深水鉆井導(dǎo)管水下打樁錘選型分析

鄧玉明，劉正禮2，趙維青，張星星3，趙 德

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司，廣東 深圳 518067；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067；3.中國海洋石油國際有限公司，北京 100027)

隨著深水油氣資源開發(fā)不斷加大，深水油氣勘探活動(dòng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，新工藝與新技術(shù)的應(yīng)用也隨之涌現(xiàn)，以解決深水勘探面臨的高成本與高風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。以深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管安裝為例，業(yè)內(nèi)有公司提出采用打樁的方法將導(dǎo)管批量錘入至設(shè)計(jì)深度，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的批量安裝[1]，并首次成功在巴西深水油氣田實(shí)施，驗(yàn)證了深水鉆井導(dǎo)管打樁安裝的可行性，并建立了深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)體系。

深水液壓打樁錘(以下簡(jiǎn)稱打樁錘)為該技術(shù)的關(guān)鍵裝備，在導(dǎo)管被錘入過程中，打樁錘在深水環(huán)境中，持續(xù)為導(dǎo)管提供足夠的沖擊力，使導(dǎo)管克服貫入過程的土阻力。打樁過程中打樁錘始終放置于導(dǎo)管的頂部，使細(xì)長導(dǎo)管承受打樁錘的自重力，對(duì)導(dǎo)管在海底的站立穩(wěn)定性也提出了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，深水打樁錘的規(guī)格較大，在海上進(jìn)行吊裝與移位都有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，打樁錘對(duì)深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)的實(shí)施有著關(guān)鍵的影響，合理選型深水液壓打樁錘具有重要意義。

全球深水油氣開發(fā)中深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)應(yīng)用案例較少，目前在全球范圍內(nèi)有不超過3個(gè)深水油田的應(yīng)用案例。國內(nèi)目前尚無應(yīng)用案例，有關(guān)深水液壓打樁錘的導(dǎo)管安裝應(yīng)用介紹內(nèi)容少，且在深水鉆井導(dǎo)管水下打樁的打樁錘選型指導(dǎo)方法或流程方面缺少針對(duì)性文獻(xiàn)。本文基于對(duì)該技術(shù)實(shí)踐的充分調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，介紹了深水液壓打樁錘的基本原理、特點(diǎn)與應(yīng)用，提出了深水液壓打樁錘的選型原則、選型方法、選型流程、關(guān)鍵影響因素及選型說明，為該技術(shù)在我國南海深水開發(fā)的探索應(yīng)用提供參考。

1 深水液壓打樁錘特點(diǎn)

深水液壓打樁錘是在普通液壓打樁錘的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種適用于深水環(huán)境并能輸出一定能量的液壓錘，屬于沖擊式打樁錘。其原理與液壓打樁錘類似，均以液壓系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按液壓錘的結(jié)構(gòu)和工作原理可分為單作用式和雙作用式2種。為了提高水下輸出能量及減小結(jié)構(gòu)體積，深水液壓打樁錘采用了雙作用式，即通過蓄能裝置為液壓系統(tǒng)提供額外能量，使錘芯獲得更高的加速度能量，以提高打樁錘的沖擊速度，能以較小的錘芯質(zhì)量、較高的沖擊速度、較短的錘樁作用時(shí)間下，輸出更大的沖擊能量。

深水液壓打樁錘與普通液壓錘主要不同之處在于結(jié)構(gòu)及動(dòng)力源控制方式。在動(dòng)力源控制方式上，最大的區(qū)別在于深水液壓打樁錘將動(dòng)力控制系統(tǒng)作為獨(dú)立的可拆卸模塊，組裝在錘的外部，其體積龐大，質(zhì)量大。以MENCK MHU-270T打樁錘為例，干質(zhì)量達(dá)66 t，對(duì)海上的吊裝作業(yè)與施工造成了巨大挑戰(zhàn)。此外，由于打樁錘需要在深水環(huán)境下長時(shí)間工作，對(duì)本體及控制系統(tǒng)的承壓與密封、防腐能力與性能穩(wěn)定性等都提出了很高的要求。因此，與普通液壓錘比，其在材質(zhì)與控制系統(tǒng)上要求更高，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

在結(jié)構(gòu)上，為了確保深水液壓打樁錘能量的傳遞效率，增加了空氣系統(tǒng)[2]，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣通過氣管連接到打樁錘的錘頭，排開錘與樁的接觸面的水，實(shí)現(xiàn)非觸水錘-樁能量傳遞，減少能量傳遞環(huán)節(jié)及損失，確保其錘擊效率。

由于打樁錘是雙作用液壓錘，是典型的高壓力、大流量、換向頻繁和沖擊很大的產(chǎn)品，對(duì)液壓元件的制造精度和配合精度要求很高，附屬部件多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且價(jià)格比較昂貴，制造成本很高。

通常，打樁錘系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力模塊、控制室、管線絞車、電器系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、錘體6個(gè)部分。典型的打樁錘型號(hào)為MENCK MHU-270T，如圖1所示，其空氣系統(tǒng)水下工作原理如圖2所示。

圖1 MENCK MHU-270T型打樁錘示意

2 深水液壓打樁錘的應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)尚無深水液壓打樁錘的應(yīng)用案例[3]，深水液壓打樁錘應(yīng)用海域主要在國外北海、東海、墨西哥灣、巴西及西非等海域[4-6]，主要應(yīng)用于TLP、SPAR等平臺(tái)的基樁安裝、浮式裝置的錨樁安裝及其它海底設(shè)施安裝。由于深水鉆井導(dǎo)管打樁技術(shù)是近幾年才提出的，且實(shí)踐較少，因此其在深水鉆井導(dǎo)管安裝領(lǐng)域的應(yīng)用也相對(duì)較少，主要在巴西海域與西非海域的油水油氣區(qū)塊，最大作業(yè)水深達(dá)到1 950 m。實(shí)踐表明，目前深水液壓打樁錘能夠長時(shí)間在深水環(huán)境中進(jìn)行工作，且性能可靠、穩(wěn)定，能夠滿足深水鉆井導(dǎo)管批量安裝要求。目前，深水液壓打樁錘的最大設(shè)計(jì)水深為3 000 m，其核心技術(shù)主要掌握在德國MENCK與荷蘭IHC公司，其技術(shù)與產(chǎn)品性能都非常成熟，應(yīng)用案例豐富，均被國際市場(chǎng)認(rèn)可，并且占據(jù)重要地位。

圖2 深水液壓打樁錘空氣系統(tǒng)水下工作示意

3 深水液壓打樁錘的選型原則

打樁錘的打擊過程就是能量的轉(zhuǎn)換過程，即將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為克服樁阻力而貫入等所需要的能量。樁錘能量的輸出要足夠克服導(dǎo)管貫入過程產(chǎn)生的土阻力，但錘輸出的能量又不能過大，要確保打樁錘輸出能量不會(huì)使井口-導(dǎo)管系統(tǒng)在打樁過程中受到破壞，同時(shí)還要保證錘擊的效率。因此，錘的打擊能量也不能太小，否則可能產(chǎn)生拒錘，不僅無法有效將導(dǎo)管錘至設(shè)計(jì)深度，還會(huì)影響施工效率與進(jìn)度。沖擊能力過大或過小的打樁錘對(duì)于打樁作業(yè)都不利[7]，只有選擇合適能量的樁錘，才能達(dá)到既能將導(dǎo)管順利打入，又不至于將導(dǎo)管打壞的效果。

根據(jù)海洋樁基工程與深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管打樁實(shí)踐，在給定的鉆井導(dǎo)管及土質(zhì)參數(shù)下，通過預(yù)測(cè)打樁過程中的打樁阻力大小及變化，以及導(dǎo)管應(yīng)力變化及貫入度等，進(jìn)而合理地選擇打樁錘能量。在選定的樁錘能量下，再結(jié)合樁錘自身特性對(duì)施工的影響來進(jìn)一步優(yōu)選。因此，對(duì)于深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管打樁錘選型，總體上要把握以下幾個(gè)原則：

1) 合適的輸出能量。能確保導(dǎo)管穿過目標(biāo)土層，達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度，同時(shí)不能破壞導(dǎo)管。

2) 導(dǎo)管完整性。在打樁過程中，導(dǎo)管產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)始終在材料的允許范圍內(nèi)，確保導(dǎo)管不受到破壞。

3) 施工安全性。由于深水液壓打樁錘的體積與質(zhì)量較大，在海上施工作業(yè)時(shí)為大型吊裝作業(yè)，同時(shí)又對(duì)導(dǎo)管產(chǎn)生軸向的載荷，對(duì)導(dǎo)管的穩(wěn)定性與強(qiáng)度均造成了挑戰(zhàn)。

4) 適宜的拒錘標(biāo)準(zhǔn)。制定合適的拒錘標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)管拒錘標(biāo)準(zhǔn)太小則打樁太過保守，會(huì)使設(shè)計(jì)難度增加，增加施工成本。拒錘標(biāo)準(zhǔn)太大，則可以能引起導(dǎo)管的破壞，增加打樁的時(shí)間，降低作業(yè)效率。

5) 經(jīng)濟(jì)性。通過合理分析打樁實(shí)際工況需求，選擇市場(chǎng)上常規(guī)的深水液壓打樁錘，增加錘的動(dòng)員靈活性。同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目的總體開發(fā)設(shè)計(jì)，選擇適用性強(qiáng)的打樁錘，滿足項(xiàng)目開發(fā)整體需求，從而避免動(dòng)用多種型號(hào)的打樁錘，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

4 選型關(guān)鍵影響因素

基于深水導(dǎo)管打樁錘選型要把握的關(guān)鍵原則，結(jié)合深水液壓打樁的主要性能參數(shù)及作業(yè)特點(diǎn)，總結(jié)梳理深水液壓打樁錘選型時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，并分析其對(duì)選型的影響。

4.1 輸出能量

錘的輸出能量與錘芯自重力、行程、液壓缸上腔油液(或氣體)的壓力以及打擊加速度的大小等參數(shù)有關(guān)。深水雙作用液壓錘依靠液壓或氣壓增壓，增大了輸出能量。在選取輸出能量參數(shù)時(shí)，要遵循打樁錘能量選擇的基本原則。

由于深水開發(fā)對(duì)鉆井導(dǎo)管的入泥深度有著嚴(yán)格的要求，因此打樁錘的輸出能量的調(diào)節(jié)要有一定的靈活性，以精細(xì)控制對(duì)導(dǎo)管的錘擊力，從而精確控制導(dǎo)管的貫入深度。此外，輸出能量精細(xì)調(diào)整可使導(dǎo)管在貫入不同深度的地層時(shí)，調(diào)整合適的輸出能量，以盡量避免導(dǎo)管出現(xiàn)溜樁[8]或拒錘[9]的現(xiàn)象。

4.2 打擊頻率

打樁錘的打擊頻率反應(yīng)了樁錘在單位時(shí)間內(nèi)可達(dá)到的錘擊數(shù)。對(duì)于同一系列的打樁錘，在相同輸出能量下，打樁錘對(duì)應(yīng)的打擊頻率越大，導(dǎo)管在單位時(shí)間內(nèi)獲得錘擊能量越多，使導(dǎo)管入泥效率更高。因此，打樁錘打擊頻率參數(shù)對(duì)選型的影響主要在2個(gè)方面：

1) 能量與打擊頻率關(guān)系。對(duì)應(yīng)不同的輸出頻率，其能量會(huì)有相應(yīng)的變化，具體要參考打樁錘的自身特性。根據(jù)所需要的能量范圍對(duì)應(yīng)的頻率范圍，結(jié)合導(dǎo)管的打樁分析進(jìn)行優(yōu)化，在安全作業(yè)前提下盡量加大打擊頻率，增加導(dǎo)管錘入效率。

2) 錘擊時(shí)間與作業(yè)效率。打擊頻率決定了總錘擊數(shù)和打樁時(shí)間，總錘擊數(shù)和打樁時(shí)間應(yīng)當(dāng)合適。太多錘擊數(shù)會(huì)引起導(dǎo)管或樁錘的破壞，同時(shí)也增加了打樁時(shí)間，使錘的效率低下，并且會(huì)影響施工進(jìn)度。

4.3 適應(yīng)水深

打樁錘能適應(yīng)的水深范圍直接反映了錘的環(huán)境適應(yīng)性，也是其性能的最直觀表現(xiàn)的指標(biāo)，是深水作業(yè)選型時(shí)首要考慮因素，它決定了打樁錘是否能滿足具體的工程施工要求。

打樁錘在不同水深下，其對(duì)應(yīng)的最大輸出能量也不同，因此，對(duì)應(yīng)不同深度的水深，還要根據(jù)錘的特性進(jìn)行選型，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)錘的能量范圍來選擇。通常，打樁錘能適應(yīng)的深水越深，其制造成本越高，因此，在滿足作業(yè)提前下，盡量選擇適合水深的打樁錘。

4.4 打樁錘尺寸與質(zhì)量

由于深水打樁錘的體積與質(zhì)量較大，在海上進(jìn)行批量打樁施工作業(yè)時(shí)必須要考慮的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)主要包括：

1) 海上吊裝風(fēng)險(xiǎn)。

深水打樁錘的體積大、質(zhì)量大，在海上作業(yè)涉及大型吊裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。樁錘初步確定后，要進(jìn)行吊裝分析[10-11]，判斷施工船是否具備合格的吊裝能力，并對(duì)樁錘在吊裝過程中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定流速、浪高和波浪周期對(duì)樁錘的運(yùn)動(dòng)影響，為合理選擇吊裝所需的船舶資源及作業(yè)天氣窗口提供依據(jù)，保證樁錘吊裝安全。

2) 導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性影響。

導(dǎo)管在自重力的作用下完成初步入泥后，在放置樁錘時(shí)，由于打樁錘質(zhì)量大，導(dǎo)管在打樁錘的重力載荷作用下會(huì)繼續(xù)下沉，直至無法繼續(xù)克服土阻力為止。此時(shí)，處于泥線以上的導(dǎo)管段在錘重與水流載荷的相互作用下能否保持穩(wěn)定決定了能否進(jìn)行下一步打樁作業(yè)。深水鉆井導(dǎo)管的安裝與淺水導(dǎo)管架導(dǎo)管的安裝不同，前者打樁錘與導(dǎo)管完全裸立于海底(如圖3所示)，無任何預(yù)先安裝的扶正裝置，后者有導(dǎo)管架導(dǎo)向槽進(jìn)行引導(dǎo)扶正，不存在站立穩(wěn)定性問題。因此，錘重對(duì)深水打樁作業(yè)的影響非常關(guān)鍵，分析打樁錘對(duì)導(dǎo)管站立穩(wěn)定性影響具有重要意義。深水鉆井導(dǎo)管的穩(wěn)定性主要在2個(gè)方面：①導(dǎo)管的傾斜角或水平位移能否滿足設(shè)計(jì)要求；②導(dǎo)管本體強(qiáng)度能否滿足要求，不發(fā)生屈曲破壞。因此，需要對(duì)導(dǎo)管自由站立的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。導(dǎo)管的穩(wěn)定性影響分析可依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，其分析方法主要有Timoshenko法[12-14]和API工作應(yīng)力法[15]及有限元數(shù)值模擬方法[16-17]。

圖3 導(dǎo)管在海底站立示意

3) 導(dǎo)管與打樁錘的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

目前已實(shí)踐的鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)只應(yīng)用于深水油氣田導(dǎo)管的批量安裝，導(dǎo)管的數(shù)量多且較密集，鄰近導(dǎo)管間距小，而打樁錘的體積大，在打樁錘放置于導(dǎo)管頂部的吊裝過程中或打樁過程中，存在打樁錘與鄰近導(dǎo)管的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。一旦產(chǎn)生碰撞，可能導(dǎo)致打樁錘控制系統(tǒng)損壞或?qū)Ч軆A斜，對(duì)施工造成嚴(yán)重的后果。導(dǎo)管間距越小，打樁錘與導(dǎo)管產(chǎn)生碰撞的可能性就越大。同時(shí)考慮海域特點(diǎn)，對(duì)于存在海底暗流的海域，該風(fēng)險(xiǎn)尤為突出，因此，要根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在條件允許的情況下，盡量選擇小型打樁錘，減小碰撞風(fēng)險(xiǎn)。圖4為采用打樁錘進(jìn)行導(dǎo)管批量打樁的作業(yè)示意。

圖4 導(dǎo)管批量水下打樁海底布置示意

5 深水液壓打樁錘選型方法

深水鉆井導(dǎo)管水下打樁系統(tǒng)由導(dǎo)管、土壤和打樁錘3個(gè)部組成。這3個(gè)要素對(duì)打樁過程的影響是相互關(guān)聯(lián)且相互作用，只有3個(gè)要素的相互作用均匹配才能實(shí)現(xiàn)打樁。打樁錘的選型分析本質(zhì)就是分析所選定的打樁錘與整個(gè)打樁系統(tǒng)在打樁過程中的匹配性。因此，首先要對(duì)整個(gè)打樁系統(tǒng)進(jìn)行打樁過程分析，在已知的土壤參數(shù)與導(dǎo)管參數(shù)下，基于施工經(jīng)驗(yàn)初步選定打樁錘錘型。經(jīng)過打樁分析，判斷初選錘型的能量與土阻力匹配性、導(dǎo)管的應(yīng)力及貫入度能否滿足要求，并根據(jù)分析結(jié)果選擇不同錘型進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定合適的錘型。

在樁基工程中，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及區(qū)域土質(zhì)熟悉程度與施工經(jīng)驗(yàn)，可以按照經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行選錘，即按照區(qū)域經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)樁的承載力要求與打樁錘的擊打能力來選定打樁錘。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，再利用高應(yīng)變動(dòng)測(cè)技術(shù)，獲得實(shí)際的打樁信息，例如最大的導(dǎo)管應(yīng)力、貫入度、總錘擊數(shù)及單樁軸向極限承載力等，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)這些信息，分析初選打樁錘是否合理，必要時(shí)可適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)驗(yàn)法的選錘分析較粗略，適合對(duì)工程安裝的精度要求不高且換錘方便靈活、成本低的應(yīng)用。

深水開發(fā)對(duì)鉆井導(dǎo)管的安裝要求非常嚴(yán)格，以中國海油為例，要求低壓井口頭的出泥高度在3.0～4.5 m，導(dǎo)管傾斜不能大于1.5°。對(duì)于多井槽井眼群的油田，例如TLP開發(fā)模式，導(dǎo)管的安裝要求精度更高，除了要求導(dǎo)管之間橫向定位相對(duì)精度外，導(dǎo)管的最終絕對(duì)高度誤差與導(dǎo)管間的相對(duì)高度誤差要求亦非常嚴(yán)格，例如巴西BC-10 Parque das Conchas油田，要求各井低壓井口頭之間的相對(duì)高度誤差在30 cm以內(nèi)，導(dǎo)管傾斜不能大于1.0°；巴西TLP平臺(tái)P-16的導(dǎo)管安裝要求低壓井口頭出泥高度誤差在10 cm以內(nèi)，導(dǎo)管傾斜不能大于1.0°。對(duì)于安裝精度要求如此苛刻的深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管安裝，再加上深水開發(fā)環(huán)境特殊性，打樁錘費(fèi)用高昂，換錘成本高且對(duì)施工產(chǎn)生潛在巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，在深水導(dǎo)管打樁中進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，難度大，實(shí)現(xiàn)困難，且打樁錘費(fèi)用高昂，換錘成本高且對(duì)施工產(chǎn)生巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試打優(yōu)化方法產(chǎn)生的成本與風(fēng)險(xiǎn)難以承擔(dān)。因此，粗略的經(jīng)驗(yàn)法無法滿足深水鉆井導(dǎo)管打樁錘選型的需求，需要采用更加精準(zhǔn)的分析方法，在施工前能基于已知的導(dǎo)管數(shù)據(jù)與土質(zhì)參數(shù)進(jìn)行打樁分析，使優(yōu)選的打樁錘貼近實(shí)際情況。

根據(jù)海洋樁基工程經(jīng)驗(yàn)與已有鉆井導(dǎo)管水下打樁工程實(shí)踐，目前深水導(dǎo)管打樁作業(yè)主要采用基于一維波動(dòng)方程[18]的打樁分析法，通過模擬分析導(dǎo)管打樁過程中導(dǎo)管的軸向承載力、應(yīng)力、貫入度等確定合適的打樁錘能量級(jí)別，再結(jié)合導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性分析來確保打樁錘滿足穩(wěn)定性要求。目前常用的基于一維波動(dòng)方程的典型分析軟件有GRLWEAP和TNOWAVE[19-20]，它能在施工前開展精確的打樁分析，對(duì)工程施工有很大的指導(dǎo)意義，廣泛應(yīng)用于海洋樁基工程。

基于以上打樁錘選型的原則及方法與涉及的分析內(nèi)容，對(duì)深水鉆井導(dǎo)管打樁錘選型流程進(jìn)行了總結(jié)，選型流程如圖5所示。

參照?qǐng)D5流程，首先，根據(jù)目標(biāo)井位表層土壤和導(dǎo)管參數(shù)為基礎(chǔ)，參照現(xiàn)有打樁錘特性，初選打樁錘，獲得打樁錘的基本參數(shù)，從而建立管土錘打樁系統(tǒng)，再進(jìn)行打樁優(yōu)化分析，分析初選打樁錘在性能參數(shù)上是否滿足導(dǎo)管打入施工要求，從而優(yōu)選出滿足要求的能量級(jí)別最小的錘型。根據(jù)優(yōu)選打樁錘錘型的參數(shù)，分析導(dǎo)管在打樁錘及海底環(huán)境載荷聯(lián)合作用下的屈曲穩(wěn)定性和打樁錘海上吊裝作業(yè)要求，確保優(yōu)選錘型滿足導(dǎo)管穩(wěn)定性要求且海上吊裝作業(yè)安全。若分析滿足要求，則確定優(yōu)選錘型為終選錘型；若不滿足要求，則繼續(xù)優(yōu)選打樁錘。如現(xiàn)有打樁錘已經(jīng)無法滿足導(dǎo)管穩(wěn)定性與吊裝分析要求，則考慮增加導(dǎo)管穩(wěn)定性措施與增強(qiáng)打樁錘吊裝安全兩方面入手，確保所選錘型滿足施工要求。

圖5 導(dǎo)管打樁錘選型流程

6 打樁錘選型案例分析

以西非海域深水區(qū)塊某油田為例，水深800 m。該油田鉆井導(dǎo)管批量安裝采用了水下打樁技術(shù)。該項(xiàng)目的打樁錘的選型主要考慮了以下4個(gè)原則：

1) 打樁錘能夠適應(yīng)作業(yè)水深環(huán)境。

2) 市場(chǎng)資源可選性與經(jīng)濟(jì)性。

3) 能夠提供足夠的錘擊能量，使導(dǎo)管克服貫入阻力至設(shè)計(jì)深度。

4) 油田區(qū)域作業(yè)綜合考慮，本項(xiàng)目中TLP平臺(tái)筋鍵樁的安裝作業(yè)與導(dǎo)管打樁作業(yè)的協(xié)同性。

根據(jù)原則1)、2)，結(jié)合該項(xiàng)目安裝TLP平臺(tái)筋鍵樁(外徑2 133.6 mm(84英寸)，入泥深度100 m)采用的打樁錘為MHU-500T型，綜合考慮打樁錘資源可選性，初選導(dǎo)管安裝用打樁錘型號(hào)為MHU-500T。通過優(yōu)選分析，MHU-500T型打樁錘不適用于該項(xiàng)目鉆井導(dǎo)管的批量打樁，主要有2個(gè)原因：

1) 根據(jù)導(dǎo)管與土壤的相互作用分析，該錘型的能量遠(yuǎn)大于分析所需要的能量，資源上會(huì)浪費(fèi)。

2) 該錘型的尺寸規(guī)格太大，增加了水下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)與導(dǎo)管的不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上所述的選錘原則與分析，需要用級(jí)別更小的錘型進(jìn)行優(yōu)選分析。因此，初步優(yōu)選小一級(jí)錘型，即MHU-270T型打樁錘，再進(jìn)行優(yōu)選分析。2種打樁錘的主要參數(shù)如表1所示。

表1 兩種型號(hào)打樁錘的主要參數(shù)

由表1可見，MHU-500T型打樁錘的能量約是MHU-270T型的2倍。根據(jù)優(yōu)選分析，該項(xiàng)目要求打樁錘提供的能量小于200 kJ，MHU-270T型打樁錘即可滿足要求。此外，在質(zhì)量上，MHU-270T型打樁錘的質(zhì)量比MHU-500T型減少了近50 t，在尺寸上也更小，滿足導(dǎo)管穩(wěn)定性要求，且打樁錘尺寸越小，在海底打樁過程的吊裝產(chǎn)生的錘-管碰撞風(fēng)險(xiǎn)越小。MHU-270T為該系列中最小的錘型。最終選擇MHU-270T型打樁錘作為該項(xiàng)目導(dǎo)管批量水下打樁作業(yè)的打樁錘。

7 結(jié)論

1) 深水油氣開發(fā)用導(dǎo)管的水下打樁技術(shù)將打樁與鉆井導(dǎo)管安裝相結(jié)合，其涉及動(dòng)力沉樁、鉆井工程及海洋吊裝工程等多學(xué)科，是在深水油氣開發(fā)對(duì)安全與經(jīng)濟(jì)的追求下提出的新技術(shù)。

2) 打樁錘是深水鉆井導(dǎo)管水下打樁的關(guān)鍵裝備，合理選型對(duì)作業(yè)的實(shí)施與費(fèi)用有重大的影響。分析了深水鉆井導(dǎo)管水下打樁錘的選型基本原則、方法與流程、打樁錘選型的關(guān)鍵影響因素，可為鉆井導(dǎo)管水下批量打樁提供技術(shù)參考。

3) 深水打樁作業(yè)的環(huán)境對(duì)打樁錘的性能要求極為苛刻，不僅要求其系統(tǒng)能適應(yīng)深水環(huán)境，而且要求其能在深水環(huán)境中長時(shí)間工作狀態(tài)下保持性能穩(wěn)定。目前，深水液壓打樁錘的核心技術(shù)僅掌握在少數(shù)企業(yè)中，資源少且費(fèi)用高昂。因此，選型時(shí)要在滿足作業(yè)條件下考慮不同型號(hào)打樁錘的成本影響。

4) 由于深水液壓打樁錘的性能越強(qiáng)，規(guī)格越大，其費(fèi)用越高。因此，在滿足錘能量需求的前提下，盡可能選擇小型錘型，既能降低成本，還能減小海上吊裝作業(yè)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

5) 根據(jù)能量條件初步選定最小錘型后，再分析其是否能滿足導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性要求。若最小錘型都仍無法滿足穩(wěn)定性要求，則要從導(dǎo)管站立穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的措施以增加導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性。

6) 深水打樁錘在深海油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用包括平臺(tái)樁基安裝、錨樁安裝及油氣海底基礎(chǔ)與裝置支撐樁安裝等。由于打樁錘的費(fèi)用高昂，在選型時(shí)要結(jié)合油田的整體開發(fā)方案與工程應(yīng)用，考慮最大化應(yīng)用，增加油田開發(fā)的協(xié)同效應(yīng)。