专利名称：一种打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种海上石油勘探技术，特别是关于一种应用于海上石油勘探开 发过程中的打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法。
技术背景目前，对于锤入法打桩而言，海上常规的做法基本上都是参考以往的作业经 验选择打桩锤型号。在打桩的过程中打桩锤自始至终按照相同的锤击方式对隔水 导管进行锤击，即每击打一锤作用在隔水导管上的能量及锤落距都是相同的。但 是，这种锤击方式在现场施工中存在一定的缺点对于上部浅层土壤时，隔水导 管贯入度比较大，这时如果以较大的能量作用在隔水导管上，可以很大程度的提 高作业效率。随着入泥深度的增大，隔水导管的贯入度会逐渐减小，此时如果还 是利用与上部土层相同的能量锤击隔水导管，就可能引起隔水导管的损坏，难以 保证隔水导管的承载能力，从而给海上施工带来风险。因此，如何选择最优的打 桩锤型号及确定最优的锤落距成为海上石油勘探开发技术中的一个亟待解决的问 题。发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种能保证隔水导管不受损坏的打桩锤 与隔水导管匹配优化设计方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种打桩锤与隔水导管匹配优 化设计方法，其特征在于它包括预测设计和实时设计两个部分，其包括以下步 骤1)进行海底土质调査及土质分析，得到海洋工程调查资料；2)根据海洋工 程调查资料的海底土特性以及隔水导管的尺寸，利用公知打桩公式与能量方程计算与隔水导管相匹配的最优打桩锤参数，对最优打桩锤型号进行预测设计；3)根 据海洋工程调査资料的海底土特性和步骤2)中预测设计的打桩锤参数，以及根据实测贯入度对最优落锤距进行实时设计。在执行步骤2)时，其包括以下步骤①据预打的隔水导管尺寸以及海洋工程调査资料的海底土特性，可求出隔水导管的入土深度与海底土极限承载力关系，海底土极限承载力由下式确定尸。^+^二/.4+^.4，式中，^为隔水导管所插入深度位置所对应的海底土极限承载力；2/为隔水导管桩侧壁摩阻力；&为隔水导管桩端阻力；4为隔水导管桩侧壁表面积；^为隔水导管横截面积；/为 隔水导管桩侧壁单位摩擦力；仏为隔水导管桩端部单位面积承载力；②按照预打桩地区的作业经验，初步选定一种型号的打桩锤，并记录其锤击能量、锤心重量、 锤落距和锤帽重量等参数；③根据初步选定的打桩锤型号，利用格尔谢万诺夫打 桩公式进行打桩贯入度预测，贯入度预测值e应满足下式e、， ，、.^^，式中e为打桩贯A度，其单位为m;"为根据桩材料和桩垫所定的系数，由钢管制成的隔水导管钢桩无桩垫，取w二500000kg/m2; ^为 桩身横截面积，其单位为nf; ^为缍心重量，其单位为kg;《为桩重，包括送桩、桩帽及锤非冲击部分的重量，其单位为kg; K为桩体承载力安全系数，其取值范 围为1.5 2.0; //为锤落距，其单位为m;④根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量 转换关系，确定最优的锤击能量，最优锤击能量由下式确定￡ = (^e + 2^)/(l-")，式中E为最优锤击能量，其单位为KJ; e为击锤一次时，桩的入土距离，即贯 入度；i 为相应于贯入度为e时，桩的贯入阻力，其单位为KN; 0为缍心质量，其单位为t; /7为打桩锤的反弹高度，其单位为ra;"为能量消耗系数，对于钢桩而 言，《的取值范围为0.1< <0.3; 根据最优锤击能量中的最大值￡_选定最优打桩锤型号。在执行步骤3)时，其包括以下步骤①根据海洋工程调査资料的海底土特性及打桩现场施工情况，利用监测仪器实时记录打桩贯入度e,;②根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量转换关系，确定下一击最优的锤落距，最优锤落距由下式确定// = ((i .e,+Q.W/(I-"))/G，式中^为下一击最优打桩锤落距，其单位为ra; e,为实时监测到的贯入度，其单位为m; i 为相应土深度桩的贯入阻力，其单位为 KN; 2为锤心质量，其单位为t; A为打桩锤的反弹高度，其单位为m;"为能量消耗系数，对于钢桩而言，"的取值范围为0.1< <0.3;③根据所得到的最优锤落距调节打桩锤落距，进行下一击，然后依次类推，记录下一击的实测贯入度， 再返回到步骤②进行再下一击的最优锤落距计算。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明根据海洋工程调 查资料的海底土特性以及隔水导管的尺寸，利用公知打桩公式与能量方程计算与 隔水导管相匹配的最优打桩锤参数，对最优打桩锤型号进行预测设计，使得整个 锤击过程按照最优化方法进行施工，因此有效地解决了因打桩贯入度变化，但是锤击能量一成不变而造成的隔水导管损坏，以及打桩质量不高的问题。2、本发明 根据海洋工程调查资料的海底土特性和预测设计的最优打桩锤参数，以及根据实 测贯入度对最优落锤距进行实时设计，实现了可现场实时调节锤落距的功能，从 而进一步保证了隔水导管不受损坏。本发明可广泛应用于海上石油勘探开发领域 中。
图l是本发明的流程示意2是海底土极限承载力与隔水导管入土深度关系曲线示意图具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明方法包括预测设计和实时设计两个部分，其具体包括以下步骤1、 进行海底土质调查及土质分析，得到海洋工程调查资料。2、 根据海洋工程调查资料的海底土特性以及隔水导管的尺寸，利用公知打桩 公式与能量方程计算与隔水导管相匹配的最优打桩锤参数，对最优打桩锤型号进 行预测设计，其具体包括以下步骤1) 根据预打的隔水导管尺寸以及海洋工程调査资料的海底土特性，可求出隔 水导管的入土深度与海底土极限承载力关系。其中，海底土极限承载力由下式确 定《=2/+2,"+"P (1)式中，尸。为隔水导管所插入深度位置所对应的海底土极限承载力；Q/为隔水 导管桩侧壁摩阻力；&为隔水导管桩端阻力；4为隔水导管桩侧壁表面积；A为 隔水导管横截面积；/为隔水导管桩侧壁单位摩擦力；^为隔水导管桩端部单位 面积承载力。2) 按照预打桩地区以往作业经验，初步选定一种型号的打桩锤，并记录其锤 击能量、锤心重量、锤落距和锤帽重量等参数。3) 根据初步选定的打桩锤型号，利用格尔谢万诺夫打桩公式进行打桩贯入度预测，贯入度预测值e应满足下式-& "乂g// g + 0.2g (2)"化(化+"力g +《 式中e为打桩贯入度，其单位为m; n为根据桩材料(即隔水导管的材料)和桩垫所定的系数，由钢管制成的隔水导管钢桩无桩垫，取M^500000kg/nf; ^为桩身横截面积，其单位为ltf; 2为锤心重量，其单位为kg;《为桩重，包括送桩、 桩帽及锤非冲击部分的重量，其单位为kg;《为桩体承载力安全系数，其取值范 围为1.5 2.0; 7/为锤落距，其单位为m。4) 根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量转换关系，确定最优的锤击能量，最 优锤击能量由下式确定E = (i + g./0/(l-a) (3)式中5为最优锤击能量，其单位为KJ; e为击锤一次时，桩的入土距离(即 贯入度)；i 为相应于贯入度为e时，桩的贯入阻力，其单位为KN; g为锤心质量，其单位为t; A为打桩锤的反弹高度，其单位为m; a为能量消耗系数，对于钢桩而言，"的取值范围为0.1<"<0.3。5) 根据最优锤击能量中的最大值￡_，进而选定最优打桩锤型号。3、根据海洋工程调査资料的海底土特性和步骤2中预测设计的打桩锤参数， 以及根据实测贯入度对最优落锤距进行实时设计，其具体包括以下步骤1) 根据海洋工程调査资料的海底土特性及打桩现场施工情况，利用现有的监 测仪器实时记录打桩贯入度A 。2) 根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量转换关系，确定下一击最优的锤落距，最优锤落距由下式确定// = ((i -e,a))/g (4) 式中H为下一击最优打桩锤落距，其单位为m; ^为实时监测到的贯入度， 其单位为m; i 为相应土深度桩的贯入阻力，其单位为KN; 2为锤心质量，其单位为t; /2为打桩锤的反弹高度，其单位为m;"为能量消耗系数，对于钢桩而言， 的取值范围为0.1< <0.3。3) 根据所得到的最优锤落距调节打桩锤落距，进行下一击，然后依次类推， 记录下一击的实测贯入度，再返回到步骤2)进行再下一击的最优锤落距计算。值 得注意的是当前后两次最优锤落距相差不大时，可以不进行调节，以减少工作下面以陆丰13-2油田为例，对本发明方法进行进一步描述。该油田海域水深 为132.3m，所用隔水导管外径为24in，壁厚lin，水面至桩顶距离为16ra。1、 进行海洋工程地质调査，根据调査资料得到以下隔水导管的设计参数/为海底土中隔水导管侧向单位面积摩擦力，其单位为Mpa; ^为隔水导管桩端部单 位面积承载力，其单位为Mpa。2、 预测设计1) 根据海底土极限承载力公式P,^+2,/.4+9".4，经计算得到24in 隔水导管海底土极限承载力(如图2所示)，以及打桩过程中的土动阻力i 。 土动 阻力及的取值在粘土中为桩柱侧向静表面摩阻力的30%，在砂土中为桩柱侧向静表 面摩阻力的100%。桩端阻力&的取值在粘土和砂土中均为静桩端阻力的100%。2) 按以往的本油田作业经验，初步选定型号为IHCS-90的打桩锤，其最大锤击能量为89. 36KJ，锤心重量为44. 23KN，锤帽重量为44. 23KN，锤落距为2. 02m。3) 根据初步选定的打桩锤参数及海底土极限承载力数据，根据贯入度预测值公式^ = ~~"顺、^^,计算随着入土深度而变化的贯入度" 化(化+竭 g +《4) 根据计算所得到的贯入度e及步骤1)中所得到的打桩阻力及，按照公式 ￡ =(及乂 + 2./0/(1-")可得到随土深变化而变化的锤击能量值，其中力=0. 15m， "=0.25。选择最大的锤击能量值作为选择打桩锤的标准。经计算得到最大锤击能 量为￡隨=187.7仏5) 根据最大锤击能量￡_ =187.7^7 ，选择型号为D62的打桩锤，其参数如下 最大锤击能量为224. 17KJ，锤心重量为126. 67KN，缍帽重量为49. 9柳，锤落距 为1. 77m。3、实时设计1) 按照预测设计的预测设计结果选定打桩锤，其型号为D62，要求落距具有 可调节性。2) 通过现有技术获得的实时贯入度值A，以其中某一次记录为例，取 S = 0.23m 。3) 根据实时贯入度值e,进行下一击的最优锤落距计算，按照最优锤落距公式 // = ((i . e, + 2. W/(1 - "))/ g可得到实时贯入度值e, = 0.23w ，进而确定下一击的最优 锤落距为// = 0.93w 。4) 根据所得到的最优锤落距/^ = 0.93/ 调节打桩锤落距，进行下一击，然后依 次类推，记录下一击的实测贯入度，再返回到步骤3)进行再下一击的最优锤落距 计算。上述实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明 技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1、一种打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法，其特征在于它包括预测设计和实时设计两个部分，其包括以下步骤1)进行海底土质调查及土质分析，得到海洋工程调查资料；2)根据海洋工程调查资料的海底土特性以及隔水导管的尺寸，利用公知打桩公式与能量方程计算与隔水导管相匹配的最优打桩锤参数，对最优打桩锤型号进行预测设计；3)根据海洋工程调查资料的海底土特性和步骤2)中预测设计的打桩锤参数，以及根据实测贯入度对最优落锤距进行实时设计。
2、 如权利要求1所述的一种打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法，其特征在 于在执行步骤2)时，其包括以下步骤① 据预打的隔水导管尺寸以及海洋工程调査资料的海底土特性，可求出隔水 导管的入土深度与海底土极限承载力关系，海底土极限承载力由下式确定<formula>formula see original document page 2</formula>式中，P。为隔水导管所插入深度位置所对应的海底土极限承载力；^为隔水 导管桩侧壁摩阻力；S,为隔水导管桩端阻力；4为隔水导管桩侧壁表面积；^为 隔水导管横截面积；/为隔水导管桩侧壁单位摩擦力；^为隔水导管桩端部单位 面积承载力；② 按照预打桩地区的作业经验，初步选定一种型号的打桩锤，并记录其锤击 能量、锤心重量、锤落距和锤帽重量等参数；③ 根据初步选定的打桩锤型号，利用格尔谢万诺夫打桩公式进行打桩贯入度 预测，贯入度预测值e应满足下式<formula>formula see original document page 2</formula>式中e为打桩贯入度，其单位为m;"为根据桩材料和桩垫所定的系数，由钢管制成的隔水导管钢桩无桩垫，取w:500000kg/nf; ^为桩身横截面积，其单位为ltf; 2为锤心重量，其单位为kg; g为桩重，包括送桩、桩帽及锤非冲击部分 的重量，其单位为kg;《为桩体承载力安全系数，其取值范围为1.5 2.0; //为锤 落距，其单位为m;④ 根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量转换关系，确定最优的锤击能量，最 优锤击能量由下式确定￡ = 0/ .6 + 2./2)/(1- )， 式中五为最优缍击能量，其单位为KJ; e为击锤一次时，桩的入土距离，即贯入度；i 为相应于贯入度为"寸，桩的贯入阻力，其单位为KN; g为锤心质量，其单位为t; A为打桩锤的反弹高度，其单位为m;"为能量消耗系数，对于钢桩而言，"的取值范围为0.1<"<0.3;⑤根据最优锤击能量中的最大值选定最优打桩锤型号。
3、如权利要求1或2所述的一种打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法，其特征在于在执行步骤3)时，其包括以下步骤① 根据海洋工程调査资料的海底土特性及打桩现场施工情况，利用监测仪器 实时记录打桩贯入度e,.;② 根据打桩锤打桩所作的功瞬间的能量转换关系，确定下一击最优的锤落距， 最优锤落距由下式确定= +2-骑-《))/2，式中//为下一击最优打桩锤落距，其单位为m; e,为实时监测到的贯入度， 其单位为m; i 为相应土深度桩的贯入阻力，其单位为KN; g为锤心质量，其单位为t; /Z为打桩锤的反弹高度，其单位为m;"为能量消耗系数，对于钢桩而言， "勺取值范围为0.K"0.3;③ 根据所得到的最优锤落距调节打桩锤落距，进行下一击，然后依次类推， 记录下一击的实测贯入度，再返回到步骤②进行再下一击的最优锤落距计算。
全文摘要
本发明涉及一种打桩锤与隔水导管匹配优化设计方法，它包括预测设计和实时设计两个部分，其包括以下步骤1)进行海底土质调查及土质分析，得到海洋工程调查资料；2)根据海洋工程调查资料的海底土特性以及隔水导管的尺寸，利用公知打桩公式与能量方程计算与隔水导管相匹配的最优打桩锤参数，对最优打桩锤型号进行预测设计；3)根据海洋工程调查资料的海底土特性和步骤2)中预测设计的打桩锤参数，以及根据实测贯入度对最优落锤距进行实时设计。本发明根据海洋工程调查资料的海底土特性和预测设计的最优打桩锤参数，以及根据实测贯入度对最优落锤距进行实时设计，实现了可现场实时调节锤落距的功能，从而进一步保证了隔水导管不受损坏。本发明可广泛应用于海上石油勘探开发领域中。
文档编号E21B7/12GK101581197SQ20091008740
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者刘书杰, 周建良, 伟 姜, 进 杨, 谢仁军 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心;中国石油大学(北京)