主桩加辅桩导管架在渤海的应用研究

刘 勇 李景福

（中海石油（中国）有限公司）

主桩加辅桩导管架在渤海的应用研究

刘 勇 李景福

（中海石油（中国）有限公司）

通过对导管架桩基方案和打桩拒锤风险的研究，提出了主桩加辅桩相结合的桩基设计方案，并在渤海锦州25－1南WHPA平台得到了成功应用。在大型平台导管架的桩基设计和施工中，采用主桩加辅桩导管架不仅可以有效回避工程地质风险，而且可以降低成本，缩短工期，为今后其他类似油田的导管架设计提供了新思路。

主桩加辅桩导管架 渤海 打桩拒锤

随着海洋石油开发技术的不断进步，油田开发日益朝着大型化和综合化发展，这就对中心平台和枢纽平台提出了更多的功能需求，因而平台的尺寸和重量大幅增加。重量不断增加的上部结构，对下部导管架的桩基承载能力提出了更高的要求。随着钢桩入泥深度的不断增加，海上安装过程中发生拒锤的风险也随之增加。

按照传统的工程结构设计思路，对于渤海锦州25－1南WHPA平台这样的浅水导管架通常采用6腿6桩的结构形式，通过地质校核，钢桩入泥深度设计为110 m。由于渤海地质情况特殊，钢桩入泥深度超过90m时极易发生拒锤现象（此前已有两个项目发生拒锤）。为了有效回避拒锤风险，对打桩拒锤风险进行了深入研究，提出了水下主桩加辅桩相结合的桩基设计方案。实践证明此设计方案是可行的，而且降低了成本，缩短了工期。

1 锦州25－1南WHPA平台主桩加辅桩导管架设计研究

1.1 工程背景

锦州25－1南油气田位于渤海辽东湾海域，东北距锦州20－2凝析气田（中北平台）约40.2 km，西南距绥中36－1油田（中心处理平台）约37.3 km。油气田范围内水深22.7～24.6 m，辽东湾海域冬季有海冰覆盖。

整个油田包括2座井口平台，WHPA和WH－PB平台，WHPA平台旁边建有一座中心处理平台CEP，与WHPA平台栈桥连接。WHPA平台ODP设计为6腿6桩导管架结构，腿柱垂直。WHPA平台和WHPB平台轴间距设计为40m。平台甲板结构采用由梁柱板和斜撑构成的空间刚架，分为上层甲板、中层甲板、工作甲板等3层，并设有48个井槽。平台上层甲板设有钻机模块，该平台具有钻井、采油、注水等功能，电力和生活设施由通过栈桥与之相连的CEP平台提供。

1.2 拒锤风险研究

锦州25－1南WHPA平台ODP设计为传统的6腿6桩导管架结构，钢桩与上部模块相连，上部载荷直接分布到6根钢桩上。当操作载荷安全系数取2.0时，承担载荷最多的一根钢桩要承受802 t的纵向载荷，钢桩直径为2.1 m，入泥深度为110 m。

根据ODP设计结果以及平台的地质资料，采用GRLWEAP软件，以3种打桩锤（MHU800桩锤90%锤效、MHU1200桩锤67%锤效、MHU1900桩锤80%锤效）分6种工况对桩进行了可打入性分析。分析发现，当钢桩桩端贯入土层约75～100 m时，会遇到较大的打桩阻力。如果在此深度出现较长时间的打桩延时，则极有可能会因桩内形成土塞而致使桩在打入至设计入泥深度之前发生拒锤，拒锤风险较大。此前实际施工中已有2座平台发生了拒锤现象，一是南堡35－2WHPB平台钢桩入泥89 m时发生拒锤，二是蓬莱19－3导管架钢桩入泥76 m时也发生拒锤。通过横向对比其他发生过拒锤事件的油田的地质资料，认为锦州25－1南WHPA平台拒锤风险很大。

1.3 主桩加辅桩导管架方案研究

1.3.1 主桩加辅桩导管架设计

为有效回避拒锤风险，须对原有桩基设计方案进行调整，减小钢桩入泥深度。由于钢桩入泥深度的减小会使钢桩的单桩承载能力降低，因此必须考虑增加钢桩的数量来弥补单桩承载力减小的损失。如果简单地把导管架设计为8腿8桩的结构形式，这样虽然可以满足设计要求，但由于导管架和组块各增加了2条桩腿，会增加近三分之一的平台钢材用量，工程费用将大幅增加。通过反复论证，桩基方案设计借鉴深水导管架的桩基设计形式，为导管架增加水下辅桩来分担上部载荷。

分析锦州25－1南油田钻探地质资料发现，在入泥52～64 m以及67～77 m之间分别有9 m和10 m厚的砂层，承载力良好，十分适宜作为桩基着力地层。为了能够有效利用这一地层条件，在水下桩基设计方案中将主桩的入泥深度设计为70 m，同时在导管架的四周各增加1根水下辅桩，辅桩入泥深度为60 m。这样原来的6腿6桩导管架就演变为6腿6主桩加4辅桩导管架（简称主桩加辅桩导管架），其模型见图1。

图1 锦州25－1南WHPA平台主桩加辅桩导管架模型

新增加的4根水下辅桩有效分担了主桩的承载力，主桩的单桩最大承载力降低到431 t，辅桩最大单桩承载力为353 t。通过对比桩极限承载力曲线，辅桩入泥60 m、主桩入泥70 m时桩基承载力完全满足桩基设计要求。

1.3.2 主、辅桩与导管架的连接

由于辅桩不与上部组块直接相连，上部载荷必须通过主桩传递到导管架再由导管架传递到4根辅桩上。因此设计了4个辅桩套筒，套筒套在辅桩上，套筒通过水平连接杆和斜连接杆分别与导管架的底层和中层相连，这样辅桩通过套筒与导管架形成一个整体，可以有效分担上部载荷，套筒连接结构见图2。

图2 锦州25－1南WHPA平台辅桩套筒连接结构

辅桩和主桩打入后，主桩通过安装皇冠板和灌浆与导管架连接，辅桩通过灌浆与辅桩套筒连接，这样辅桩、主桩和导管架就成为了一个整体。由于导管架位于辽东湾，导管架结构设计时本身就考虑了抗冰要求，因而导管架自身强度较高，不需要再次加强即可满足有效传递载荷的要求。因此辅桩方案中只需要单独设计4个辅桩套筒即可，同时由于辅桩与主桩的相对位置固定，水下辅桩插桩时参照主桩位置即可顺利插入，不需要水下ROV视频监视。

完成导管架的结构形式设计后，采用SACS程序进行了导管架结构分析，对主结构杆件和节点进行了名义应力校核，连接杆件强度满足整体强度要求，构件实际承担的应力与可承担的最大应力比小于1.0。

1.3.3 主、辅桩可打入性分析

对主、辅桩分6种工况进行了可打入性分析。分析中打桩锤分别采用MHU800和MHU1900桩锤，锤效为90%，分析结果见表1。由表1可以看出，主、辅桩均可以顺利打至设计深度。

表1 锦州25－1南WHPA平台主、辅桩可打入性分析

1.3.4 经济性比较

根据结构计算结果，主桩加辅桩方案与6腿6桩方案对比，导管架重量增加了173 t，但主桩重量减少了478 t，施工辅助材料重量相同。辅桩重量为647 t，这样，导管架整体总用钢量增加了342 t。虽然主桩加辅桩方案比6腿6桩方案的钢材用量有所增加，但是钢材用量仅增加了约1/10，与8腿8桩方案增加用钢量1/3相比，可节能大量钢材。

2 主桩加辅桩导管架方案的实施

采用主桩加辅桩导管架设计方案，锦州25－1南WHPA平台仅用16天就完成了导管架的海上安装，费用控制在预算范围内。主桩加辅桩方案由于主桩入泥深度减少，主桩的接长方案由原来的3节调整为2节，主桩接桩焊接、检验的工作量减少一半；辅桩是水下桩不需要接桩，直接锤入即可，因此主桩加辅桩方案比6腿6桩方案海上安装时间节约了3天左右；因为不存在拒锤风险也不需要备用打桩锤，因而海上安装费用更加经济。自2009年4月1日完成海上安装至今，采用主桩加辅桩结构的锦州25－1南WHPA平台已经在海上安全使用了2年多，期间安全经历了2010年渤海罕见冰情的考验。

3 结束语

鉴于渤海的地质状况，通过对锦州25－1南WHPA平台主桩加辅桩导管架方案的研究、设计及其成功实施，建议在渤海进行导管架桩基设计时，充分考虑辅桩桩基形式，有效回避工程地质风险，从而降低工程投资，提高海上施工效率，节约施工工期。

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

刘勇，男，工程师，1994毕业于西北工业大学应用物理系，主要从事海洋工程项目管理工作。地址：天津市塘沽区渤海石油路688号（邮编：300452）。E－mail：liuyong3＠cnooc.com.cn。

2010－11－29改回日期：2011－01－17

（编辑：叶秋敏）