导管架平台隔水导管打桩优化设计研究

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(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院,北京 102249；2.中海油深圳分公司,深圳 518067；3.中海油研究总院,北京 100027)

陆丰13-2油田位于中国南海珠江口盆地陆丰08区块西端。该油田距香港东南的距离约210 km，所在海域水深约132.3 m。油田开发采用8腿导管架钻采平台，设置16个井槽(4×4)，6层导向槽，隔水导管打桩作业可一次性锤入直径609.6 mm(24 in)的隔水导管。由于井槽间距仅有2.286 m，并且平台所处位置水深较深，设置导向槽层数较多，上部地层较软，这些都会使得隔水导管打桩作业防斜、整体作业过程更加难以控制。

1 陆丰13-2井位土质分层及特性

在该平台场址完成1个直径140 m取样孔，获得土层地质情况见表1。

海底调查结果表明,陆丰13-2平台区各平台场址海底浅层土质状况对比较好，土层分布基本一致，局部层厚和粘性土设计不排水抗剪强度稍有变化，为打桩作业提供了一个较好的场地。

2 打桩设备选用与作业顺序优化

2.1 打桩设备选用

打桩锤的选用需要考虑的因素很多：①保证隔水导管竖向承载力；②能基本顺利地将隔水导管下到设计深度；③打桩破损率控制在1%左右；④满足设计深度要求后，最后0.25 m贯入量锤击数最好控制在125～200次之间；⑤每口井槽隔水导管打桩作业锤击总数应控制在2 000次以内，最好不超过2 500次[1-2]。

表1 各层土土质参数表

符合以上条件，再加上柴油打桩锤集动力与桩锤于一体，无需外置动力，机架轻，移动便利，打桩快等优点，推荐打桩锤选用D80-32型、D62-22型。使用D80-32型打桩锤，控制在3档就能完成打桩作业；D62-22型需要到4档才能完成打桩作业。由于档位越高，打桩锤能量控制难度越大，通过优化设计研究最终推荐陆丰13-2油田的9口井槽609.6 mm(24 in)隔水导管均采用D80-32打桩锤进行打桩作业。

所有的打桩作业过程均采用Pile driving monitor监视器进行数据采集。该监视器主要记录每次打桩平均能量、当前深度和打桩时间、当前打桩次数等。并且采用监视器可随时监控锤击能量，防止高值反弹应力，从而避免损坏套管和丝扣。

2.2 打桩作业顺序优化

由于陆丰13-2油田目前采用的隔水导管间距为2.286 m×2.286 m，隔水导管直径为24 in，相邻两个隔水导管位置处于塑性区范围内，所以在隔水导管打入过程中群桩效应作用比较明显。为了使隔水导管打入施工顺利实施，最好由中间向四周边缘打，这样有利于避免发生土壤挤压而使隔水导管桩产生倾斜或浮桩现象[3-6]。

同时考虑到现场打桩设备的移动，为进一步提高打桩效率，确定如下打桩施工顺序(按槽口号)：S10→S6→S14→S11→S7→S15→S13→S12→S16，见图1。

3 现场打桩数据分析与评价

通过对监视器数据进行分析处理，整理出隔水导管每贯入0.25 m所需锤击数与入泥深度的关系，并对比由中国石油大学(北京)研发的海上打桩贯入度计算软件所分析的预测结果，见图2。其它打桩作业参数统计见表2。

图1 打桩作业顺序示意

图2 隔水导管每入泥0.25 m所需锤击数与入泥深度关系

表2 打桩作业参数统计

分析数据可得出，9口井槽隔水导管入泥深度在76.8～78.0 m之间，隔水导管依靠自重下入到约40.0 m。在入泥深度在75.5 m之前打桩锤数变化均匀，大致成线性增加趋势；在入泥深度超过75.5 m之后，锤击数瞬时增加。综合分析土质资料，在入泥超过75.5 m后，隔水导管进入到非常密实的细到中砂和粉质细到中砂层。隔水导管在密实的砂层中桩侧摩擦力急剧增加，因而使得打相同贯入量所需要的击锤数大大增加，这就是隔水导管在入泥75.5 m后锤击数增加的原因。现场打桩作业贯入度曲线与隔水导管打桩优化设计中的预测曲线基本一致，说明海上打桩贯入度计算软件具有较准确的预测能力。

根据中国石油大学(北京)所完成的《陆丰13-2油田隔水导管打桩深度重新校核研究成果报告》，井口载荷为1 912.95 kN，考虑群桩效应影响，结合土质性质，陆丰13-2油田隔水导管最小入泥深度为73 m。同时综合工程现场打桩作业时隔水导管的反弹反应，最终决定何时停止打桩作业。9口井槽隔水导管最后0.25 m贯入量，锤击数位于136～187次之间，符合预先设计要求。

打桩锤能量均值控制在83.3～89.4 kJ之间，标准差在12.9～19.6 kJ之间；由于打桩作业过程中需要接隔水导管单根，故需暂停打桩作业，且打桩作业平均间断时间354～552 s之间，标准差在15.1～19.3 s之间，打桩过程控制较好。

根据群桩效应理论分析，井槽S11、S7、S15隔水导管打桩作业应该受到影响最大。分析现场打桩数据，这三口井槽隔水导管打桩作业总锤击数都相比其它6口井槽隔水导管打桩作业增加较多，从而验证了隔水导管打桩作业考虑群桩效应的必要性。从打桩整体作业上看，打桩作业时间从2.3 h逐渐降低到2.0 h，说明打桩作业磨合较好，打桩作业整个过程较为顺利，也间接说明了隔水导管打桩作业顺序设计合理。

4 结论

1)对于导管架平台隔水导管的打桩作业，开展隔水导管打桩优化设计研究很有必要，可以较好地指导现场打桩作业，同时也为打桩作业顺利进行提供保障。

2)考虑群桩效应和现场打桩设备移动，推荐陆丰13-2油田打桩作业顺序，现场作业实际打桩结果表明推荐的打桩顺序十分合理。

3)通过对陆丰13-2油田打桩作业过程的综合分析和评价，得出隔水导管进入密实砂层后相同贯入度情况下锤击数会出现瞬时增加；较均匀打桩锤的锤击能量和少而均匀的作业间断时间，能够取得较好的打桩效果。

[1] 林明华，项 霞.打桩锤击次数的时域识别[J].测绘工程，2008，17(3):6-9.

[2] 闫澍旺，张锡治.海洋石油平台桩基拒锤现象[J].天津大学学报，2007，40(11):1271-1275.

[3] 杨 进，彭苏萍.群桩条件下桩土相互作用实验研究[J].岩土力学，2004，25(2):312-315.

[4] 彭苏萍，杨 进.群桩作用下隔水导管可打性试验[J].石油钻采工艺，2002，24(5):8-10.

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[6] 龚维明，蒋永生.某海洋平台钢管桩可打性分析[J].岩土工程学报，2000，22(2):227-230.