綏中36-1油田二期隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化研究

聶寶棟，王 彬，侯辰光，陳 桂

(中海石油(中國)有限公司綏中36-1油田二期調(diào)整工程項(xiàng)目組，天津200030)

海上鉆井井口布置較密，間距較小，隔水導(dǎo)管在打樁作業(yè)時(shí)常常因?yàn)槿簶缎?yīng)的影響出現(xiàn)作業(yè)不順利或樁傾斜等現(xiàn)象。通過對(duì)隔水導(dǎo)管打樁順序進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以避免打樁作業(yè)中事故的發(fā)生，還可以提高作業(yè)時(shí)效，最終保證海上隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)順利進(jìn)行。

1 隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化

1.1 群樁效應(yīng)理論分析

對(duì)于隔水導(dǎo)管打入過程來說實(shí)際上就是沉樁過程，即沉樁擠土效應(yīng)。在隔水導(dǎo)管打入過程中，隔水導(dǎo)管管鞋處土的形變類似一球形孔擴(kuò)張引起的形變。而在除管鞋處和地面附近的絕大部分隔水導(dǎo)管樁身周圍地區(qū)，土的形變類似一個(gè)圓柱形孔擴(kuò)張引起的形變?？梢园迅羲畬?dǎo)管樁周圍土劃分為幾個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域，見圖1［1-2］。

A區(qū)。強(qiáng)烈重塑區(qū)，緊貼隔水導(dǎo)管樁身，在打樁過程中土體發(fā)生了大位移，且由于拖曳作用可能導(dǎo)致上下錯(cuò)位，土體完全破壞。

B區(qū)。塑性區(qū)，受沉樁影響嚴(yán)重，土體發(fā)生大位移和塑性變形，但不至于發(fā)生上下倒置錯(cuò)位。

C區(qū)。彈性區(qū)，受沉樁的影響，但土體的變形保持彈性階段，孔隙水壓力和側(cè)壓力變化均不大。

D區(qū)。該區(qū)不受沉樁的影響。

圖1 隔水導(dǎo)管樁周土的位移和分區(qū)

1.2 群樁效應(yīng)模擬試驗(yàn)

開展模擬試驗(yàn)確定裙樁效應(yīng)的影響范圍和影響程度，根據(jù)相似原理，實(shí)物與模型幾何尺寸相似比選為10∶1。選用直徑50.8 mm，壁厚2.54 mm的鋼管作為樁模型，長(zhǎng)度為3.5 m。打樁錘選用50 kg重錘，錘落距為1.0 m。

試驗(yàn)選擇場(chǎng)地為10 m×10 m×10 m，土體選擇3種(砂土、粘土、粘土和砂土互層)，有4個(gè)模擬樁位置，見圖2。

圖2 錘擊數(shù)模擬試驗(yàn)打樁位置

在4樁的中心位置鉆直徑150 mm的孔，把兩個(gè)土應(yīng)力傳感器分別置于1 m和3 m深的位置，把傳感器壓力面正對(duì)1#和3#樁兩個(gè)方向安放，采用原土回填并等待一段時(shí)間，使土恢復(fù)原狀，然后按1#到4#的順序進(jìn)行打樁錘擊數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖3。

圖3 打樁錘擊數(shù)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

可以看出隨著深度的增加，貫入度逐漸減小，并且3#和4#樁的錘擊數(shù)明顯增加，說明在1#和2#樁打入后對(duì)土體擾動(dòng)十分明顯，砂土增加更為明顯，錘擊數(shù)增長(zhǎng)約100%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著周邊樁的打入數(shù)量的增加，打入下一根樁所需錘擊數(shù)增長(zhǎng)明顯。

為了研究群樁對(duì)周圍土應(yīng)力場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)不同樁間距的打樁試驗(yàn)，間距分別為0.10 m、0.20 m、0.30 m和0.50 m，見圖4。

圖4 群樁應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)打樁位置

對(duì)試驗(yàn)中2.5 m深度的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖5，由于群樁效應(yīng)的影響，土應(yīng)力增加了14.6%～51.8%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著樁距較小，應(yīng)力增長(zhǎng)更加明顯。當(dāng)間距與模擬管直徑之比小于3時(shí)，群樁作用十分顯著，打入最后的模擬管后土應(yīng)力增加了51.8%;當(dāng)間距與模擬管直徑之比大于6時(shí)，群樁作用相對(duì)較弱，打入最后的模擬管后土應(yīng)力增加了14.6%。

1.3 打樁順序優(yōu)化

圖5 群樁應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在制定隔水導(dǎo)管打入順序時(shí)，一定要考慮群樁效應(yīng)的影響，即考慮先前打入的隔水導(dǎo)管對(duì)周圍土的影響，確定好群樁效應(yīng)影響的塑性區(qū)半徑。同時(shí)又要考慮作業(yè)的時(shí)間差，盡量使群樁效應(yīng)引起的增加應(yīng)力得到進(jìn)一步消散［3-5］。

一般對(duì)于樁間距大于塑性區(qū)半徑的樁打入施工來說，應(yīng)采用由一側(cè)向單一方向打，這樣打樁機(jī)能夠單向移動(dòng)，樁的就位與起吊均很方便，打樁效率比較高。但對(duì)于樁間距小于塑性區(qū)半徑的樁打入施工來說，采用這種打樁順序，它會(huì)使土壤向一個(gè)方向擠壓，導(dǎo)致土壤擠壓不均勻，易引起海底土的不均勻沉降。為了避免土壤的擠壓而使隔水導(dǎo)管樁產(chǎn)生傾斜或浮樁現(xiàn)象，最好采用自中間向四周邊緣打，同時(shí)結(jié)合井槽的布置情況，綜合分析得出最佳打樁順序路徑。

2 打樁順序優(yōu)化的實(shí)地應(yīng)用

2.1 打樁順序優(yōu)化結(jié)果

在隔水導(dǎo)管周圍一定范圍的土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，樁孔周圍存在有塑性區(qū)邊界半徑Rp。在Rp范圍之內(nèi)，打樁之后土體受打樁影響較大，而在Rp范圍之外，土體仍處于彈性狀態(tài)。通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)渤海海域海底土的塑性區(qū)半徑為隔水導(dǎo)管樁直徑的6倍左右。

渤中36-1油田二期工程采用直徑610 mm、壁厚25.4 mm隔水導(dǎo)管進(jìn)行作業(yè)，隔水導(dǎo)管間距為2 m×1.8 m，相鄰兩個(gè)隔水導(dǎo)管位置處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，所以在隔水導(dǎo)管打入過程中群樁效應(yīng)作用比較明顯。為了降低裙樁效應(yīng)影響，采用隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化研究成果，對(duì)綏中36-1油田二期某平臺(tái)打樁順序進(jìn)行優(yōu)化，見圖6。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在該平臺(tái)隔水導(dǎo)管施工過程中記錄了每口井的隔水導(dǎo)管錘擊數(shù)和總能量，見表1。

圖6 綏中36-1油田二期某平臺(tái)打樁優(yōu)化順序

表1 隔水導(dǎo)管錘擊數(shù)和總能量

由表1可見，錘擊數(shù)位于935～1 121錘之間，從分布規(guī)律分析錘擊數(shù)呈線性增長(zhǎng)，斜率為3.8，截距為934.9;能量位于164 205～196 871 kJ之間，分布規(guī)律也近似線性關(guān)系，斜率為681.9，截距為164 190。從數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，優(yōu)化的隔水導(dǎo)管打樁順序較好地控制了打樁作業(yè)中所需的錘擊次數(shù)和錘擊能量，有效降低了裙樁效應(yīng)的影響，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)順利完成提供了支撐。

3 結(jié)論

1)通過群樁效應(yīng)理論的研究，結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，確定了裙樁效應(yīng)的影響范圍，3倍樁徑范圍內(nèi)裙樁效應(yīng)十分明顯，6倍樁徑范圍外裙樁效應(yīng)較弱。

2)根據(jù)理論及試驗(yàn)研究提出了隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化的研究方法。

3)針對(duì)綏中36-1油田二期工程，采用建立的優(yōu)化方法，得出了該油田某平臺(tái)隔水導(dǎo)管打樁優(yōu)化順序。

4)根據(jù)優(yōu)化后的打樁順序進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)，通過項(xiàng)目組合理的施工作業(yè)管理程序降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保證了作業(yè)安全，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，優(yōu)化后的打樁順序有效降低了裙樁效應(yīng)的影響，保證了現(xiàn)場(chǎng)打樁作業(yè)的順利進(jìn)行。

［1］楊 進(jìn)，彭蘇萍.群樁條件下樁土相互作用實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(2):312-315.

［2］彭蘇萍，楊 進(jìn)，周健良，等.群樁作用下隔水導(dǎo)管可打性試驗(yàn)［J］.石油鉆采工藝，2002，24(5):8-10.

［3］王平雙，周健康，劉書杰，等.群樁作用下鉆井隔水導(dǎo)管入泥深度計(jì)算方法研究［J］.中國海上油氣，2007，19(3):184-187.

［4］龔維明，蔣永生，穆保崗，等.某海洋平臺(tái)鋼管樁可打性分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(2):227-230.

［5］吳 怡，楊 進(jìn)，魏 倩.導(dǎo)管架平臺(tái)隔水導(dǎo)管打樁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.船海工程，2012，41(5):170-172.