深水钻井导管水下打桩锤选型分析

邓玉明，刘正礼2，赵维青，张星星3，赵 德

(1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术深水钻采技术公司，广东 深圳 518067；2.中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067；3.中国海洋石油国际有限公司，北京 100027)

随着深水油气资源开发不断加大，深水油气勘探活动的规模不断扩大，新工艺与新技术的应用也随之涌现，以解决深水勘探面临的高成本与高风险挑战。以深水开发钻井导管安装为例，业内有公司提出采用打桩的方法将导管批量锤入至设计深度，从而实现导管的批量安装[1]，并首次成功在巴西深水油气田实施，验证了深水钻井导管打桩安装的可行性，并建立了深水钻井导管水下打桩技术体系。

深水液压打桩锤(以下简称打桩锤)为该技术的关键装备，在导管被锤入过程中，打桩锤在深水环境中，持续为导管提供足够的冲击力，使导管克服贯入过程的土阻力。打桩过程中打桩锤始终放置于导管的顶部，使细长导管承受打桩锤的自重力，对导管在海底的站立稳定性也提出了巨大挑战。同时，深水打桩锤的规格较大，在海上进行吊装与移位都有潜在的风险。因此，打桩锤对深水钻井导管水下打桩技术的实施有着关键的影响，合理选型深水液压打桩锤具有重要意义。

全球深水油气开发中深水钻井导管水下打桩技术应用案例较少，目前在全球范围内有不超过3个深水油田的应用案例。国内目前尚无应用案例，有关深水液压打桩锤的导管安装应用介绍内容少，且在深水钻井导管水下打桩的打桩锤选型指导方法或流程方面缺少针对性文献。本文基于对该技术实践的充分调研与分析的基础上，介绍了深水液压打桩锤的基本原理、特点与应用，提出了深水液压打桩锤的选型原则、选型方法、选型流程、关键影响因素及选型说明，为该技术在我国南海深水开发的探索应用提供参考。

1 深水液压打桩锤特点

深水液压打桩锤是在普通液压打桩锤的基础上发展起来的，是一种适用于深水环境并能输出一定能量的液压锤，属于冲击式打桩锤。其原理与液压打桩锤类似，均以液压系统为驱动系统。按液压锤的结构和工作原理可分为单作用式和双作用式2种。为了提高水下输出能量及减小结构体积，深水液压打桩锤采用了双作用式，即通过蓄能装置为液压系统提供额外能量，使锤芯获得更高的加速度能量，以提高打桩锤的冲击速度，能以较小的锤芯质量、较高的冲击速度、较短的锤桩作用时间下，输出更大的冲击能量。

深水液压打桩锤与普通液压锤主要不同之处在于结构及动力源控制方式。在动力源控制方式上，最大的区别在于深水液压打桩锤将动力控制系统作为独立的可拆卸模块，组装在锤的外部，其体积庞大，质量大。以MENCK MHU-270T打桩锤为例，干质量达66 t，对海上的吊装作业与施工造成了巨大挑战。此外，由于打桩锤需要在深水环境下长时间工作，对本体及控制系统的承压与密封、防腐能力与性能稳定性等都提出了很高的要求。因此，与普通液压锤比，其在材质与控制系统上要求更高，结构更加复杂。

在结构上，为了确保深水液压打桩锤能量的传递效率，增加了空气系统[2]，空压机产生的压缩空气通过气管连接到打桩锤的锤头，排开锤与桩的接触面的水，实现非触水锤-桩能量传递，减少能量传递环节及损失，确保其锤击效率。

由于打桩锤是双作用液压锤，是典型的高压力、大流量、换向频繁和冲击很大的产品，对液压元件的制造精度和配合精度要求很高，附属部件多，产品结构复杂，且价格比较昂贵，制造成本很高。

通常，打桩锤系统包括液压动力模块、控制室、管线绞车、电器系统、空气系统、锤体6个部分。典型的打桩锤型号为MENCK MHU-270T，如图1所示，其空气系统水下工作原理如图2所示。

图1 MENCK MHU-270T型打桩锤示意

2 深水液压打桩锤的应用情况

目前，国内尚无深水液压打桩锤的应用案例[3]，深水液压打桩锤应用海域主要在国外北海、东海、墨西哥湾、巴西及西非等海域[4-6]，主要应用于TLP、SPAR等平台的基桩安装、浮式装置的锚桩安装及其它海底设施安装。由于深水钻井导管打桩技术是近几年才提出的，且实践较少，因此其在深水钻井导管安装领域的应用也相对较少，主要在巴西海域与西非海域的油水油气区块，最大作业水深达到1 950 m。实践表明，目前深水液压打桩锤能够长时间在深水环境中进行工作，且性能可靠、稳定，能够满足深水钻井导管批量安装要求。目前，深水液压打桩锤的最大设计水深为3 000 m，其核心技术主要掌握在德国MENCK与荷兰IHC公司，其技术与产品性能都非常成熟，应用案例丰富，均被国际市场认可，并且占据重要地位。

图2 深水液压打桩锤空气系统水下工作示意

3 深水液压打桩锤的选型原则

打桩锤的打击过程就是能量的转换过程，即将动能转换为克服桩阻力而贯入等所需要的能量。桩锤能量的输出要足够克服导管贯入过程产生的土阻力，但锤输出的能量又不能过大，要确保打桩锤输出能量不会使井口-导管系统在打桩过程中受到破坏，同时还要保证锤击的效率。因此，锤的打击能量也不能太小，否则可能产生拒锤，不仅无法有效将导管锤至设计深度，还会影响施工效率与进度。冲击能力过大或过小的打桩锤对于打桩作业都不利[7]，只有选择合适能量的桩锤，才能达到既能将导管顺利打入，又不至于将导管打坏的效果。

根据海洋桩基工程与深水开发钻井导管打桩实践，在给定的钻井导管及土质参数下，通过预测打桩过程中的打桩阻力大小及变化，以及导管应力变化及贯入度等，进而合理地选择打桩锤能量。在选定的桩锤能量下，再结合桩锤自身特性对施工的影响来进一步优选。因此，对于深水开发钻井导管打桩锤选型，总体上要把握以下几个原则：

1) 合适的输出能量。能确保导管穿过目标土层，达到设计入泥深度，同时不能破坏导管。

2) 导管完整性。在打桩过程中，导管产生的应力应当始终在材料的允许范围内，确保导管不受到破坏。

3) 施工安全性。由于深水液压打桩锤的体积与质量较大，在海上施工作业时为大型吊装作业，同时又对导管产生轴向的载荷，对导管的稳定性与强度均造成了挑战。

4) 适宜的拒锤标准。制定合适的拒锤标准，导管拒锤标准太小则打桩太过保守，会使设计难度增加，增加施工成本。拒锤标准太大，则可以能引起导管的破坏，增加打桩的时间，降低作业效率。

5) 经济性。通过合理分析打桩实际工况需求，选择市场上常规的深水液压打桩锤，增加锤的动员灵活性。同时结合项目的总体开发设计，选择适用性强的打桩锤，满足项目开发整体需求，从而避免动用多种型号的打桩锤，提升项目的经济性。

4 选型关键影响因素

基于深水导管打桩锤选型要把握的关键原则，结合深水液压打桩的主要性能参数及作业特点，总结梳理深水液压打桩锤选型时的关键参数，并分析其对选型的影响。

4.1 输出能量

锤的输出能量与锤芯自重力、行程、液压缸上腔油液(或气体)的压力以及打击加速度的大小等参数有关。深水双作用液压锤依靠液压或气压增压，增大了输出能量。在选取输出能量参数时，要遵循打桩锤能量选择的基本原则。

由于深水开发对钻井导管的入泥深度有着严格的要求，因此打桩锤的输出能量的调节要有一定的灵活性，以精细控制对导管的锤击力，从而精确控制导管的贯入深度。此外，输出能量精细调整可使导管在贯入不同深度的地层时，调整合适的输出能量，以尽量避免导管出现溜桩[8]或拒锤[9]的现象。

4.2 打击频率

打桩锤的打击频率反应了桩锤在单位时间内可达到的锤击数。对于同一系列的打桩锤，在相同输出能量下，打桩锤对应的打击频率越大，导管在单位时间内获得锤击能量越多，使导管入泥效率更高。因此，打桩锤打击频率参数对选型的影响主要在2个方面：

1) 能量与打击频率关系。对应不同的输出频率，其能量会有相应的变化，具体要参考打桩锤的自身特性。根据所需要的能量范围对应的频率范围，结合导管的打桩分析进行优化，在安全作业前提下尽量加大打击频率，增加导管锤入效率。

2) 锤击时间与作业效率。打击频率决定了总锤击数和打桩时间，总锤击数和打桩时间应当合适。太多锤击数会引起导管或桩锤的破坏，同时也增加了打桩时间，使锤的效率低下，并且会影响施工进度。

4.3 适应水深

打桩锤能适应的水深范围直接反映了锤的环境适应性，也是其性能的最直观表现的指标，是深水作业选型时首要考虑因素，它决定了打桩锤是否能满足具体的工程施工要求。

打桩锤在不同水深下，其对应的最大输出能量也不同，因此，对应不同深度的水深，还要根据锤的特性进行选型，不能简单地根据锤的能量范围来选择。通常，打桩锤能适应的深水越深，其制造成本越高，因此，在满足作业提前下，尽量选择适合水深的打桩锤。

4.4 打桩锤尺寸与质量

由于深水打桩锤的体积与质量较大，在海上进行批量打桩施工作业时必须要考虑的关键风险主要包括：

1) 海上吊装风险。

深水打桩锤的体积大、质量大，在海上作业涉及大型吊装作业风险。桩锤初步确定后，要进行吊装分析[10-11]，判断施工船是否具备合格的吊装能力，并对桩锤在吊装过程中的运动进行分析，确定流速、浪高和波浪周期对桩锤的运动影响，为合理选择吊装所需的船舶资源及作业天气窗口提供依据，保证桩锤吊装安全。

2) 导管的站立稳定性影响。

导管在自重力的作用下完成初步入泥后，在放置桩锤时，由于打桩锤质量大，导管在打桩锤的重力载荷作用下会继续下沉，直至无法继续克服土阻力为止。此时，处于泥线以上的导管段在锤重与水流载荷的相互作用下能否保持稳定决定了能否进行下一步打桩作业。深水钻井导管的安装与浅水导管架导管的安装不同，前者打桩锤与导管完全裸立于海底(如图3所示)，无任何预先安装的扶正装置，后者有导管架导向槽进行引导扶正，不存在站立稳定性问题。因此，锤重对深水打桩作业的影响非常关键，分析打桩锤对导管站立稳定性影响具有重要意义。深水钻井导管的稳定性主要在2个方面：①导管的倾斜角或水平位移能否满足设计要求；②导管本体强度能否满足要求，不发生屈曲破坏。因此，需要对导管自由站立的稳定性进行分析。导管的稳定性影响分析可依照相关标准规范进行，其分析方法主要有Timoshenko法[12-14]和API工作应力法[15]及有限元数值模拟方法[16-17]。

图3 导管在海底站立示意

3) 导管与打桩锤的碰撞风险。

目前已实践的钻井导管水下打桩技术只应用于深水油气田导管的批量安装，导管的数量多且较密集，邻近导管间距小，而打桩锤的体积大，在打桩锤放置于导管顶部的吊装过程中或打桩过程中，存在打桩锤与邻近导管的碰撞风险。一旦产生碰撞，可能导致打桩锤控制系统损坏或导管倾斜，对施工造成严重的后果。导管间距越小，打桩锤与导管产生碰撞的可能性就越大。同时考虑海域特点，对于存在海底暗流的海域，该风险尤为突出，因此，要根据实际作业情况进行风险分析，在条件允许的情况下，尽量选择小型打桩锤，减小碰撞风险。图4为采用打桩锤进行导管批量打桩的作业示意。

图4 导管批量水下打桩海底布置示意

5 深水液压打桩锤选型方法

深水钻井导管水下打桩系统由导管、土壤和打桩锤3个部组成。这3个要素对打桩过程的影响是相互关联且相互作用，只有3个要素的相互作用均匹配才能实现打桩。打桩锤的选型分析本质就是分析所选定的打桩锤与整个打桩系统在打桩过程中的匹配性。因此，首先要对整个打桩系统进行打桩过程分析，在已知的土壤参数与导管参数下，基于施工经验初步选定打桩锤锤型。经过打桩分析，判断初选锤型的能量与土阻力匹配性、导管的应力及贯入度能否满足要求，并根据分析结果选择不同锤型进行优化分析，最终确定合适的锤型。

在桩基工程中，根据应用场景及区域土质熟悉程度与施工经验，可以按照经验法进行选锤，即按照区域经验，根据桩的承载力要求与打桩锤的击打能力来选定打桩锤。在现场作业中，再利用高应变动测技术，获得实际的打桩信息，例如最大的导管应力、贯入度、总锤击数及单桩轴向极限承载力等，现场根据这些信息，分析初选打桩锤是否合理，必要时可适当调整。经验法的选锤分析较粗略，适合对工程安装的精度要求不高且换锤方便灵活、成本低的应用。

深水开发对钻井导管的安装要求非常严格，以中国海油为例，要求低压井口头的出泥高度在3.0～4.5 m，导管倾斜不能大于1.5°。对于多井槽井眼群的油田，例如TLP开发模式，导管的安装要求精度更高，除了要求导管之间横向定位相对精度外，导管的最终绝对高度误差与导管间的相对高度误差要求亦非常严格，例如巴西BC-10 Parque das Conchas油田，要求各井低压井口头之间的相对高度误差在30 cm以内，导管倾斜不能大于1.0°；巴西TLP平台P-16的导管安装要求低压井口头出泥高度误差在10 cm以内，导管倾斜不能大于1.0°。对于安装精度要求如此苛刻的深水开发钻井导管安装，再加上深水开发环境特殊性，打桩锤费用高昂，换锤成本高且对施工产生潜在巨大风险。此外，在深水导管打桩中进行高应变动测环境复杂，难度大，实现困难，且打桩锤费用高昂，换锤成本高且对施工产生巨大的潜在风险，现场试打优化方法产生的成本与风险难以承担。因此，粗略的经验法无法满足深水钻井导管打桩锤选型的需求，需要采用更加精准的分析方法，在施工前能基于已知的导管数据与土质参数进行打桩分析，使优选的打桩锤贴近实际情况。

根据海洋桩基工程经验与已有钻井导管水下打桩工程实践，目前深水导管打桩作业主要采用基于一维波动方程[18]的打桩分析法，通过模拟分析导管打桩过程中导管的轴向承载力、应力、贯入度等确定合适的打桩锤能量级别，再结合导管的站立稳定性分析来确保打桩锤满足稳定性要求。目前常用的基于一维波动方程的典型分析软件有GRLWEAP和TNOWAVE[19-20]，它能在施工前开展精确的打桩分析，对工程施工有很大的指导意义，广泛应用于海洋桩基工程。

基于以上打桩锤选型的原则及方法与涉及的分析内容，对深水钻井导管打桩锤选型流程进行了总结，选型流程如图5所示。

参照图5流程，首先，根据目标井位表层土壤和导管参数为基础，参照现有打桩锤特性，初选打桩锤，获得打桩锤的基本参数，从而建立管土锤打桩系统，再进行打桩优化分析，分析初选打桩锤在性能参数上是否满足导管打入施工要求，从而优选出满足要求的能量级别最小的锤型。根据优选打桩锤锤型的参数，分析导管在打桩锤及海底环境载荷联合作用下的屈曲稳定性和打桩锤海上吊装作业要求，确保优选锤型满足导管稳定性要求且海上吊装作业安全。若分析满足要求，则确定优选锤型为终选锤型；若不满足要求，则继续优选打桩锤。如现有打桩锤已经无法满足导管稳定性与吊装分析要求，则考虑增加导管稳定性措施与增强打桩锤吊装安全两方面入手，确保所选锤型满足施工要求。

图5 导管打桩锤选型流程

6 打桩锤选型案例分析

以西非海域深水区块某油田为例，水深800 m。该油田钻井导管批量安装采用了水下打桩技术。该项目的打桩锤的选型主要考虑了以下4个原则：

1) 打桩锤能够适应作业水深环境。

2) 市场资源可选性与经济性。

3) 能够提供足够的锤击能量，使导管克服贯入阻力至设计深度。

4) 油田区域作业综合考虑，本项目中TLP平台筋键桩的安装作业与导管打桩作业的协同性。

根据原则1)、2)，结合该项目安装TLP平台筋键桩(外径2 133.6 mm(84英寸)，入泥深度100 m)采用的打桩锤为MHU-500T型，综合考虑打桩锤资源可选性，初选导管安装用打桩锤型号为MHU-500T。通过优选分析，MHU-500T型打桩锤不适用于该项目钻井导管的批量打桩，主要有2个原因：

1) 根据导管与土壤的相互作用分析，该锤型的能量远大于分析所需要的能量，资源上会浪费。

2) 该锤型的尺寸规格太大，增加了水下的碰撞风险与导管的不稳定性风险。

基于以上所述的选锤原则与分析，需要用级别更小的锤型进行优选分析。因此，初步优选小一级锤型，即MHU-270T型打桩锤，再进行优选分析。2种打桩锤的主要参数如表1所示。

表1 两种型号打桩锤的主要参数

由表1可见，MHU-500T型打桩锤的能量约是MHU-270T型的2倍。根据优选分析，该项目要求打桩锤提供的能量小于200 kJ，MHU-270T型打桩锤即可满足要求。此外，在质量上，MHU-270T型打桩锤的质量比MHU-500T型减少了近50 t，在尺寸上也更小，满足导管稳定性要求，且打桩锤尺寸越小，在海底打桩过程的吊装产生的锤-管碰撞风险越小。MHU-270T为该系列中最小的锤型。最终选择MHU-270T型打桩锤作为该项目导管批量水下打桩作业的打桩锤。

7 结论

1) 深水油气开发用导管的水下打桩技术将打桩与钻井导管安装相结合，其涉及动力沉桩、钻井工程及海洋吊装工程等多学科，是在深水油气开发对安全与经济的追求下提出的新技术。

2) 打桩锤是深水钻井导管水下打桩的关键装备，合理选型对作业的实施与费用有重大的影响。分析了深水钻井导管水下打桩锤的选型基本原则、方法与流程、打桩锤选型的关键影响因素，可为钻井导管水下批量打桩提供技术参考。

3) 深水打桩作业的环境对打桩锤的性能要求极为苛刻，不仅要求其系统能适应深水环境，而且要求其能在深水环境中长时间工作状态下保持性能稳定。目前，深水液压打桩锤的核心技术仅掌握在少数企业中，资源少且费用高昂。因此，选型时要在满足作业条件下考虑不同型号打桩锤的成本影响。

4) 由于深水液压打桩锤的性能越强，规格越大，其费用越高。因此，在满足锤能量需求的前提下，尽可能选择小型锤型，既能降低成本，还能减小海上吊装作业的相关风险。

5) 根据能量条件初步选定最小锤型后，再分析其是否能满足导管的站立稳定性要求。若最小锤型都仍无法满足稳定性要求，则要从导管站立稳定性影响因素进行分析，制定相应的措施以增加导管的站立稳定性。

6) 深水打桩锤在深海油气开发领域的应用包括平台桩基安装、锚桩安装及油气海底基础与装置支撑桩安装等。由于打桩锤的费用高昂，在选型时要结合油田的整体开发方案与工程应用，考虑最大化应用，增加油田开发的协同效应。