深海井口吸力錨安裝分析與實踐

韓澤龍，宋 剛，牛慶磊，邵玉濤，崔淑英，朱嶸華，李 博，陳根龍*

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 511458）

0 引言

近年來，隨著海洋油氣資源的開發(fā)逐步由淺海走向深海，需要面對的海洋環(huán)境變得愈加復(fù)雜，技術(shù)難度與開采成本也隨著水深的增加而相應(yīng)增加［1-4］。一方面，由于深海鉆井水深較大，為保障鉆進(jìn)過程中泥漿能夠上返至施工平臺，防止環(huán)境污染［5］，需要采用與淺海鉆井相比更長的隔水管。而且深海油氣資源大多處于高溫高壓條件的地層，需要采用體積和質(zhì)量顯著增大的水下防噴器組才能保障施工過程安全進(jìn)行［6-7］。較長的隔水管和較大的防噴器組導(dǎo)致海底井口上部需要承受更大的荷載［8］。另一方面，海底淺部地層的土壤飽和疏松，土壤強度較低，導(dǎo)致地基承載能力相對于陸地更弱［9］。這兩方面的因素對深海井口承載能力提出巨大的挑戰(zhàn)。

海洋油氣鉆探通常采用導(dǎo)管噴射工藝進(jìn)行建井，導(dǎo)管的長度影響井口的承載能力［10-11］，導(dǎo)管過短，井口承載能力不足，影響深海油氣井口的結(jié)構(gòu)物安裝，后期生產(chǎn)存在一定的隱患；導(dǎo)管過長，存在噴射不到位的風(fēng)險。導(dǎo)管下入完成后，未采用水泥固井，需要靜置一段時間等待地層恢復(fù)［12］，占用鉆井平臺的時間較長，導(dǎo)致海上作業(yè)時間長，施工成本高。使用井口吸力錨裝置可有效的解決上述問題。

1 井口吸力錨及其安裝過程

深海井口吸力錨結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為底部開口、頂部封閉的筒狀結(jié)構(gòu)。為了深海油氣鉆探的需要，采用雙層管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有心管，可在心管中安裝導(dǎo)管。頂部含有排氣閥、吸水口以及導(dǎo)管座，排氣閥的作用是在井口吸力錨安裝施工過程中，通過海洋飛濺區(qū)時快速排出吸力錨內(nèi)氣體以及自重沉貫過程中快速排出錨內(nèi)海水；吸水口則是吸力錨在自重沉貫到位后，抽吸錨內(nèi)海水，建立錨內(nèi)外壓差，實現(xiàn)井口吸力錨負(fù)壓沉貫。

鉆井施工時，井口吸力錨裝置可以在海底淺部地層為深海井口提供更大的承載能力，減少深水鉆井需要的導(dǎo)管長度，增大水下防噴器可安裝的尺寸，節(jié)省鉆井總體施工時間，提高鉆井安全性能，綜合降低鉆井成本，同時承載能力的提高為后續(xù)安裝水下生產(chǎn)設(shè)備提供更高穩(wěn)定性的海底基礎(chǔ)，增加了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全可靠性［13-19］。

本次深海井口吸力錨安裝施工主要采用ROV（水下機(jī)器人）搭載吸力泵的技術(shù)方案［20］，該安裝方法方便快捷，無需采用日費昂貴的鉆井船或者鉆井平臺，使用普通工程船即可完成吸力錨安裝。吸力錨安裝施工流程主要分為4 個步驟（見圖2），分別是：（1）工程船采用克令吊將吸力錨吊裝入水，吸力錨經(jīng)海水飛濺區(qū)時通過排水閥排出氣體；（2）吸力錨接觸海底泥面入泥時通過排氣閥排出內(nèi)部水分并通過自重沉貫入泥；（3）采用搭載吸力泵的ROV 抽出吸力錨內(nèi)海水使吸力錨實現(xiàn)負(fù)壓貫入，貫入到位后，進(jìn)行下入效果檢測；（4）解除鋼絲繩，回收吊索具。

圖2 吸力錨安裝Fig.2 Suction anchor installation

2 應(yīng)用工程概況

泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物被認(rèn)為是儲量最大、開采難度亦最大的水合物儲層，第二輪海域天然氣水合物試采選在南海北部珠江口盆地白云凹陷北坡神狐海域，區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜，新生代發(fā)育巨厚沉積，具有豐富的油氣資源，到目前為止，在該區(qū)塊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一大批油氣田［21］。該區(qū)域水深1000～1500 m，在海洋油氣鉆井深度劃分中屬于深水，對鉆井施工的要求高。第二輪天然氣水合物試采全井段巖性主要是泥質(zhì)粉砂，礦物以泥質(zhì)、砂質(zhì)和鈣質(zhì)為主。

基于試采區(qū)儲層特征，第二輪水合物試采中，中國地質(zhì)調(diào)查局創(chuàng)造性的提出采用水平井開采天然氣水合物的模式［22］，完井井身結(jié)構(gòu)如圖3 所示。但是由于天然氣水合物埋深淺，對造斜點的高度及造斜要求提出了較高的要求［23］，采用井口吸力錨技術(shù)［24］，在深海淺軟地層中不僅有效提升了井口穩(wěn)定的特性，同時提高造斜點高度、降低造斜要求，降低施工難度。試采自2019 年10 月20 日開始海上施工，共經(jīng)歷吸力錨置入、生產(chǎn)井建井、監(jiān)測井鉆完井、儲層改造、防砂作業(yè)、舉升管柱下入、降壓生產(chǎn)測試以及棄井等施工環(huán)節(jié)，其中井口吸力錨下入為施工的第一個環(huán)節(jié)，吸力錨下入質(zhì)量以及施工效率對后續(xù)的試采成敗具有十分重要的影響。

圖3 第二次試采水平井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the second production test horizontal well

3 沉貫受力分析及參數(shù)確定

3.1 安裝受力分析

井口吸力錨受力如圖4 所示，在貫入過程中受井口吸力錨水下重力W、底面端阻力Qtip、側(cè)面?zhèn)茸枇side以及海底海水壓力P作用。

圖4 吸力錨受力分析Fig.4 Stress analysis of suction anchor

對貫入深度起主要影響的因素為重力、端阻力以及側(cè)阻力，對于沒有肋板的吸力錨，其貫入阻力Qtot為吸力錨側(cè)壁摩阻力Qside和端部承載力Qtip之和［25］：

當(dāng)貫入阻力Qtot等于水下吸力錨重力W時，吸力錨自重貫入停止：

因井口吸力錨結(jié)構(gòu)區(qū)別于常規(guī)吸力錨結(jié)構(gòu)，考慮中心管對端阻以及側(cè)阻力的影響［25］，計算公式如下：

式中：z——貫入深度，m；α——強度弱化系數(shù)，無量綱；Sua——貫入深度內(nèi)的平均不排水抗剪強度，MPa；Do——吸力錨外徑，m；Di——吸力錨內(nèi)徑，m；Dco——吸力錨心管外徑，m；Dci——吸力錨心管內(nèi)徑，m；——粘土的有效容重，g/cm3；sutip——吸力錨端部處的不排水抗剪強度，MPa；Nc——平面應(yīng)變條件的承載力系數(shù)，無量綱；Atip——吸力錨外筒端部面積，m2；Actip——吸力錨心管端部面積，m2。

參考 DNV-RP-E303 規(guī)范［25］，貫入所需負(fù)壓un：

式中：W——吸力錨的水下重力，N；Ain——吸力錨內(nèi)上蓋截面積，m2。

3.2 有限元分析基本參數(shù)確定

第二輪試采過程中井口需要承載不低于5250 kN 的豎向力以及7118 kN·m 的水平彎矩力，計算校核得出井口吸力錨筒體外徑為6.5m，內(nèi)部采用預(yù)制中心管作為導(dǎo)管噴射通道，中心管外徑為0.92 m，筒體長度為12 m，所選用材料壁厚為30 mm，初步估計井口吸力錨的質(zhì)量為100 t，吸力錨水下重力850 kN。安裝區(qū)域土工參數(shù)由靜力觸探實驗所得，土體強度如下：

式中：z——水下地層深度，m；Sμ——土體不排水抗剪強度，kPa。

采用有限元計算時，通過對靜力觸探實驗獲得的參數(shù)換算為土體建模最關(guān)鍵參數(shù)為內(nèi)摩擦角以及粘聚力，查閱該地區(qū)地質(zhì)調(diào)查的其他文獻(xiàn)資料［26］，在該區(qū)域粘土內(nèi)摩擦角約為25°，粘聚力約為7 kPa，依據(jù)實際測量獲得的土工參數(shù)校核得出模型計算所需內(nèi)摩擦角以及粘聚力，將參數(shù)代入有限元模型進(jìn)行計算。

4 深海井口吸力錨沉貫分析

采用理論計算以及有限元對吸力錨沉貫過程進(jìn)行分析，建立有限元模型時，為簡化模型以及計算時間，建立符合吸力錨實際結(jié)構(gòu)尺寸的1/4 模型，該模型包括外筒體和心管，忽略內(nèi)部加強筋等附屬結(jié)構(gòu)。為降低邊界效應(yīng)對吸力錨沉貫過程計算的影響，土體模型的半徑選用為井口吸力錨模型筒體半徑10 倍。由于之前的理論計算得出吸力錨端阻力遠(yuǎn)小于側(cè)阻力，在建模過程中忽略端部阻力對吸力錨沉貫作用的影響。提前設(shè)置出吸力錨完全沉貫完成后的路徑，進(jìn)行吸力錨沉貫分析。有限元計算計算過程共分為2 步，第一步設(shè)置地應(yīng)力并平衡地應(yīng)力，使模型滿足實際情況；第二步進(jìn)行吸力錨側(cè)阻力計算，給定吸力錨下入深度，計算獲得吸力錨側(cè)阻力，如圖5 所示，當(dāng)側(cè)阻力等于吸力錨水下重力時自重沉貫停止，當(dāng)側(cè)阻大于吸力錨重力時可根據(jù)吸力錨頂部面積反推出沉貫需求負(fù)壓。

圖5 吸力錨貫入計算模型Fig.5 Calculation model of suction anchor penetration

4.1 自重沉貫分析

吸力錨沉貫過程中貫入阻力有限元計算及理論計算結(jié)果如圖6 所示，計算結(jié)果顯示，隨著深度的增加，吸力錨貫入阻力逐漸增加，由于下部地層的地應(yīng)力大于上部地層，導(dǎo)致貫入阻力的增長速度也隨著深度的增加而加快，當(dāng)貫入阻力增加到與吸力錨水下重力850 kN 相等時，吸力錨停止下入，自重貫入過程完成，理論計算顯示自重貫入深度為6.4 m，有限元計算顯示貫入深度為6 m。

圖6 吸力錨貫入阻力與深度關(guān)系Fig.6 Relationship between penetration resistance and depth of suction anchor

4.2 需求負(fù)壓分析

隨著沉貫深度的增加，不排水抗剪強度增大，地應(yīng)力也不斷增大，同時隨著吸力錨下入深度的增加，吸力錨側(cè)壁與土體接觸的面積不斷增加，導(dǎo)致吸力錨所受到的阻力增加，使吸力錨貫入難度增大，計算結(jié)果如圖7 所示，根據(jù)設(shè)計深度，理論計算得吸力錨沉貫到位（11 m）所需負(fù)壓為37.76 kPa，有限元計算得出所需負(fù)壓為52.48 kPa。

圖7 吸力錨貫入所需負(fù)壓與深度關(guān)系Fig.7 Relation between negative pressure required for suction anchor penetration and depth

在井口吸力錨沉貫安裝過程中，負(fù)壓過大導(dǎo)致土體受到的擾動較大，易形成土塞等不良情況，影響吸力錨安裝深度，理論計算需求負(fù)壓的值是一個參考量，在安裝過程中依據(jù)理論計算得出的結(jié)果，通過人為控制，選擇最優(yōu)沉貫負(fù)壓，合理控制下入速度，才能使井口吸力錨高效、快速、高質(zhì)量的下入到設(shè)計深度，滿足使用需求。

5 深海井口吸力錨安裝實踐

2019 年10～11 月，在廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局協(xié)調(diào)組織下，在我國南海海域第二輪天然氣水合物試采中開展了深海井口吸力錨安裝實踐，由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所負(fù)責(zé)深海井口吸力錨設(shè)計以及安裝技術(shù)指導(dǎo)，施工期間海況惡劣，在有限的窗口期開展了安裝施工，并圓滿完成了井口吸力錨的水下安裝，具體施工過程如下：

（1）在到達(dá)確定井位后工程船開啟船舶動力定位，然后以井口為圓心首先進(jìn)行ROV 調(diào)查，掃描海底地形地貌，在距離井口10 m 處均勻擺放3 個浮球，采用克令吊將吸力錨下放入水，此時排氣閥處于開啟狀態(tài)，然后下放井口吸力錨通過飛濺區(qū)，直至下放至泥面以上1 m 左右，記錄此時井口吸力錨水中浮重，然后將移動船至浮球圈內(nèi)，調(diào)整吸力錨艏向。

（2）自重貫入過程采用“步漸間歇式自貫”工藝，吸力錨頂部的排氣閥仍然處于開啟狀態(tài)，當(dāng)井口吸力錨底部接觸泥面后開始自重貫入，此時逐漸減小鉤載，每貫入一定深度后停頓若干分鐘，使土層慢慢沉淀一定時間，同時始終保持吊帶處于張緊狀態(tài)，直至鉤載懸重近似為零，此時井口吸力錨全部水下自重均用于自重沉貫。

在沉貫過程中，井口吸力錨在接觸泥面初始階段由于泥面非常軟，貫入速度較快，隨著貫入深度增加泥面逐漸密實，并且地層對井口吸力錨筒壁摩擦力增加，貫入速度逐漸降低，最終貫入7.3 m，自重貫入結(jié)束，如圖8 所示。

圖8 自重貫入結(jié)束Fig.8 End of self weight penetration

（3）自重貫入結(jié)束后，開始負(fù)壓貫入過程，采用“拖曳連續(xù)式負(fù)壓貫入”工藝。關(guān)閉吸力錨頂部排氣閥，在吸水插座處插入吸水口，開啟吸力泵抽吸吸力錨內(nèi)部海水，使錨內(nèi)壓力低于錨外海洋水壓，錨內(nèi)外壓差產(chǎn)生的巨大海水壓力作用在錨頂，錨內(nèi)外壓差1 kPa，錨頂約承受31.5 kN 的下壓力。井口吸力錨開始負(fù)壓貫入，控制克令吊懸重處于一個穩(wěn)定的數(shù)值，通過人為控制吸力泵排量和克令吊下放速度，保證吸力錨貫入過程平穩(wěn)，最終貫入深度達(dá)到11.3 m，接近設(shè)計值11.2 m，如圖9 所示。

圖9 負(fù)壓貫入到位Fig.9 Negative pressure penetration in place

在負(fù)壓沉貫到位后進(jìn)行吸力錨垂直度測試，由于在吸力錨沉貫過程中一直進(jìn)行垂直度檢測，在開始負(fù)壓沉貫后吸力錨垂直度始終保持0.17°，全程無變化，安裝過程順利。吸力錨安裝到位后進(jìn)行承重測試，采用吸力泵持續(xù)抽吸，使錨內(nèi)外壓力差達(dá)到了159 kPa（-23 PSI），井口吸力錨未發(fā)生下沉現(xiàn)象，計算得出此時承載力超過5000 kN，滿足深海井口承載要求。

（4）根據(jù)DNV-RP-E303 規(guī)范［25］，頂部封閉的吸力錨承載能力大于頂部開放的吸力錨，所以在井口吸力錨沉貫結(jié)束后，采用ROV 拔出吸水插座上的吸水插頭，并將盲堵安裝在吸水插座上，封閉吸水口，使吸力錨頂部為封閉狀態(tài)，并采用ROV 解鎖儀器包以及回收井口吸力錨四周吊索具，完成井口吸力錨安裝施工。

6 結(jié)論與分析

（1）在井口吸力錨沉貫理論計算及有限元計算過程中，理論計算沉貫深度6.4 m、有限元軟件計算深度6 m，與實際貫入深度7.3 m 存在一定的誤差，但誤差處于可接受范圍，證明沉貫分析結(jié)果真實可靠，后期可根據(jù)多次試驗，調(diào)整計算參數(shù)，優(yōu)化計算結(jié)果，可有效指導(dǎo)吸力錨安裝。

（2）吸力錨自重貫入過程中，始終保持吊帶張緊，采用“步漸間歇式自貫”工藝進(jìn)行自重貫入，可有效保障吸力錨貫入過程中的垂直度；負(fù)壓貫入過程中，克令吊控制懸重，打開吸力泵采用“拖曳連續(xù)式負(fù)壓貫入”工藝進(jìn)行負(fù)壓貫入，通過人為控制吸力泵排量和克令吊下放速度控制貫入速度，可提高貫入質(zhì)量。

（3）第二輪海域天然氣水合物試采中開展了采用ROV 搭載吸力泵進(jìn)行井口吸力錨安裝應(yīng)用實踐，安裝垂直度為0.17°和承載力達(dá)到5250 kN 均達(dá)到了設(shè)計要求，對標(biāo)國外同類產(chǎn)品，此次安裝精度滿足實際使用需求，驗證了整套沉貫計算分析、施工工藝的可行性和正確性，為同類型吸力錨的水下安裝提供了有效的安裝經(jīng)驗。