深海井口吸力桩侧向承载特性研究与工程应用

针对深水钻井中井口吸力桩(WSP)侧向稳定性不足的问题，研究人员通过三维弹塑性有限元分析(3D FEA)和极限平衡法，系统研究了高径比、外露高度等结构参数对承载力的影响，提出修正系数的简化计算方法。该研究为南海深水区块吸力桩井口模式的设计提供了理论支撑，对提升深海能源开发效率具有重要意义。

　　

随着陆地矿产资源逐渐枯竭，蕴藏着石油、天然气和天然气水合物等战略资源的深海成为能源开发新战场。然而深水钻探面临巨大挑战：海底浅层土壤松软，传统液压喷射安装的表面导管存在稳定性差、作业效率低等问题，易导致井口晃动甚至损坏。为此，工程界提出井口吸力桩(Wellhead Suction Pile, WSP)这一新型基础结构——其顶部封闭、底部开放的薄壁圆筒设计，通过负压沉贯技术嵌入海床，为水下井口提供支撑。尽管WSP在南海第二次天然气水合物试采中已成功应用，但其侧向承载特性仍缺乏系统研究，现有桩-土理论因WSP的大直径效应和双层管结构特征而适用性受限。

中国石油大学(北京)的Yang Jin团队联合中海油工程师，在《Ocean Engineering》发表研究，通过三维小应变有限元分析(SSFE)结合极限平衡法，首次揭示了WSP在南海深水土壤条件下的失稳模式与关键参数影响规律。研究采用ABAQUS 2020建立三维模型，基于南海某深水区块土体参数开展弹塑性分析，重点考察高径比、导管外露高度等结构参数对侧向承载力的影响，并通过引入修正系数提出简化计算公式。

数值建模
通过有限元软件建立WSP-土壤相互作用模型，采用小应变假设模拟实际工况下的结构响应。

结果与讨论
有限元分析表明，WSP的失稳模式以旋转为主，侧移为辅。力矩荷载下的倾覆效应显著强于纯侧向荷载。参数敏感性分析显示：

1. 高径比增大可提升抗倾覆能力，但超过临界值后增益递减；
2. 外露高度增加会显著降低稳定性，其影响程度是导管延伸高度的2.3倍；
3. 基于极限平衡法推导的力矩承载力公式，经FEA结果修正系数后，计算误差控制在±8%以内。

结论
该研究明确了WSP侧向稳定性的主导因素（高径比和外露高度），提出的简化算法为南海深水钻井工程提供了快速验证工具。其创新性体现在：

1. 突破传统桩-土理论局限，建立适用于WSP双层结构的承载力模型；
2. 通过系数修正实现理论公式与数值模拟的协同优化；
3. 为南海深水区块的WSP设计提供标准化计算框架。

研究团队特别指出，当前成果仍需通过现场试验验证，未来应结合更多土壤类型开展参数化研究。该工作标志着WSP研究从工程实践向理论探索的关键转型，对推动深水钻井技术创新具有重要工程价值。