深水浅软地层吸力桩基盘结构优化设计研究

马宝金 张爱霞

摘要：我国南海深水海域蕴藏着丰富的油气资源，但环境条件恶劣、地质风险高，钻井作业面临着严峻挑战。为此，提出了一种组成简单、建造成本低、安装效率高、可根据工程需要重复利用的新型吸力桩基盘结构型式，以适应我国南海深水浅软地层安全钻井作业的需求。采用规范法和有限元法全面分析了此类大直径桶形结构的承载性能；基于二次开发土体本构模型，研究了循环荷载作用对吸力桩基盘承载力的弱化效应；结合工程实例分析揭示了多桩吸力基盘的承载性能特点。分析结果表明，与常规井口基盘相比，吸力桩基盘结构型式可明显改善整体井口系统的承载能力，为深水浅软地层钻井作业提供了安全、高效、经济、可靠的解決方案。所得结论和计算方法可为实际工程提供参考。

关键词：深水浅软地层钻井；吸力桩基盘；承载力；规范法；有限元法

0 引 言

我国南海深水海域蕴藏着丰富的石油和天然气资源，对保障我国能源安全发挥着重要作用。但南海环境条件恶劣，风急波高浪大，台风、内波流频繁发生。同时，海底地质条件复杂，存在浅层气、浅层水流、断层、滑坡等多种灾害风险［1］。当海床发生滑坡时，会快速沉积形成松软、高含水、未胶结、不稳定的地层。在这种浅软地层进行钻井作业，如果采用常规的建井技术，很容易发生浅层井壁坍塌、井口失稳等事故，导致井控问题。因此，迫切需要开发一种适合深水浅软地层钻井作业的井口装备，能够在海底浅部地层提供较大的承载及抗弯能力，保障深水油气钻采作业安全可靠实施。

水下井口系统通常由隔水导管、水下防喷器和水下井口装置组成。水下井口承受的载荷包括隔水导管底部接头处的横向力及竖向力、水下防喷器组的重力、作用于水下防喷器组并传递到水下井口装置的横向流力、悬挂于井口套管串的重力、海底土壤对水下井口装置竖向和横向的土体抗力、海底流对吸力桩的作用力等。在实际作业过程中，由于钻井平台的漂移，井口系统还会承受隔水导管底部传递的弯矩等横向载荷［2］。

为满足深水浅软地层钻井目的要求，有时需要在泥面以下100～200 m处实现浅层造斜，这样对导管的长度、置入深度及承载力就有特定的限制要求。在这种限制下，如果导管长度不足，无法提供足够的承载力，就会发生井口下沉、失稳等严重后果。挪威Neodrill公司设计开发了一种新型吸力桩基盘结构，将吸力桩与井口基盘结合，可有效解决浅软地层钻井的水下井口稳定性问题，并成功应用到实际工程。

吸力桩是一种顶端封闭、底端敞开的大直径桶体结构，通过桶体侧壁与土壤之间形成的摩擦力来抵抗外力，具有施工简便、安装速度快捷、可重复利用、技术经济性强等优点［3］。安装吸力桩时，首先依靠桩体自身重力贯入海底，再通过吸力泵抽出桩内海水和空气，形成内外部压力差，最终被贯入到设计深度［4］。笔者在分析单桩吸力基盘结构承载力特性和循环载荷弱化规律的基础上，对三桩吸力基盘在深水浅软地层钻井作业中的实际工程案例进行分析，验证了此类结构可为井口系统提供有效支撑，保障钻井作业稳定、安全实施。

1 单桩吸力基盘承载性能分析

吸力基础直径通常为4～8 m，高度超过10 m，工程中可根据需要采用单桩基盘、三桩基盘和多桩基盘等结构形式。本文以外径4 m，高度15.5 m，入泥深度15 m的单桩基盘为研究对象，探索单桩基盘结构的承载性能。假设单桩基盘作业海域地基为单一匀质黏土，土体有效重度为5 kN/m3，不排水抗剪切强度为5～30 kPa。

1.1 承载力分析

根据土力学和桩基理论，吸力桩基盘的竖向承载力包括贯入深度范围内周围土体对内、外侧壁产生的摩擦阻力，以及底部土壤对端部产生的支承力，可采用规范公式或有限元分析方法开展相关评估分析［3］。

1.1.1 规范方法

1.1.2 有限元法

本文采用ABAQUS有限元软件，使用位移加载方式对吸力桩基盘的极限承载能力进行分析。为消除模型边界效应，土体取为基盘外径5倍的圆柱体，深度为其入泥深度的2倍。由于基盘为对称结构，为提高计算效率，建立1/4有限元模型；边界条件设定为底面边界进行固定约束，根据施加位移载荷的方向，在侧面边界上对相应的自由度进行约束。

吸力桩基盘与土体的接触、脱离以及发生滑动等状态在载荷施加过程中会发生改变，本模型采用“硬接触”（Hard Contact）模型，根据吸力桩体与土体之间接触面上法向应力的方向判断所处的接触状态［6］。当法向应力判定为压应力时，基盘与地基土之间为黏结状态，接触面上的摩擦力由库伦摩擦定律计算得到；法向应力判定为拉应力时，则定义桩体与地基土相对脱离，土体和桩体间产生裂纹，接触面上摩擦力为0。

图1为土壤在不同剪切强度下吸力桩基盘的应力云图。由图1可以看到，当土体剪切强度较小时，在竖向位移载荷作用下，基盘周围土体发生了明显的塑性应变，软弱土层不能够承受较大的变形和载荷，将发生竖向剪切破坏。随着剪切强度的增加，土体抵抗变形的能力增强，发生塑性应变的区域逐渐变小。

另外，在竖向位移载荷作用下，土体应力主要沿桩侧向分布，受桩周土围压影响，侧向土体收敛成梨形。吸力桩下部土体产生明显的塑性应变，而上部土体形变相对较小，应力水平较低，说明上部土体对吸力基础侧壁产生的摩擦力有限，下部土体对承载力的贡献更大。因此，在确定吸力桩的设计入泥深度时，应确保桩端在持力层上。

根据各个计算工况下加载过程中的荷载位移曲线，选择拐点位置为土体的极限承载力。由于本文采用1/4吸力桩基盘模型，以土体抗剪切强度25 kPa为例（见图2）。

竖向承载力为2 325 kN，则整体承载力为：2 325 kN×4=9 300 kN。

1.1.3 计算结果对比

表1、表2分别列出了采用规范法和有限元法进行吸力桩基盘竖向和横向承载力计算的结果。由表1可以看到，采用有限元法计算结果比规范法计算结果大10%～20%，说明规范法更为保守，可在实际工程项目中作为评估吸力桩承载力的初步手段。

根据表1计算结果，如果采用常规井口，相同长度下直径为914 mm的隔水导管所能提供的竖向承载力仅为桩径为4 m的吸力桩基盘结构的20%。与采用常规井口（见图3）相比，吸力桩基盘井口（见图4）通过大直径桶形结构，增加了与土壤的接触面积，大大提高了基础的承载能力，满足深水浅软地层油气钻采井口系统对承载力的要求。

在ABAQUS中采用有限元二次开发子程序构建土体在循环载荷作用下的土体本构模型。将循环载荷施加到吸力基盘的顶部，采用位移控制法，分析循环载荷对吸力桩基盘承载力的影响。为控制循环载荷作用时间，设置合理的分析步时长。

通過研究可以发现，在循环载荷作用下，吸力桩基盘周围的土体孔压逐渐增大，累积后趋于平稳，如图5所示。随着循环次数的增加，循环载荷作用下正常固结软黏土孔隙水压力逐渐增加，而孔压的增加将导致土体发生刚度和强度软化，从而导致土体结构的破坏。

随着循环载荷作用时间的延长，循环载荷对吸力基础承载力的弱化作用先逐渐增强，然后趋于平稳，如图6所示。到达平稳区间的极限承载力可以代表吸力基础全寿命周期的极限承载力，在吸力基础的全寿命周期内，循环荷载对极限承载力的弱化作用在15%左右。

2 三桩吸力基盘选型及承载性能分析

下面以南海某1 300 m深水浅软地层钻井项目为例进行研究。以往工程项目中单桩吸力基础的垂直度偏差一般在1.0°～1.5°，而本项目中要求吸力桩基盘垂直度偏差不得大于0.5°。由于本案例对吸力桩基盘的安装精度要求高，为满足钻井作业要求，选取三桩形式吸力基盘。三桩吸力基盘可以获得较大的承载面积，稳定性较高；在安装过程中可以随时调整桩体垂直度，垂直度偏差能够控制在0.5°以内［3］。

三桩吸力基盘有限元模型如图7所示。三桩吸力基盘在各桩之间设置中心管，中心管上方连接喇叭口支撑井口系统。各桩之间距离为5.3 m，每个桩顶分别配备吸力泵，桩间连接板上布置监控系统，用以监控基盘在安装过程中的倾斜度。

2.2 三桩吸力基础承载力有限元预测

建立如图8所示的三桩基盘有限元分析模型。

由于群桩基础载荷影响范围比单桩更大，模型中设定土体高度为入泥深度的3倍，土体直径约为单桩直径的9倍。施加边界条件和土体与基盘的接触条件，并分别在3个吸力桩桩顶施加大小为0.5 m的竖向位移及横向位移。

图9为三桩吸力基盘在竖向荷载作用下土体应力分布云图。由图9可以看到，由于各桩间距较小，桩顶载荷通过桩侧摩阻力传递至桩侧和桩端的土层中，应力之间产生重叠，使各桩的侧阻力和端阻力受到影响，产生了明显的群桩效应，地基所受压力在影响范围和深度上都比单桩明显加大。

通过计算，得到各桩的竖向承载力和横向承载力以及基盘整体承载力，如表6所示。总承载力均大于最低承载力（5 880 kN），满足承载要求。

2.3 三桩吸力基础操作工况承载力复核

为确保吸力桩基盘安全运行，还应校核操作工况中的土体承载力。在有限元模型中施加运行过程中实际承受的垂向载荷、基盘重力及横向弯矩，进行吸力桩基盘性能计算，计算结果如图10所示。

图10表明，在吸力桩基盘运行过程中，土体实际应力最大为10.26 kPa，小于其剪切强度，不会发生土体破坏。

各桩端部土体最大反力及桩顶位移大小如表7所示。其中FR1、FR2、FR3分别为X、Y、Z方向的反力，U1、U2、U3分别为X、Y、Z方向的位移。可以看到，各桩受到的支反力均小于极限承载力，垂直方向上的最大位移远小于1 mm，可满足井口安全工作要求。

3 结论及建议

（1）针对深水浅软地层钻井作业的需求，提出一种吸力桩基盘结构形式。该结构组成简单，可明显改善整体井口系统的承载能力，比常规井口更加安全、高效，且建造成本低，海上安装效率高，为深水浅软地层钻井作业提供了可靠的解决方案，具有良好的应用前景。

（2）吸力桩基盘是一种摩擦桩，增加侧摩阻力可以显著提高整体结构的承载力；当土体不排水剪切强度较小时，可以通过增加桩长或适当增加桩径增强结构的承载性能。

（3）采用规范法计算吸力桩基盘的承载力，结果比有限元法更为保守；且公式明确，便于计算，在实际工程中可用于初步评估吸力桩结构的承载力。

（4）应考虑吸力桩基盘在循环载荷作用下极限承载力的弱化效应。

（5）与单桩吸力基盘相比，多桩基盘可以获得较大的承载面积，稳定性较高，安装精度高，但应考虑群桩效应对承载力的折减作用；在实际工程中，可根据具体的工程地质条件及施工要求选取适当的结构形式。

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