自升式鉆井平臺沖樁對拔樁阻力影響研究

張寶平，金元剛，王金明，楊 進，孫立偉，吳 勇（．中海油能源發(fā)展股份有限公司　工程技術(shù)分公司，天津300457；．中國石油大學（北京）石油工程教育部重點試驗室　北京049）

自升式鉆井平臺沖樁對拔樁阻力影響研究

張寶平1，金元剛1，王金明1，楊 進2，孫立偉2，吳 勇1
（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300457；2．中國石油大學（北京）石油工程教育部重點試驗室北京102249）①

自升式鉆井平臺插樁較深，拔樁時出現(xiàn)周期長、拔樁困難等問題。為了提高拔樁效率，對拔樁系統(tǒng)尤其是樁靴底部噴嘴沖樁效率進行試驗研究。以某深水鉆井平臺為原型設(shè)計樁腿、樁靴模型，選取渤海濱海原狀土為試驗場地，進行沖樁和拔樁試驗，明確了不同沖樁條件和拔樁阻力大小的關(guān)系。結(jié)果表明，當沖樁孔面積達到樁靴面積1%時，拔樁阻力減小40%左右，因此沖樁對破壞樁靴底部吸附力作用明顯，是應(yīng)對拔樁困難的有效手段。

鉆井平臺；吸附力；沖樁；撥樁；拔樁阻力

自升式鉆井平臺是近海油氣勘探中使用最廣泛的鉆井裝置［1］，在海洋油氣開發(fā)中扮演非常重要的角色。一個鉆井平臺可以去多個油田平臺和導管架進行鉆井、完井和修井作業(yè)，移位頻繁，因此需要經(jīng)常性的插樁、拔樁。由于平臺作業(yè)海域地質(zhì)條件復雜［2］，如果遇到地質(zhì)疏松的地層，可能造成平臺樁靴入泥過深而導致拔樁困難［3］，嚴重影響了平臺作業(yè)和拖航計劃［4］。渤海九號鉆井平臺在墾利16區(qū)塊某探井作業(yè)時入泥26 m，拔樁時間達到22 d；勝利六號入泥11．2m，拔樁時間達到62 d［5］。

對于帶樁靴的自升式鉆井平臺，拔樁作業(yè)是難度大，危險性高且作業(yè)時間較長的一個環(huán)節(jié)［6］。拔樁阻力主要來自于樁靴底部的吸附力，樁靴側(cè)面摩擦阻力和回填土土重相對小一些。樁靴底部吸附力主要由負空隙壓力和粘著力組成［7］，樁靴鋼體、空隙水和土層三者共同作用的結(jié)果，插樁后隨著鉆井平臺作業(yè)時間的推移，樁靴周圍土體固結(jié)越來明顯，有效應(yīng)力增加，導致樁靴底部的吸附力越來越大，使得自升式鉆井平臺拔樁困難。

雖然國內(nèi)外對沖樁系統(tǒng)和拔樁阻力相互關(guān)系進行了較多研究，取得了不少成果［8］，但是準確預測平臺拔樁時樁靴底部吸附力還有一定難度，尤其對平臺沖樁后的吸附力的消散程度沒有定性或者定量研究，僅僅停留在數(shù)值模擬研究和室內(nèi)試驗研究的階段，因此很有必要開展海邊原狀土試驗研究不同沖樁條件對拔樁阻力的影響程度，為自升式鉆井平臺拔樁阻力預測提供技術(shù)支撐和實踐基礎(chǔ)。

1 試驗原理和裝置

1．1 試驗原理

自升式鉆井平臺拔樁阻力樁腿的承載力主要由樁靴底部吸附力、側(cè)壁摩擦力和上覆土的重力組成（如圖1）。考慮到試驗樁靴模型直徑僅為36 cm，所以上覆土的重力不予考慮，試驗?zāi)Ｐ偷挠嬎愎剑郏轂?/p>

式中：Qf為樁腿底部吸附力，N；Qp為樁腿端部阻力，N；As為樁靴側(cè)壁表面積，m2；Ap為樁靴底部最大面積，m2；f為樁靴的側(cè)壁單位摩擦力，N／m2；qu為樁靴底部單位阻力，N／m2。

圖1 海洋石油941樁靴

在自升式鉆井平臺樁腿入泥深度計算時，從圖1可以看出，側(cè)壁長度僅為0．61 m，相對樁靴直徑18 m來說微乎其微，一般把樁靴的側(cè)壁摩擦力忽略，只考慮樁靴底部吸附力。

1．2 拔樁系統(tǒng)和沖樁系統(tǒng)

對國內(nèi)外樁基試驗分析的基礎(chǔ)上，本次試驗設(shè)計了一套拔樁系統(tǒng)（如圖2），該系統(tǒng)包括：拔力轉(zhuǎn)換器、錨樁、壓力傳感器、靜力載荷測試儀、位移傳感器、沖樁管線等，提供壓載和拔樁拉力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括拉力傳感器（如圖3）和位移傳感器，拔樁阻力通過拉力傳感器來記錄。沖樁系統(tǒng)主要由抽水泵、沖樁管線和樁靴模型底部沖樁孔組成，樁靴底部圓周上均勻分布9個沖樁孔（如圖4），可以模擬不同沖樁條件。

圖2 拔樁裝置

圖3 拉力傳感器

圖4 沖樁管線和沖樁孔

1．3 試驗樁腿樁靴模型

試驗選取渤海灣塘沽海邊原狀土作為試驗場地，經(jīng)過鉆孔取樣和分析，符合海上土層分層情況。試驗選取模型為海洋石油941樁腿和樁靴（如圖5）按照1∶50設(shè)計并加工的樁腿和樁靴模型如圖6～7。

圖5 海洋石油941

圖6 樁腿模型

圖7 樁靴（含噴嘴）模型

2 試驗步驟

平臺拔樁過程中，拔樁阻力各部分同時存在［10］，因此本試驗只測定樁靴底部吸附力作為拔樁阻力。

試驗系統(tǒng)包括試驗平臺、壓載設(shè)施、測量拉力設(shè)備、鉆孔設(shè)備、傳感器和數(shù)據(jù)采集儀表。

試驗過程按照以下步驟進行：

1） 選擇插樁點。

2） 下入樁腿模型。

3） 逐步加載壓載水，記錄數(shù)據(jù)。

4） 壓到位后，靜止12 h。

5） 安裝拔樁設(shè)備和沖樁系統(tǒng)。

6） 進行不同條件下的拔樁試驗，記錄樁腿出泥高度和拔樁拉力。

3 試驗結(jié)果

只有在不同沖樁條件下，樁靴入泥深度值基本一致才能保證同樣土層下拔樁工況一樣，本試驗實際插樁深度穩(wěn)定在2 m左右，為試驗結(jié)果的準確性提供了良好的基礎(chǔ)。插樁完成后，各個樁靴均在地層中靜止12 h后進行沖樁對拔樁影響試驗。試驗選取了沖樁孔不開啟、開啟3個、開啟6個和全開啟4種條件進行沖樁試驗和拔樁拉力測定。

表1為4種沖樁條件下拔樁阻力，圖8為拔樁阻力與沖樁水眼面積比關(guān)系曲線。

表1 不同沖樁條件下的拔樁阻力

圖8 拔樁阻力與沖樁水眼面積比關(guān)系曲線

由圖8可知：沖樁水孔的面積越大，拔樁阻力越小，當沖樁水孔的面積達到樁靴底部面積1%時，拔樁阻力減小將近40%且還在繼續(xù)減小。

4 結(jié)論

1） 基于樁靴底部吸附力作為拔樁阻力的重要組成部分進行的拔樁阻力研究，試驗結(jié)論與渤海、南海眾多自升式鉆井平臺現(xiàn)場沖樁效果和拔樁時效相吻合，對自升式鉆井平臺拔樁作業(yè)有一定的借鑒和指導意義。

2） 實際拔樁遇到困難情況時，必須進行沖樁作業(yè)，樁靴底部噴嘴要逐步開啟，流量要逐漸加大。

3） 試驗結(jié)果表明，沖樁孔占樁靴底部面積很小就能達到明顯的沖樁效果，說明樁靴底部噴嘴設(shè)計合理，拔樁就會事半功倍。

4） 文中研究拔樁阻力沒有考慮側(cè)壁摩擦力和樁靴上覆土重力，需要將試驗結(jié)果結(jié)合自升式鉆井平臺現(xiàn)場拔樁浮力、插樁時樁腿周圍回填土體積來分析拔樁阻力各分力的百分比。

［1］ 蒙占彬，張愛恩，李澤民，等．自升式鉆井平臺懸臂梁縱向鎖緊裝置設(shè)計［J］．石油機械，2013，41（3）：63 67．

［2］ 戴兵，張瑜，段夢蘭，等．新型多功能樁基試驗系統(tǒng)的研制［J］．石油機械，2012，40（4）：64 67．

［3］ 段夢蘭，張愛霞，王建軍，等．自升式鉆井平臺拔樁阻力預測的數(shù)值計算方法［J］．機械強度，2010，32（6）：961 966．

［4］ 蔡勝利，張福，馮利杰，等．自升式鉆井平臺沖樁系統(tǒng)技術(shù)分析及優(yōu)化方案［J］．石油礦場機械，2012，41（10）：64 68．

［5］ 劉允杭，楊旬．自升式鉆井平臺新型拔樁挖泥器的研制［J］．石油工程建設(shè)，2013，39（6）：38 40．

［6］ 候勇俊，曾蓮．桁架自升式鉆井平臺拔樁過程動力學分析［J］．石油礦場機械，2014，43（8）：37 42．

［7］ 胡知輝，段夢蘭，趙軍，等．自升式鉆井平臺新型高效沖樁系統(tǒng)的研制［J］．中國機械工程，2012，23（4）：402 406．

［8］ H ossain M S．Limiting cavity depth for spudcan foun dations penetrating clay［J］．Geotechnique，2005，55 （9）：679 690．

［9］ 董星亮，曹式敬，唐海雄．海洋鉆井手冊［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2011．

［10］ 張愛霞，段夢蘭，胡知輝，等．海床土體固結(jié)效應(yīng)對平臺拔樁吸附力的影響［J］．石油機械，2012，40（4）：54 57．

Research of Jack up Driiiing Rig Leg Jetting Effect on Piie puiiing Force

ZHANG Baoping1，JIN Y uangang1，WANG Jin ming1，Y ANG Jin2，SUN Liwei2，WU Y ong1
（1．EnerTech Drilling&Production Co．，CNOOC，Tianjin300457，China；2．Keu Laboratoru of Ministru of Education of Petroleum Engineering，China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China ）

After pile inserting of jack up rig，for the pile inserting is deep and long w ork time，pile pulling period is very long，pile pulling is difficult．In order to im prove the efficiency of pile pulling，it is necessary to pile pulling system especially the pile shoe botto mnozzle jetting efficiency test research．The leg and spud can model designed fro mone deep water drilling rig are used，and the Bohai bay offshore undisturbed soil as the test site is selected，for inserting pile and pile pul ling test，and obtaining a clear relationship between different inserting pile and pile pulling force．Test results show that when the pile jetting hole area reaches to pile shoe area 1%，pile pulling force decreases about 40%，so the pile jetting has a perfect effect on the da mage of adsorption at the bottom of spud can，it is an effective means to deal with the difficulty of pile pulling．

drilling platform；adsorption force；jetting；pile pulling；pile pulling force

T E951

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．014

1001 3482（2015）06 0059 04

①2014 12 26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“海洋平臺地基與基礎(chǔ)測試分析技術(shù)”（2008 A A092701 03）；中海油研究總院重點項目“自升式鉆井平臺插拔樁預測技術(shù)研究與應(yīng)用”（YXKY 2014 ZY 04）

張寶平（1981 ），男，山東青州人，工程師，主要從事鉆井平臺插拔樁和就位技術(shù)的研究，Email：qzzbp1981＠163．co m。