深水鉆井導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.中海油能源發展股份有限公司 工程技術深水鉆采技術公司，廣東 深圳 518067；2.中海石油深海開發有限公司，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不斷加大，深水油氣勘探活動的規模不斷擴大，新工藝與新技術的應用也隨之涌現，以解決深水勘探面臨的高成本與高風險挑戰。以深水開發鉆井導管安裝為例，業內有公司提出采用打樁的方法將導管批量錘入至設計深度，從而實現導管的批量安裝[1]，并首次成功在巴西深水油氣田實施，驗證了深水鉆井導管打樁安裝的可行性，并建立了深水鉆井導管水下打樁技術體系。

深水液壓打樁錘(以下簡稱打樁錘)為該技術的關鍵裝備，在導管被錘入過程中，打樁錘在深水環境中，持續為導管提供足夠的沖擊力，使導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管的頂部，使細長導管承受打樁錘的自重力，對導管在海底的站立穩定性也提出了巨大挑戰。同時，深水打樁錘的規格較大，在海上進行吊裝與移位都有潛在的風險。因此，打樁錘對深水鉆井導管水下打樁技術的實施有著關鍵的影響，合理選型深水液壓打樁錘具有重要意義。

全球深水油氣開發中深水鉆井導管水下打樁技術應用案例較少，目前在全球范圍內有不超過3個深水油田的應用案例。國內目前尚無應用案例，有關深水液壓打樁錘的導管安裝應用介紹內容少，且在深水鉆井導管水下打樁的打樁錘選型指導方法或流程方面缺少針對性文獻。本文基于對該技術實踐的充分調研與分析的基礎上，介紹了深水液壓打樁錘的基本原理、特點與應用，提出了深水液壓打樁錘的選型原則、選型方法、選型流程、關鍵影響因素及選型說明，為該技術在我國南海深水開發的探索應用提供參考。

1 深水液壓打樁錘特點

深水液壓打樁錘是在普通液壓打樁錘的基礎上發展起來的，是一種適用于深水環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，均以液壓系統為驅動系統。按液壓錘的結構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構體積，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，能以較小的錘芯質量、較高的沖擊速度、較短的錘樁作用時間下，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構及動力源控制方式。在動力源控制方式上，最大的區別在于深水液壓打樁錘將動力控制系統作為獨立的可拆卸模塊，組裝在錘的外部，其體積龐大，質量大。以MENCK MHU-270T打樁錘為例，干質量達66 t，對海上的吊裝作業與施工造成了巨大挑戰。此外，由于打樁錘需要在深水環境下長時間工作，對本體及控制系統的承壓與密封、防腐能力與性能穩定性等都提出了很高的要求。因此，與普通液壓錘比，其在材質與控制系統上要求更高，結構更加復雜。

在結構上，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[2]，空壓機產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。

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品，對液壓元件的制造精度和配合精度要求很高，附屬部件多，產品結構復雜，且價格比較昂貴，制造成本很高。

通常，打樁錘系統包括液壓動力模塊、控制室、管線絞車、電器系統、空氣系統、錘體6個部分。典型的打樁錘型號為MENCK MHU-270T，如圖1所示，其空氣系統水下工作原理如圖2所示。

圖1 MENCK MHU-270T型打樁錘示意

2 深水液壓打樁錘的應用情況

目前，國內尚無深水液壓打樁錘的應用案例[3]，深水液壓打樁錘應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]，主要應用于TLP、SPAR等平臺的基樁安裝、浮式裝置的錨樁安裝及其它海底設施安裝。由于深水鉆井導管打樁技術是近幾年才提出的，且實踐較少，因此其在深水鉆井導管安裝領域的應用也相對較少，主要在巴西海域與西非海域的油水油氣區塊，最大作業水深達到1 950 m。實踐表明，目前深水液壓打樁錘能夠長時間在深水環境中進行工作，且性能可靠、穩定，能夠滿足深水鉆井導管批量安裝要求。目前，深水液壓打樁錘的最大設計水深為3 000 m，其核心技術主要掌握在德國MENCK與荷蘭IHC公司，其技術與產品性能都非常成熟，應用案例豐富，均被國際市場認可，并且占據重要地位。

圖2 深水液壓打樁錘空氣系統水下工作示意

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換過程，即將動能轉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管貫入過程產生的土阻力，但錘輸出的能量又不能過大，要確保打樁錘輸出能量不會使井口-導管系統在打樁過程中受到破壞，同時還要保證錘擊的效率。因此，錘的打擊能量也不能太小，否則可能產生拒錘，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。沖擊能力過大或過小的打樁錘對于打樁作業都不利[7]，只有選擇合適能量的樁錘，才能達到既能將導管順利打入，又不至于將導管打壞的效果。

根據海洋樁基工程與深水開發鉆井導管打樁實踐，在給定的鉆井導管及土質參數下，通過預測打樁過程中的打樁阻力大小及變化，以及導管應力變化及貫入度等，進而合理地選擇打樁錘能量。在選定的樁錘能量下，再結合樁錘自身特性對施工的影響來進一步優選。因此，對于深水開發鉆井導管打樁錘選型，總體上要把握以下幾個原則：

1) 合適的輸出能量。能確保導管穿過目標土層，達到設計入泥深度，同時不能破壞導管。

2) 導管完整性。在打樁過程中，導管產生的應力應當始終在材料的允許范圍內，確保導管不受到破壞。

3) 施工安全性。由于深水液壓打樁錘的體積與質量較大，在海上施工作業時為大型吊裝作業，同時又對導管產生軸向的載荷，對導管的穩定性與強度均造成了挑戰。

4) 適宜的拒錘標準。制定合適的拒錘標準，導管拒錘標準太小則打樁太過保守，會使設計難度增加，增加施工成本。拒錘標準太大，則可以能引起導管的破壞，增加打樁的時間，降低作業效率。

5) 經濟性。通過合理分析打樁實際工況需求，選擇市場上常規的深水液壓打樁錘，增加錘的動員靈活性。同時結合項目的總體開發設計，選擇適用性強的打樁錘，滿足項目開發整體需求，從而避免動用多種型號的打樁錘，提升項目的經濟性。

4 選型關鍵影響因素

基于深水導管打樁錘選型要把握的關鍵原則，結合深水液壓打樁的主要性能參數及作業特點，總結梳理深水液壓打樁錘選型時的關鍵參數，并分析其對選型的影響。

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有關。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時，要遵循打樁錘能量選擇的基本原則。

由于深水開發對鉆井導管的入泥深度有著嚴格的要求，因此打樁錘的輸出能量的調節要有一定的靈活性，以精細控制對導管的錘擊力，從而精確控制導管的貫入深度。此外，輸出能量精細調整可使導管在貫入不同深度的地層時，調整合適的輸出能量，以盡量避免導管出現溜樁[8]或拒錘[9]的現象。

4.2 打擊頻率

打樁錘的打擊頻率反應了樁錘在單位時間內可達到的錘擊數。對于同一系列的打樁錘，在相同輸出能量下，打樁錘對應的打擊頻率越大，導管在單位時間內獲得錘擊能量越多，使導管入泥效率更高。因此，打樁錘打擊頻率參數對選型的影響主要在2個方面：

1) 能量與打擊頻率關系。對應不同的輸出頻率，其能量會有相應的變化，具體要參考打樁錘的自身特性。根據所需要的能量范圍對應的頻率范圍，結合導管的打樁分析進行優化，在安全作業前提下盡量加大打擊頻率，增加導管錘入效率。

2) 錘擊時間與作業效率。打擊頻率決定了總錘擊數和打樁時間，總錘擊數和打樁時間應當合適。太多錘擊數會引起導管或樁錘的破壞，同時也增加了打樁時間，使錘的效率低下，并且會影響施工進度。

4.3 適應水深

打樁錘能適應的水深范圍直接反映了錘的環境適應性，也是其性能的最直觀表現的指標，是深水作業選型時首要考慮因素，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，其對應的最大輸出能量也不同，因此，對應不同深度的水深，還要根據錘的特性進行選型，不能簡單地根據錘的能量范圍來選擇。通常，打樁錘能適應的深水越深，其制造成本越高，因此，在滿足作業提前下，盡量選擇適合水深的打樁錘。

4.4 打樁錘尺寸與質量

由于深水打樁錘的體積與質量較大，在海上進行批量打樁施工作業時必須要考慮的關鍵風險主要包括：

1) 海上吊裝風險。

深水打樁錘的體積大、質量大，在海上作業涉及大型吊裝作業風險。樁錘初步確定后，要進行吊裝分析[10-11]，判斷施工船是否具備合格的吊裝能力，并對樁錘在吊裝過程中的運動進行分析，確定流速、浪高和波浪周期對樁錘的運動影響，為合理選擇吊裝所需的船舶資源及作業天氣窗口提供依據，保證樁錘吊裝安全。

2) 導管的站立穩定性影響。

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

圖3 導管在海底站立示意

3) 導管與打樁錘的碰撞風險。

目前已實踐的鉆井導管水下打樁技術只應用于深水油氣田導管的批量安裝，導管的數量多且較密集，鄰近導管間距小，而打樁錘的體積大，在打樁錘放置于導管頂部的吊裝過程中或打樁過程中，存在打樁錘與鄰近導管的碰撞風險。一旦產生碰撞，可能導致打樁錘控制系統損壞或導管傾斜，對施工造成嚴重的后果。導管間距越小，打樁錘與導管產生碰撞的可能性就越大。同時考慮海域特點，對于存在海底暗流的海域，該風險尤為突出，因此，要根據實際作業情況進行風險分析，在條件允許的情況下，盡量選擇小型打樁錘，減小碰撞風險。圖4為采用打樁錘進行導管批量打樁的作業示意。

圖4 導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

深水鉆井導管水下打樁系統由導管、土壤和打樁錘3個部組成。這3個要素對打樁過程的影響是相互關聯且相互作用，只有3個要素的相互作用均匹配才能實現打樁。打樁錘的選型分析本質就是分析所選定的打樁錘與整個打樁系統在打樁過程中的匹配性。因此，首先要對整個打樁系統進行打樁過程分析，在已知的土壤參數與導管參數下，基于施工經驗初步選定打樁錘錘型。經過打樁分析，判斷初選錘型的能量與土阻力匹配性、導管的應力及貫入度能否滿足要求，并根據分析結果選擇不同錘型進行優化分析，最終確定合適的錘型。

在樁基工程中，根據應用場景及區域土質熟悉程度與施工經驗，可以按照經驗法進行選錘，即按照區域經驗，根據樁的承載力要求與打樁錘的擊打能力來選定打樁錘。在現場作業中，再利用高應變動測技術，獲得實際的打樁信息，例如最大的導管應力、貫入度、總錘擊數及單樁軸向極限承載力等，現場根據這些信息，分析初選打樁錘是否合理，必要時可適當調整。經驗法的選錘分析較粗略，適合對工程安裝的精度要求不高且換錘方便靈活、成本低的應用。

深水開發對鉆井導管的安裝要求非常嚴格，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，導管傾斜不能大于1.5°。對于多井槽井眼群的油田，例如TLP開發模式，導管的安裝要求精度更高，除了要求導管之間橫向定位相對精度外，導管的最終絕對高度誤差與導管間的相對高度誤差要求亦非常嚴格，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高度誤差在30 cm以內，導管傾斜不能大于1.0°；巴西TLP平臺P-16的導管安裝要求低壓井口頭出泥高度誤差在10 cm以內，導管傾斜不能大于1.0°。對于安裝精度要求如此苛刻的深水開發鉆井導管安裝，再加上深水開發環境特殊性，打樁錘費用高昂，換錘成本高且對施工產生潛在巨大風險。此外，在深水導管打樁中進行高應變動測環境復雜，難度大，實現困難，且打樁錘費用高昂，換錘成本高且對施工產生巨大的潛在風險，現場試打優化方法產生的成本與風險難以承擔。因此，粗略的經驗法無法滿足深水鉆井導管打樁錘選型的需求，需要采用更加精準的分析方法，在施工前能基于已知的導管數據與土質參數進行打樁分析，使優選的打樁錘貼近實際情況。

根據海洋樁基工程經驗與已有鉆井導管水下打樁工程實踐，目前深水導管打樁作業主要采用基于一維波動方程[18]的打樁分析法，通過模擬分析導管打樁過程中導管的軸向承載力、應力、貫入度等確定合適的打樁錘能量級別，再結合導管的站立穩定性分析來確保打樁錘滿足穩定性要求。目前常用的基于一維波動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，對工程施工有很大的指導意義，廣泛應用于海洋樁基工程。

基于以上打樁錘選型的原則及方法與涉及的分析內容，對深水鉆井導管打樁錘選型流程進行了總結，選型流程如圖5所示。

參照圖5流程，首先，根據目標井位表層土壤和導管參數為基礎，參照現有打樁錘特性，初選打樁錘，獲得打樁錘的基本參數，從而建立管土錘打樁系統，再進行打樁優化分析，分析初選打樁錘在性能參數上是否滿足導管打入施工要求，從而優選出滿足要求的能量級別最小的錘型。根據優選打樁錘錘型的參數，分析導管在打樁錘及海底環境載荷聯合作用下的屈曲穩定性和打樁錘海上吊裝作業要求，確保優選錘型滿足導管穩定性要求且海上吊裝作業安全。若分析滿足要求，則確定優選錘型為終選錘型；若不滿足要求，則繼續優選打樁錘。如現有打樁錘已經無法滿足導管穩定性與吊裝分析要求，則考慮增加導管穩定性措施與增強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

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

1) 打樁錘能夠適應作業水深環境。

2) 市場資源可選性與經濟性。

3) 能夠提供足夠的錘擊能量，使導管克服貫入阻力至設計深度。

4) 油田區域作業綜合考慮，本項目中TLP平臺筋鍵樁的安裝作業與導管打樁作業的協同性。

根據原則1)、2)，結合該項目安裝TLP平臺筋鍵樁(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，初選導管安裝用打樁錘型號為MHU-500T。通過優選分析，MHU-500T型打樁錘不適用于該項目鉆井導管的批量打樁，主要有2個原因：

1) 根據導管與土壤的相互作用分析，該錘型的能量遠大于分析所需要的能量，資源上會浪費。

2) 該錘型的尺寸規格太大，增加了水下的碰撞風險與導管的不穩定性風險。

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

表1 兩種型號打樁錘的主要參數

由表1可見，MHU-500T型打樁錘的能量約是MHU-270T型的2倍。根據優選分析，該項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，在質量上，MHU-270T型打樁錘的質量比MHU-500T型減少了近50 t，在尺寸上也更小，滿足導管穩定性要求，且打樁錘尺寸越小，在海底打樁過程的吊裝產生的錘-管碰撞風險越小。MHU-270T為該系列中最小的錘型。最終選擇MHU-270T型打樁錘作為該項目導管批量水下打樁作業的打樁錘。

7 結論

1) 深水油氣開發用導管的水下打樁技術將打樁與鉆井導管安裝相結合，其涉及動力沉樁、鉆井工程及海洋吊裝工程等多學科，是在深水油氣開發對安全與經濟的追求下提出的新技術。

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

3) 深水打樁作業的環境對打樁錘的性能要求極為苛刻，不僅要求其系統能適應深水環境，而且要求其能在深水環境中長時間工作狀態下保持性能穩定。目前，深水液壓打樁錘的核心技術僅掌握在少數企業中，資源少且費用高昂。因此，選型時要在滿足作業條件下考慮不同型號打樁錘的成本影響。

4) 由于深水液壓打樁錘的性能越強，規格越大，其費用越高。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的相關風險。

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

6) 深水打樁錘在深海油氣開發領域的應用包括平臺樁基安裝、錨樁安裝及油氣海底基礎與裝置支撐樁安裝等。由于打樁錘的費用高昂，在選型時要結合油田的整體開發方案與工程應用，考慮最大化應用，增加油田開發的協同效應。