主樁加輔樁導管架在渤海的應用研究

劉 勇 李景福

（中海石油（中國）有限公司）

主樁加輔樁導管架在渤海的應用研究

劉 勇 李景福

（中海石油（中國）有限公司）

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

主樁加輔樁導管架 渤海 打樁拒錘

隨著海洋石油開發技術的不斷進步，油田開發日益朝著大型化和綜合化發展，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構，對下部導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，海上安裝過程中發生拒錘的風險也隨之增加。

按照傳統的工程結構設計思路，對于渤海錦州25－1南WHPA平臺這樣的淺水導管架通常采用6腿6樁的結構形式，通過地質校核，鋼樁入泥深度設計為110 m。由于渤海地質情況特殊，鋼樁入泥深度超過90m時極易發生拒錘現象（此前已有兩個項目發生拒錘）。為了有效回避拒錘風險，對打樁拒錘風險進行了深入研究，提出了水下主樁加輔樁相結合的樁基設計方案。實踐證明此設計方案是可行的，而且降低了成本，縮短了工期。

1 錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導管架設計研究

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設計為6腿6樁導管架結構，腿柱垂直。WHPA平臺和WHPB平臺軸間距設計為40m。平臺甲板結構采用由梁柱板和斜撐構成的空間剛架，分為上層甲板、中層甲板、工作甲板等3層，并設有48個井槽。平臺上層甲板設有鉆機模塊，該平臺具有鉆井、采油、注水等功能，電力和生活設施由通過棧橋與之相連的CEP平臺提供。

1.2 拒錘風險研究

錦州25－1南WHPA平臺ODP設計為傳統的6腿6樁導管架結構，鋼樁與上部模塊相連，上部載荷直接分布到6根鋼樁上。當操作載荷安全系數取2.0時，承擔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ODP設計結果以及平臺的地質資料，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種工況對樁進行了可打入性分析。分析發現，當鋼樁樁端貫入土層約75～100 m時，會遇到較大的打樁阻力。如果在此深度出現較長時間的打樁延時，則極有可能會因樁內形成土塞而致使樁在打入至設計入泥深度之前發生拒錘，拒錘風險較大。此前實際施工中已有2座平臺發生了拒錘現象，一是南堡35－2WHPB平臺鋼樁入泥89 m時發生拒錘，二是蓬萊19－3導管架鋼樁入泥76 m時也發生拒錘。通過橫向對比其他發生過拒錘事件的油田的地質資料，認為錦州25－1南WHPA平臺拒錘風險很大。

1.3 主樁加輔樁導管架方案研究

1.3.1 主樁加輔樁導管架設計

為有效回避拒錘風險，須對原有樁基設計方案進行調整，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量來彌補單樁承載力減小的損失。如果簡單地把導管架設計為8腿8樁的結構形式，這樣雖然可以滿足設計要求，但由于導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，工程費用將大幅增加。通過反復論證，樁基方案設計借鑒深水導管架的樁基設計形式，為導管架增加水下輔樁來分擔上部載荷。

分析錦州25－1南油田鉆探地質資料發現，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，在水下樁基設計方案中將主樁的入泥深度設計為70 m，同時在導管架的四周各增加1根水下輔樁，輔樁入泥深度為60 m。這樣原來的6腿6樁導管架就演變為6腿6主樁加4輔樁導管架（簡稱主樁加輔樁導管架），其模型見圖1。

圖1 錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導管架模型

新增加的4根水下輔樁有效分擔了主樁的承載力，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計要求。

1.3.2 主、輔樁與導管架的連接

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管架再由導管架傳遞到4根輔樁上。因此設計了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管架的底層和中層相連，這樣輔樁通過套筒與導管架形成一個整體，可以有效分擔上部載荷，套筒連接結構見圖2。

圖2 錦州25－1南WHPA平臺輔樁套筒連接結構

輔樁和主樁打入后，主樁通過安裝皇冠板和灌漿與導管架連接，輔樁通過灌漿與輔樁套筒連接，這樣輔樁、主樁和導管架就成為了一個整體。由于導管架位于遼東灣，導管架結構設計時本身就考慮了抗冰要求，因而導管架自身強度較高，不需要再次加強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設計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視頻監視。

完成導管架的結構形式設計后，采用SACS程序進行了導管架結構分析，對主結構桿件和節點進行了名義應力校核，連接桿件強度滿足整體強度要求，構件實際承擔的應力與可承擔的最大應力比小于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%，分析結果見表1。由表1可以看出，主、輔樁均可以順利打至設計深度。

表1 錦州25－1南WHPA平臺主、輔樁可打入性分析

1.3.4 經濟性比較

根據結構計算結果，主樁加輔樁方案與6腿6樁方案對比，導管架重量增加了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，可節能大量鋼材。

2 主樁加輔樁導管架方案的實施

采用主樁加輔樁導管架設計方案，錦州25－1南WHPA平臺僅用16天就完成了導管架的海上安裝，費用控制在預算范圍內。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節調整為2節，主樁接樁焊接、檢驗的工作量減少一半；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約了3天左右；因為不存在拒錘風險也不需要備用打樁錘，因而海上安裝費用更加經濟。自2009年4月1日完成海上安裝至今，采用主樁加輔樁結構的錦州25－1南WHPA平臺已經在海上安全使用了2年多，期間安全經歷了2010年渤海罕見冰情的考驗。

3 結束語

鑒于渤海的地質狀況，通過對錦州25－1南WHPA平臺主樁加輔樁導管架方案的研究、設計及其成功實施，建議在渤海進行導管架樁基設計時，充分考慮輔樁樁基形式，有效回避工程地質風險，從而降低工程投資，提高海上施工效率，節約施工工期。

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畢業于西北工業大學應用物理系，主要從事海洋工程項目管理工作。地址：天津市塘沽區渤海石油路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）