深海资源钻探吸力桩建井模式研究.pdf
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1、doi:10.11911/syztjs.2023029引用格式:杨进,朱国倞,李舒展,等.深海资源钻探吸力桩建井模式研究 J.石油钻探技术,2023,51(4):134-139.YANGJin,ZHUGuojing,LIShuzhan,etal.ResearchonsuctionpilewellconstructionmodelfordeepsearesourcedrillingJ.PetroleumDrillingTechniques,2023,51(4):134-139.深海资源钻探吸力桩建井模式研究杨进,朱国倞,李舒展,李磊,管申,宋宇(中国石油大学(北京)海南研究院,北京102249)
2、摘要:在深水油气、天然气水合物钻探过程中,建立井口是保证钻井作业安全和时效的关键。吸力桩建井作为一种新型建井模式是目前世界海洋工程领域的研究热点,研究吸力桩建井模式对提高深海建井技术创新和提升建井效率具有重要作用。吸力桩建井模式主要依靠负压作用来安装吸力桩,对土壤扰动小,能大幅度提高井口承载力,入泥深度相比传统建井模式大大减小;吸力桩还能够扩展容纳多个井口,结合井筒预斜设计可以克服软地层造斜难题。介绍了吸力桩建井的工艺流程,给出了吸力桩和井筒的设计方法,并利用南海某深水井场的土质参数设计了适用于该井场的吸力桩和井筒。设计计算结果表明,吸力桩建井模式能够很好地适应于该南海深水井场。研究表明,吸力
3、桩建井模式为深海资源勘探开发建井提供了新的技术途径。关键词:深海;吸力桩;建井工艺;结构设计;入泥深度设计中图分类号:TE522文献标志码:A文章编号:10010890(2023)04013406Research on Suction Pile Well Construction Model for Deep Sea Resource DrillingYANG Jin,ZHU Guojing,LI Shuzhan,LI Lei,GUAN Shen,SONG Yu(Hainan Research Institute,China University of Petroleum(Beijing),B
4、eijing,102249,China)Abstract:Intheprocessofdrillingforoil,gasandhydrateindeepwater,theestablishmentofwellheadisthekeyto the safety and timeliness of the entire drilling operation.As a new well construction model,suction pile wellconstructionhasbecomearesearchhotspotinglobaloceanengineering,andthus,r
5、esearchonthismodelisofgreatsignificance for boosting innovations in well construction technologies and improving deep sea well constructionefficiency.Themodelmainlydependsonnegativepressuretoinstallsuctionpiles,whichcausessmallperturbationstothe soil and could greatly enhance the bearing capacity of
6、 the wellhead.Further,its mud depth was considerablyreducedcomparedwiththatofthetraditionalwellconstructionmodel.Inaddition,thesuctionpilecouldbeextendedtoaccommodatemultiplewellheads,andtheproblemofsoftformationdeviationcouldbeovercomeincombinationwiththewellborepredeflectiondesign.Inthispaper,thep
7、rocessflowofsuctionpilewellconstructionwasintroduced,andthedesignmethodsforsuctionpilesandwellboresweregiven.Moreover,theparametersofsoilqualityinadeep-waterwellsiteintheSouthChinaSeawereutilizedtodesignsuctionpilesandwellboressuitableforthewellsite.Thedesignresultsindicatedthatthesuctionpilewellcon
8、structionmodelcouldbeeffectivelyadaptedtothewellsite.Theresearchsuggeststhatthismodelprovidesanewwaytoconstructwellsfordeepsearesourceexplorationanddevelopment.Key words:deepsea;suctionpile;wellconstructionprocess;structuredesign;muddepthdesign目前,世界深水油气和天然气水合物钻探的建井模式主要有喷射法和钻入法,这 2 种建井模式适用范围较广,国际上 80
9、%以上深水钻井作业采用喷射法安装表层导管14。随着深水资源勘探开发的不断深入,对作业时间和成本的要求越来越高,而传统建井模式作业效率的提高空间有限,不管是钻入法还是喷射法,都需要利用钻井船进行作业,成本较高;同时,其承载力过度依赖表层导管的下入收稿日期:2022-12-26;改回日期:2023-02-02。作者简介:杨进(1966),男,河南项城人,1989 年毕业于石油大学(华东)钻井工程专业,1996 年获石油大学(北京)油气井工程专业硕士学位,2004 年获中国矿业大学(北京)资源勘查工程专业博士学位,教授,博士生导师,主要从事海洋工程、海洋油气工程方面的教学和研究工作。系本刊编委。E-
10、mail:。基金项目:国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点支持项目“深水含水合物海洋土与水下桩基耦合作用及失稳机理研究”(编号:U22B20126)资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023深度,承载力的提升空间受限5。吸力桩建井模式采用宽浅式筒形基础,内置导向管以容纳井口,通过负压贯入地层,安装作业能够摆脱必须使用钻井船或钻井平台的限制,可以使用工程船完成安装作业,降低了成本,适用性强;吸力桩作为基盘式的井口,更可以满足一桩多井眼的同时下入,施工效率大大提高,应用前景广阔;其入泥深度只有传统方
11、法的 1/41/5,同时下入扰动较小,缩短了安装下入及后续作业等待时间6。吸力桩作为一种基础结构在海洋工程结构物桩基方面已得到广泛应用,但吸力桩作为一种建井基盘结构还处于探索阶段,对包含井筒的吸力桩结构的下入控制、入泥深度设计等方面的研究较少79,深水建井方面存在难以下入到位、井口倾斜控制难度大等问题。为此,笔者通过分析大量文献和进行现场调研,研究了吸力桩及井筒的功能特点和设计要点,结合现场数据进行了算例分析,以期为吸力桩建井设计和施工提供指导。1吸力桩建井工艺吸力桩建井模式不仅可以使用钻井船、钻井平台,还可以使用工程船进行下入安装,在泥面处需与遥控潜水器(remoteoperatedvehi
12、cle,ROV)及吸力泵配合进行负压贯入作业。该建井模式由于使用带中心管的吸力桩,既可以单独下入吸力桩后再下入表层导管,也可以集成表层导管后一并下入,其作业流程如下:1)海上运输。将在陆地上制造完成的吸力桩基盘装船固定,由钻井平台、钻井船或工程船运送到海上井场位置。2)吊装准备。就位后进行吊装准备,将缆绳固定在吸力桩吊耳上,切除吸力桩在工程船上的焊接固定。3)吊装。将吸力桩吊放到水面(如图 1 所示),同时吊 ROV 入水。吸力桩下至泥面时,ROV 确认吸力桩及吊装索具状态良好,准备贯入吸力桩4)吸力桩重力沉贯。吊装吸力桩继续下放并开始吸力桩的重力沉贯,重力沉贯过程中,ROV 需要一直监测吸力
13、桩贯入进尺及倾斜情况。5)吸力桩负压贯入。重力沉贯完成之后,ROV携带吸力泵插入排水孔,抽水继续贯入。贯入完成之后,ROV 收回泵接口,解开吊装索具,并将吸力泵回收到甲板上。2吸力桩设计 2.1 吸力桩结构设计2.1.1吸力桩贯入主控因素吸力桩负压沉贯过程中的动力主要为桩体内外压差产生的作用于桩顶的压力,计算公式为:F=W+Fm(1)其中Fm=pAd(2)式中:F 为贯入动力,kN;W 为吸力桩井口自重,kN;Fm为负压载荷,kN;p 为桩体内外压差,桩内抽至真空时达到最大,kPa;Ad为桩体顶部面积,m2。可见,吸力桩贯入动力随着吸力桩顶部面积增大而增大,在土质条件和吸力泵抽吸能力一定的条件
14、下,吸力桩外径需要大于临界值,才能完成贯入。2.1.2吸力桩外径与高度的设计吸力桩的外径与高度共同影响着井口的承载力和稳定性,吸力桩的外径和高度越大,井口承载力越大,稳定性越好。随着吸力桩外径增大,所需桩体高度可相应减小10。相比常规建井模式,吸力桩的入泥深度大幅降低。若吸力桩外径过大,下入过程中的调平精度就低,甚至难以调平以至于井口倾斜;若吸力桩高度过大,因地层土质不均一,下入时会频繁发生倾斜,斜度控制难度较大。优化吸力桩的外径和高度,可以达到最佳的贯入效果。2.1.3吸力桩材质和壁厚设计考虑深水开发的适用性,制造吸力桩的原材料应满足强度高、低温韧性好的要求。钢材在海水中可升降套索斜撑吊耳桩
15、体海面吊机大钩高压井口头低压井口头套管图 1 吸力桩入水示意Fig.1 Suction pile entering the water第51卷第4期杨进等.深海资源钻探吸力桩建井模式研究135的电化学腐蚀严重,应涂覆防腐涂料,并加装足量的牺牲阳极块。在钻井工况下,钻井平台的晃动和风浪流的作用沿着隔水管传递到井口,在吸力桩上产生较大的剪力及弯矩作用,吸力桩需要一定的壁厚,以满足结构强度要求;同样吸力桩下入时的负压载荷也对其提出了强度要求。2.2 吸力桩入泥深度设计设计吸力桩入泥深度时,主要考虑井口所受的载荷、目标井场的土质情况和吸力桩的横向稳定性1113。2.2.1井口承载力Qf,1Qf,2Qf
16、,3Qp,bQp,t吸力桩作为井口持力结构需要承担上部装备带来的所有井口载荷1416。吸力桩井口承载力包括桩体外侧侧向摩擦力、桩体内侧侧向摩擦力、导向管外侧侧向摩擦力、底部承载力和顶盖承载力,如图 2 所示。泥线Qf,1Qf,2Qf,3Qp,bQp,tQp,t顶盖井筒吸力桩桩体图 2 吸力桩井口承载力示意Fig.2 Wellhead bearing capacity of the suction pile吸力桩井口承载力的计算公式为:Qc=Qf+Qp(3)QcQfQp式中:为吸力桩井口承载力,kN;为桩体侧向摩擦力,kN;为桩端承载力,kN。桩侧摩擦力包括桩体和导向管的侧面摩擦力,可表示为:Q
17、f=Qf,1+Qf,2+Qf,3(4)桩端承载力为:Qp=Qp,b+Qp,t(5)式(4)描述了桩侧摩擦力的组成,其各部分侧向摩擦力的计算公式为:Qf,j=f(z)As=wf(z)As,idz=fi(z)As,i(6)fi(z)As,i式中:j 为侧向摩擦力的各组成部分;i 为土的分层数;为桩第 i 层土的单位侧向摩擦力,kPa,其计算参照 APIRP2GEO;为桩在第 i 层土的桩周表面积,m2。式(5)中的桩端承载力各组成部分计算公式为:Qp,i=9Su,kAp,k(7)Su,kAp,k式中:为桩底部或顶盖处的土体不排水抗剪强度,kPa;下标 k 为 b 或 t,表示桩底部和顶盖处;为相应
18、位置的端部面积,m2。2.2.2横向稳定性吸力桩的横向失稳通常遵循小位移失稳规律1720。达到极限荷载时的滑移较小,吸力桩内部填充满土,桩土合一,当桩体绕旋转中心运动时,底、顶面受力远端受到土的挤压,受力近端认为与土脱开不受力。吸力桩的受力情况如图 3 所示。桩后桩前f1F1E2E1f4f2f2q1f1E1E1VMHE2E1F2F2q2q2f3G图 3 吸力桩的受力情况Fig.3 Force conditions of the suction pileE1E2f1f2f3f4F1F2q1q2桩体受力包括:自身重力 G,上部结构传递的轴向力 V,剪力 H,弯矩 M,桩体所受土压力,导向管所受土压
19、力,桩后外侧摩擦力,桩前外侧摩擦力,导向管后外侧摩擦力,导向管前外侧摩擦力,顶盖摩擦力,桩底摩擦力,顶盖端阻力,桩底端阻力。井口吸力桩尤其是多井口吸力桩面临偏心受载情况时,在防喷器重力、水下采油树重力及海流力等的影响下会产生较大的倾覆力矩,抗倾安全系数通常选择 1.6021。抗倾安全系数可表示为:K=MRMS 1.60(8)136石油钻探技术2023年7月MRMS式中:K 为抗倾安全系数;为吸力桩桩体各部分所受土体反力产生的抗倾覆力矩之和,kNm;为倾覆力矩之和,kNm。3井筒设计吸力桩作为水下泥线基盘结构能够提供巨大的承载力,可以实现多井口的同时安装下入,所以要对吸力桩的井口布置和井筒进行优
20、化设计,以满足承载力需求并保证施工顺利,缩短水下井口安装时间,提高整个钻井作业的效率。3.1 井口布置设计吸力桩井口布置遵循中心对称原则,将单井口置于中心,双井口对称排列于吸力桩顶面的中线上(见图 4),多井口均布于四周。桩体井口 1牛眼基座吊耳抽水孔排气孔井口 2图 4 双井口吸力桩Fig.4 Double wellhead suction pile井口布置形式可分为内置井口和外置井口。内置井口全部位于吸力桩的桩体内部,吸力桩的外径较大;外置井口部分包含于桩体内、部分突出桩体轮廓外,结构更为紧凑,但稳定性较差。随着井口数量增加,吸力桩的外径及重量呈指数增大,会对作业船舶的吊装能力、吸力泵的抽
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