作者：李中等
出版社：石油工业出版社
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文昌13-6油田整体快速打桩技术与实践试读：
前言
在海洋钻井过程中，打桩管连接海上钻井平台与海底浅层土体，主要功能是隔离海水、形成钻井液循环通道，同时作为海上钻井井口的持力结构。海上钻井打桩管在海上石油的勘探开发中起着重要的作用。当前，打桩管下入方式分为打桩方式、钻入方式。打桩管采用钻入方式下入，其优势在于可使用内管柱方式固井，但作业工期长，产生费用高；打桩管采用表层打桩方式下入，具有技术成熟，工期、费用相比钻入方式低等优点。
文昌13-6油田12口井的表层打桩管打桩作业，形成了以科研理论为基础，理论实际相结合的作业方式。通过对文昌13-6油田地层进行研究分析，以及对打桩管入泥深度综合研究，顺利完成了文昌13-6油田多口井的表层打桩管打桩作业，在技术、管理方面具有开拓性和创新性，形成了打桩管快速打桩综合技术，开拓了作业思路，缩短了开发井表层作业时间，有效节约了开发投资，为今后类似的打桩作业提供了参考和依据，为边际油田开发贡献了效益，对海洋石油开发井表层作业具有重要的意义。
本书以文昌13-6油田打桩管打桩准备工作、科研以及实际操作为主线，着重介绍了打桩技术及其实践经验。全书文字简洁，并辅以图表，便于读者阅读。
参加本书编写工作的还有闵锐、马传华、陈树恩。
本书的编写参考了大量文献资料，并经有关专家多次审查和修改。但由于编者水平有限，难免存在不足之处，望读者批评指正。第一章 绪论
海上表层隔水导管的下入可采用钻入法和锤入法。文昌13-6油田在可行性研究阶段，通过对比两种方法，结果显示锤入法更具有经济性。本章通过对渤海海域、南海西部海域表层隔水导管打桩以及国内外深水表层水下打桩技术调研，系统地梳理了不同打桩作业方式下的各自作业特点，同时简要介绍了打桩设备的工作原理及操作。并对打桩辅助设备，例如深穿刺引鞋、替打短节、提升环进行了详细说明。第一节 海洋打桩管打桩发展现状一、海洋打桩管打桩作业难点及技术挑战
在不同的海域，由于海况条件的不同，对于钻井打桩管的入泥深度要求亦不相同。如果钻井打桩管入泥深度下入过浅，将不能完全承受上部的井口载荷而导致在施工过程中井口的失稳、下陷等海上复杂事故，会造成很大的经济损失。如果打桩管入泥深度下入过深，会使打桩管用量过度增加而造成经济上的过多浪费。在海上油田的作业过程中也发生过类似事故，如XJ24-3井、WZ5-7-1井、WZ11-4N-6井、WZ11-1N-4井和LH29-1-3井曾发生导管下沉的情况，给生产和作业带来严重的经济损失和安全隐患。
在海洋打桩管打桩作业中，由于水深、井槽间距小、批钻井数多、井口稳定性等方面因素的影响，有如下难点及技术挑战：（1）作业区域水深。例如文昌海域水深超过110m，转盘面至泥线超过160m，如何保证打桩管垂直地锤入，是影响后续钻井作业的关键。（2）井间距小，群桩效应明显。例如南海西部海域井间距大部分为1.8～2.286m，对于南海海域海底土的塑性区半径为打桩管桩直[1]径的6倍，按照最小直径24in打桩管尺寸计算，6倍打桩管直径的距离为3.657m，大于隔水管最小间距，打桩管打桩作业受群桩效应影响较大。（3）井数多，连续密集打桩。据统计，在文昌13-6油田打桩作业前，南海西部打桩最多为4口，本次打桩12口，预留12个井槽，打桩过程中，一是需考虑各井之间的影响，二是需要考虑预留井槽的后续作业。（4）隔水管入泥深，打桩拒锤影响大。如果桩锤的上活塞连续打击10次，而桩下沉少于20mm，即视为拒锤，这种情况下桩管无法锤至设计深度，桩管将不能完全承受上部的井口载荷而导致在施工过程中井口的失稳、下陷等海上复杂事故。
为了保障海上钻井施工的安全，就需要对该地区打桩管入泥深度和稳定性、锤入过程中群桩效应、打桩管偏斜控制等方面开展综合性研究，来进一步减少海上打桩管施工的盲目性和作业风险，降低海上钻井施工成本，为海上工程设计和施工提供安全保证和科学依据。二、国内外海上打桩管打桩作业现状1．渤海海域锦州25-1南油气田A平台[1]
(1)“生活支持平台＋模块钻机”打桩管打桩作业模式。锦州25-1南油气田A平台模块钻机配备完善的吊装设备，如图1-1-1所示。包括：有效高度为47m、最大钩载为6050kN的HJJ450型井架，南北两侧最大钩载为40tf的柴油吊车及主甲板等。生活支持平台为HYSY281，可供人员住宿和动力供应，保证平台正常生产。图1-1-1 “生活支持平台＋模块钻机”打桩管打桩作业模式示意图（2）锦州25-1南油气田A平台共进行12口井打桩作业，选用D80-32筒式柴油打桩锤进行打桩，使用四头螺纹扣型的打桩管，如图1-1-2所示，并通过水下摄像机在平台观察水下打桩管打桩情况。图1-1-2 特殊螺纹打桩管安装示意图2．南海西部海域崖城13-1气田平台[2]“不拆顶驱、快速安装打桩锤”打桩管打桩作业模式。崖城13-1气田从2009年12月到2010年10月先后进行了4口大位移调整井的钻完井作业，其中A10井和A15井表层φ660.4mm打桩管采用模块钻机打桩方式完成。打桩作业选用D62-22柴油打桩锤，主要原因有：（1）D62-22型柴油打桩锤及吊架总质量仅17t，吊装方便，无需拆解分装；（2）柴油锤动力与桩锤于一体，不需要专门的液压站，结构简单；（3）柴油锤尺寸更小，可以实现不拆顶驱直接安装，如图1-1-3所示；（4）柴油锤自带导轨，居中度良好，可最大程度地防斜打直。[3]3．南海深水钻井表层导管水下打桩安装技术研究
南海深水钻井表层导管水下打桩安装技术工艺主要由工作船、液压打桩锤、升沉补偿器、导向基盘、水下机器人、表层导管、绞车和钢电缆等配合完成，如图1-1-4所示。图1-1-3 不拆顶驱打桩锤安装示意图图1-1-4 深水钻井表层导管水下打桩安装技术工艺示意图
其中液压打桩锤安装在导管顶部，由电—液系统控制提供导管打桩锤入所需锤击能量。导向基盘安装在海底泥面上，为导管下入提供扶正力，以保证导管的垂直度，导管安装完成后可回收。升沉补偿器安装在连接工作船与打桩锤的钢电缆上，以补偿工作船因海浪升沉对水下打桩作业的影响。水下机器人主要对打桩过程进行监控，并在打桩作业结束后，解锁打桩锤与导管的连接。导管底部安装有圆锥形的由可钻材料制成的导管鞋，可提高导管的穿透能力，并可避免在导管内形成闭塞。表层导管—打桩锤系统可预先在工作船上连接好，由绞车送入水下，也可先将导管下入水中，再下入打桩锤与导管对接。
深水钻井表层导管水下打桩锤入技术优势在于：导管安装作业可在日费较低的工作船上完成，无需动用日费高的半潜式平台或钻井船，并可实现导管批钻安装，不占用钻机作业时间，具有很强的经济性；导管通过打桩锤入，可减少海底土体的扰动，使导管入泥后能获得充分的地层承载力，提高井口稳定性；水下打桩锤可将导管锤入至泥线以下几百米的地层，防止浅层地质灾害的发生；无需循环钻井液，避免深水浅部地层破裂压力低造成的漏失，无需水泥浆固井，避免深水海底低温对固井质量的影响。4．国外深水表层导管水下打桩安装技术研究
近年来，深水钻井表层导管水下打桩锤入技术已在美国墨西哥湾、巴西坎普斯深水盆地和加拿大东海域等多个海上油气区块得到了成功应用，应用最大水深达1950m，锤入导管及桩基的直径为60.6～1219.2mm，并且该技术已应用到人工举升管汇基盘和浮式平台锚固基础等深水水下桩基的安装作业中。应用实践表明，该技术能有效提高表层导管或水下桩基的安装时效，尤其是在导管或桩基的批量安装施工中效果更明显。导管或桩基安装到位后，稳定性能良好，未出现下沉或井口失稳现象，满足了海上钻井作业的安全性要求。第二节 打桩管打桩设备简介
打桩管打桩设备有打桩锤、电脑监控系统、深穿刺引鞋、替打短节、提升环、柴油机动力源及配套套管钳等。一、打桩锤
打桩锤用桩锤冲击桩头，在冲击瞬间，桩头受到一个很大的力，从而使桩逐步贯入土中。采用打入法的打桩锤主要有以下4种：（1）落锤。
主要特点：使锤自由下落，冲击桩头。这是一种古老的桩工机械，构造简单，使用方便。但贯入能力小，生产力低，对撞的损害较大。
适用范围：轻型以打木桩为主；重型及特重型可打钢筋混凝土桩；除轻型落锤（0.5～0.75t）用人力外，一般均用卷扬机牵引锤施打。（2）柴油锤。
主要特点：其工作原理类似二冲程发动机，是目前使用最广泛的打桩锤，但公害较严重，在我国一些城市的中心地区已禁止使用这类打桩锤。
适用范围：轻型柴油锤宜用于打木桩、钢板桩；重型柴油锤宜用于打钢筋混凝土桩、钢管桩。不适用于在过硬或过软土层中打桩。（3）蒸汽锤。
主要特点：它是以蒸汽或压缩空气为动力的一种最早使用的打桩锤，曾经在柴油锤发展使用后被逐渐淘汰，后因柴油锤公害严重使用受到限制，使蒸汽锤又获得重新使用。
适用范围：适用于打各种桩，且便于打斜桩；如改用压缩空气时，可在水下打桩；可用于拔桩。（4）液压锤。
主要特点：以液压为动力，具有冲击频率高、冲击能量大、公害少等优点。但构造复杂，造价高，使用、维修要求高。
适用范围：适用于各类土层和桩形；具有良好的打斜桩的能力；适用于精度要求高的大型桩基础工程。
柴油打桩锤根据锤击力分为不同型号，例如D62和D80等，见表1-2-1。表1-2-1 柴油打桩锤参数表续表
本次文昌13-6油田整体快速打桩使用的为D80-32型号柴油打桩锤，具体工作参数见表1-2-2，结构如图1-2-1所示。表1-2-2 D80-32打桩锤参数表二、打桩锤工作原理1．喷柴油/压缩空气图1-2-1 D80-32打桩锤结构示意图1—接长缸；2—上汽缸；3—提锤吊钩；4—燃油箱（包括润滑油箱）；5—吊运提耳；6—提锤挡块（两侧）；7—润滑油管；8—高
强度螺栓；9—下碰块；10—润滑油泵；11—燃油管；12—变量燃油泵；13—喷油嘴；14—油泵保护凸缘；15—下汽缸；16—螺塞；17—连接法兰（两半圆形）；18—外缓冲垫（两半圆形）；19—下活塞；20—导向板支座；21—上碰块；22—导向板；23—吸、排气口；24—接缸；25—上活塞；26—阻挡环；27—汽缸套；28—内缓冲垫；29—活塞环；A—起落架；A1—导向块；A2—操作杆；A3—提锤滑块；A4—起动钩；A5—起动杠杆
上活塞落下锤击燃油泵杠杆，使燃油泵将一定量柴油喷至下活塞冲击面。当上活塞继续下落经过吸排气口时，就开始压缩气缸内的空气。逐渐增加的空气压力将下活塞和桩帽紧紧地压在桩头上。2．冲击和爆炸
上活塞头部撞击下活塞，使下活塞冲击面上的柴油雾化飞溅至燃烧室，同时将桩打下，在燃烧室内的油雾与高压空气混合后被点燃爆炸，爆炸力继续将桩往下打，同时将上活塞向上弹起。3．排气
上活塞升离吸、排气口，高温高压废气向外排出，气缸内回复常压。4．扫气
上活塞继续向上升起，使气缸内产生负压，新鲜空气通过吸、排气口被吸入，并彻底将废气扫出，燃油泵的压油杠杆被释放恢复原位，燃油泵重新吸入柴油。打桩锤工作原理如图1-2-2所示。图1-2-2 打桩锤工作原理示意图三、深穿刺引鞋
闭塞效应为开口管桩沉入过程，桩端土一部分被挤向外围，一部分涌入管内形成“闭塞”。闭塞受到管壁摩阻力作用将产生一定压缩，闭塞高度及其闭塞程度与土性、管径、壁厚及进入持力层的深度等诸多因素有关。闭塞程度直接影响端阻发挥与破坏性状及桩的承载力。而深穿刺引鞋与打桩管连接后形成流线型整体结构，有利于打桩管周围土体扩散、有效地减小管鞋闭塞。同时，由于上部管的内外直径与打桩管的内外直径相同，因此有利于桩周土体的扩散，进一步降低了管鞋闭塞的可能性。而椭圆锥形齿是由高硬度合金钢制成，其较高的硬度可以帮助管鞋进入较硬地层。由于采用椭圆锥形的齿，故齿面不含棱角，可有效防止产生应力集中，防止该齿过早破坏，从而延长了使用寿命，并且椭圆锥形的齿可以在管鞋进入地层后较好地排开土体，利于打桩管进一步下入。由于椭圆锥形齿的尖端角度小，故穿刺效果更好。深穿刺引鞋结构图如图1-2-3所示。图1-2-3 深穿刺引鞋结构示意图1—圆管体；2—椭圆锥形齿四、替打短节
替打短节通过定向槽和防转键配合，打桩锤向下锤击时，打桩锤只是轴向运动，没有旋转运动，定向槽限制防转键的位置阻止其周向活动，从而在打桩管下入过程中有效防止打桩管在锤入过程中的自转。替打短节下端的二级阶梯形管脚插入打桩管中，下侧阶梯端面抵接于打桩管内部螺纹下侧的承托环，上侧阶梯的侧面位于螺纹内侧，而阶梯的端面位于打桩管的顶端面，从而对螺纹进行保护，打桩锤击力通过替打短节阶梯台阶面直接作用于打桩管内部的承托环，保护了打桩管螺纹，如图1-2-4所示。图1-2-4 替打短节示意图五、提升环
提升环的锁销总成的防转销，有效控制了打桩管在锤入过程中的螺帽自转，防止螺帽松动导致提升环装置脱落；通过吊耳，便于提升环装置的吊装；通过抬升把手，便于现场提升环装置抬升安装；打桩管自重通过提升环装置传递至吊卡，便于打桩管的提升与上扣，如图1-2-5所示。图1-2-5 提升环示意图[1] 1in＝25.4mm。第二章 文昌13-6油田整体快速打桩技术研究
在不同的海域，由于海况条件的不同，对于钻井隔水导管的入泥深度要求亦不相同。如果钻井隔水导管入泥深度下入过浅，将不能完全承受上部的井口载荷而导致在施工过程中井口的失稳、下陷等海上复杂事故，会造成很大的经济损失。如果隔水导管入泥深度下入过深，会使隔水导管用量过度增加而造成经济上的过多浪费。同时隔水导管入泥过深，存在打桩入泥未达到设计深度，有拒锤的风险。在打桩作业施工过程中，存在管体直线度控制不严格，造成打桩隔水导管过导[5]向槽遇阻问题。
早期对钻井隔水管系统的研究采用二维静力学的分析研究方法，用弹性力学方法来模拟隔水管的变形，这样的分析方法对于浅水钻井中的隔水管具有一定的适用性。但是随着水深的增加，基于二维平面假设的分析方法具有明显的局限性，尤其是对波浪力、海流力等外载的计算都是二维模型，这与深水钻井的实际情况有较大的差异。目前已进行的隔水管系统的研究，还存在以下不完善之处：（1）难以处理三维受力和三维变形的复杂情况；（2）难以处理复杂载荷；（3）难以处理变刚度、变截面隔水管系统；（4）波浪力的分析计算与实际存在较大差异；（5）难以处理复杂的边界约束。深水钻井时，在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，隔水管静态分析的三维有限元力学模型，在分析和研究中，考虑了隔水管在外载作用下的小应变、大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，因而计算结果更加符合实际情况。
2004年，王林、石晓兵和聂荣国等建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型，考虑了隔水管在外载作用下的小应变、大变形和轴向力影响等特点。2001年，西南石油学院周俊昌等建立了海洋深水钻井隔水管三维非线性有限元力学模型，对海洋深水钻井隔水管进行三维静力学分析和三维动力学分析，并对制约海洋深水钻井隔水管施工工业的一些重要因素进行了评价分析。
综合分析，钻井隔水管主要承受的载荷形式有：（1）由隔水管重量造成的重力。（2）由静水力造成的浮力。（3）由稳态的海流速度及波浪中的水质点速度造成的阻力。（4）由振动波浪中的水质点的加速度造成的惯性力。（5）由静水压力造成的外压力。（6）由隔水管柱内钻井液静水压力、纵漂及异常气压造成的内压力。（7）由隔水管柱内的钻杆的间断碰撞所造成的间断力。
隔水管柱的受力极为复杂，分析隔水管的受力主要有两种方法，一种只考虑静态条件，即静态分析方法。另一种是要考虑参数数值随时间而发生变化的动态影响，即动态分析法。本次针对文昌13-6油田科技研究采用动态分析法，对表层隔水导管打桩作业进行以下多项科研：（1）文昌13-6油田浅层地层破裂压力剖面。（2）文昌13-6油田表层不同尺寸钻井隔水导管极限承载力剖面。（3）钻完井条件下文昌13-6油田表层钻井隔水导管入泥深度范围。（4）钻完井条件下文昌13-6油田钻井隔水导管稳性校核。（5）文昌13-6油田钻井隔水导管施工锤击数和贯入度预测。（6）隔水导管锤入时防止管鞋及管端变形的施工措施。（7）文昌13-6油田隔水导管打桩顺序优化。第一节 文昌13-6油田概况
文昌13-6油田位于南海北部大陆架珠江口盆地西部珠三坳陷琼海低凸起东部，距海南文昌市约144km。油田范围为东经112°5′14″～112°8′4″，北纬19°37′30″～19°41′9″（图2-1-1）。整个构造被近东西向的断层分为南、中、北3块。文昌13-6油田单独建立导管架平台进行开发。工程方案采用1个井口平台（图2-1-2），井槽排列为：4（列）×6（行），共24个槽口，本次使用其中12个槽口（图2-1-3）。采用HZJ50/315DB-1模块钻机完成钻完井、修井和调整井作业。图2-1-1 文昌13-6油田地理位置示意图图2-1-2 文昌13-6油田WHPA平台位置图图2-1-3 文昌13-6油田槽口分布图
油田所在海域水深约117m，年平均气温26℃。该区域每年10月至翌年4月受冬季风控制，6—8月为夏季风，5月和9月为季风转换期，冬季盛行东北风，夏季盛行南偏西风。整个南海都具有高温高湿的特点，但由于文昌13-6油田离大陆较近，在冷空气袭击下，气温最低可达13℃。夏季高温、高湿时间长，年平均气温26.8℃，7月气温最高，月平均气温为34.9℃，1月平均气温最低为23.4℃。各月最高相对湿度均可达到或接近100%，平均约80%，最低为50%～60%。第二节 文昌13-6油田浅层地层破裂压力剖面一、海底浅层的破裂压力计算方法
由于打桩管下入的地层，一般是海底土，常常是淤泥、黏土、粉砂及砂泥混层等海底浅层土质，成岩性差，这种地层的破裂强度与深层岩石的破裂压力有着很大的差别。文昌13-6油田海底浅层地层的破裂压力计算方法，可从海底土的土质特性、工程性质等方面着手，开展研究并建立其破裂压力的计算模型。1．海底土的强度计算模型
海底土的抗剪强度可用莫尔—库仑公式表示（图2-2-1、图2-2-2）为：图2-2-1 黏性土莫尔—库仑准则图2-2-2 砂性土莫尔—库仑准则式中 г——海底土的抗剪强度，MPa；σ——施加在土体上的正应力，MPa；c——海底土的内黏聚力，MPa；φ——海底土的内摩擦角，(°)。
莫尔认为材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点破坏。所以当海底土体受到的载荷大于它的抗剪强度时，海底土体就会发生破坏，导致地层破裂。2．浅层地层破裂压力计算模型
当浅层地层所受载荷大于地层的最大抗剪强度时，地层发生破坏，导致地层破裂，引起钻井液漏失，所以地层的破裂压力取值应为最大的地层抗剪强度，即：f式中 p——地层的破裂压力，MPa。
施加在土体上的正应力σ可由式（2-2-4）计算：
则，地层破裂压力梯度为：f3式中 ρ——地层破裂压力梯度，g/cm；土H——海底土的埋藏深度，m；水深H——海底土周围的海水深度，m；井口海拔H——钻井平台的井口海拔高度，m。二、文昌13-6油田浅层地层破裂压力结果
根据文昌13-6油田海底土质柱状图（图2-2-3）及海底土质调查报告可得目标油田浅层地层土质抗剪强度如图2-2-4所示，通过式（2-2-5）可求得文昌13-6油田浅层地层破裂压力，如表2-2-1和图2-2-5所示。表2-2-1 文昌13-6油田浅层地层破裂压力计算结果图2-2-3 文昌13-6井位钻孔柱状图及试验结果图2-2-4 文昌13-6井位浅地层抗剪强度曲线图图2-2-5 文昌13-6油田浅地层破裂压力当量密度曲线图第三节 文昌13-6油田打桩管极限承载力计算一、海底土的极限承载力计算模型
在打桩管打入到海底土中，当海底土对打桩管的阻力等于或超过压导管载荷时，导管贯入就会停止。海底土的性质、附加导管载荷的大小和导管的尺寸是决定导管入泥深度的关键因素。图2-3-1 导管锤入示意图
如图2-3-1，海底土承载能力计算：0式中 q——决定导管入泥的实际承载力，tf；uq——海底的理论承载力，tf；3γ——导管排开土体的浮容重，t/m；D——导管入泥，m。1．黏性土层的极限承载力计算
由Skempton模型可导出：
其中
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]