涠洲W油田36寸隔水导管锤桩分析技术_王养锋.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 4 期 96 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 4 月 涠洲 W 油田 36 寸隔水导管锤桩分析技术涠洲 W 油田 36 寸隔水导管锤桩分析技术7 7 王养锋1，刘贤玉1，陈 力1，张帅杰2，余 意1（1中海石油（中国）有限公司湛江分公司；2中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东 湛江 524057）摘 要：摘 要：针对涠洲 W 平台 36 寸隔水导管，将打桩过程视为应力波在桩内的传播过程，用分离单元模型代替了一整根连续的桩，建立了一维波动方程，并考虑土塞效应阻力在打桩过程中的摩阻力，给出了求解打桩过程的力学模型、土阻力模型和数值解法，得到了隔水管锤桩贯入比随锤击数变化的曲线。预测采用D100 打桩锤作业时最后贯入比接近拒锤标准，难以将导管打入至设计深度；预测 D125 最后贯入度为 136锤/0.25m，实际贯入比为 140 锤/0.25m，理论预测与实际作业数据相吻合，验证了打桩计算方法的正确性。关键词：关键词：隔水导管；波动方程；锤桩；土塞 基金项目：基金项目：中海石油（中国）有限公司科研项目“北部湾油田经济开发钻完井技术研究”（项目编号：YXKY-2019-ZJ-04）根据撞击原理研究出了各种动力打桩公式，但并没有一个非常理想的公式来描述打桩过程，这说明早期的打桩理论存在很大的缺陷。直到1931年，D.V.sIsacS首先提出了导管可打性分析采用史密斯波动方程方法进行分析。打桩时，应力波从桩顶传递到桩底部，这一过程并不符合牛顿撞击定律，而更符合一维波动方程。史密斯首次提出了一套完整的对一维波动方程进行数值解的方法。这一方法得到了人们的广泛关注和普遍应用。本文将打桩过程视为压力波在桩内的传播过程，用分离单元模型代替了一整根连续的桩，给出了求解打桩过程的力学模型、土阻力模型和数值解法，模型考虑了土塞效应阻力在打桩过程中的摩阻力，通过计算机对一维波动方程分析求解，得到了贯入度随锤击数变化的曲线1-5。1 分析模型 1 分析模型 隔水导管打桩系统由桩锤、锤垫、桩帽和桩身等组成。根据波动方程进行隔水导管锤桩贯入分析，将隔水导管串划分为一系列离散单元模型。采用不可压缩的刚性质块W(i)和无质量可伸缩的弹簧K(i)进行单元模拟，各刚性质块之间通过弹簧K(i)模拟单元的弹性。在模型假设材料无阻尼，并忽略打桩前后锤击残留的应力影响。隔水导管单元受力主要包括自重、相邻单元间作用力、单元内侧壁土的摩擦力、单元外侧壁土的摩擦力。隔水导管离散单元受力分析模型如图 1，导管内侧壁、外侧壁土对第i、i-1、i+1单元对导管的摩擦阻力分别记为Rin(i)、Rout(i)、Rin(i-1)和Rout(i-1)、Rin(i+1)和Rout(i+1)；第i-1隔水导管单元与第i单元之间的作用力(即弹簧弹力)记为F桩(i-1,t)；第i 导管单元与第i+1单元之间作用力记为F桩(i,t)。每个隔水导管单元的高度记为l，分析时把单次锤击的时间细分为多个时间间隔t，t 需要足够小从而弹性应力波在这个时间间隔内来不及由一个单元传播到另一个单元，在这个极短的时间间隔内，单元运动速度可以认为不变。一般取临界时间间隔。其中 为应力波传播速度，E为导管的弹性模量，为导管的密度。通常选取时间间隔t 为：。图 1 打桩分析计算模型 2 桩身波动方程 图 1 打桩分析计算模型 2 桩身波动方程 隔水导管单元的侧面受土阻力的作用，其一维动力打桩波动方程可表示为：(1)式中，D，桩身位移；t：时刻；c，弹性应力波速；R；桩身土阻力，管桩阻力由内、外侧阻力组成；E，桩的弹性DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.065 王养锋：涠洲 W 油田 36 寸隔水导管锤桩分析技术 97 模量；，桩的密度。当考虑隔水导管自重和桩周土阻力时，有必要对一维动力打桩波动方程进行改进。桩微分单元 i 在截面 ab 处的受力为 (2)式中：A，桩的横截面积，m2。在截面 cd 处的受力为 (3)微分单元 i 上所受合力为 (4)式中：R：微分单元所受的土阻力，N；G：微分单元 i的重量，N；合力产生的加速度可按下式计算：(5)式中：g：重力加速度，m/s2；整理得到：(6)导管的质量密度，故一维动力打桩的波动方程为 (7)上式右边第 2 项为隔水导管自重对应力波传播的影响；第 3 项为周围土阻力对应力波传播的影响。通过有限差分方法进行隔水导管应力波动方程的数值求解。将单次锤击产生的弹性应力波沿隔水导管传播的物理过程细分为多个时间间隔t，保证t 足够小，使得弹性应力波这个极小的时间间隔内来不及由本单元传递和影响到下一单元，从而可近似地认为单元速度在这个极短时间间隔内为定值。3 模型求解 3 模型求解 步骤 1：将单次锤击过程细分为多个时间间隔t，选择合适的导管单元长度L。步骤 2：确定隔水导管各单元的位移、速度、土的位移、弹簧力和土阻力初始值，通常情况下假定各单元的变量初始值均为零。步骤 3：分析桩锤落体的撞击初速度。其中，为锤冲程；为考虑桩型及桩锤使用与维护状况的效率系数。步骤 4：计算各导管单元的位移、速度。步骤 5：计算各土塞单元的位移、速度。步骤 6：记录每个计算步骤中桩身最底层的单元位移及桩内土塞最顶层的单元位移 S(1,t)。步骤 7：从第 2 个时段开始，利用已求得的值重复步骤6-6。重复上述步骤，直至桩尖位移不再增加且所有单元的速度均等于零。将隔水导管单次锤击过程各时间间隔内的以及S(1,t)求和，得到隔水导管单次锤桩的贯入下沉量为，单次锤桩后管内土塞高度的增长量为：。隔水导管单次锤桩的贯入量与土塞高度计算结果将作为计算下一次锤击沉桩贯入深度以及土塞高度的初始条件，直至完成导管的整个沉桩过程。4 现场应用 4 现场应用 结合W油田海底土特性参数，分析打桩分析土体动力力学参数，根据隔水导管几何尺寸及力学参数、桩锤参数，分别预测了采用D100、D125桩锤作业下的贯入比。桩锤基本参数如表1所示。表 1 D125 桩锤基本参数 表 1 D125 桩锤基本参数 参数型号 单位 D125 D100 上活塞质量 kg 12500 10000 每次打击能量 J 250200417000 333538213856 98 王养锋：涠洲 W 油田 36 寸隔水导管锤桩分析技术 打击次数 min-1 3645 3645 最大爆破力 kN 3600 3250 锤效%95 95 桩端恢复系数 0.85 0.85 锤落距 m 3.4 3.4 图 2 D100 锤桩作业贯入比预测分析 图 3 D125 锤桩作业贯入比预测分析 图 2 D100 锤桩作业贯入比预测分析 图 3 D125 锤桩作业贯入比预测分析 采用D100进行打桩作业时，其锤击数随深度分布如图2所示。最后贯入度为242锤/0.25m，已经接近拒锤标准250锤/0.25m。采用打桩锤D100作业难度较大，难以将导管打入至设计深度。采用D125进行打桩作业时，其锤击数随深度分布如图3所示。在入泥50m时最后贯入度为136锤/0.25m，D125桩锤可以将导管打入至设计深度。但应注意桩靴处应力集中产生的卷曲变形。实际作业采用D125锤，现场入泥50m时，贯入度为140击/0.25m，理论预测分析与实际作业数据基本吻合。5 结 语 5 结 语（1）采用波动方程法建立了桩锤、导管土体动力相互作用模型，针对W油田36寸隔水导管，分别预测了采用D100、D125桩锤作业下的贯入比；（2）预测采用D100打桩锤作业时最后贯入度为242锤/0.25m，难度较大，难以将导管打入设计深度；（3）预测采用D125打桩锤作业时最后贯入度为136锤/0.25m，实际贯入度为140锤/0.25m，理论预测与实际作业数据相吻合，验证了打桩计算方法的正确性。参考文献 参考文献 1 刘功艳,管申,刘贤玉,等.南海北部湾打入式隔水导管承载力 CPT 设计方法J.中国海上油气,2021,33(05):153-157.2 程仲,牟小军,马英文,等.隔水导管打桩新技术研究与应用J.中国海上油气,2011,23(04):259-262.3 张海山,杨进,严德,等.海上钻井隔水导管打入作业溜桩深度预测J.石油钻采工艺,2013,35(03):22-24.4 张红生,管申,庄健,等.崖城 13-1 气田表层隔水导管快速打桩技术J.石油钻采工艺,2012,34(01):28-31.5 李雨浓,李镜培,赵仲芳,等.层状地基静压桩贯入过程机理试验J.吉林大学学报(地球科学版),2010,40(06):1409-1414.