南海深水钻井导管水下打桩可打性评估

邓玉明 刘正礼 赵维青 赵苏文

1. 中海油能源发展股份有限公司, 广东 深圳 518000;2. 中海石油深海开发有限公司, 广东 深圳 518000

0 前言

随着全球海洋油气开发向深水海域的快速发展,深海油气产量占比持续增加。尽管深水蕴藏着丰富的油气资源,但受制于深水环境特点,国内外深水开发始终面临着各种挑战与技术壁垒[1-5],如浅层气、浅层流、邻井土壤挠动等,使得深海油气开发钻井表层作业呈现高风险与高成本特性。近年业内提出了深水钻井导管水下打桩技术,该技术采用深水桩锤将钻井导管锤至设计入泥深度来实现导管的安装。实践表明,深水钻井导管水下打桩技术相比传统的导管喷射与钻孔技术有独特的技术优势,如安装精度高、无固井候凝或静置吸附、承载力时效性好等,且在特定条件下能提高时效,低降成本。

鉴于此,该技术可作为对现有导管安装技术的补充,其适用性评估对技术方案选择有重要意义。充分的调查与研究表明,该技术应用的关键前提之一是导管的可打性能满足要求,即导管、桩锤及土相互作用能使导管安全锤入至设计入泥深度。由于导管可打性分析涉及管-土-锤复杂的相互作用,很难实现准确预测,目前采用桩基工程中广泛应用的波动方程分析法,其分析结果准确度与经验数据相关。

为评价深水钻井导管水下打桩技术在我国南海深水区块的适用性,从导管可打性角度出发,结合我国南海深水区块典型土壤特性与导管结构参数,与国外已实践油田土壤特性进行了类比分析,利用波动方程分析软件建立了管-土-锤模型,分析并设定了打桩工况,对导管进行了可打性评估,分析导管能否安全锤至设计深度,为该技术在我国南海深水区块的适用性评估提供参考。

1 技术应用现状

深水钻井导管水下打桩技术于2008年首次提出并应用于巴西BC-10深水油气田开发项目[6],提出该技术的主要原因是该项目需要安装人工举升管汇和钻井导管,考虑到人工举升管汇的支撑盘安装需要进行水下桩基安装作业,为了能同期完成钻井导管预安装,一次性完成两项工程作业,提出了将支撑盘的基础桩安装与导管安装作业相结合的设想,并建立深水钻井导管水下打桩技术。由于该技术的独特优势,巴西在西非深水开发项目上进行了再次应用且实现了预期目标。

目前我国南海深水开发钻井导管安装技术仍以钻孔与喷射技术为主[7],深水油气尚未大规模开发,该技术的应用尚处于研究与评估阶段[8]。

2 南海深水土质特性分析

根据目前行业研究与规范理论方法[9-10],土质参数中土体强度对导管打桩贯入有重要的影响。基于南海水深大于300 m的典型井场土壤不排水抗剪切强度数据统计,与巴西、西非已实施案例油田土壤强度进行了对比,见图1。结果表明,南海深水表层土壤松软,泥线以下100 m内土壤强度小于150 kPa,远小于浅水土壤强度(大于250 kPa),与已实施案例土壤强度(小于140 kPa)相近。因此,从土质特性角度,其有利于该技术的探索。

图1 南海典型土壤不排水抗剪切强度统计图Fig.1 South China Sea typical soil undrained shear strength

3 导管打桩分析过程

深水钻井导管水下打桩系统由三部分构成:导管、土壤和桩锤。在进行导管可打性分析前,需要对系统建立模型,再基于模型理论分析确定导管打桩的动阻力,其次分析计算锤与导管组合的贯入力,最后对管-土-锤系统综合模拟分析,预测锤击数、分析导管压拉应力、分析锤击能量影响等,评估导管锤入至设定深度的能量需求及导管在锤入过程中是否会出现应力破坏或拒锤。

3.1 分析方法

目前打桩分析应用最广泛的方法为波动方程分析法,它通过模拟打桩过程,获得打桩系统的力学状况[11]。1960年Smith E A L提出打桩系统的离散数据模型,并借助计算机建立了波动方程的差分解法[12],随着发展,出现了基于波动方程理论的打桩分析软件,其中以PDI公司的GRLWEAP[13]为典型代表。本文分析中,将导管视为钢桩,利用该软件进行分析。

3.2 导管数据

南海深水开发中典型的导管尺寸外径通常为762～914.4 mm,壁厚25.4～38.1 mm,钢级X 56/X 65,屈服强度386～450 MPa,导管典型入泥设计深度以70～80 m为主。导管弹性模量21 000 MPa,密度7 850 kg/m3。

3.3 土体数据

土壤是打桩系统中最复杂的组成部分。在GRLWEAP中土的模型采用Smith模型。本次分析取南海500 m水深D油田土壤数据,见表1。

土体的临塑变形与阻尼系数设置基于Smith模型:临塑变形取2.54 mm,侧向阻尼取0.65 s/m(黏土)/0.16 s/m(砂土),端部阻尼系数取0.5 s/m。

3.4 桩锤数据

深水钻井导管打桩要求桩锤能适应深水环境。目前全球技术先进且应用广泛的深水桩锤主要为MENCK公司深水桩锤[14]。本次分析中设定的桩锤为其深水系列桩锤中能量级别最小的桩锤MENCK MHU-270 T,该桩锤应用于全球已实施的深水钻井导管打桩案例中,其主要性能参数：额定能量270 kJ,锤能效率>90%,最大打击频率100锤/min,锤芯重16.2 t,锤总重30.8 t，最大作业水深3 000 m。

表1 南海深水D油田表层土壤参数表

3.5 工况设定

基于行业经验及已实施案例,为了使分析具有边界条件,增加计算设定透明度及参考性,提高评估的覆盖面,使计算设定偏保守,对分析的工况参数进行如下设定:

1)导管入泥深度。基于中国南海深水钻井实践[15-17],设定本次分析导管入泥深度为70 m。

2)打桩工况设定。深水钻井导管水下打桩作业通常要避开恶劣天气窗口,导管柱与桩锤均完全在水下,假定施工中桩锤性能稳定,导管为连续贯入。由于导管外径较大且土壤松软,根据我国沿海软土地区大量实际工程及现场试验[18],口径越大,土质越软,土塞效应越弱,再结合已实施案例中未发生土塞闭塞情况,本次分析中不考虑完全土塞情况。但为了评估极端工况下导管的可打性,分析中考虑了完全闭塞的情况。

3)摩阻损失。根据大量工程实践,导管连续贯入过程黏性土的摩阻损失约为50%～80%[19],砂土强度通常折减1.1～1.5倍。为了使计算更加保守,本次分析设定导管端摩阻无损失,而侧土阻力损失30%。

4)拒锤条件设定。根据海上开发井隔水导管设计和作业规范,连续锤击入泥时最大锤击数不超过250锤/0.25 m;最大锤击数400锤/0.25 m的锤击入泥深度不能超过0.75 m。根据桩锤使用建议,其能量输出效率不超过95%,本文分析最大取90%。

3.6 模型建立

将管-土-桩系统参数输入至波动方程计算程序,建立打桩系统模型,打桩系统模型示意图见图2。

图2 导管打桩系统模型示意图Fig.2 Conductor driving system model diagram

4 分析结果

4.1 导管锤击应力分析

针对不同外径与壁厚的导管,设定锤效率90%,考虑导管完全闭塞最不利的情况,分析导管应力。结果表明压应力较拉压力大,影响权重更大,因此分析中主要考虑压应力对导管破坏的影响表现。图3显示了导管打桩过程中压应力曲线，由图3可知,随着导管入泥深度的增加,应力逐渐减小。其中Φ 914.4 mm导管(38.1 mm壁厚)承受压应力最小,而Φ 762 mm导管(25.4 mm壁厚)承受压应力最大(239 MPa)。依据API RP 2 A-WSD进行校核,应力不能超过材料屈服强度的80%～90%。为了使分析结果更保守,选取X 56材质,80%的安全系数,则允许屈服强度即386 MPa×80%=308 MPa。因此,导管不会发生屈曲破坏。

图3 打桩过程导管压应力曲线图Fig.3 Conductor driving compress stress curve

4.2 锤击能量分析

桩锤的输出能量是桩锤选型的关键参数,合适的输出能量有利于导管打桩作业[20]。调整桩锤输出能量,分析导管在不同锤击能量输出效率下的应力,分析结果见表2。由表2可知,锤击能量越大,导管的打桩动应力越大,最大打桩动应力出现在100%锤击能量输出效率情况下。Φ 762 mm导管(25.4 mm壁厚)在17%～100%锤效率下的打桩应力范围为115～255 MPa,在屈服强度范围内,满足强度要求。同时表明,桩锤能量可以将导管锤入至设计入泥深度且导管不会发生应力破坏。

表2 导管在不同锤效率下的打桩过程压应力表

4.3 锤击数分析

为了分析导管在打桩过程是否会形成拒锤,假定导管为完全闭塞的极限工况,此时最不利于导管贯入,分析该情况下锤击能量效率90%的锤击数,分析结果见图4。

图4 Φ 914.4 mm导管(38.1 mm壁厚)贯入过程锤击数图Fig.4 Φ 914.4 mm conductor(38.1 mm wall thickness) blow counts during penetration

由图4可知,导管完全闭塞情况较不考虑土塞效应情况的锤击数明显要大。而Φ 914.4 mm导管(38.1 mm壁厚)锤击数最大值,约为345锤/m,小于连续贯入拒锤条件250锤/0.25 m,不会发生拒锤。

对Φ 914.4 mm导管(25.4 mm壁厚)在不同能量下的锤击数与压应力进行分析,结果见图5～6。由图5可知,导管在锤效率50%时锤击数超过了连续贯入拒锤条件250锤/0.25 m,发生了拒锤。从图6可知,此时导管的最大应力值为172 Mpa,仍满足强度要求。因此,在选定的桩锤与锤击参数下,南海深水典型导管锤至典型入泥深度70 m可避免拒锤。

图5 Φ 914.4 mm导管(25.4 mm壁厚)在不同锤效率下的锤击数与深度关系图Fig.5 Φ 914.4 mm conductor(25.4 mm wall thickness)blow counts during penetration with different hammer efficiency

图6 Φ 914.4 mm导管(25.4 mm壁厚)在不同锤效率下的压应力与深度关系图Fig.6 Φ 914.4 mm conductor(25.4 mm wall thickness)compress stress during penetration with different hammer efficiency

5 结论

1)通过类比南海深水土壤与已实施案例的土壤强度,南海深水区块通常泥线以下100 m内土壤不排水抗剪强度小于150 kPa,在土壤强度上适宜进行该技术的应用探索。

2)分析中选定的桩锤为深水桩锤中能量级别最小的锤型,额定输出能量为270 kJ。根据分析,对于南海深水区块典型土质参数,该桩锤能将常用导管锤至典型入泥设计深度。因此,现有深水桩锤可以满足南海深水钻井导管打桩对锤击能量的要求。

3)中国南海深水典型钻井导管的材料性能在设定的打桩工况下,能安全锤至典型入泥设计深度,不会发生应力破坏和拒锤。

4)可打性分析涉及变量较多,如锤效率、导管参数、土资料及土体强度衰减效应等,而现场实际情况往往与设计存在偏差,对分析的可靠性造成影响。因此,还需要借鉴大量的实践数据进行反分析,确定合适的参数,优化计算模型,以提高分析可靠性。