深海資源鉆探吸力樁建井模式研究

楊 進，朱國倞，李舒展，李 磊，管 申，宋 宇

（中國石油大學（北京）海南研究院,北京 102249）

目前，世界深水油氣和天然氣水合物鉆探的建井模式主要有噴射法和鉆入法，這2 種建井模式適用范圍較廣，國際上80%以上深水鉆井作業采用噴射法安裝表層導管[1–4]。隨著深水資源勘探開發的不斷深入，對作業時間和成本的要求越來越高，而傳統建井模式作業效率的提高空間有限，不管是鉆入法還是噴射法，都需要利用鉆井船進行作業，成本較高；同時，其承載力過度依賴表層導管的下入深度，承載力的提升空間受限[5]。

吸力樁建井模式采用寬淺式筒形基礎，內置導向管以容納井口，通過負壓貫入地層，安裝作業能夠擺脫必須使用鉆井船或鉆井平臺的限制，可以使用工程船完成安裝作業，降低了成本，適用性強；吸力樁作為基盤式的井口，更可以滿足一樁多井眼的同時下入，施工效率大大提高，應用前景廣闊；其入泥深度只有傳統方法的1/4～1/5，同時下入擾動較小，縮短了安裝下入及后續作業等待時間[6]。吸力樁作為一種基礎結構在海洋工程結構物樁基方面已得到廣泛應用，但吸力樁作為一種建井基盤結構還處于探索階段，對包含井筒的吸力樁結構的下入控制、入泥深度設計等方面的研究較少[7–9]，深水建井方面存在難以下入到位、井口傾斜控制難度大等問題。為此，筆者通過分析大量文獻和進行現場調研，研究了吸力樁及井筒的功能特點和設計要點，結合現場數據進行了算例分析，以期為吸力樁建井設計和施工提供指導。

1 吸力樁建井工藝

吸力樁建井模式不僅可以使用鉆井船、鉆井平臺，還可以使用工程船進行下入安裝，在泥面處需與遙控潛水器（remote operated vehicle，ROV）及吸力泵配合進行負壓貫入作業。該建井模式由于使用帶中心管的吸力樁，既可以單獨下入吸力樁后再下入表層導管，也可以集成表層導管后一并下入，其作業流程如下：

1）海上運輸。將在陸地上制造完成的吸力樁基盤裝船固定，由鉆井平臺、鉆井船或工程船運送到海上井場位置。

2）吊裝準備。就位后進行吊裝準備，將纜繩固定在吸力樁吊耳上，切除吸力樁在工程船上的焊接固定。

3）吊裝。將吸力樁吊放到水面（如圖1 所示），同時吊ROV 入水。吸力樁下至泥面時，ROV 確認吸力樁及吊裝索具狀態良好，準備貫入吸力樁

圖1 吸力樁入水示意Fig. 1 Suction pile entering the water

4）吸力樁重力沉貫。吊裝吸力樁繼續下放并開始吸力樁的重力沉貫，重力沉貫過程中，ROV 需要一直監測吸力樁貫入進尺及傾斜情況。

5）吸力樁負壓貫入。重力沉貫完成之后，ROV攜帶吸力泵插入排水孔，抽水繼續貫入。貫入完成之后，ROV 收回泵接口，解開吊裝索具，并將吸力泵回收到甲板上。

2 吸力樁設計

2.1 吸力樁結構設計

2.1.1 吸力樁貫入主控因素

吸力樁負壓沉貫過程中的動力主要為樁體內外壓差產生的作用于樁頂的壓力，計算公式為：

式中：F為貫入動力，kN；W為吸力樁井口自重，kN；Fm為負壓載荷，kN；Δp為樁體內外壓差，樁內抽至真空時達到最大，kPa；Ad為樁體頂部面積，m2。

可見，吸力樁貫入動力隨著吸力樁頂部面積增大而增大，在土質條件和吸力泵抽吸能力一定的條件下，吸力樁外徑需要大于臨界值，才能完成貫入。

2.1.2 吸力樁外徑與高度的設計

吸力樁的外徑與高度共同影響著井口的承載力和穩定性，吸力樁的外徑和高度越大，井口承載力越大，穩定性越好。隨著吸力樁外徑增大，所需樁體高度可相應減小[10]。相比常規建井模式，吸力樁的入泥深度大幅降低。

若吸力樁外徑過大，下入過程中的調平精度就低，甚至難以調平以至于井口傾斜；若吸力樁高度過大，因地層土質不均一，下入時會頻繁發生傾斜，斜度控制難度較大。優化吸力樁的外徑和高度，可以達到最佳的貫入效果。

2.1.3 吸力樁材質和壁厚設計

考慮深水開發的適用性，制造吸力樁的原材料應滿足強度高、低溫韌性好的要求。鋼材在海水中的電化學腐蝕嚴重，應涂覆防腐涂料，并加裝足量的犧牲陽極塊。

在鉆井工況下，鉆井平臺的晃動和風浪流的作用沿著隔水管傳遞到井口，在吸力樁上產生較大的剪力及彎矩作用，吸力樁需要一定的壁厚，以滿足結構強度要求；同樣吸力樁下入時的負壓載荷也對其提出了強度要求。

2.2 吸力樁入泥深度設計

設計吸力樁入泥深度時，主要考慮井口所受的載荷、目標井場的土質情況和吸力樁的橫向穩定性[11–13]。

2.2.1 井口承載力

吸力樁作為井口持力結構需要承擔上部裝備帶來的所有井口載荷[14–16]。吸力樁井口承載力包括樁體外側側向摩擦力Qf,1、樁體內側側向摩擦力Qf,2、導向管外側側向摩擦力Qf,3、底部承載力Qp,b和頂蓋承載力Qp,t，如圖2 所示。

圖2 吸力樁井口承載力示意Fig. 2 Wellhead bearing capacity of the suction pile

吸力樁井口承載力的計算公式為：

式中：Qc為吸力樁井口承載力，kN；Qf為樁體側向摩擦力，kN；Qp為樁端承載力，kN。

樁側摩擦力包括樁體和導向管的側面摩擦力，可表示為：

樁端承載力為：

式（4）描述了樁側摩擦力的組成，其各部分側向摩擦力的計算公式為：

式中：j為側向摩擦力的各組成部分；i為土的分層數；fi(z)為樁第i層土的單位側向摩擦力，kPa，其計算參照API RP 2GEO；As,i為樁在第i層土的樁周表面積，m2。

式（5）中的樁端承載力各組成部分計算公式為：

式中：Su,k為樁底部或頂蓋處的土體不排水抗剪強度，kPa；下標k為b 或t，表示樁底部和頂蓋處；Ap,k為相應位置的端部面積，m2。

2.2.2 橫向穩定性

吸力樁的橫向失穩通常遵循小位移失穩規律[17–20]。達到極限荷載時的滑移較小，吸力樁內部填充滿土，樁土合一，當樁體繞旋轉中心運動時，底、頂面受力遠端受到土的擠壓，受力近端認為與土脫開不受力。吸力樁的受力情況如圖3 所示。

樁體受力包括：自身重力G，上部結構傳遞的軸向力V，剪力H，彎矩M，樁體所受土壓力E1，導向管所受土壓力E2，樁后外側摩擦力f1，樁前外側摩擦力f2，導向管后外側摩擦力f3，導向管前外側摩擦力f4，頂蓋摩擦力F1，樁底摩擦力F2，頂蓋端阻力q1，樁底端阻力q2。

井口吸力樁尤其是多井口吸力樁面臨偏心受載情況時，在防噴器重力、水下采油樹重力及海流力等的影響下會產生較大的傾覆力矩，抗傾安全系數通常選擇1.60[21]?？箖A安全系數可表示為：

式中：K為抗傾安全系數；MR為吸力樁樁體各部分所受土體反力產生的抗傾覆力矩之和，kN·m；MS為傾覆力矩之和，kN·m。

3 井筒設計

吸力樁作為水下泥線基盤結構能夠提供巨大的承載力，可以實現多井口的同時安裝下入，所以要對吸力樁的井口布置和井筒進行優化設計，以滿足承載力需求并保證施工順利，縮短水下井口安裝時間，提高整個鉆井作業的效率。

3.1 井口布置設計

吸力樁井口布置遵循中心對稱原則，將單井口置于中心，雙井口對稱排列于吸力樁頂面的中線上（見圖4），多井口均布于四周。

圖4 雙井口吸力樁Fig. 4 Double wellhead suction pile

井口布置形式可分為內置井口和外置井口。內置井口全部位于吸力樁的樁體內部，吸力樁的外徑較大；外置井口部分包含于樁體內、部分突出樁體輪廓外，結構更為緊湊，但穩定性較差。

隨著井口數量增加，吸力樁的外徑及重量呈指數增大，會對作業船舶的吊裝能力、吸力泵的抽汲能力和結構的橫向穩定性能提出更高的要求。應綜合考慮設計井口的數量和布置形式。

3.2 井筒結構設計

由于吸力樁提供了充足的承載力和穩定性，內部井筒通常只需要采用?508.0 mm 套管坐放井口頭。為了克服軟地層中造斜的難題，可在井筒下端預制出弧度，在吸力樁底部形成初始井斜角，有助于深海淺部資源的鉆探和開發。

下入吸力樁過程中，井筒受到土壤擠壓，為防止結構發生變形及位移，需要在吸力樁內部加設數層加強肋板以固定井筒，但這也導致了結構貫入阻力增大，因此，通常只在井筒頂部及下部各設置一層加強肋板，其內部結構如圖5 所示。

圖5 吸力樁井筒剖視圖Fig. 5 Section view of the suction pile wellbore

4 算例分析

4.1 目標井場土質參數

選取南海某區塊深水井場的土質參數，用于吸力樁承載力設計，該井場泥線以下19 m 內的土質參數見表1，該區域土質主要為黏土，隨深度增大土質由軟到硬，泥線以下3～4 m 為砂質夾層。

表1 南海某深水井場土質參數Table 1 Soil quality parameters of a deep water well site in the South China Sea

4.2 吸力樁入泥深度設計

4.2.1 承載力計算

根據2.2.1 節的吸力樁承載力計算方法，計算外徑為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5 和7.0 m 吸力樁不同入泥深度下的極限承載力，結果如圖6 所示。

圖6 不同外徑吸力樁在不同入泥深度下的極限承載力Fig. 6 Ultimate bearing capacity of suction piles with different external diameters at different mud depth

從圖6 可以看出：不同外徑吸力樁的極限承載力隨入泥深度的變化規律相同，即隨著入泥深度增加，吸力樁的極限承載力均增大；同一入泥深度下，隨著外徑增大，吸力樁極限承載力增大。

4.2.2 橫向穩定性計算

假定吸力樁安裝到位后的初始傾斜角為1.5°，根據2.2.2 節的吸力樁橫向穩定性計算方法計算外徑為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5 和7.0 m 吸力樁不同入泥深度下的抗傾覆力矩，結果如圖7 所示。

圖7 不同外徑吸力樁在不同入泥深度下的抗傾覆力矩Fig. 7 Anti-overturning moment of suction piles with different external diameters at different mud depth

從圖7 可以看出：不同外徑吸力樁的抗傾覆力矩隨入泥深度的變化規律相同，即隨著入泥深度增加，吸力樁的抗傾覆力矩均增大；同一入泥深度下，隨著外徑增大，吸力樁抗傾覆力矩增大，曲線斜率增大速度極快。

4.3 吸力樁結構參數優選

在貫入主控因素滿足要求的基礎上，綜合考慮吸力樁結構所受重力及具體工程要求的樁頂空間大小，優選吸力樁外徑；結合井口承載力和橫向穩定性分析，優選吸力樁高度；需綜合考慮經濟性和強度要求，選擇樁體及內部?508.0 mm 套管的壁厚，優先選通用壁厚；考慮強度、作業溫度等因素，優選吸力樁的材質。

該井場吸力樁參數優選結果為：外徑6 m 左右，高度12 m 左右，樁體壁厚25.4 mm，?508.0 mm 套管壁厚25.4 mm 或38.1 mm，樁體使用船舶及海洋工程用結構鋼，套管使用API 規范的管線鋼。

由優選結果可知，吸力樁為長圓筒形結構，考慮安全系數的極限承載力為3900 kN。南海深水海域鉆完井作業的井口載荷通常在2900～3900 kN，所以吸力樁建井模式適用于該井場。

5 結 論

1）基于南海鉆探資料的計算分析結果表明，吸力樁建井模式適用于南海已發現油氣和天然氣水合物的海域。

2）安裝吸力樁時不僅可以使用鉆井平臺或鉆井船，也可以使用其他工程船，安裝方法靈活、適應性強，安裝效率高。

3）吸力樁建井模式可以同時安裝下入2 個或多個井口，大大提高了深水多井開發的建井效率。

4）吸力樁建井模式可以進行井筒的預斜，有利于深水松軟淺層的造斜，適合于淺層水平井和大位移井作業施工，有助于深水淺層油氣、天然氣水合物資源的勘探開發。