主樁加輔樁導(dǎo)管架在渤海的應(yīng)用研究

劉 勇 李景福

（中海石油（中國）有限公司）

主樁加輔樁導(dǎo)管架在渤海的應(yīng)用研究

劉 勇 李景福

（中海石油（中國）有限公司）

通過對導(dǎo)管架樁基方案和打樁拒錘風(fēng)險的研究，提出了主樁加輔樁相結(jié)合的樁基設(shè)計(jì)方案，并在渤海錦州25－1南WHPA平臺得到了成功應(yīng)用。在大型平臺導(dǎo)管架的樁基設(shè)計(jì)和施工中，采用主樁加輔樁導(dǎo)管架不僅可以有效回避工程地質(zhì)風(fēng)險，而且可以降低成本，縮短工期，為今后其他類似油田的導(dǎo)管架設(shè)計(jì)提供了新思路。

主樁加輔樁導(dǎo)管架 渤海 打樁拒錘

隨著海洋石油開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，油田開發(fā)日益朝著大型化和綜合化發(fā)展，這就對中心平臺和樞紐平臺提出了更多的功能需求，因而平臺的尺寸和重量大幅增加。重量不斷增加的上部結(jié)構(gòu)，對下部導(dǎo)管架的樁基承載能力提出了更高的要求。隨著鋼樁入泥深度的不斷增加，海上安裝過程中發(fā)生拒錘的風(fēng)險也隨之增加。

按照傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，對于渤海錦州25－1南WHPA平臺這樣的淺水導(dǎo)管架通常采用6腿6樁的結(jié)構(gòu)形式，通過地質(zhì)校核，鋼樁入泥深度設(shè)計(jì)為110 m。由于渤海地質(zhì)情況特殊，鋼樁入泥深度超過90m時極易發(fā)生拒錘現(xiàn)象（此前已有兩個項(xiàng)目發(fā)生拒錘）。為了有效回避拒錘風(fēng)險，對打樁拒錘風(fēng)險進(jìn)行了深入研究，提出了水下主樁加輔樁相結(jié)合的樁基設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)方案是可行的，而且降低了成本，縮短了工期。

1 錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導(dǎo)管架設(shè)計(jì)研究

1.1 工程背景

錦州25－1南油氣田位于渤海遼東灣海域，東北距錦州20－2凝析氣田（中北平臺）約40.2 km，西南距綏中36－1油田（中心處理平臺）約37.3 km。油氣田范圍內(nèi)水深22.7～24.6 m，遼東灣海域冬季有海冰覆蓋。

整個油田包括2座井口平臺，WHPA和WH－PB平臺，WHPA平臺旁邊建有一座中心處理平臺CEP，與WHPA平臺棧橋連接。WHPA平臺ODP設(shè)計(jì)為6腿6樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，腿柱垂直。WHPA平臺和WHPB平臺軸間距設(shè)計(jì)為40m。平臺甲板結(jié)構(gòu)采用由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架，分為上層甲板、中層甲板、工作甲板等3層，并設(shè)有48個井槽。平臺上層甲板設(shè)有鉆機(jī)模塊，該平臺具有鉆井、采油、注水等功能，電力和生活設(shè)施由通過棧橋與之相連的CEP平臺提供。

1.2 拒錘風(fēng)險研究

錦州25－1南WHPA平臺ODP設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)的6腿6樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，鋼樁與上部模塊相連，上部載荷直接分布到6根鋼樁上。當(dāng)操作載荷安全系數(shù)取2.0時，承擔(dān)載荷最多的一根鋼樁要承受802 t的縱向載荷，鋼樁直徑為2.1 m，入泥深度為110 m。

根據(jù)ODP設(shè)計(jì)結(jié)果以及平臺的地質(zhì)資料，采用GRLWEAP軟件，以3種打樁錘（MHU800樁錘90%錘效、MHU1200樁錘67%錘效、MHU1900樁錘80%錘效）分6種工況對樁進(jìn)行了可打入性分析。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼樁樁端貫入土層約75～100 m時，會遇到較大的打樁阻力。如果在此深度出現(xiàn)較長時間的打樁延時，則極有可能會因樁內(nèi)形成土塞而致使樁在打入至設(shè)計(jì)入泥深度之前發(fā)生拒錘，拒錘風(fēng)險較大。此前實(shí)際施工中已有2座平臺發(fā)生了拒錘現(xiàn)象，一是南堡35－2WHPB平臺鋼樁入泥89 m時發(fā)生拒錘，二是蓬萊19－3導(dǎo)管架鋼樁入泥76 m時也發(fā)生拒錘。通過橫向?qū)Ρ绕渌l(fā)生過拒錘事件的油田的地質(zhì)資料，認(rèn)為錦州25－1南WHPA平臺拒錘風(fēng)險很大。

1.3 主樁加輔樁導(dǎo)管架方案研究

1.3.1 主樁加輔樁導(dǎo)管架設(shè)計(jì)

為有效回避拒錘風(fēng)險，須對原有樁基設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，減小鋼樁入泥深度。由于鋼樁入泥深度的減小會使鋼樁的單樁承載能力降低，因此必須考慮增加鋼樁的數(shù)量來彌補(bǔ)單樁承載力減小的損失。如果簡單地把導(dǎo)管架設(shè)計(jì)為8腿8樁的結(jié)構(gòu)形式，這樣雖然可以滿足設(shè)計(jì)要求，但由于導(dǎo)管架和組塊各增加了2條樁腿，會增加近三分之一的平臺鋼材用量，工程費(fèi)用將大幅增加。通過反復(fù)論證，樁基方案設(shè)計(jì)借鑒深水導(dǎo)管架的樁基設(shè)計(jì)形式，為導(dǎo)管架增加水下輔樁來分擔(dān)上部載荷。

分析錦州25－1南油田鉆探地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，在入泥52～64 m以及67～77 m之間分別有9 m和10 m厚的砂層，承載力良好，十分適宜作為樁基著力地層。為了能夠有效利用這一地層條件，在水下樁基設(shè)計(jì)方案中將主樁的入泥深度設(shè)計(jì)為70 m，同時在導(dǎo)管架的四周各增加1根水下輔樁，輔樁入泥深度為60 m。這樣原來的6腿6樁導(dǎo)管架就演變?yōu)?腿6主樁加4輔樁導(dǎo)管架（簡稱主樁加輔樁導(dǎo)管架），其模型見圖1。

圖1 錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導(dǎo)管架模型

新增加的4根水下輔樁有效分擔(dān)了主樁的承載力，主樁的單樁最大承載力降低到431 t，輔樁最大單樁承載力為353 t。通過對比樁極限承載力曲線，輔樁入泥60 m、主樁入泥70 m時樁基承載力完全滿足樁基設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 主、輔樁與導(dǎo)管架的連接

由于輔樁不與上部組塊直接相連，上部載荷必須通過主樁傳遞到導(dǎo)管架再由導(dǎo)管架傳遞到4根輔樁上。因此設(shè)計(jì)了4個輔樁套筒，套筒套在輔樁上，套筒通過水平連接桿和斜連接桿分別與導(dǎo)管架的底層和中層相連，這樣輔樁通過套筒與導(dǎo)管架形成一個整體，可以有效分擔(dān)上部載荷，套筒連接結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 錦州25－1南WHPA平臺輔樁套筒連接結(jié)構(gòu)

輔樁和主樁打入后，主樁通過安裝皇冠板和灌漿與導(dǎo)管架連接，輔樁通過灌漿與輔樁套筒連接，這樣輔樁、主樁和導(dǎo)管架就成為了一個整體。由于導(dǎo)管架位于遼東灣，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時本身就考慮了抗冰要求，因而導(dǎo)管架自身強(qiáng)度較高，不需要再次加強(qiáng)即可滿足有效傳遞載荷的要求。因此輔樁方案中只需要單獨(dú)設(shè)計(jì)4個輔樁套筒即可，同時由于輔樁與主樁的相對位置固定，水下輔樁插樁時參照主樁位置即可順利插入，不需要水下ROV視頻監(jiān)視。

完成導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)后，采用SACS程序進(jìn)行了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分析，對主結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了名義應(yīng)力校核，連接桿件強(qiáng)度滿足整體強(qiáng)度要求，構(gòu)件實(shí)際承擔(dān)的應(yīng)力與可承擔(dān)的最大應(yīng)力比小于1.0。

1.3.3 主、輔樁可打入性分析

對主、輔樁分6種工況進(jìn)行了可打入性分析。分析中打樁錘分別采用MHU800和MHU1900樁錘，錘效為90%，分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，主、輔樁均可以順利打至設(shè)計(jì)深度。

表1 錦州25－1南WHPA平臺主、輔樁可打入性分析

1.3.4 經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，主樁加輔樁方案與6腿6樁方案對比，導(dǎo)管架重量增加了173 t，但主樁重量減少了478 t，施工輔助材料重量相同。輔樁重量為647 t，這樣，導(dǎo)管架整體總用鋼量增加了342 t。雖然主樁加輔樁方案比6腿6樁方案的鋼材用量有所增加，但是鋼材用量僅增加了約1/10，與8腿8樁方案增加用鋼量1/3相比，可節(jié)能大量鋼材。

2 主樁加輔樁導(dǎo)管架方案的實(shí)施

采用主樁加輔樁導(dǎo)管架設(shè)計(jì)方案，錦州25－1南WHPA平臺僅用16天就完成了導(dǎo)管架的海上安裝，費(fèi)用控制在預(yù)算范圍內(nèi)。主樁加輔樁方案由于主樁入泥深度減少，主樁的接長方案由原來的3節(jié)調(diào)整為2節(jié)，主樁接樁焊接、檢驗(yàn)的工作量減少一半；輔樁是水下樁不需要接樁，直接錘入即可，因此主樁加輔樁方案比6腿6樁方案海上安裝時間節(jié)約了3天左右；因?yàn)椴淮嬖诰苠N風(fēng)險也不需要備用打樁錘，因而海上安裝費(fèi)用更加經(jīng)濟(jì)。自2009年4月1日完成海上安裝至今，采用主樁加輔樁結(jié)構(gòu)的錦州25－1南WHPA平臺已經(jīng)在海上安全使用了2年多，期間安全經(jīng)歷了2010年渤海罕見冰情的考驗(yàn)。

3 結(jié)束語

鑒于渤海的地質(zhì)狀況，通過對錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導(dǎo)管架方案的研究、設(shè)計(jì)及其成功實(shí)施，建議在渤海進(jìn)行導(dǎo)管架樁基設(shè)計(jì)時，充分考慮輔樁樁基形式，有效回避工程地質(zhì)風(fēng)險，從而降低工程投資，提高海上施工效率，節(jié)約施工工期。

Research and application of main and auxiliary pile foundation jacket in Bohai Sea

Liu Yong Li Jingfu
（CNOOC Ltd.，Tianjin，300452）

Through the researches on jacket foundation and pile driving resistance，this article puts forward a proposal for pile foundation design－main and auxiliary pile combine foundation design.This method has been used successfully on JZ25－1S WHPA jacket.During pile foundation design and construction of large platform’s jacket，this method not only can avoid engineering geology risk but also can shorten construction period and reduce cost as well.This article offered a new consideration for jacket design for similar oilfield in the future.

main and auxiliary pile combined foundation；Bohai Sea；pile driving resistance

劉勇，男，工程師，1994畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系，主要從事海洋工程項(xiàng)目管理工作。地址：天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號（郵編：300452）。E－mail：liuyong3＠cnooc.com.cn。

2010－11－29改回日期：2011－01－17

（編輯：葉秋敏）