深水钻井导管水下打桩关键技术

韦红术 邓玉明 同武军 孙子刚 赵苏文 赵维青

1.中海石油深海开发有限公司；2.中海油能源发展股份有限公司

随着深水油气田开发规模的不断扩大和开发力度的加强，在现有的技术背景下，行业面临高昂的成本与高风险挑战。如何基于目前成熟的技术，运用多学科综合力量，尝试新的工艺探索应用以降低深水油气田开发各阶段的风险与成本，成为业内亟待解决的问题。

近年来，业内提出将打桩技术与深水钻井表层导管安装结合来实现导管的批量安装，并在巴西海域进行了应用［1］。实践证明，在特定背景下，该方法有良好的技术优势，如土壤挠动程度小、降低浅层地质灾害风险、导管承载力时效性高等。鉴于国内对该技术应用的专项技术性分析匮乏，笔者通过充分的调研与分析，介绍了水下打桩技术的基本原理、流程、关键点内涵和技术优势与局限，为解决该技术应用于我国南海深水油气开发面临的难点与方案制定提供参考。

1 水下打桩机理

深水钻井导管水下打桩是指将表层导管视为管桩，采用打桩的方式，将整串导管锤至设计入泥深度，实现导管的安装。它是依靠导管自重和桩锤的冲击力，在深水水下环境将表层导管锤入地层的方法。打桩全过程导管与桩锤始终完全处于水下环境。

深水表层导管水下打桩的机理与目前海洋工程平台导管打桩相似，整串表层导管被视为一根钢桩，通过水下液压锤加速下落的锤体冲击桩头，锤体通过冲击的形式将打击能量传递给桩。撞击过程结束后，打击能量以应力波的形式在桩体和土壤中传播，首先是在桩内进行能量传递，这个过程中桩承担能量传递的媒介，进而通过桩和土壤的接触将能量传递至整个土壤，克服地层的土阻力，最终使桩下沉贯入土层，从而把后续载荷传递到较深和较强的土层中去，荷载传递同时出现在桩侧表面和桩端支撑面上，并且涉及离开桩的相当距离范围内的土体［2］。

在轴向极限承载力的确定机理上，它主要由导管的侧向摩擦阻力和端部摩擦阻力共同确定，计算方法以API 规范法为主。导管打桩后承载力具有时效性，合理分析承载力时效性［3-4］对导管的稳定性有重要影响。

在分析打桩过程时，其涉及因素很多，就管-土-锤打桩系统本身而言需要考虑导管规格与材质、液压锤规格与性能以及土质特性等，由于在水下环境打桩，还需要考虑水流力［5］对打桩系统的影响。

基于动力沉桩机理的导管水下打桩技术涉及水流力学、土力学及材料力学等学科，理论方法包括弹性理论、有限元法［6-7］、动力打桩公式法［8］及一维波动方程法等。目前分析深水导管打桩过程主要以有限元法及一维波动方程法［9］为主。

2 水下打桩基本流程

深水表层导管水下打桩施工所需要的物料及装备主要包括导管、低压井口头、工程船、物料船、拖轮、深水液压打桩锤、扶正导向基盘/扶正框、导管串入水工具(吸入头)以及独立水下钢缆升沉补偿器等。表层导管水下打桩的施工基本流程：(1)加工组装导管串和基盘/扶正框；(2)装载液压锤、基盘/扶正框、导管串；(3)动员船舶至井位；(4)布置基盘/扶正框(视情况而定)；(5)放置导管串；(6)放置液压锤至导管顶部；(7)液压锤将导管锤入设计入泥深度；(8)回收液压锤、基盘/扶正框；(9)复原。表层导管水下打桩作业示意图如图1 所示。

图1 深水钻井导管打桩作业示意图Fig.1 Schematic piling operation of deepwater drilling conductor

根据一次性集中作业数量情况，可分为单井导管打桩和多井批量导管打桩2 种方式，二者所需主要装备及工具大致相同。单井打桩在扶正需求上可能只需要独立的水下扶正框，而多井批量打桩更适合用海底基盘。因此，基于作业井数与土质特性的不同，所采用的施工方案及工序也可能不同，从而所需工程船的装备配置与能力及辅助工具也不同，要根据实际情况拟定，以达到作业优化高效的目的。

批量导管打桩与单井导管打桩在工序与工具上的使用基本相似。在深水钻井导管水下打桩作业中，二者都要考虑导管稳定性的问题，这也决定了后续辅助工具可能不同。对于油气田多井槽的批量打桩可能需要用特定尺寸的基座进行定位与稳定导管，而单井打桩可能只需要简易的海底扶正器/框架来增强其作业的稳定性。

批量水下打桩方案，按照施工方式的不同，可分为两种打桩方案：方案1，将导管逐根送入泥后再锤入设计深度；方案2，批量将导管送入泥后，回收送入工具，再批量将导管锤入设计深度。

根据行业实践，方案2 的平均单井时效比单井打桩时效要高，且批量打桩井数越多，整体施工效率就相对越高，从而降低了单井打桩综合成本。

3 水下打桩关键技术分析

导管是深水钻井井身结构的重要组成部分。表层导管通过高压井口头的联合作用，为后续的套管串、水下防喷器组提供基础承载和支撑，并承担着泥线附近的弯曲载荷。表层导管下入深度应满足井口设备、表层套管固井及套管坐挂等工况下的承载力要求［10］。导管安装还要考虑潜在的浅层气或浅层流等浅层地质灾害挑战。实践证明，通过打桩技术来安装深水钻井导管，由于其对土壤挠动程度小，可以有效降低浅层地质灾害风险，提高施工安全性。

因此，在深水钻井导管水下打桩项目前期准备中如何把握关键因素并做好相应预案，对整个项目的前期设计准备及后期作业具有重要意义。

影响表层导管水下打桩工艺的主要因素为打桩锤系统、土系统、导管系统。通过对3 个系统建立打桩系统模型，再结合工程船及辅助装备进行综合分析，制定出最优水下打桩方案。

3.1 导管的设计与加工

深水油气田钻井工程领域通常使用的表层导管的外径主要为762 mm (30 in)至1 066.8 mm (42 in)，采用传统方法安装时，导管是在钻井平台上逐根连接下入。每根导管的外径一般相同，而单根导管的壁厚根据不同位置的受力不同而存在差异。采用打桩方法安装导管时，由于利用工程船取代了钻井平台，受设备能力等限制，需要在陆地提前将导管焊接成一串整体的导管串，因此要提前设计好导管的壁厚与长度，再进行焊接加工及检测以满足作业要求。

在设计导管的壁厚与长度时，由于采用的是打桩的方法，因此，除了要满足采用传统方法安装的设计要求(导管的承载能力、井口-导管系统强度和稳定性、井生命周期内的导管系统强度)，导管的强度还要能承受打桩工况下的载荷，这对导管的焊接质量也提出很高的要求。

导管在打桩工况下，液压锤每次锤击导管都会对导管及焊接处产生拉伸及压缩的循环应力波从而对导管及井口头产生疲劳损伤。目前主流的疲劳损伤评估方法主要是基于最大拉应力与张应力进行评估分析［11］，它还与地质参数及入泥深度相关。通常保守地假定打桩过程中最大应力沿导管长度分布，即整个导管串都承受打桩锤的每次锤击。疲劳受力在导管串的焊缝最集中，焊缝疲劳受力最严重，包括导管单根之间的环形焊缝和导管本体的纵向焊缝，尤其低压井口头与导管之间的环形焊缝。低压井口头与第1 根导管的焊接质量非常关键，因其长期要承受高的应力，分别来自打桩作业及钻井作业期间隔水管连接后产生的应力以及生产期间连接生产立管产生的应力。因此，鉴于导管焊缝质量与强度的关键性，在导管加工期间对焊接质量要求与强度检测需要严格管控，要针对相应的焊接工艺，建立严格的无损检测方案，确保焊缝质量满足施工要求。

国内在海洋工程管材焊接技术与焊缝检测技术方面，尤其在埋弧自动焊及ECA 试验检测，目前的技术现状［12-14］能满足深水打桩导管的焊制要求。在深水钻井导管的打桩工况下的导管设计方面，由于目前国内尚无实践应用，相关针对性研究文献较少。因此，建议针对深水打桩工况下的导管柱设计方法与关键内容进一步开展研究，为该技术在我国南海的应用提供技术依据。

3.2 深水水下打桩锤的选型

深水水下打桩锤是打桩作业的关键装备，通常深水领域水下工程施工中主要使用液压打桩锤。不同型号的液压锤其规格及输出能量不同，适用环境也不同。

深水打桩锤的能力与可靠性要能够适应深水环境。通常深水打桩锤在选型时其能力及性能上要考虑以下因素：(1)能在深水的高水压低温环境下，仍可保证液压锤深水作业时液压驱动系统、控制系统、锤击系统长时间正常工作并且锤击效率稳定；(2)液压锤能在深水环境下实现非触水锤-桩能量传递，减少能量传递环节及损失，确保其锤击效率；(3)桩锤及其水下控制管线要长时间承受海水的腐蚀与水柱压力，因此要求其有相应的防腐能力和密封能力，确保液压锤长期在水下仍能保持性能稳定；(4)便于运输、安装，现场作业操作方便，关键零部件储备与更换方便,现场作业期间故障率低且故障处理不复杂,后期维护保养简单且成本低。

针对具体的打桩应用工程，在已知地质参数的基础上进行水下打桩锤的精细化选型，需要综合考虑导管模型、锤模型及土模型三者的相互影响关系。

打桩锤的精细化选型主要方法有锤击能量法、经验综合比较法和波动方程法等，每种方法所针对的应用领域有所区别。目前水下打桩作业选锤的主流方法是波动方程法。无论打桩锤选型采用什么方法，总体上要把握的原则是考虑满足钻井导管克服地层对其的锤入阻力，冲击能力过大或过小的打桩锤对于打桩作业都不利［15］。同时还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，但又要保证锤击的效率和锤自身不受到破坏，因此锤的打击能量也不能太小，否则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。

目前针对深水钻井导管水下打桩锤选型相关综合性研究文献较少［16］，且深水液压打桩锤资源少及费率高昂，不同能量级别对应的锤型费率不同。因此，优化桩锤的选型方法对技术应用的经济性有积极作用，在应用评估中要充分考虑桩锤费用的影响，结合油气田整体开发方案,充分提高装备利用率与经济性。

3.3 导管可打入性分析

导管的可打入性分析是导管打桩设计的重要内容，它是指通过分析导管在打桩过程与土壤的相互作用，在假定的打桩锤及入泥深度的前提下求解导管打桩应力及导管的轴向承载力，并反向验证所假定锤能量下的导管打入深度及设计可行性。影响可打入性分析的因素主要有液压锤的规格与性能、导管规格与材质、土阻力模型以及土壤参数等。

分析打桩的公式有很多，早期基于撞击原理的动力打桩公式为主流计算分析方法。随着打桩理论的研究发展，后续出现了波动理论且不断完善。目前深水表层导管水下打桩主要采用波动理论的一维波动方程法模拟分析导管打桩过程中导管的轴向承载力、入泥深度、应力、桩锤能量及锤击数等。

在运用一维波动方程进行表层导管打桩分析时，由于表层土质参数如土质分层、土质描述、土质力学性能参数等通过解释得来的数据精度有限，分析所需输入参数中的土阻力与实际接近程度也有限，从而土阻力参数对打桩分析结果影响最为显著，因此如何准确预测土阻力对导管打桩分析极其关键。土阻力的计算方法主要有2 种，一种是以Steven和Semple 为代表的计算方法［17］，另一种方法是采用静力触探试验(CPT)进行测定结果分析计算法。目前的深水工程及已实施相关案例，其在计算土阻力时通常采用Stevens 等(1982)和Puech 等(1990)推荐法及Semple &Gemeinhardt(1981)方法［18］，并结合以往水下打桩经验。通过计算，建立上、下限值土阻力曲线图，然后再通过基于一维波动方程原理的计算机程序如GRLWEAP 和TNOWAVE 等对导管打桩全程进行分析，指导工程施工。

导管的可打入性评估是深水钻井导管打桩技术应用可行性的一个关键内容。在评估该技术在我国南海深水的适应性时，可结合南海典型深水表层土壤特性，对导管进行可打性分析，评估我国南海深水开发典型导管能否安全锤至典型下入深度［19］。

3.4 低压井口头设计与选型主要考虑事项

低压井口头在井的结构中承担着重要的作用，其内部承托环承载来自高压井口头的负荷，外部锁槽承受来自基盘的负荷。虽然目前市场上井口供应商提供的深水低压井口头种类较多，其规格也因应用的针对性(应用技术要求、安装方法、泥垫安装需求等)而有所不同，但其主要功能基本类似，而且所提供的低压井口头类型也主要针对传统钻井工艺的应用，专门针对打桩用的低压井口头并不普遍。

深水打桩用低压井口头的设计除了要满足传统工艺施工的性能要求外，在打桩方面又提出了其他更苛刻的要求。在前期设计选型中，打桩用低压井口头的几何尺寸需要考虑的主要问题有：(1)由于打桩锤的锤击冲击能量直接传递给低压井口头的顶部，因此其顶部端面的平整度要求高，同时顶部面积又要足够大以分散锤的冲击负荷；井口头端部制造精度及与井口头本体的垂直度方面极其重要，以防止在打桩作业期间低压井口头提前损坏；(2)低压井口头在打桩作业中还起到引导打桩锤的作用，因此其外部轮廓要有平滑的圆柱剖面，尤其是其与打桩锤匹配的引导段不能有外突形状，以避免与打桩锤引导筒不匹配；(3)为了降低井口头结构的复杂性，以增加其强度，在非必要的情况下，不考虑与高压井口头的预张力锁紧结构；(4)由于打桩作业方式与井口头吊装操作的特殊性，还要有其他特殊要求，如外部或内部提升槽环、导流孔及相应的孔堵头等。总之，打桩用低压井口头的性能设计与传统的低压井口头的设计出发点可能会有所冲突，比如送入低压井口头的方式、水力影响等，这些传统的设计出发点在打桩工艺中的重要性成为非主要考虑因素。

完成井口头的规格设计与选型后，要对其进行强度校核以确保其选定的规格结构能够满足设计要求。井口头的疲劳受力始终贯穿井的生命周期，即初始打桩作业、钻井作业、连接隔水管后作业、生产作业，尤其是TLP 平台的生产方式对井口头造成的疲劳应力更为严重。因此，对井口头-导管系统进行疲劳分析对井的稳定性极为重要。

目前我国南海深水开发的高低压井口头主要采用进口常规井口。尽管我国已经实现井口头自主研发，但仍未大规模投入使用，且由于在国内深水钻井导管打桩技术尚无应用案例，井口头的研发设计并未考虑对水下打桩技术的适应性。为加强关键装备的自主化研究，进一步积累沉淀行业创新技术，可将水下打桩技术适应性列入井口的设计研制中，填补技术空白。

3.5 导管自由站立稳定性与强度分析

导管自由站立稳定性是指在导管完成初始入泥后，处于泥线以上的导管段在锤重或外载荷的相互作用下能否保持稳定性的问题。这里的稳定性主要指2 个方面：一是导管的倾斜角或挠度能否满足设计要求；二是导管是否能满足强度要求，不发生屈曲破坏。因此需要对导管的自由站立稳定性及强度进行校核，使其满足规范的要求。

导管自由站立稳定性分析通常考虑导管受到的载荷包括导管自重、水流力载荷、锤重及锤重附加侧向载荷。在进行分析时，应根据导管的综合载荷进行导管的强度校核［20］。最常见的载荷影响因素包括静弯矩、轴向载荷、打桩锤初始放置时产生的侧向载荷及环境载荷等。这些载荷能使导管出海底泥线的最大自由站立高度受到限制，尤其在浅层土壤剪切强度较大或有硬夹层情况下，对水下打桩作业的影响更大。在已有案例中，采用了相关有限元分析软件对导管柱进行了建模，并根据API RP-2A WSD［21］推荐工况，进行了考虑导管与土壤相互作用的稳定性分析，该方法满足现场实践要求。

导管的稳定性分析是打桩分析的关键一步。在南海进行应用评估时，可结合南海典型深水表层土壤特性，对导管站立稳定性展开研究，分析存在的挑战并提出相应的解决方案。

4 结论

(1)采用水下打桩法安装深水钻井导管经实践证实有独特的技术优势，可以避免采用传统钻井工艺时钻遇如浅层气、浅层高压流及浅部断层等引发的井下事故，有效降低了浅层地质灾害的发生，同时还能简化表层导管安装施工作业等，而且在特殊的项目背景下能够显著降低作业成本［22］。

(2)鉴于深水导管打桩技术的独特优势，通过研究国外成功经验，总结分析了该技术关键点。由于篇幅限制，只对涉及的部分关键点进行了概括性的分析，并立足国内行业技术现状，指出该技术在我国南海探索应用存在的空白或挑战，旨在为后续技术应用研究方向提供参考。

(3)目前国内深水钻井导管打桩技术尚无应用案例，若要在国内进行探索应用，就要结合我国南海深水开发典型特点，针对性地解决关键点的技术挑战。此外，由于在深水打桩锤装备上仍高度依赖国外技术，其高昂费用也限制了该技术在国内的探索应用。因此，还要加快形成具有自主知识产权的深水装备，为我国深水开发提供技术储备，填补国内的技术空白。