鄧玉明 劉正禮 趙維青 趙蘇文

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司, 廣東 深圳 518000;2. 中海石油深海開發(fā)有限公司, 廣東 深圳 518000

0 前言

隨著全球海洋油氣開發(fā)向深水海域的快速發(fā)展,深海油氣產(chǎn)量占比持續(xù)增加。盡管深水蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,但受制于深水環(huán)境特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外深水開發(fā)始終面臨著各種挑戰(zhàn)與技術(shù)壁壘[1-5],如淺層氣、淺層流、鄰井土壤撓動(dòng)等,使得深海油氣開發(fā)鉆井表層作業(yè)呈現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)與高成本特性。近年業(yè)內(nèi)提出了深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù),該技術(shù)采用深水樁錘將鉆井導(dǎo)管錘至設(shè)計(jì)入泥深度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的安裝。實(shí)踐表明,深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)相比傳統(tǒng)的導(dǎo)管噴射與鉆孔技術(shù)有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),如安裝精度高、無(wú)固井候凝或靜置吸附、承載力時(shí)效性好等,且在特定條件下能提高時(shí)效,低降成本。

鑒于此,該技術(shù)可作為對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)管安裝技術(shù)的補(bǔ)充,其適用性評(píng)估對(duì)技術(shù)方案選擇有重要意義。充分的調(diào)查與研究表明,該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵前提之一是導(dǎo)管的可打性能滿足要求,即導(dǎo)管、樁錘及土相互作用能使導(dǎo)管安全錘入至設(shè)計(jì)入泥深度。由于導(dǎo)管可打性分析涉及管-土-錘復(fù)雜的相互作用,很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè),目前采用樁基工程中廣泛應(yīng)用的波動(dòng)方程分析法,其分析結(jié)果準(zhǔn)確度與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)。

為評(píng)價(jià)深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)在我國(guó)南海深水區(qū)塊的適用性,從導(dǎo)管可打性角度出發(fā),結(jié)合我國(guó)南海深水區(qū)塊典型土壤特性與導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參數(shù),與國(guó)外已實(shí)踐油田土壤特性進(jìn)行了類比分析,利用波動(dòng)方程分析軟件建立了管-土-錘模型,分析并設(shè)定了打樁工況,對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行了可打性評(píng)估,分析導(dǎo)管能否安全錘至設(shè)計(jì)深度,為該技術(shù)在我國(guó)南海深水區(qū)塊的適用性評(píng)估提供參考。

1 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)于2008年首次提出并應(yīng)用于巴西BC-10深水油氣田開發(fā)項(xiàng)目[6],提出該技術(shù)的主要原因是該項(xiàng)目需要安裝人工舉升管匯和鉆井導(dǎo)管,考慮到人工舉升管匯的支撐盤安裝需要進(jìn)行水下樁基安裝作業(yè),為了能同期完成鉆井導(dǎo)管預(yù)安裝,一次性完成兩項(xiàng)工程作業(yè),提出了將支撐盤的基礎(chǔ)樁安裝與導(dǎo)管安裝作業(yè)相結(jié)合的設(shè)想,并建立深水鉆井導(dǎo)管水下打樁技術(shù)。由于該技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),巴西在西非深水開發(fā)項(xiàng)目上進(jìn)行了再次應(yīng)用且實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

目前我國(guó)南海深水開發(fā)鉆井導(dǎo)管安裝技術(shù)仍以鉆孔與噴射技術(shù)為主[7],深水油氣尚未大規(guī)模開發(fā),該技術(shù)的應(yīng)用尚處于研究與評(píng)估階段[8]。

2 南海深水土質(zhì)特性分析

根據(jù)目前行業(yè)研究與規(guī)范理論方法[9-10],土質(zhì)參數(shù)中土體強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)管打樁貫入有重要的影響?；谀虾Ｋ畲笥?00 m的典型井場(chǎng)土壤不排水抗剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),與巴西、西非已實(shí)施案例油田土壤強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比,見圖1。結(jié)果表明,南海深水表層土壤松軟,泥線以下100 m內(nèi)土壤強(qiáng)度小于150 kPa,遠(yuǎn)小于淺水土壤強(qiáng)度(大于250 kPa),與已實(shí)施案例土壤強(qiáng)度(小于140 kPa)相近。因此,從土質(zhì)特性角度,其有利于該技術(shù)的探索。

圖1 南海典型土壤不排水抗剪切強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 South China Sea typical soil undrained shear strength

3 導(dǎo)管打樁分析過(guò)程

深水鉆井導(dǎo)管水下打樁系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:導(dǎo)管、土壤和樁錘。在進(jìn)行導(dǎo)管可打性分析前,需要對(duì)系統(tǒng)建立模型,再基于模型理論分析確定導(dǎo)管打樁的動(dòng)阻力,其次分析計(jì)算錘與導(dǎo)管組合的貫入力,最后對(duì)管-土-錘系統(tǒng)綜合模擬分析,預(yù)測(cè)錘擊數(shù)、分析導(dǎo)管壓拉應(yīng)力、分析錘擊能量影響等,評(píng)估導(dǎo)管錘入至設(shè)定深度的能量需求及導(dǎo)管在錘入過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力破壞或拒錘。

3.1 分析方法

目前打樁分析應(yīng)用最廣泛的方法為波動(dòng)方程分析法,它通過(guò)模擬打樁過(guò)程,獲得打樁系統(tǒng)的力學(xué)狀況[11]。1960年Smith E A L提出打樁系統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)模型,并借助計(jì)算機(jī)建立了波動(dòng)方程的差分解法[12],隨著發(fā)展,出現(xiàn)了基于波動(dòng)方程理論的打樁分析軟件,其中以PDI公司的GRLWEAP[13]為典型代表。本文分析中,將導(dǎo)管視為鋼樁,利用該軟件進(jìn)行分析。

3.2 導(dǎo)管數(shù)據(jù)

南海深水開發(fā)中典型的導(dǎo)管尺寸外徑通常為762～914.4 mm,壁厚25.4～38.1 mm,鋼級(jí)X 56/X 65,屈服強(qiáng)度386～450 MPa,導(dǎo)管典型入泥設(shè)計(jì)深度以70～80 m為主。導(dǎo)管彈性模量21 000 MPa,密度7 850 kg/m3。

3.3 土體數(shù)據(jù)

土壤是打樁系統(tǒng)中最復(fù)雜的組成部分。在GRLWEAP中土的模型采用Smith模型。本次分析取南海500 m水深D油田土壤數(shù)據(jù),見表1。

土體的臨塑變形與阻尼系數(shù)設(shè)置基于Smith模型:臨塑變形取2.54 mm,側(cè)向阻尼取0.65 s/m(黏土)/0.16 s/m(砂土),端部阻尼系數(shù)取0.5 s/m。

3.4 樁錘數(shù)據(jù)

深水鉆井導(dǎo)管打樁要求樁錘能適應(yīng)深水環(huán)境。目前全球技術(shù)先進(jìn)且應(yīng)用廣泛的深水樁錘主要為MENCK公司深水樁錘[14]。本次分析中設(shè)定的樁錘為其深水系列樁錘中能量級(jí)別最小的樁錘MENCK MHU-270 T,該樁錘應(yīng)用于全球已實(shí)施的深水鉆井導(dǎo)管打樁案例中,其主要性能參數(shù)：額定能量270 kJ,錘能效率>90%,最大打擊頻率100錘/min,錘芯重16.2 t,錘總重30.8 t，最大作業(yè)水深3 000 m。

表1 南海深水D油田表層土壤參數(shù)表

3.5 工況設(shè)定

基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及已實(shí)施案例,為了使分析具有邊界條件,增加計(jì)算設(shè)定透明度及參考性,提高評(píng)估的覆蓋面,使計(jì)算設(shè)定偏保守,對(duì)分析的工況參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)定:

1)導(dǎo)管入泥深度?；谥袊?guó)南海深水鉆井實(shí)踐[15-17],設(shè)定本次分析導(dǎo)管入泥深度為70 m。

2)打樁工況設(shè)定。深水鉆井導(dǎo)管水下打樁作業(yè)通常要避開惡劣天氣窗口,導(dǎo)管柱與樁錘均完全在水下,假定施工中樁錘性能穩(wěn)定,導(dǎo)管為連續(xù)貫入。由于導(dǎo)管外徑較大且土壤松軟,根據(jù)我國(guó)沿海軟土地區(qū)大量實(shí)際工程及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[18],口徑越大,土質(zhì)越軟,土塞效應(yīng)越弱,再結(jié)合已實(shí)施案例中未發(fā)生土塞閉塞情況,本次分析中不考慮完全土塞情況。但為了評(píng)估極端工況下導(dǎo)管的可打性,分析中考慮了完全閉塞的情況。

3)摩阻損失。根據(jù)大量工程實(shí)踐,導(dǎo)管連續(xù)貫入過(guò)程黏性土的摩阻損失約為50%～80%[19],砂土強(qiáng)度通常折減1.1～1.5倍。為了使計(jì)算更加保守,本次分析設(shè)定導(dǎo)管端摩阻無(wú)損失,而側(cè)土阻力損失30%。

4)拒錘條件設(shè)定。根據(jù)海上開發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范,連續(xù)錘擊入泥時(shí)最大錘擊數(shù)不超過(guò)250錘/0.25 m;最大錘擊數(shù)400錘/0.25 m的錘擊入泥深度不能超過(guò)0.75 m。根據(jù)樁錘使用建議,其能量輸出效率不超過(guò)95%,本文分析最大取90%。

3.6 模型建立

將管-土-樁系統(tǒng)參數(shù)輸入至波動(dòng)方程計(jì)算程序,建立打樁系統(tǒng)模型,打樁系統(tǒng)模型示意圖見圖2。

圖2 導(dǎo)管打樁系統(tǒng)模型示意圖Fig.2 Conductor driving system model diagram

4 分析結(jié)果

4.1 導(dǎo)管錘擊應(yīng)力分析

針對(duì)不同外徑與壁厚的導(dǎo)管,設(shè)定錘效率90%,考慮導(dǎo)管完全閉塞最不利的情況,分析導(dǎo)管應(yīng)力。結(jié)果表明壓應(yīng)力較拉壓力大,影響權(quán)重更大,因此分析中主要考慮壓應(yīng)力對(duì)導(dǎo)管破壞的影響表現(xiàn)。圖3顯示了導(dǎo)管打樁過(guò)程中壓應(yīng)力曲線，由圖3可知,隨著導(dǎo)管入泥深度的增加,應(yīng)力逐漸減小。其中Φ 914.4 mm導(dǎo)管(38.1 mm壁厚)承受壓應(yīng)力最小,而Φ 762 mm導(dǎo)管(25.4 mm壁厚)承受壓應(yīng)力最大(239 MPa)。依據(jù)API RP 2 A-WSD進(jìn)行校核,應(yīng)力不能超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的80%～90%。為了使分析結(jié)果更保守,選取X 56材質(zhì),80%的安全系數(shù),則允許屈服強(qiáng)度即386 MPa×80%=308 MPa。因此,導(dǎo)管不會(huì)發(fā)生屈曲破壞。

圖3 打樁過(guò)程導(dǎo)管壓應(yīng)力曲線圖Fig.3 Conductor driving compress stress curve

4.2 錘擊能量分析

樁錘的輸出能量是樁錘選型的關(guān)鍵參數(shù),合適的輸出能量有利于導(dǎo)管打樁作業(yè)[20]。調(diào)整樁錘輸出能量,分析導(dǎo)管在不同錘擊能量輸出效率下的應(yīng)力,分析結(jié)果見表2。由表2可知,錘擊能量越大,導(dǎo)管的打樁動(dòng)應(yīng)力越大,最大打樁動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在100%錘擊能量輸出效率情況下。Φ 762 mm導(dǎo)管(25.4 mm壁厚)在17%～100%錘效率下的打樁應(yīng)力范圍為115～255 MPa,在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi),滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)表明,樁錘能量可以將導(dǎo)管錘入至設(shè)計(jì)入泥深度且導(dǎo)管不會(huì)發(fā)生應(yīng)力破壞。

表2 導(dǎo)管在不同錘效率下的打樁過(guò)程壓應(yīng)力表

4.3 錘擊數(shù)分析

為了分析導(dǎo)管在打樁過(guò)程是否會(huì)形成拒錘,假定導(dǎo)管為完全閉塞的極限工況,此時(shí)最不利于導(dǎo)管貫入,分析該情況下錘擊能量效率90%的錘擊數(shù),分析結(jié)果見圖4。

圖4 Φ 914.4 mm導(dǎo)管(38.1 mm壁厚)貫入過(guò)程錘擊數(shù)圖Fig.4 Φ 914.4 mm conductor(38.1 mm wall thickness) blow counts during penetration

由圖4可知,導(dǎo)管完全閉塞情況較不考慮土塞效應(yīng)情況的錘擊數(shù)明顯要大。而Φ 914.4 mm導(dǎo)管(38.1 mm壁厚)錘擊數(shù)最大值,約為345錘/m,小于連續(xù)貫入拒錘條件250錘/0.25 m,不會(huì)發(fā)生拒錘。

對(duì)Φ 914.4 mm導(dǎo)管(25.4 mm壁厚)在不同能量下的錘擊數(shù)與壓應(yīng)力進(jìn)行分析,結(jié)果見圖5～6。由圖5可知,導(dǎo)管在錘效率50%時(shí)錘擊數(shù)超過(guò)了連續(xù)貫入拒錘條件250錘/0.25 m,發(fā)生了拒錘。從圖6可知,此時(shí)導(dǎo)管的最大應(yīng)力值為172 Mpa,仍滿足強(qiáng)度要求。因此,在選定的樁錘與錘擊參數(shù)下,南海深水典型導(dǎo)管錘至典型入泥深度70 m可避免拒錘。

圖5 Φ 914.4 mm導(dǎo)管(25.4 mm壁厚)在不同錘效率下的錘擊數(shù)與深度關(guān)系圖Fig.5 Φ 914.4 mm conductor(25.4 mm wall thickness)blow counts during penetration with different hammer efficiency

圖6 Φ 914.4 mm導(dǎo)管(25.4 mm壁厚)在不同錘效率下的壓應(yīng)力與深度關(guān)系圖Fig.6 Φ 914.4 mm conductor(25.4 mm wall thickness)compress stress during penetration with different hammer efficiency

5 結(jié)論

1)通過(guò)類比南海深水土壤與已實(shí)施案例的土壤強(qiáng)度,南海深水區(qū)塊通常泥線以下100 m內(nèi)土壤不排水抗剪強(qiáng)度小于150 kPa,在土壤強(qiáng)度上適宜進(jìn)行該技術(shù)的應(yīng)用探索。

2)分析中選定的樁錘為深水樁錘中能量級(jí)別最小的錘型,額定輸出能量為270 kJ。根據(jù)分析,對(duì)于南海深水區(qū)塊典型土質(zhì)參數(shù),該樁錘能將常用導(dǎo)管錘至典型入泥設(shè)計(jì)深度。因此,現(xiàn)有深水樁錘可以滿足南海深水鉆井導(dǎo)管打樁對(duì)錘擊能量的要求。

3)中國(guó)南海深水典型鉆井導(dǎo)管的材料性能在設(shè)定的打樁工況下,能安全錘至典型入泥設(shè)計(jì)深度,不會(huì)發(fā)生應(yīng)力破壞和拒錘。

4)可打性分析涉及變量較多,如錘效率、導(dǎo)管參數(shù)、土資料及土體強(qiáng)度衰減效應(yīng)等,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況往往與設(shè)計(jì)存在偏差,對(duì)分析的可靠性造成影響。因此,還需要借鑒大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析,確定合適的參數(shù),優(yōu)化計(jì)算模型,以提高分析可靠性。