绥中36-1油田二期隔水导管打桩顺序优化研究

聂宝栋，王 彬，侯辰光，陈 桂

(中海石油(中国)有限公司绥中36-1油田二期调整工程项目组，天津200030)

海上钻井井口布置较密，间距较小，隔水导管在打桩作业时常常因为群桩效应的影响出现作业不顺利或桩倾斜等现象。通过对隔水导管打桩顺序进行优化，不仅可以避免打桩作业中事故的发生，还可以提高作业时效，最终保证海上隔水导管打桩作业顺利进行。

1 隔水导管打桩顺序优化

1.1 群桩效应理论分析

对于隔水导管打入过程来说实际上就是沉桩过程，即沉桩挤土效应。在隔水导管打入过程中，隔水导管管鞋处土的形变类似一球形孔扩张引起的形变。而在除管鞋处和地面附近的绝大部分隔水导管桩身周围地区，土的形变类似一个圆柱形孔扩张引起的形变。可以把隔水导管桩周围土划分为几个性质不同的区域，见图1［1-2］。

A区。强烈重塑区，紧贴隔水导管桩身，在打桩过程中土体发生了大位移，且由于拖曳作用可能导致上下错位，土体完全破坏。

B区。塑性区，受沉桩影响严重，土体发生大位移和塑性变形，但不至于发生上下倒置错位。

C区。弹性区，受沉桩的影响，但土体的变形保持弹性阶段，孔隙水压力和侧压力变化均不大。

D区。该区不受沉桩的影响。

图1 隔水导管桩周土的位移和分区

1.2 群桩效应模拟试验

开展模拟试验确定裙桩效应的影响范围和影响程度，根据相似原理，实物与模型几何尺寸相似比选为10∶1。选用直径50.8 mm，壁厚2.54 mm的钢管作为桩模型，长度为3.5 m。打桩锤选用50 kg重锤，锤落距为1.0 m。

试验选择场地为10 m×10 m×10 m，土体选择3种(砂土、粘土、粘土和砂土互层)，有4个模拟桩位置，见图2。

图2 锤击数模拟试验打桩位置

在4桩的中心位置钻直径150 mm的孔，把两个土应力传感器分别置于1 m和3 m深的位置，把传感器压力面正对1#和3#桩两个方向安放，采用原土回填并等待一段时间，使土恢复原状，然后按1#到4#的顺序进行打桩锤击数测试，试验数据统计见图3。

图3 打桩锤击数模拟试验数据统计

可以看出随着深度的增加，贯入度逐渐减小，并且3#和4#桩的锤击数明显增加，说明在1#和2#桩打入后对土体扰动十分明显，砂土增加更为明显，锤击数增长约100%;从连接曲线的斜率可以看出，随着周边桩的打入数量的增加，打入下一根桩所需锤击数增长明显。

为了研究群桩对周围土应力场的影响，设计不同桩间距的打桩试验，间距分别为0.10 m、0.20 m、0.30 m和0.50 m，见图4。

图4 群桩应力场模拟试验打桩位置

对试验中2.5 m深度的应力传感器数据进行分析，数据统计见图5，由于群桩效应的影响，土应力增加了14.6%～51.8%;从连接曲线的斜率可以看出，随着桩距较小，应力增长更加明显。当间距与模拟管直径之比小于3时，群桩作用十分显著，打入最后的模拟管后土应力增加了51.8%;当间距与模拟管直径之比大于6时，群桩作用相对较弱，打入最后的模拟管后土应力增加了14.6%。

1.3 打桩顺序优化

图5 群桩应力场模拟试验数据统计

在制定隔水导管打入顺序时，一定要考虑群桩效应的影响，即考虑先前打入的隔水导管对周围土的影响，确定好群桩效应影响的塑性区半径。同时又要考虑作业的时间差，尽量使群桩效应引起的增加应力得到进一步消散［3-5］。

一般对于桩间距大于塑性区半径的桩打入施工来说，应采用由一侧向单一方向打，这样打桩机能够单向移动，桩的就位与起吊均很方便，打桩效率比较高。但对于桩间距小于塑性区半径的桩打入施工来说，采用这种打桩顺序，它会使土壤向一个方向挤压，导致土壤挤压不均匀，易引起海底土的不均匀沉降。为了避免土壤的挤压而使隔水导管桩产生倾斜或浮桩现象，最好采用自中间向四周边缘打，同时结合井槽的布置情况，综合分析得出最佳打桩顺序路径。

2 打桩顺序优化的实地应用

2.1 打桩顺序优化结果

在隔水导管周围一定范围的土体进入塑性状态，桩孔周围存在有塑性区边界半径Rp。在Rp范围之内，打桩之后土体受打桩影响较大，而在Rp范围之外，土体仍处于弹性状态。通过室内模拟试验研究，发现渤海海域海底土的塑性区半径为隔水导管桩直径的6倍左右。

渤中36-1油田二期工程采用直径610 mm、壁厚25.4 mm隔水导管进行作业，隔水导管间距为2 m×1.8 m，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。为了降低裙桩效应影响，采用隔水导管打桩顺序优化研究成果，对绥中36-1油田二期某平台打桩顺序进行优化，见图6。

2.2 现场应用效果评价

在该平台隔水导管施工过程中记录了每口井的隔水导管锤击数和总能量，见表1。

图6 绥中36-1油田二期某平台打桩优化顺序

表1 隔水导管锤击数和总能量

由表1可见，锤击数位于935～1 121锤之间，从分布规律分析锤击数呈线性增长，斜率为3.8，截距为934.9;能量位于164 205～196 871 kJ之间，分布规律也近似线性关系，斜率为681.9，截距为164 190。从数据结果分析可以看出，优化的隔水导管打桩顺序较好地控制了打桩作业中所需的锤击次数和锤击能量，有效降低了裙桩效应的影响，对现场的隔水导管打桩作业顺利完成提供了支撑。

3 结论

1)通过群桩效应理论的研究，结合室内模拟试验研究，确定了裙桩效应的影响范围，3倍桩径范围内裙桩效应十分明显，6倍桩径范围外裙桩效应较弱。

2)根据理论及试验研究提出了隔水导管打桩顺序优化的研究方法。

3)针对绥中36-1油田二期工程，采用建立的优化方法，得出了该油田某平台隔水导管打桩优化顺序。

4)根据优化后的打桩顺序进行了现场隔水导管打桩作业，通过项目组合理的施工作业管理程序降低了作业风险，保证了作业安全，同时现场结果表明，优化后的打桩顺序有效降低了裙桩效应的影响，保证了现场打桩作业的顺利进行。

［1］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.

［2］彭苏萍，杨 进，周健良，等.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.

［3］王平双，周健康，刘书杰，等.群桩作用下钻井隔水导管入泥深度计算方法研究［J］.中国海上油气，2007，19(3):184-187.

［4］龚维明，蒋永生，穆保岗，等.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.

［5］吴 怡，杨 进，魏 倩.导管架平台隔水导管打桩优化设计研究［J］.船海工程，2012，41(5):170-172.