海上钻井隔水导管打入作业溜桩深度预测

张海山 杨 进 严 德 田瑞瑞 刘佳伟 王 啸

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；2.中国石油大学，北京 102249）

海上钻井隔水导管打入作业溜桩深度预测

张海山1杨 进2严 德2田瑞瑞2刘佳伟2王 啸2

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；2.中国石油大学，北京 102249）

目前桩体施工溜桩深度预测主要集中在大直径超长桩的打桩风险分析中，对海上隔水导管施工溜桩机理和深度预测缺乏研究，存在作业盲目性和风险性。通过对海上隔水导管施工中导管与平台几何关系分析、导管极限承载力计算和溜桩机理分析，提出了海上隔水导管施工溜桩深度预测理论模型。溜桩深度预测理论模型在我国某海域油气田数口井的隔水导管施工作业中得到了成功应用，施工预测深度范围与实际溜桩深度基本一致，为隔水导管施工风险评估提供了理论基础，确保了海上作业的安全性。

隔水导管；打桩；极限承载力；溜桩；深度；预测

溜桩是在打桩过程中一种桩体快速下沉的现象，在该过程中不用打桩锤的作用桩体自动下滑，贯入度极大［1］。海上隔水导管施工过程中经常在打桩初期发生溜桩，严重时溜桩深度可达20～30 m。溜桩是海上隔水导管施工安装过程中的最大危害之一，大幅度的溜桩不利于施工控制，轻则冲断钢丝绳、桩锤损坏、断桩等，影响到接桩、换锤等正常施工程序；重则造成桩锤滑落海中、桩锤报废等事故，给海上作业带来了极大的经济损失和安全风险。目前，国内外针对桩体溜桩深度预测主要集中在海洋平台大直径（直径≥2 438.40 mm）超长桩的沉桩过程［2-4］，未见对隔水导管（直径通常为609.60 mm、762.00 mm）施工过程的溜桩深度预测。笔者通过分析隔水导管施工溜桩机理，提出预测溜桩深度的理论模型，为海上隔水导管施工设计及控制提供技术指导。

1 海上隔水导管施工过程

海上隔水导管打桩作业通常在自升式钻井平台进行，由打桩锤将隔水导管从平台转盘面处锤入。自升式钻井平台下方有一个井口小平台，隔水导管贯穿井口小平台和下方导管架平台上的导向孔进入海底地层。一般情况下，自升式钻井平台甲板高度约为40 m，井口小平台高度约为25 m。图1描述了海上隔水导管打桩作业时与海上平台之间的位置关系。

图1 海上隔水导管施工示意图

2 隔水导管极限承载力分析

对于隔水导管来说，可以作为一个不带桩靴的钻井船桩腿对待［5-7］。在API规范中可用单桩轴向极限承载力经验公式，来进行极限承载力计算。

单桩轴向极限承载力计算公式

式中，Qf为隔水导管桩侧壁摩阻力，kN；Qp为隔水导管桩端阻力，kN；f为隔水导管桩侧壁单位摩擦力，kN/m2；qu为隔水导管桩底部单位极限阻力，kN/m2；As为隔水导管桩侧壁表面积，m2；Ap为隔水导管桩底部截面积，m2。

2.1 隔水导管打入黏性土层

隔水导管打入黏性土层中与土体的摩擦力，可采用API方法2来计算

式中，α为黏着系数；Su为不排水抗剪强度，kN/m2，当Su小于2.44 kN/m2和大于7.32 kN/m2时， α值分别为1.0和0.5；当Su介于2.44～7.32 kN/m2之间时，α值会随Su线性减小。α值是经验性的，用此法求得的f值，不应大于196 kN/m2。

2.2 隔水导管打入砂性土层

隔水导管打入砂性土层中与土体的摩擦力，可采用式（3）计算

式中，K为地层侧压力系数，对轴向压缩荷载K=0.5～1.0；P0为有效上覆土压力，kN/m2；δ为土与桩之间摩擦角，一般取δ=φ-5°，φ为土的内摩擦角，°。

3 溜桩风险预测

3.1 溜桩机理分析

海上隔水导管施工过程溜桩可分两种：一是打桩初期隔水导管在自重作用下发生溜桩；二是打桩过程中的溜桩。打桩初期，隔水导管在自重作用下沉桩，贯入一定的深度，当导管获得的地层阻力大于自重时，溜桩停止。打桩过程中，当下部地层中存在软弱夹层时，由于隔水导管贯穿上覆较硬地层，打桩锤具有较大能量，随着导管进入软弱夹层，其所获得的桩端和侧壁阻力迅速减小，使得桩身贯入度迅速增大，发生溜桩。

3.2 溜桩深度预测

隔水导管施工初期的溜桩深度即导管在自重作用下的初始贯入深度。隔水导管获得土动阻力组合考虑如下：表面摩阻力，在黏土中为静表面摩阻力的30%，在砂土中为静表面摩阻力的100%；桩端阻力，在黏土和砂土中均为静桩端阻力的100%，但只作用在桩端壁厚形成的环形面积上。由于隔水导管外径通常为609.60 mm、762.00 mm，导管在沉桩过程中容易在管内形成长度为10倍桩径的土塞，对于土塞对导管内壁的摩擦力，考虑为外壁表面摩阻力的50%。由此，可求得隔水导管施工初期的溜桩深度计算模型为

式中，H溜桩为溜桩深度，m；W为隔水导管自重，kN；qp、f分别为单位桩端和桩侧摩阻力，kN/m2；D为隔水导管外径，m；d为隔水导管内径，m。

隔水导管施工过程溜桩通常发生在地层中的薄弱夹层，溜桩深度即为薄弱夹层厚度。

4 工程实例分析

我国某海域油气田采用外径609.60 mm、壁厚24.5 mm隔水导管进行了打桩施工，海域海底土质参数如表1所示。

根据上文建立的隔水导管施工初期溜桩深度预测计算模型，得到隔水导管获得的土阻力和自重图版如图2所示。从图中可看出，泥线以下21 m范围内导管获得的土阻力小于其自重，隔水导管施工初期将发生溜桩，溜桩深度范围在海底泥线以下21 m。此外，从表1可知，海底泥线以下深度32.0～39.5存在薄弱夹层，土体单位表面摩擦力和单位桩端承载力均明显小于其上覆土层值，因此存在溜桩风险。阻力和桩内土塞的影响，并在我国某海域油气田实际隔水导管施工作业中得到了检验和应用，取得了良好的应用效果。

表1 海底浅层土质参数

图2 隔水导管初期溜桩深度预测

（3）海底浅层土质参数是预测海上钻井隔水导管打桩溜桩深度的基础数据，为提高预测精度，应保证海底土质取样和测试的准确性。

该油气田隔水导管施工实际溜桩深度与预测范围对比如表2所示。从对比结果可知，隔水导管在打桩初期和打桩过程中溜桩实际深度与预测范围基本一致。

表2 隔水导管施工实际溜桩深度与预测范围对比

5 结论及建议

（1）海上隔水导管施工中发生溜桩将给海上钻井作业带来安全风险，并造成极大的经济损失。

（2）通过对海上钻井隔水导管打桩施工承载力计算和溜桩机理分析，首次提出了隔水导管打桩溜桩深度预测模型，该模型综合考虑了桩侧、桩端土的动

［1］侯金林.海上平台桩基施工风险及技术对策［A］//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集［C］.北京：海洋出版社，2011：532-534.

［2］董伟.海洋采油平台大直径超长桩动力沉桩分析方法研究［D］.天津：天津大学，2009：63-73.

［3］HORSNELL M R, TOOLAN F E.Risk of foundation failure of offshore jacket piles［A］//Offshore Technology Conference OTC-7997［C］.Houston,Texas,USA, 1996：381-392.

［4］陈波，闫澎旺，李家钢.动力沉桩中土塞作用数值分析［J］.天津大学学报，2001，34（5）：636-640.

［5］王平双，杨进，周建良，等.群桩作用下钻井隔水导管入泥深度计算方法研究［J］.中国海上油气，2007，19（3）：184-187.

［6］杨进，彭苏萍.群桩条件下桩土相互作用实验研究［J］.岩土力学，2004，25（2）：312-315.

［7］彭苏萍，杨进，周建良，等.群桩作用下隔水导管可打性试验［J］.石油钻采工艺，2002，24（5）：8-10.

（修改稿收到日期 2013-04-03）

Study on the slip pile depth prediction for offshore drilling conductor installation

ZHANG Haishan1, YANG Jin2, YAN De2, TIAN Ruirui2, LIU Jiawei2, WANG Xiao2

（1. CNOOC Shanghai Branch,Shanghai200030,China; 2. China University of Petroleum,Beijing102249,China）

In view of the slip pile depth prediction in pile construction is concentrated on pile driving risk analysis of large diameter and super-long piles, but the slip depth and slip pile mechanism of offshore riser construction is lack of study, which means blindness and risk exist in operation. The geometrical relationship between conductor and offshore platform during pile driving operation, the ultimate bearing capacity of conductor and the slip pile mechanism were analyzed, and then the theoretical prediction model of the slip depth for offshore conductor driving construction was proposed. The theoretical prediction model of slip depth has been successfully applied in several wells in an offshore oil fi eld, and the actual slip depth of conductor driving is nearly in line with the calculated result. The research achievements provide the theoretic foundation for risk assessment of conductor operation, and ensure security for offshore drilling.

conductor; pile driving; ultimate bearing capacity; slip pile; depth; prediction

张海山，杨进，严德，等.海上钻井隔水导管打入作业溜桩深度预测 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：22-24.

TE52

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0022 – 03

国家科技重大专项 “海上稠油油田快速高效开发新技术”部分研究成果（编号：2008ZX05024）。

张海山，1994年毕业于石油大学（北京），获硕士学位，现任中海石油（中国）有限公司上海分公司钻完井部技术经理，从事海上油气勘探开发的钻完井工程技术研究与管理工作，高级工程师。电话：021-64395300。E-mail：zhanghsh@cnooc.com.cn。

〔编辑

付丽霞〕