形結構的承載性能；基于二次開發土體本構模型，研究了循環荷載作用對吸力樁基盤承載力的弱化效應；結合工程實例分析揭示了多樁吸力基盤的承載性能特點。分析結果表明，與常規井口基盤相比，吸力樁基盤結構型式可明顯改善整體井口系統的承載能力，為深水淺軟地層鉆井作業提供了安全、高效、經濟、可靠的解決方案。所得結論和計算方法可為實際工程提供參考。

關鍵詞：深水淺軟地層鉆井；吸力樁基盤；承載力；規范法；有限元法

0 引 言

我國南海深水海域蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，對保障我國能源安全發揮著重要作用。但南海環境條件惡劣，風急波高浪大，臺風、內波流頻繁發生。同時，海底地質條件復雜，存在淺層氣、淺層水流、斷層、滑坡等多種災害風險［1］。當海床發生滑坡時，會快速沉積形成松軟、高含水、未膠結、不穩定的地層。在這種淺軟地層進行鉆井作業，如果采用常規的建井技術，很容易發生淺層井壁坍塌、井口失穩等事故，導致井控問題。因此，迫切需要開發一種適合深水淺軟地層鉆井作業的井口裝備，能夠在海底淺部地層提供較大的承載及抗彎能力，保障深水油氣鉆采作業安全可靠實施。

水下井口系統通常由隔水導管、水下防噴器和水下井口裝置組成。水下井口承受的載荷包括隔水導管底部接頭處的橫向力及豎向力、水下防噴器組的重力、作用于水下防噴器組并傳遞到水下井口裝置的橫向流力、懸掛于井口套管串的重力、海底土壤對水下井口裝置豎向和橫向的土體抗力、海底流對吸力樁的作用力等。在實際作業過程中，由于鉆井平臺的漂移，井口系統還會承受隔水導管底部傳遞的彎矩等橫向載荷［2］。

為滿足深水淺軟地層鉆井目的要求，有時需要在泥面以下100～200 m處實現淺層造斜，這樣對導管的長度、置入深度及承載力就有特定的限制要求。在這種限制下，如果導管長度不足，無法提供足夠的承載力，就會發生井口下沉、失穩等嚴重后果。挪威Neodrill公司設計開發了一種新型吸力樁基盤結構，將吸力樁與井口基盤結合，可有效解決淺軟地層鉆井的水下井口穩定性問題，并成功應用到實際工程。

吸力樁是一種頂端封閉、底端敞開的大直徑桶體結構，通過桶體側壁與土壤之間形成的摩擦力來抵抗外力，具有施工簡便、安裝速度快捷、可重復利用、技術經濟性強等優點［3］。安裝吸力樁時，首先依靠樁體自身重力貫入海底，再通過吸力泵抽出樁內海水和空氣，形成內外部壓力差，最終被貫入到設計深度［4］。筆者在分析單樁吸力基盤結構承載力特性和循環載荷弱化規律的基礎上，對三樁吸力基盤在深水淺軟地層鉆井作業中的實際工程案例進行分析，驗證了此類結構可為井口系統提供有效支撐，保障鉆井作業穩定、安全實施。

1 單樁吸力基盤承載性能分析

吸力基礎直徑通常為4～8 m，高度超過10 m，工程中可根據需要采用單樁基盤、三樁基盤和多樁基盤等結構形式。本文以外徑4 m，高度15.5 m，入泥深度15 m的單樁基盤為研究對象，探索單樁基盤結構的承載性能。假設單樁基盤作業海域地基為單一勻質黏土，土體有效重度為5 kN/m3，不排水抗剪切強度為5～30 kPa。

1.1 承載力分析

根據土力學和樁基理論，吸力樁基盤的豎向承載力包括貫入深度范圍內周圍土體對內、外側壁產生的摩擦阻力，以及底部土壤對端部產生的支承力，可采用規范公式或有限元分析方法開展相關評估分析［3］。

1.1.1 規范方法

1.1.2 有限元法

本文采用ABAQUS有限元軟件，使用位移加載方式對吸力樁基盤的極限承載能力進行分析。為消除模型邊界效應，土體取為基盤外徑5倍的圓柱體，深度為其入泥深度的2倍。由于基盤為對稱結構，為提高計算效率，建立1/4有限元模型；邊界條件設定為底面邊界進行固定約束，根據施加位移載荷的方向，在側面邊界上對相應的自由度進行約束。

吸力樁基盤與土體的接觸、脫離以及發生滑動等狀態在載荷施加過程中會發生改變，本模型采用“硬接觸”（Hard Contact）模型，根據吸力樁體與土體之間接觸面上法向應力的方向判斷所處的接觸狀態［6］。當法向應力判定為壓應力時，基盤與地基土之間為黏結狀態，接觸面上的摩擦力由庫倫摩擦定律計算得到；法向應力判定為拉應力時，則定義樁體與地基土相對脫離，土體和樁體間產生裂紋，接觸面上摩擦力為0。

圖1為土壤在不同剪切強度下吸力樁基盤的應力云圖。由圖1可以看到，當土體剪切強度較小時，在豎向位移載荷作用下，基盤周圍土體發生了明顯的塑性應變，軟弱土層不能夠承受較大的變形和載荷，將發生豎向剪切破壞。隨著剪切強度的增加，土體抵抗變形的能力增強，發生塑性應變的區域逐漸變小。

另外，在豎向位移載荷作用下，土體應力主要沿樁側向分布，受樁周土圍壓影響，側向土體收斂成梨形。吸力樁下部土體產生明顯的塑性應變，而上部土體形變相對較小，應力水平較低，說明上部土體對吸力基礎側壁產生的摩擦力有限，下部土體對承載力的貢獻更大。因此，在確定吸力樁的設計入泥深度時，應確保樁端在持力層上。

根據各個計算工況下加載過程中的荷載位移曲線，選擇拐點位置為土體的極限承載力。由于本文采用1/4吸力樁基盤模型，以土體抗剪切強度25 kPa為例（見圖2）。

豎向承載力為2 325 kN，則整體承載力為：2 325 kN×4=9 300 kN。

1.1.3 計算結果對比

表1、表2分別列出了采用規范法和有限元法進行吸力樁基盤豎向和橫向承載力計算的結果。由表1可以看到，采用有限元法計算結果比規范法計算結果大10%～20%，說明規范法更為保守，可在實際工程項目中作為評估吸力樁承載力的初步手段。

根據表1計算結果，如果采用常規井口，相同長度下直徑為914 mm的隔水導管所能提供的豎向承載力僅為樁徑為4 m的吸力樁基盤結構的20%。與采用常規井口（見圖3）相比，吸力樁基盤井口（見圖4）通過大直徑桶形結構，增加了與土壤的接觸面積，大大提高了基礎的承載能力，滿足深水淺軟地層油氣鉆采井口系統對承載力的要求。

在ABAQUS中采用有限元二次開發子程序構建土體在循環載荷作用下的土體本構模型。將循環載荷施加到吸力基盤的頂部，采用位移控制法，分析循環載荷對吸力樁基盤承載力的影響。為控制循環載荷作用時間，設置合理的分析步時長。

通過研究可以發現，在循環載荷作用下，吸力樁基盤周圍的土體孔壓逐漸增大，累積后趨于平穩，如圖5所示。隨著循環次數的增加，循環載荷作用下正常固結軟黏土孔隙水壓力逐漸增加，而孔壓的增加將導致土體發生剛度和強度軟化，從而導致土體結構的破壞。

隨著循環載荷作用時間的延長，循環載荷對吸力基礎承載力的弱化作用先逐漸增強，然后趨于平穩，如圖6所示。到達平穩區間的極限承載力可以代表吸力基礎全壽命周期的極限承載力，在吸力基礎的全壽命周期內，循環荷載對極限承載力的弱化作用在15%左右。

2 三樁吸力基盤選型及承載性能分析

下面以南海某1 300 m深水淺軟地層鉆井項目為例進行研究。以往工程項目中單樁吸力基礎的垂直度偏差一般在1.0°～1.5°，而本項目中要求吸力樁基盤垂直度偏差不得大于0.5°。由于本案例對吸力樁基盤的安裝精度要求高，為滿足鉆井作業要求，選取三樁形式吸力基盤。三樁吸力基盤可以獲得較大的承載面積，穩定性較高；在安裝過程中可以隨時調整樁體垂直度，垂直度偏差能夠控制在0.5°以內［3］。

三樁吸力基盤有限元模型如圖7所示。三樁吸力基盤在各樁之間設置中心管，中心管上方連接喇叭口支撐井口系統。各樁之間距離為5.3 m，每個樁頂分別配備吸力泵，樁間連接板上布置監控系統，用以監控基盤在安裝過程中的傾斜度。

2.2 三樁吸力基礎承載力有限元預測

建立如圖8所示的三樁基盤有限元分析模型。

由于群樁基礎載荷影響范圍比單樁更大，模型中設定土體高度為入泥深度的3倍，土體直徑約為單樁直徑的9倍。施加邊界條件和土體與基盤的接觸條件，并分別在3個吸力樁樁頂施加大小為0.5 m的豎向位移及橫向位移。

圖9為三樁吸力基盤在豎向荷載作用下土體應力分布云圖。由圖9可以看到，由于各樁間距較小，樁頂載荷通過樁側摩阻力傳遞至樁側和樁端的土層中，應力之間產生重疊，使各樁的側阻力和端阻力受到影響，產生了明顯的群樁效應，地基所受壓力在影響范圍和深度上都比單樁明顯加大。

通過計算，得到各樁的豎向承載力和橫向承載力以及基盤整體承載力，如表6所示。總承載力均大于最低承載力（5 880 kN），滿足承載要求。

2.3 三樁吸力基礎操作工況承載力復核

為確保吸力樁基盤安全運行，還應校核操作工況中的土體承載力。在有限元模型中施加運行過程中實際承受的垂向載荷、基盤重力及橫向彎矩，進行吸力樁基盤性能計算，計算結果如圖10所示。

圖10表明，在吸力樁基盤運行過程中，土體實際應力最大為10.26 kPa，小于其剪切強度，不會發生土體破壞。

各樁端部土體最大反力及樁頂位移大小如表7所示。其中FR1、FR2、FR3分別為X、Y、Z方向的反力，U1、U2、U3分別為X、Y、Z方向的位移。可以看到，各樁受到的支反力均小于極限承載力，垂直方向上的最大位移遠小于1 mm，可滿足井口安全工作要求。

3 結論及建議

（1）針對深水淺軟地層鉆井作業的需求，提出一種吸力樁基盤結構形式。該結構組成簡單，可明顯改善整體井口系統的承載能力，比常規井口更加安全、高效，且建造成本低，海上安裝效率高，為深水淺軟地層鉆井作業提供了可靠的解決方案，具有良好的應用前景。

（2）吸力樁基盤是一種摩擦樁，增加側摩阻力可以顯著提高整體結構的承載力；當土體不排水剪切強度較小時，可以通過增加樁長或適當增加樁徑增強結構的承載性能。

（3）采用規范法計算吸力樁基盤的承載力，結果比有限元法更為保守；且公式明確，便于計算，在實際工程中可用于初步評估吸力樁結構的承載力。

（4）應考慮吸力樁基盤在循環載荷作用下極限承載力的弱化效應。

（5）與單樁吸力基盤相比，多樁基盤可以獲得較大的承載面積，穩定性較高，安裝精度高，但應考慮群樁效應對承載力的折減作用；在實際工程中，可根據具體的工程地質條件及施工要求選取適當的結構形式。

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