綏中36-1油田二期隔水導管打樁順序優化研究

聶寶棟，王 彬，侯辰光，陳 桂

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

海上鉆井井口布置較密，間距較小，隔水導管在打樁作業時常常因為群樁效應的影響出現作業不順利或樁傾斜等現象。通過對隔水導管打樁順序進行優化，不僅可以避免打樁作業中事故的發生，還可以提高作業時效，最終保證海上隔水導管打樁作業順利進行。

1 隔水導管打樁順序優化

1.1 群樁效應理論分析

對于隔水導管打入過程來說實際上就是沉樁過程，即沉樁擠土效應。在隔水導管打入過程中，隔水導管管鞋處土的形變類似一球形孔擴張引起的形變。而在除管鞋處和地面附近的絕大部分隔水導管樁身周圍地區，土的形變類似一個圓柱形孔擴張引起的形變。可以把隔水導管樁周圍土劃分為幾個性質不同的區域，見圖1［1-2］。

A區。強烈重塑區，緊貼隔水導管樁身，在打樁過程中土體發生了大位移，且由于拖曳作用可能導致上下錯位，土體完全破壞。

B區。塑性區，受沉樁影響嚴重，土體發生大位移和塑性變形，但不至于發生上下倒置錯位。

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

D區。該區不受沉樁的影響。

圖1 隔水導管樁周土的位移和分區

1.2 群樁效應模擬試驗

開展模擬試驗確定裙樁效應的影響范圍和影響程度，根據相似原理，實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，長度為3.5 m。打樁錘選用50 kg重錘，錘落距為1.0 m。

試驗選擇場地為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個模擬樁位置，見圖2。

圖2 錘擊數模擬試驗打樁位置

在4樁的中心位置鉆直徑150 mm的孔，把兩個土應力傳感器分別置于1 m和3 m深的位置，把傳感器壓力面正對1#和3#樁兩個方向安放，采用原土回填并等待一段時間，使土恢復原狀，然后按1#到4#的順序進行打樁錘擊數測試，試驗數據統計見圖3。

圖3 打樁錘擊數模擬試驗數據統計

可以看出隨著深度的增加，貫入度逐漸減小，并且3#和4#樁的錘擊數明顯增加，說明在1#和2#樁打入后對土體擾動十分明顯，砂土增加更為明顯，錘擊數增長約100%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著周邊樁的打入數量的增加，打入下一根樁所需錘擊數增長明顯。

為了研究群樁對周圍土應力場的影響，設計不同樁間距的打樁試驗，間距分別為0.10 m、0.20 m、0.30 m和0.50 m，見圖4。

圖4 群樁應力場模擬試驗打樁位置

對試驗中2.5 m深度的應力傳感器數據進行分析，數據統計見圖5，由于群樁效應的影響，土應力增加了14.6%～51.8%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著樁距較小，應力增長更加明顯。當間距與模擬管直徑之比小于3時，群樁作用十分顯著，打入最后的模擬管后土應力增加了51.8%;當間距與模擬管直徑之比大于6時，群樁作用相對較弱，打入最后的模擬管后土應力增加了14.6%。

1.3 打樁順序優化

圖5 群樁應力場模擬試驗數據統計

在制定隔水導管打入順序時，一定要考慮群樁效應的影響，即考慮先前打入的隔水導管對周圍土的影響，確定好群樁效應影響的塑性區半徑。同時又要考慮作業的時間差，盡量使群樁效應引起的增加應力得到進一步消散［3-5］。

一般對于樁間距大于塑性區半徑的樁打入施工來說，應采用由一側向單一方向打，這樣打樁機能夠單向移動，樁的就位與起吊均很方便，打樁效率比較高。但對于樁間距小于塑性區半徑的樁打入施工來說，采用這種打樁順序，它會使土壤向一個方向擠壓，導致土壤擠壓不均勻，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管樁產生傾斜或浮樁現象，最好采用自中間向四周邊緣打，同時結合井槽的布置情況，綜合分析得出最佳打樁順序路徑。

2 打樁順序優化的實地應用

2.1 打樁順序優化結果

在隔水導管周圍一定范圍的土體進入塑性狀態，樁孔周圍存在有塑性區邊界半徑Rp。在Rp范圍之內，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。通過室內模擬試驗研究，發現渤海海域海底土的塑性區半徑為隔水導管樁直徑的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隔水導管進行作業，隔水導管間距為2 m×1.8 m，相鄰兩個隔水導管位置處于塑性區范圍內，所以在隔水導管打入過程中群樁效應作用比較明顯。為了降低裙樁效應影響，采用隔水導管打樁順序優化研究成果，對綏中36-1油田二期某平臺打樁順序進行優化，見圖6。

2.2 現場應用效果評價

在該平臺隔水導管施工過程中記錄了每口井的隔水導管錘擊數和總能量，見表1。

圖6 綏中36-1油田二期某平臺打樁優化順序

表1 隔水導管錘擊數和總能量

由表1可見，錘擊數位于935～1 121錘之間，從分布規律分析錘擊數呈線性增長，斜率為3.8，截距為934.9;能量位于164 205～196 871 kJ之間，分布規律也近似線性關系，斜率為681.9，截距為164 190。從數據結果分析可以看出，優化的隔水導管打樁順序較好地控制了打樁作業中所需的錘擊次數和錘擊能量，有效降低了裙樁效應的影響，對現場的隔水導管打樁作業順利完成提供了支撐。

3 結論

1)通過群樁效應理論的研究，結合室內模擬試驗研究，確定了裙樁效應的影響范圍，3倍樁徑范圍內裙樁效應十分明顯，6倍樁徑范圍外裙樁效應較弱。

2)根據理論及試驗研究提出了隔水導管打樁順序優化的研究方法。

3)針對綏中36-1油田二期工程，采用建立的優化方法，得出了該油田某平臺隔水導管打樁優化順序。

4)根據優化后的打樁順序進行了現場隔水導管打樁作業，通過項目組合理的施工作業管理程序降低了作業風險，保證了作業安全，同時現場結果表明，優化后的打樁順序有效降低了裙樁效應的影響，保證了現場打樁作業的順利進行。

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