海上鉆井隔水導(dǎo)管打入作業(yè)溜樁深度預(yù)測(cè)

張海山 楊 進(jìn) 嚴(yán) 德 田瑞瑞 劉佳偉 王 嘯

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

海上鉆井隔水導(dǎo)管打入作業(yè)溜樁深度預(yù)測(cè)

張海山1楊 進(jìn)2嚴(yán) 德2田瑞瑞2劉佳偉2王 嘯2

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

目前樁體施工溜樁深度預(yù)測(cè)主要集中在大直徑超長(zhǎng)樁的打樁風(fēng)險(xiǎn)分析中，對(duì)海上隔水導(dǎo)管施工溜樁機(jī)理和深度預(yù)測(cè)缺乏研究，存在作業(yè)盲目性和風(fēng)險(xiǎn)性。通過(guò)對(duì)海上隔水導(dǎo)管施工中導(dǎo)管與平臺(tái)幾何關(guān)系分析、導(dǎo)管極限承載力計(jì)算和溜樁機(jī)理分析，提出了海上隔水導(dǎo)管施工溜樁深度預(yù)測(cè)理論模型。溜樁深度預(yù)測(cè)理論模型在我國(guó)某海域油氣田數(shù)口井的隔水導(dǎo)管施工作業(yè)中得到了成功應(yīng)用，施工預(yù)測(cè)深度范圍與實(shí)際溜樁深度基本一致，為隔水導(dǎo)管施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了理論基礎(chǔ)，確保了海上作業(yè)的安全性。

隔水導(dǎo)管；打樁；極限承載力；溜樁；深度；預(yù)測(cè)

溜樁是在打樁過(guò)程中一種樁體快速下沉的現(xiàn)象，在該過(guò)程中不用打樁錘的作用樁體自動(dòng)下滑，貫入度極大［1］。海上隔水導(dǎo)管施工過(guò)程中經(jīng)常在打樁初期發(fā)生溜樁，嚴(yán)重時(shí)溜樁深度可達(dá)20～30 m。溜樁是海上隔水導(dǎo)管施工安裝過(guò)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(bào)廢等事故，給海上作業(yè)帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)損失和安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)樁體溜樁深度預(yù)測(cè)主要集中在海洋平臺(tái)大直徑（直徑≥2 438.40 mm）超長(zhǎng)樁的沉樁過(guò)程［2-4］，未見對(duì)隔水導(dǎo)管（直徑通常為609.60 mm、762.00 mm）施工過(guò)程的溜樁深度預(yù)測(cè)。筆者通過(guò)分析隔水導(dǎo)管施工溜樁機(jī)理，提出預(yù)測(cè)溜樁深度的理論模型，為海上隔水導(dǎo)管施工設(shè)計(jì)及控制提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 海上隔水導(dǎo)管施工過(guò)程

海上隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)通常在自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行，由打樁錘將隔水導(dǎo)管從平臺(tái)轉(zhuǎn)盤面處錘入。自升式鉆井平臺(tái)下方有一個(gè)井口小平臺(tái)，隔水導(dǎo)管貫穿井口小平臺(tái)和下方導(dǎo)管架平臺(tái)上的導(dǎo)向孔進(jìn)入海底地層。一般情況下，自升式鉆井平臺(tái)甲板高度約為40 m，井口小平臺(tái)高度約為25 m。圖1描述了海上隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)時(shí)與海上平臺(tái)之間的位置關(guān)系。

圖1 海上隔水導(dǎo)管施工示意圖

2 隔水導(dǎo)管極限承載力分析

對(duì)于隔水導(dǎo)管來(lái)說(shuō)，可以作為一個(gè)不帶樁靴的鉆井船樁腿對(duì)待［5-7］。在API規(guī)范中可用單樁軸向極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)進(jìn)行極限承載力計(jì)算。

單樁軸向極限承載力計(jì)算公式

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

2.1 隔水導(dǎo)管打入黏性土層

隔水導(dǎo)管打入黏性土層中與土體的摩擦力，可采用API方法2來(lái)計(jì)算

式中，α為黏著系數(shù)；Su為不排水抗剪強(qiáng)度，kN/m2，當(dāng)Su小于2.44 kN/m2和大于7.32 kN/m2時(shí)， α值分別為1.0和0.5；當(dāng)Su介于2.44～7.32 kN/m2之間時(shí)，α值會(huì)隨Su線性減小。α值是經(jīng)驗(yàn)性的，用此法求得的f值，不應(yīng)大于196 kN/m2。

2.2 隔水導(dǎo)管打入砂性土層

隔水導(dǎo)管打入砂性土層中與土體的摩擦力，可采用式（3）計(jì)算

式中，K為地層側(cè)壓力系數(shù)，對(duì)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(nèi)摩擦角，°。

3 溜樁風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

3.1 溜樁機(jī)理分析

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

3.2 溜樁深度預(yù)測(cè)

隔水導(dǎo)管施工初期的溜樁深度即導(dǎo)管在自重作用下的初始貫入深度。隔水導(dǎo)管獲得土動(dòng)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(huán)形面積上。由于隔水導(dǎo)管外徑通常為609.60 mm、762.00 mm，導(dǎo)管在沉樁過(guò)程中容易在管內(nèi)形成長(zhǎng)度為10倍樁徑的土塞，對(duì)于土塞對(duì)導(dǎo)管內(nèi)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(dǎo)管施工初期的溜樁深度計(jì)算模型為

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

隔水導(dǎo)管施工過(guò)程溜樁通常發(fā)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(shí)例分析

我國(guó)某海域油氣田采用外徑609.60 mm、壁厚24.5 mm隔水導(dǎo)管進(jìn)行了打樁施工，海域海底土質(zhì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上文建立的隔水導(dǎo)管施工初期溜樁深度預(yù)測(cè)計(jì)算模型，得到隔水導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)管獲得的土阻力小于其自重，隔水導(dǎo)管施工初期將發(fā)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(fēng)險(xiǎn)。阻力和樁內(nèi)土塞的影響，并在我國(guó)某海域油氣田實(shí)際隔水導(dǎo)管施工作業(yè)中得到了檢驗(yàn)和應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

表1 海底淺層土質(zhì)參數(shù)

圖2 隔水導(dǎo)管初期溜樁深度預(yù)測(cè)

（3）海底淺層土質(zhì)參數(shù)是預(yù)測(cè)海上鉆井隔水導(dǎo)管打樁溜樁深度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為提高預(yù)測(cè)精度，應(yīng)保證海底土質(zhì)取樣和測(cè)試的準(zhǔn)確性。

該油氣田隔水導(dǎo)管施工實(shí)際溜樁深度與預(yù)測(cè)范圍對(duì)比如表2所示。從對(duì)比結(jié)果可知，隔水導(dǎo)管在打樁初期和打樁過(guò)程中溜樁實(shí)際深度與預(yù)測(cè)范圍基本一致。

表2 隔水導(dǎo)管施工實(shí)際溜樁深度與預(yù)測(cè)范圍對(duì)比

5 結(jié)論及建議

（1）海上隔水導(dǎo)管施工中發(fā)生溜樁將給海上鉆井作業(yè)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，并造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）通過(guò)對(duì)海上鉆井隔水導(dǎo)管打樁施工承載力計(jì)算和溜樁機(jī)理分析，首次提出了隔水導(dǎo)管打樁溜樁深度預(yù)測(cè)模型，該模型綜合考慮了樁側(cè)、樁端土的動(dòng)

［1］侯金林.海上平臺(tái)樁基施工風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)對(duì)策［A］//第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集［C］.北京：海洋出版社，2011：532-534.

［2］董偉.海洋采油平臺(tái)大直徑超長(zhǎng)樁動(dòng)力沉樁分析方法研究［D］.天津：天津大學(xué)，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(dòng)力沉樁中土塞作用數(shù)值分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，34（5）：636-640.

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

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

［7］彭蘇萍，楊進(jìn)，周建良，等.群樁作用下隔水導(dǎo)管可打性試驗(yàn)［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(jìn)，嚴(yán)德，等.海上鉆井隔水導(dǎo)管打入作業(yè)溜樁深度預(yù)測(cè) ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：22-24.

TE52

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0022 – 03

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

張海山，1994年畢業(yè)于石油大學(xué)（北京），獲碩士學(xué)位，現(xiàn)任中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司鉆完井部技術(shù)經(jīng)理，從事海上油氣勘探開發(fā)的鉆完井工程技術(shù)研究與管理工作，高級(jí)工程師。電話：021-64395300。E-mail：zhanghsh@cnooc.com.cn。

〔編輯

付麗霞〕