深水鉆井井口吸力樁穩定性計算和校核方法

李舒展 楊進 朱國倞 黃熠 王寧 萬宏宇 馬會珍

摘要：深水松軟土質下，傳統噴射法安裝的表層導管在鉆井階段存在下沉和傾斜的風險。為了提升深水鉆井水下井口的穩定性，提出了井口吸力樁表層建井的方法，開展了吸力樁下入深度和穩定性分析。基于樁基承載理論和廣義Winkler 地基梁模型，建立了井口吸力樁穩定性理論模型，并通過有限元方法和有限差分法研究了井口吸力樁穩定性特征及影響因素。以南中國海某井工程參數為依據，對井口吸力樁穩定性開展理論計算，與有限元計算結果進行對比，豎向極限承載力誤差為4.23%，最大水平位移誤差為6.0%，最大彎矩誤差為2.96%，印證了計算結果的準確性。在鉆井工況極限載荷作用下，相比于傳統表層導管，井口吸力樁豎向承載力提升了43.91%，水平位移減少了63.21%，抗彎安全系數是前者的24.5 倍。分別對井口吸力樁施加不同水平位移和彎矩，結果表明水平載荷對橫向穩定性影響較為顯著。井口吸力樁具有很高的豎向承載力和橫向承載力，顯著提高了水下井口的穩定性，研究結果為其在深水松軟土質中表層建井提供了理論依據。

關鍵詞：深水鉆井；井口吸力樁；豎向極限承載力；橫向極限承載力；穩定性校核；有限元分析

中圖分類號：TE52 文獻標識碼： A

0 引言

深水淺部地層通常成巖性差、地層強度低，多采用噴射法進行導管水下安裝［1］。水下安裝過程中，由于未固井，上部存在防噴器等大重量設備，容易導致水下井口下沉或井眼報廢等事故［2］。同時，浮式鉆井平臺（船） 的漂移和隔水管的鉆進過程振動，亦會導致導管發生撓曲變形［3］。如果深水鉆井導管橫向位移過大，也將造成水下井口失穩［4］。為了提升深水鉆井過程中水下井口的穩定性，確保在海底松軟土層中作業的安全，提出了井口吸力樁表層建井的新方法。井口吸力樁是一種新型的表層建井基礎，由表層導管和吸力樁基礎組合而成。其大尺寸特性，可大幅提高表層建井的豎向承載力、橫向承載力和抗彎能力，從而提升井口穩定性；對于松軟的海床，起到很好的支撐［5］。南中國海海底地質構造復雜，淺部埋藏了大量的淺水流、淺層氣和天然氣水合物［6］。南中國海鉆井過程中經常發生淺層地質災害，威脅水下井口穩定性，此種結構可以有效解決淺部復雜地質條件下建井的難題［7］。然而，井口吸力樁作為一種新型裝備，結構復雜，未有成熟的理論求解其穩定性，亟待建立井口吸力樁穩定性模型和校核方法。

國內外學者針對吸力基礎開展了一系列的研究。Fuglsang 等［8］通過試驗研究了吸力樁在黏土和砂土中上拔過程中的破壞模式，表明吸力樁內部吸力可以增加抗拔阻力。Bye 等［9］基于現有的工程數據和模型試驗提出了一套吸力樁地基承載力模型，并對循環載荷作用下的新的導管架平臺開展了吸力基礎參數設計，但僅針對試驗土質。AGSPANC軟件［10］是基于Murff-Hamilton 上限解法開發的一套計算吸力樁橫向承載力的程序，輸入確定的模型參數后，可以通過數值積分給出水平極限承載力。Gerolymos 等［11］基于廣義Winkler 地基梁模型和Bouc-Wen 準則，建立了可用于分析樁基在橫向荷載作用下變形的BWGG 彈塑性模型。Cheng 等［12］提出了一種增量彈塑性有限元法，用于模擬軟黏土中承受循環荷載的吸力基礎的不排水變形過程，并用試驗結果進行了校核，但該算法需要借助有限元軟件實現，計算時間較長。Wang 等［13］通過一系列離心試驗和數值分析，研究了海上風電單樁基礎的橫向承載力，并計算了吸力樁的旋轉中心。國內學者在20 世紀下半葉也開始了吸力基礎研究。施曉春等［14］根據吸力樁在水平位移下的土壓力分布結果，推導出了吸力基礎水平承載力的計算方法，但該試驗使用的淺層土質強度極低，有機玻璃吸力樁未考慮樁自身的彈塑性變形，存在局限性。張金來等［15］分別采用ABAQUS 有限元軟件和模擬實驗給出了耦合載荷作用下的吸力樁極限承載力，并探究了橫向和豎向承載力隨長徑比的變化趨勢，但該規律只是針對飽和砂土且沒有總結出極限承載力理論模型。張其一等［16］通過有限元軟件研究了吸力樁失效破壞與不同系泊點位置之間的關系，并給出了水平極限承載力與系泊點位置之間的擬合公式，但只考慮了單一載荷影響。劉書杰等［17］開展了小尺寸吸力樁實驗，發現吸力樁直徑越大、下入越深，安裝完成后承載力恢復時間越長，但只研究了豎向承載力的特征。王磊等［18］比較了在深水表層鉆遇水合物時常規噴射鉆井和井口吸力樁建井的施工設計特征，發現井口吸力樁在表層建井時更有優勢。暢元江等［19］提出了一種考慮了水下防噴器組豎向重載與土壤相互作用的砂土p-y 模型，分析隔水管-水下井口系統力學性能，但沒有給出海床土體的破壞模式。李舒展等［5］建立了考慮了安裝效應下井口吸力樁的豎向承載力模型，并用有限元法驗證了理論模型的準確性，計算了某井的井口吸力樁最小下入深度，但該模型沒有探究水平載荷作用下的井口吸力樁穩定性。楊進等［20］分析了深海吸力樁建井模式在深水表層建井方面的優勢，并給出了豎向穩定性和橫向傾覆穩定性的校核標準，但沒有給出計算案例和過程。