海洋水合物地层导管吸力锚贯入安装负压窗口分析

2021-06-06秦源康刘康陈国明张爱霞朱敬宇夏开朗

石油钻采工艺 2021年6期

秦源康刘康陈国明张爱霞朱敬宇夏开朗

1. 中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心；2. 中国石油集团海洋工程有限公司

天然气水合物主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中［1］，我国海域具有广阔的天然气水合物资源，据国土资源部研究估算，仅南海水合物的资源量就达到640 亿吨油当量［2］。然而，海洋天然气水合物储层埋藏浅，土壤弱胶结、地层承载力低，在浅层软土中进行喷射钻井易造成土层结构破坏，因此试采时往往会面临井口承载能力不足、井口失稳等问题。目前，国外在多个浅层油气开发项目中采用吸力锚表层建井技术，将导管大幅缩短并集成到吸力锚中形成导管吸力锚 CAN(Conductor Anchor Node)。该装备利用吸力锚贯入安装技术实现表层建井，这种建井方式安装效率高、井口承载能力强，在实际应用中取得优异的效果［3-4］。导管吸力锚可大幅提升深水井口的稳定性。然而，相较于常规吸力锚贯入阻力大，自重贯入深度浅，同时顶盖受载面积减小，导致需求负压增大、负压窗口变窄，贯入安装难度大幅提高，因此有必要对导管吸力锚贯入安装负压窗口定量预测方法进行进一步研究。

导管吸力锚贯入安装过程可分为自重贯入和负压贯入2 个阶段，贯入过程主要受到侧壁和端部阻力。目前，国内外学者已对黏土中吸力锚贯入过程进行深入研究。API 规范［5］和DNV 规范［6］给出了吸力锚沉贯阻力、需求负压和容许负压的计算公式，但未考虑吸力对贯入阻力的影响。Houlsby 考虑吸力对吸力锚沉贯过程中的端部贯入阻力的影响，建立了吸力锚在自重和吸力作用下的沉贯阻力理论计算模型［7］。Andersen 等建立了砂土中吸力锚负压贯入阶段需求吸力的计算方法［8-9］。邓凯等设计一种筒形基础竖向极限承载力计算程序，可计算给定尺寸筒型基础在特定土层中的贯入深度、贯入阻力以及筒形基础竖向极限承载力，并通过ANSYS 和ABAQUS 软件验证［10］。国振等通过吸力锚沉贯室内模型试验，得出在黏土中进行吸力沉贯时，API 规范对最大容许吸力估算较为准确，但是实际中应提供比API 规范更大的需求吸力［11］。李大勇等基于极限平衡方法提出了裙式吸力基础在黏性土中的沉贯阻力与所需吸力的计算公式，并验证其准确性［12］。

综上所述，国内外学者对常规吸力锚沉贯过程开展了大量的研究，然而针对导管吸力锚贯入安装方面的研究较少。因此，在已有研究成果的基础上，针对我国南海天然气水合物矿区浅部地层土壤特性，提出海洋水合物浅部地层导管吸力锚贯入安装负压窗口预测方法，可为我国南海水合物试采导管吸力锚现场安装应用提供参考。

1 导管吸力锚的工作原理

喷射法下入导管技术在深水钻井工程中得到广泛应用，但该技术作业方式单一，对土壤条件要求高、作业周期长、承载能力弱，在进行天然气水合物试采时易发生井口失稳风险。吸力锚表层建井技术近几年在国外得到快速发展，该技术在大幅缩短井身结构的同时提供足够的承载力，安装效率高，可为钻井阶段提供稳定的作业环境。如图1 所示，导管吸力锚为吸力锚表层建井技术的关键装备，其基本形式是外筒顶端封闭底端开口、内筒底端封闭的薄壁钢制筒中筒结构，为减小端部贯入阻力，内筒采用圆锥形导管塞进行封闭，可预先安装导管、低压井口，或者作为导向设备确保导管安全喷射到位。此外，由于导管吸力锚可在建造时对引导管进行预斜，在建设水平井浅层建井方面具有突出的优势［3］。基于以上技术优势，吸力锚表层建井技术对于海洋水合物试采具有良好的适用性，并在未来深水浅部资源的钻采工程中同样具有很大应用潜力。

图 1 天然气水合物试采表层建井方式Fig. 1 Surface well constructing mode of gas hydrate production test

如图2 所示，导管吸力锚的安装过程主要包括2 个阶段，一是自重贯入阶段，二是负压贯入阶段。导管吸力锚的安装需克服土壤摩擦阻力，自重贯入阶段导管吸力锚与土壤形成内部封闭空间，导管吸力锚依靠其自身重力沉入海底一定深度；负压贯入阶段需利用压力泵将导管吸力锚内部的水泵吸到外部，导管吸力锚内部与外部之间产生压力差推动导管吸力锚贯入到设计深度。导管吸力锚安装过程中，由于负压对土壤同样产生作用力，因此应避免负压过大造成土壤反向承载破坏。

图 2 导管吸力锚安装过程Fig. 2 Installation process of conductor anchor node

2 负压窗口预测方法

2.1 贯入阻力预测模型

针对吸力锚贯入阻力的问题，API 规范认为贯入阻力可看作侧壁上的侧向摩阻力和端部承载力与其他部件阻力的总和［5］，即

式中，Qt为总贯入阻力，kN；Qs为侧壁阻力；Qp为端部阻力，kN；Aw为没入泥面以下的锚筒内外壁表面积，m2；αs=1/St，St为黏土灵敏度；Sud为土体中某一点的不排水抗剪强度，kPa；(αsSud)ave为从筒裙底边至泥面的筒壁表面摩擦力平均值，kN；At为筒裙底边的面积；Nc为黏土中吸力锚的承载力系数，取7.5［5］；Sui为筒裙底边处的土体不排水抗剪强度，kPa；γ为土体的有效重度，kN/m3；z为吸力锚贯入深度，m。

Houlsby［7］在侧壁阻力计算中引入吸力锚筒壁内外土壤黏结系数，对不排水抗剪强度进行折减，底部阻力则依据API 规范提供的方法进行计算。

式中，Qt为总贯入阻力，kN；αo和αi分别为吸力锚外侧壁和内侧壁的黏结系数；Suv为沿吸力锚贯入深度方向不排水抗剪强度均值，kPa；Do为吸力锚外筒外径，m；Di为吸力锚外筒内径，m；Nq为承载力系数，对于不排水情况取值为1；D为吸力锚外筒外径与内径的均值，m；t为吸力锚外筒厚度，m。

如图3 所示，导管吸力锚包括内导管和锥形导管塞两部分。因此，常规端阻计算方法不适用于计算内导管端部的阻力，需要引入锥形桩承载力的计算公式［13-14］，考虑锥形桩为提高承载力通常侧面比较粗糙，而锥形导管塞则对表面进行光滑处理以降低贯入阻力，因此采用锥形桩承载力计算公式计算锥形导管塞贯入阻力时增加修正系数ε，则锥形导管塞阻力计算公式为

图 3 导管吸力锚结构参数示意图Fig. 3 Schematic structure parameter of conductor anchor node

式中，Qz为锥形导管塞阻力，kN；ε为修正系数，取值为0.5；U为锥形塞平均周长，m；l为锥形塞高度，m；f为土的抗剪强度，kPa；fσ为附加抗力［15-16］，kN；α为锥形导管塞锥角，°。

由式 (1)~(5) 可以推导导管吸力锚贯入阻力预测模型为

式中，Qa为导管吸力锚贯入阻力，kN；Qsc为导管吸力锚侧壁阻力，kN；Qtc为导管吸力锚端部阻力，kN；do为导管吸力锚的外筒外径，m；di为导管吸力锚的外筒内径，m；d为导管吸力锚的内筒外径，m；l为导管吸力锚内筒贯入深度，m。

当导管吸力锚贯入阻力与其自重相等时，导管吸力锚自重贯入阶段结束，此时的贯入深度即为自重贯入深度。

2.2 负压窗口预测模型

导管吸力锚负压贯入阶段负压过小将导致吸力锚不能贯入，负压过大将导致土壤发生反向承载破坏。负压窗口为使导管吸力锚安全贯入的负压范围，其下限为需求负压，即负压加导管吸力锚自重大于该贯入深度土壤摩阻力时的负压值；上限为容许负压，通过临界负压除以安全系数计算，临界负压为导致吸力锚底端土壤发生反向承载破坏的负压。

API 规范中吸力锚负压贯入阶段需求负压和临界负压为

基于式 (9) 推导导管吸力锚负压贯入阶段需求负压预测模型为

基于式 (10) 推导导管吸力锚负压贯入阶段容许负压预测模型为

式中，Δpr为需求负压，kPa；W为吸力锚浮重，kN；An为吸力锚顶盖受负压面积，m；Δpc为临界负压，kPa；As为给定深度吸力锚内侧面积，m；Δpe导管吸力锚负压贯入阶段的需求负压，kPa；Δpa为导管吸力锚负压贯入阶段的容许负压，kPa；μ为安全系数。

2.3 负压窗口分析流程

综合考虑导管吸力锚贯入深度的安全性与可行性，建立适用于海洋水合物开采的导管吸力锚负压窗口预测程序，如图4 所示。首先，基于贯入阻力预测模型从第1 层土壤参数开始计算随深度变化的贯入阻力，若当前土层存在与井口吸力锚浮重相等的贯入阻力时，输出自重贯入深度，若不存在则继续计算下一层土层；第2 步，输入自重贯入深度所在土层及以下各土层参数，基于负压窗口预测模型计算需求负压和容许负压；第3 步，依据需求负压和容许负压绘制负压窗口；第4 步，根据负压窗口判断当前导管吸力锚结构参数和土壤参数下，导管吸力锚是否可以在一定安全系数下贯入到设计深度，为导管吸力锚贯入安装和结构设计提供参考［17-18］。

图 4 导管吸力锚负压窗口预测程序Fig. 4 Negative pressure window prediction procedure of conductor anchor node

3 实例计算与分析

导管吸力锚的基本参数：外筒高度为11.5 m，外筒外径为6 m，侧壁壁厚为3 cm，内筒外径尺寸为1.066 8 m，内筒长度为11 m，锥形导管塞锥角为70°，导管吸力锚浮重为90.5 kN，设计贯入到位深度为11 m。以我国南海某水合物矿区井位浅层土土壤参数为例进行贯入安装设计，井位1、井位2 的土壤参数如表1 所示。基于井位1 土壤参数得到导管吸力锚贯入安装设计方案如图5 所示，贯入阻力随贯入深度的增加呈非线性增加趋势，根据贯入阻力曲线得到贯入阻力与自重相等的深度为3.97 m，即自重贯入深度为3.97 m；需求负压随贯入深度的增加而非线性增加，根据需求负压曲线得到贯入到位时需求负压为0.974×105Pa，该导管吸力锚承压面积为26.93 m3。因此，吸力锚贯入到位时的需求负压可提供2 622.2 kN 推力，加上导管吸力锚浮重905 kN，与导管吸力锚贯入到位时的贯入阻力3 527.2 kN 一致；容许负压随贯入深度的增加而线性增加，在安全系数μ为1.5［5］的情况下，贯入到位时的容许负压为1.03×105Pa；随着贯入深度的增加，需求负压与容许负压之间的负压窗口逐渐变窄。

表 1 井位土壤参数Table 1 Soil parameters of well location

图 5 井位1 贯入安装计算结果Fig. 5 Calculation result of penetration installation in Well Location 1

基于井位2 土壤参数得到导管吸力锚贯入安装实施方案如图6 所示，根据贯入阻力曲线得到自重贯入深度为2.78 m，与井位1 对比可知，土壤抗剪强度越大的井位自重贯入深度越浅；贯入到位时需求负压为1.4×105Pa，可提供3 763.4 kN 推力，加上导管吸力锚浮重905 kN，与贯入到位时的贯入阻力4 668.4 kN 一致；在安全系数μ为1.5［5］的情况下，贯入到位时的容许负压为1.27 ×105Pa，随着贯入深度的增加，需求负压与容许负压之间的负压窗口越来越窄，在贯入深度为10 m 时，需求负压曲线与容许负压曲线相交，若继续增大负压，土壤发生反向承载破坏的风险较大，当安全系数μ减小到1.3 时，贯入到位时的容许负压为1.46×105Pa，此时导管吸力锚可贯入到设计深度。减小安全系数可扩大负压窗口，但也增大了土塞现象的发生概率。与井位1 结果对比得出，在土层较硬的情况下，需求负压与容许负压会发生相交，即负压窗口会出现提前闭合现象，说明土壤的抗剪强度对负压窗口的影响较大。通过实例分析得出，导管吸力锚贯入安装负压窗口预测方法可以合理预测导管吸力锚贯入阻力、自重贯入深度和负压窗口，具有较好的适用性。

图 6 井位2 贯入安装计算结果Fig. 6 Calculation result of penetration installation in Well Location 2

4 仿真验证与分析

4.1 模型建立与载荷施加

为进一步说明导管吸力锚贯入负压窗口预测方法的准确性，采用有限元方法进行验证。依据实例计算中导管吸力锚的结构参数，建立三维有限元模型如图7 所示，由于模型为对称结构，为减少计算量采用1/2 模型。导管吸力锚选用Solid 185 单元进行模拟，弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3，密度取7 850 kg/m3。土体采用Drucker-Prager 模型，土体半径为15 m，高度为40 m，共划分为2 层，第1 层土体的抗剪强度设置为泥面到导管吸力锚底部土壤的平均抗剪强度，第2 层设置为导管吸力锚端部深度的土壤的抗剪强度。导管吸力锚与土壤间的相互作用面通过建立接触对进行模拟。对模型底部施加Z方向的位移约束，对土体模型周边施加X、Y方向的位移约束，模型对称面施加对称约束。

图 7 导管吸力锚-土壤有限元模型Fig. 7 Conductor anchor node-soil finite element model

加载过程分为2 个载荷步进行，在完成对模型边界和接触对设置的前提下，第1 个载荷步对模型施加重力，完成分析后输出结果文件；第2 个载荷步先导入初始地应力，完成地应力平衡，然后采用线性加载方式对导管吸力锚顶盖施加向下的均布压力，对内部土体顶面施加向上的均布拉力来模拟负压贯入阶段导管吸力锚受力状态。

4.2 结果对比与分析

当筒土接触面上的摩擦力达到极限值后，导管吸力锚将出现刚体位移，仿真分析不收敛将停止计算，此时导管吸力锚自重和压力载荷的和大于当前贯入深度时土壤提供的承载力，即此时的均布压力载荷为当前贯入深度的需求负压。分别对井位1 和井位2 进行仿真计算获得规律一致的结果。如图8所示，井位2 的自重贯入深度为2.78 m，以1 m 为间隔分别建立导管吸力锚-土壤有限元模型进行仿真计算，图中各曲线为贯入深度4~10 m 时的负压载荷-位移曲线，曲线的终点对应各模型计算停止时的负压载荷便为需求负压仿真计算结果。从整体来看，随着贯入深度的增加，需求负压值随之增加。

图 8 井位2 需求负压仿真计算结果Fig. 8 Simulation calculation result of required negative pressure in Well Location 1

如图9 所示，井位2 的贯入深度5~7 m 时仿真计算结果略大于理论计算结果，贯入深度分别为4、8、9 和10 m 时仿真计算结果与理论计算结果较接近，整体结果符合度较高。负压贯入阶段需求负压仿真计算结果均位于预测方法得出的负压窗口内，负压贯入前期，仿真计算结果略大于理论计算结果，这与国振等［11］通过试验得到的结论一致，负压贯入后期阶段，仿真计算结果与理论计算结果十分接近，说明导管吸力锚贯入安装负压窗口预测方法具有较高的准确性。