深水鉆井導(dǎo)管水下打樁站立穩(wěn)定性分析與建議

鄧玉明

(中海油能源發(fā)展股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著深海油氣開發(fā)規(guī)模的擴大及深海油氣資源開發(fā)戰(zhàn)略地位的逐步提升，深海油氣開發(fā)所涉及的鉆完井作業(yè)量、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的樁基安裝，例如深水開發(fā)平臺TLP[1]、SPAR[2]等平臺的基樁安裝、海底設(shè)施支撐基樁安裝等與日俱增。深海開發(fā)規(guī)模的擴大，也使井的批量作業(yè)數(shù)量呈上升趨勢。由于深海油氣鉆探項目成本高昂，為了節(jié)約成本，業(yè)內(nèi)有項目采用打樁的方法批量安裝深水鉆井導(dǎo)管，即利用深水打樁錘將表層導(dǎo)管錘入至設(shè)計深度，完成導(dǎo)管的批量安裝作業(yè)，達(dá)到降低作業(yè)費用的目的，且保障了導(dǎo)管安裝精度。深水鉆井導(dǎo)管水下打樁安裝技術(shù)[3]不僅在特定的背景下能有效降低作業(yè)成本，且能有效降低深水表層導(dǎo)管安裝的風(fēng)險[4-5]。

深水鉆井導(dǎo)管在水下打樁過程中，導(dǎo)管首先完成初步入泥。在放置樁錘后，導(dǎo)管在打樁錘的重力載荷作用下會繼續(xù)下沉，直至無法繼續(xù)克服下沉土阻力為止。此時，處于泥線以上的導(dǎo)管自由段與打樁錘完全無任何約束，并站立于海底。深水水下打樁導(dǎo)管海底站立穩(wěn)定性指的就是站立于海底的導(dǎo)管能否在水流與置錘前后錘重載荷的共同作用下保持穩(wěn)定的問題，它是導(dǎo)管能否進(jìn)一步施工的關(guān)鍵。

此外，由于深水鉆完井對導(dǎo)管的傾斜要求非常嚴(yán)格，不同的公司及項目，其要求也不同。以中國海洋石油有限公司為例，其常規(guī)深水探井作業(yè)要求鉆井導(dǎo)管的安裝傾斜角不能大于1.5°[6]。采用多井槽井眼群開發(fā)的油田，例如TLP開發(fā)模式，導(dǎo)管的安裝精度要求更高，例如巴西深水油田BC-10 Parque das Conchas和TLP平臺P-16油田，要求導(dǎo)管傾斜角度小于1.0°。因此，導(dǎo)管在滿足屈曲穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，還要能滿足深水開發(fā)導(dǎo)管安裝傾斜度要求。

綜上，導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性分析對深水鉆井導(dǎo)管打樁意義重大，是鉆井導(dǎo)管水下打樁設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容，其對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性的要求主要在2個方面：①深水環(huán)境中，導(dǎo)管在自重力作用下入泥后，其本體強度能滿足置錘載荷要求，不發(fā)生屈曲破壞；②導(dǎo)管在放置樁錘前后的傾斜度或撓度能否滿足安裝要求。因此，需要對導(dǎo)管的自由站立穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 導(dǎo)管站立載荷分析

深水鉆井導(dǎo)管在水下打樁整個作業(yè)過程中，導(dǎo)管與打樁錘均完全在海底環(huán)境中，要對導(dǎo)管在海底的站立穩(wěn)定性進(jìn)行分析，首先就要充分了解導(dǎo)管在海底站立工況下所承受的載荷，再根據(jù)導(dǎo)管的綜合載荷，分析導(dǎo)管產(chǎn)生的彎矩、應(yīng)力及傾斜或者撓度是否滿足導(dǎo)管屈曲強度及安裝精度要求。因此，導(dǎo)管載荷分析是其站立穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵第1步。鉆井導(dǎo)管在海底的站立如圖1所示。

1.1 水流載荷

鉆井導(dǎo)管在海底自沉并置錘后，導(dǎo)管與樁錘均完全在海底環(huán)境中。因此，導(dǎo)管與樁錘不受風(fēng)與浪的環(huán)境載荷作用，只受到海底水流橫向載荷作用。計算水流載荷時，水流方向夾角至少考慮0、90、180°工況[7]，再計算作用在導(dǎo)管上的水流力[8]。

圖1 深水鉆井導(dǎo)管水下打樁海底站立示意

1.2 自重載荷

導(dǎo)管被送入至海底后，導(dǎo)管在自重力作用下入泥，直至導(dǎo)管自重力無法克服土阻力，無法繼續(xù)入泥為止。由于工程上導(dǎo)管入泥后難以達(dá)到完全垂直，一般都會有一定的初始傾斜度。此時，導(dǎo)管除了承受水流載荷外，還承受其自重載荷，要求導(dǎo)管在這2個載荷的綜合作用下能保持站立穩(wěn)定性。

1.3 置錘載荷

導(dǎo)管在自重力作用下入泥后，要將打樁錘放置在導(dǎo)管頂部，即低壓井口頭頂部。打樁錘在海水中的浮重將由導(dǎo)管承擔(dān)，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)。這要求導(dǎo)管體強度能承受錘重載荷，不發(fā)生屈曲破壞。同時，導(dǎo)管的傾斜度或撓度要能滿足作業(yè)要求。此時，導(dǎo)管要在水流、自重力及錘重力3個載荷聯(lián)合作用下保持站立穩(wěn)定性。錘重力對深水打樁作業(yè)的影響非常關(guān)鍵，分析打樁錘對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性影響具有重要意義[9]。

1.4 附加載荷

在軸向上，導(dǎo)管頂部低壓井口頭在置錘后，軸向上承受錘重載荷。根據(jù)A PI RP 2A-LRFD[10]規(guī)范的工況推薦，在導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析時，要考慮導(dǎo)管傾斜與重心偏心問題。在計算彎矩時要將其視為至少有2%以上傾斜度的懸臂梁來計算，同時要考慮導(dǎo)管傾斜對導(dǎo)管頂部水平位移的P-Δ效應(yīng)及其產(chǎn)生的彎矩。導(dǎo)管因P-Δ效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形可采用m法[11]或“P-Y”曲線法[12]計算。

1.5 渦激振動載荷

對于圓柱體海洋工程結(jié)構(gòu)，其水下構(gòu)件在波流作用下會發(fā)生振動，如果這種振動處于定長狀態(tài)而連續(xù)發(fā)生，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因疲勞壽命縮短而破壞[13]。鉆井導(dǎo)管在海底站立期間，承受水流作用，應(yīng)考慮渦激振動影響。渦激振動分析的典型工具有麻省理工大學(xué)的SHEAR7軟件[14]，在工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

2 導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析方法與影響因素

根據(jù)目前海洋樁基工程經(jīng)驗及已實施深水鉆井導(dǎo)管批量打樁施工案例，導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性分析可依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，其分析方法主要有能量法[15]、鐵木辛柯法[16-18]和API規(guī)范法[19]及有限元數(shù)值模擬方法[20]。

要對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，就要掌握穩(wěn)定性影響因素與影響規(guī)律。通過對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素及其影響表現(xiàn)進(jìn)行分析，掌握各因素對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為導(dǎo)管站立穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計提供更有效、經(jīng)濟的技術(shù)參考。

根據(jù)導(dǎo)管站立工況載荷分析，導(dǎo)管穩(wěn)定性的主要影響因素有土質(zhì)參數(shù)、導(dǎo)管規(guī)格、導(dǎo)管站立高度、導(dǎo)管傾斜度及導(dǎo)管傾斜角與水流引起的水平向載荷。通常情況下，在進(jìn)行導(dǎo)管海底站立穩(wěn)定性分析時，海底土質(zhì)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)已定，因此，不考慮土質(zhì)因素，可將導(dǎo)管站立海底視為底部固定約束、頂部自由的壓桿來進(jìn)行分析。

根據(jù)南海典型的導(dǎo)管數(shù)據(jù)(如表1)與已實踐案例中典型深水打樁錘數(shù)據(jù)(如表2)，基于鐵木辛柯法與API規(guī)范法，進(jìn)行初步計算，再分析不同因素對導(dǎo)管穩(wěn)定性的影響規(guī)律。導(dǎo)管穩(wěn)定性初步計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，組合應(yīng)力極限系數(shù)小于1，說明導(dǎo)管在錘重與水流力載荷下，不會發(fā)生屈曲破壞。

表1 導(dǎo)管規(guī)格與力學(xué)參數(shù)

表2 樁錘參數(shù)與水流參數(shù)

表3 導(dǎo)管站立穩(wěn)定性初步計算結(jié)果

2.1 導(dǎo)管傾斜度

根據(jù)中海油深水鉆井作業(yè)規(guī)程與指南，導(dǎo)管噴射前要控制傾斜度不小于2°。基于南海深水作業(yè)實踐，通常導(dǎo)管噴射前的傾斜度在0.5～1.5°。假定導(dǎo)管初始入泥16 m，站立高度為54 m。分別計算導(dǎo)管傾斜度在0.5～1.5°時的側(cè)向彎矩的等效軸向載荷Ple。由圖2可以看出，隨著導(dǎo)管傾斜度增加，達(dá)到相同側(cè)向彎矩時的等效軸向載荷Ple下降約66%，說明在導(dǎo)管初步入泥階段，傾斜度對導(dǎo)管軸向載荷有著顯著影響，要嚴(yán)格控制導(dǎo)管初始入泥的傾斜度。

圖2 導(dǎo)管傾角與導(dǎo)管側(cè)向載荷彎矩的等效軸向載荷變化曲線

2.2 導(dǎo)管水平載荷

深水鉆井導(dǎo)管水下打樁中，導(dǎo)管的水平載荷主要來自樁錘與水流。API規(guī)范中推薦2%的樁錘重力為附加水平載荷。當(dāng)水流參數(shù)不變，導(dǎo)管傾斜1°時，分析不同比例錘重的附加水平載荷下總的側(cè)向載荷的等效軸向載荷Ple。由圖3可以看出，錘重比例由2%增加至6%，等效軸向載荷Ple等比例增加約2.3倍，說明導(dǎo)管置錘下沉后，錘重比例的附加水平載荷越大，導(dǎo)管等效軸向載荷越大，對導(dǎo)管屈曲穩(wěn)定性有著顯著影響，要嚴(yán)格控制錘重及錘重比例。

圖3 錘重附加水平載荷比例與等效軸向載荷變化曲線

2.3 導(dǎo)管站立高度

導(dǎo)管的初始入泥深度可通過外力措施來改變。算例中設(shè)定不同導(dǎo)管初始入泥或站立高度，分析其它導(dǎo)管的臨界屈曲載荷影響。由圖4可以看出，當(dāng)導(dǎo)管站立高度下降，導(dǎo)管的臨界屈曲載荷增加。每下降1 m，臨界屈曲載荷增加4%。站立高度的下降，有利于導(dǎo)管在海底的站立穩(wěn)定性。

圖4 導(dǎo)管站立高度與臨界屈曲載荷變化曲線

3 導(dǎo)管穩(wěn)定性分析方法應(yīng)用建議

在進(jìn)行導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析時，由于采用不同的分析方法，其結(jié)果的側(cè)重點及指向性不同。充分掌握相關(guān)方法的適用性，對導(dǎo)管穩(wěn)定性分析與設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。同時，載荷余量設(shè)定也非常關(guān)鍵，載荷余量設(shè)定過小可能導(dǎo)致施工安全隱患，過大則可能導(dǎo)致技術(shù)實現(xiàn)難度提高且成本提高。此外，對于穩(wěn)定性不滿足要求的情況，結(jié)合穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素，建立合理的設(shè)計優(yōu)化思路與方法，對工程設(shè)計與施工可靠性與合理性有關(guān)鍵影響。因此，筆者結(jié)合已有案例實踐分析，提出了導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析與優(yōu)化的幾點建議，為分析與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

3.1 分析方法的適用性

1)鐵木辛柯法及API規(guī)范法。由于導(dǎo)管的穩(wěn)定性對站立長度與自重比較敏感，鐵木辛柯法及API規(guī)范法在經(jīng)典歐拉公式的基礎(chǔ)上考慮了沿長度分布的重力因素，該方法更符合實際工程工況，能廣泛適用于海洋工程中的壓桿穩(wěn)定性分析，但二者在深水鉆井導(dǎo)管工程中應(yīng)用有一定的局限性。二者只考慮了底部固定、頂部自由的工況，而導(dǎo)管在自沉后，其穩(wěn)定性還與土壤相互作用力有關(guān)。這兩種方法把導(dǎo)管與土體的作用當(dāng)成剛性連接的底部固定桿，計算結(jié)果無法反應(yīng)導(dǎo)管在海底土壤的真實受力情況，其分析結(jié)果不安全，更適合做理想靜力穩(wěn)定性分析。此外，API規(guī)范法只是定性地求解構(gòu)件在組合載荷下的穩(wěn)定性結(jié)果，未深入考慮土體的影響作用及導(dǎo)管在不同屈曲模態(tài)及其應(yīng)力分布。

2)三維非線性有限元方法。采用三維非線性有限元方法對導(dǎo)管進(jìn)行站立穩(wěn)定性分析，通過P-Y曲線來描述鉆井導(dǎo)管與土壤的相互力學(xué)作用特性，有效地考慮了導(dǎo)管與土壤變形的非線性問題，同時考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和環(huán)境與樁錘重力綜合載荷的作用，得到導(dǎo)管開始變得不穩(wěn)定時的臨界荷載，同時能夠得到導(dǎo)管屈曲模態(tài)和應(yīng)力分布，其分析結(jié)果更能反應(yīng)真實情況，更加安全，能更好地為穩(wěn)定性設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)。有限元的三維數(shù)值模擬分析方法在已實施案例中被使用，是分析的首選方法。

3.2 載荷余量設(shè)定

1)導(dǎo)管的傾斜角設(shè)定。由于鉆井導(dǎo)管水下打樁施工與傳統(tǒng)的鉆孔及噴射施工完全不同，后者在施工過程中對導(dǎo)管的實時傾斜角仍有調(diào)整的手段，而水下打樁施工過程中無法對導(dǎo)管進(jìn)行控制。因此，在穩(wěn)定性分析中，結(jié)合導(dǎo)管的最終安裝傾斜角要求，重點關(guān)注導(dǎo)管頂部在綜合載荷作用下泥線處的水平位移及管土分離情況，不能超過安裝傾斜角要求對應(yīng)的水平位移。

2)水流力計算。在計算總彎矩時可考慮水流力的方向與傾斜方向一致，加大了導(dǎo)管應(yīng)力，使計算結(jié)果更加保守。

3)導(dǎo)管橫向附加載荷設(shè)定。根據(jù)API規(guī)范，在導(dǎo)管的橫向載荷上附加一定比例的錘載荷，以使計算結(jié)果更加保守。在已實施工程中，例如，巴西深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管批量水下打樁項目，其在分析中附加了5%錘重載荷作為導(dǎo)管的橫向附加載荷，增加了導(dǎo)管彎矩及內(nèi)應(yīng)力。導(dǎo)管在受力狀態(tài)下，強度校核安全系數(shù)不能小于1.6。因此，附加載荷比例可以考慮由API規(guī)范推薦的2%增加至5%，提高施工安全余量的同時又不額外增加技術(shù)實現(xiàn)難度。

4)導(dǎo)管渦激振動載荷設(shè)定。要結(jié)合環(huán)境與施工周期因素考慮。以南海深水環(huán)境為例，在水深大于500 m海底，1 a重現(xiàn)期內(nèi)海底水流速度通常小于0.5 m/s。根據(jù)國外已實施案例，導(dǎo)管水下打樁施工周期通常較短，導(dǎo)管在海底承受水流作用時間一般為1～3 d。因此，在導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析中可針對具體作業(yè)特點與環(huán)境，嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范，評估水流渦激振動影響，分析水流產(chǎn)生影響的臨界流速[21]，為工程設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，確保施工安全。

3.3 穩(wěn)定性優(yōu)化思路與方法

在進(jìn)行打樁初步設(shè)計過程中，對于導(dǎo)管站立穩(wěn)定性不滿足要求的情況，需要進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。當(dāng)沒有優(yōu)化空間時，可制定措施來提高導(dǎo)管站立穩(wěn)定性。

根據(jù)穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素分析結(jié)果，可從以下幾個方面考慮：

1)減小外部載荷。可以減小的主要外部載荷為由樁錘重力引起的軸向載荷與橫向分載荷，減小打樁錘重力即可減小外部載荷。因此，在滿足施工要求的前提下，合理的打樁錘優(yōu)化選型，有利于緩解樁錘引起的導(dǎo)管站立穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。

2)由于導(dǎo)管的初始傾角對穩(wěn)定性影響顯著，加上深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管安裝傾角要求苛刻，可研制導(dǎo)管初始傾斜角的控制裝備，制定措施，使導(dǎo)管在置錘前盡量趨于垂直。

3)導(dǎo)管的站立穩(wěn)定性與導(dǎo)管材料力學(xué)性能相關(guān)，尤其是當(dāng)導(dǎo)管外徑一定時，其自身強度決定了導(dǎo)管站立時的抗屈曲破壞能力，而其自身強度與其外徑、規(guī)格、鋼級等相關(guān)，因此，導(dǎo)管站立穩(wěn)定性的分析也是對水下打樁導(dǎo)管初步設(shè)計結(jié)果的校核，為導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

4)對于一定的地質(zhì)條件與導(dǎo)管規(guī)格及錘型，導(dǎo)管站立高度越小對導(dǎo)管站立穩(wěn)定性越有利。因此，可考慮采取措施以增加鉆井導(dǎo)管的初始入泥深度，減小導(dǎo)管站立高度，以提高導(dǎo)管站立穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)是繼傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)與噴射技術(shù)之后的一種新型導(dǎo)管安裝技術(shù)。經(jīng)實踐驗證，該技術(shù)有效可行，具有獨特的優(yōu)勢，對深水表層導(dǎo)管安裝技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。其中，導(dǎo)管站立穩(wěn)定性是該技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，它涉及導(dǎo)管、樁錘及土壤3要素，是一項系統(tǒng)性的分析工作。其分析結(jié)果影響著施工技術(shù)難度與經(jīng)濟性。因此，合理、有效的分析十分關(guān)鍵。

目前，我國南海深水油氣開發(fā)的導(dǎo)管安裝主要依靠鉆孔與噴射技術(shù)，尚無水下打樁技術(shù)應(yīng)用案例。文章基于現(xiàn)有行業(yè)研究成果與已有案例實踐，分析了導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵內(nèi)容、方法特點、關(guān)鍵載荷及影響因素與規(guī)律，提出了導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析與優(yōu)化建議，為導(dǎo)管站立穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計提供參考。