深水钻井井口吸力桩稳定性计算和校核方法

李舒展 杨进 朱国倞 黄熠 王宁 万宏宇 马会珍

摘要：深水松软土质下，传统喷射法安装的表层导管在钻井阶段存在下沉和倾斜的风险。为了提升深水钻井水下井口的稳定性，提出了井口吸力桩表层建井的方法，开展了吸力桩下入深度和稳定性分析。基于桩基承载理论和广义Winkler 地基梁模型，建立了井口吸力桩稳定性理论模型，并通过有限元方法和有限差分法研究了井口吸力桩稳定性特征及影响因素。以南中国海某井工程参数为依据，对井口吸力桩稳定性开展理论计算，与有限元计算结果进行对比，竖向极限承载力误差为4.23%，最大水平位移误差为6.0%，最大弯矩误差为2.96%，印证了计算结果的准确性。在钻井工况极限载荷作用下，相比于传统表层导管，井口吸力桩竖向承载力提升了43.91%，水平位移减少了63.21%，抗弯安全系数是前者的24.5 倍。分别对井口吸力桩施加不同水平位移和弯矩，结果表明水平载荷对横向稳定性影响较为显著。井口吸力桩具有很高的竖向承载力和横向承载力，显著提高了水下井口的稳定性，研究结果为其在深水松软土质中表层建井提供了理论依据。

关键词：深水钻井；井口吸力桩；竖向极限承载力；横向极限承载力；稳定性校核；有限元分析

中图分类号：TE52 文献标识码： A

0 引言

深水浅部地层通常成岩性差、地层强度低，多采用喷射法进行导管水下安装［1］。水下安装过程中，由于未固井，上部存在防喷器等大重量设备，容易导致水下井口下沉或井眼报废等事故［2］。同时，浮式钻井平台（船） 的漂移和隔水管的钻进过程振动，亦会导致导管发生挠曲变形［3］。如果深水钻井导管横向位移过大，也将造成水下井口失稳［4］。为了提升深水钻井过程中水下井口的稳定性，确保在海底松软土层中作业的安全，提出了井口吸力桩表层建井的新方法。井口吸力桩是一种新型的表层建井基础，由表层导管和吸力桩基础组合而成。其大尺寸特性，可大幅提高表层建井的竖向承载力、横向承载力和抗弯能力，从而提升井口稳定性；对于松软的海床，起到很好的支撑［5］。南中国海海底地质构造复杂，浅部埋藏了大量的浅水流、浅层气和天然气水合物［6］。南中国海钻井过程中经常发生浅层地质灾害，威胁水下井口稳定性，此种结构可以有效解决浅部复杂地质条件下建井的难题［7］。然而，井口吸力桩作为一种新型装备，结构复杂，未有成熟的理论求解其稳定性，亟待建立井口吸力桩稳定性模型和校核方法。

国内外学者针对吸力基础开展了一系列的研究。Fuglsang 等［8］通过试验研究了吸力桩在黏土和砂土中上拔过程中的破坏模式，表明吸力桩内部吸力可以增加抗拔阻力。Bye 等［9］基于现有的工程数据和模型试验提出了一套吸力桩地基承载力模型，并对循环载荷作用下的新的导管架平台开展了吸力基础参数设计，但仅针对试验土质。AGSPANC软件［10］是基于Murff-Hamilton 上限解法开发的一套计算吸力桩横向承载力的程序，输入确定的模型参数后，可以通过数值积分给出水平极限承载力。Gerolymos 等［11］基于广义Winkler 地基梁模型和Bouc-Wen 准则，建立了可用于分析桩基在横向荷载作用下变形的BWGG 弹塑性模型。Cheng 等［12］提出了一种增量弹塑性有限元法，用于模拟软黏土中承受循环荷载的吸力基础的不排水变形过程，并用试验结果进行了校核，但该算法需要借助有限元软件实现，计算时间较长。Wang 等［13］通过一系列离心试验和数值分析，研究了海上风电单桩基础的横向承载力，并计算了吸力桩的旋转中心。国内学者在20 世纪下半叶也开始了吸力基础研究。施晓春等［14］根据吸力桩在水平位移下的土压力分布结果，推导出了吸力基础水平承载力的计算方法，但该试验使用的浅层土质强度极低，有机玻璃吸力桩未考虑桩自身的弹塑性变形，存在局限性。张金来等［15］分别采用ABAQUS 有限元软件和模拟实验给出了耦合载荷作用下的吸力桩极限承载力，并探究了横向和竖向承载力随长径比的变化趋势，但该规律只是针对饱和砂土且没有总结出极限承载力理论模型。张其一等［16］通过有限元软件研究了吸力桩失效破坏与不同系泊点位置之间的关系，并给出了水平极限承载力与系泊点位置之间的拟合公式，但只考虑了单一载荷影响。刘书杰等［17］开展了小尺寸吸力桩实验，发现吸力桩直径越大、下入越深，安装完成后承载力恢复时间越长，但只研究了竖向承载力的特征。王磊等［18］比较了在深水表层钻遇水合物时常规喷射钻井和井口吸力桩建井的施工设计特征，发现井口吸力桩在表层建井时更有优势。畅元江等［19］提出了一种考虑了水下防喷器组竖向重载与土壤相互作用的砂土p-y 模型，分析隔水管-水下井口系统力学性能，但没有给出海床土体的破坏模式。李舒展等［5］建立了考虑了安装效应下井口吸力桩的竖向承载力模型，并用有限元法验证了理论模型的准确性，计算了某井的井口吸力桩最小下入深度，但该模型没有探究水平载荷作用下的井口吸力桩稳定性。杨进等［20］分析了深海吸力桩建井模式在深水表层建井方面的优势，并给出了竖向稳定性和横向倾覆稳定性的校核标准，但没有给出计算案例和过程。