噴沖系統降低拔樁阻力有效性的試驗研究*

張海洋，初新杰，2，董 勝**

（1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

自升式鉆井平臺是中國在進行海洋油氣勘探過程中使用廣泛的裝備［1］。原有作業任務完成以后，自升式平臺需要移至新的作業井位。移位之前必須進行拔樁作業，即將支撐于海底的樁腿拔出。由于每次作業地點的海底土體性狀不同，部分地方地層復雜、地質疏松，平臺插樁時樁腿入泥過深，且插樁破壞的土體重新成漿回淤，形成新的附著土體穩定在樁腿上，長時間固結后將具有一定強度，由此導致平臺拔樁阻力過大，甚至拔樁困難［2］。歷史上出現過因入泥過深造成拔樁時間過長、平臺受損的事故。為減少平臺作業事故，保證平臺的作業安全，必須預先分析、評價平臺在特定地質條件及入泥深度的拔樁能力，探討拔樁過程中減小阻力的有效方法，以避免不必要的經濟損失。

應用噴沖系統降低拔樁阻力的成果并不多見。1987年Lin針對普通的圓錐形樁靴描述了一種噴沖系統，并在海沙地基中進行了小比尺物理模型試驗，研究了噴嘴噴射角度及布置位置對噴沖效果的影響。驗證了隨著水流量增大及噴口噴射方向接近樁土接觸面，拔樁阻力逐漸降低［3］。2006年Gaudin等做了一系列的離心機試驗，研究了噴口直徑以及噴口在樁靴上的排布方式對噴沖效果的影響，并將實驗成果應用于西非貝寧灣的實際工程中［4－6］。2012年胡知輝等針對工程中存在的泥沙倒灌沖樁噴嘴等問題提出了改進的噴沖方案［7］。雖然噴沖系統在自升式平臺實際生產中已有一定的應用，但對噴沖系統的工作機理以及其對降低拔樁阻力的有效性仍然缺乏全面系統的研究。

為了探究噴沖系統的工作機理及其影響因素，本文首先進行單噴嘴試驗，主要介紹試件設計與試驗的過程。通過分析不同噴沖參數之間的相互變化關系，得到噴沖功率、壓力、流量、噴口直徑增大時，有效射程、噴坑容積、當量直徑也會隨之增大的結論。這種關系在不同地質條件中稍有不同，但總體趨勢一致。通過試驗設定樁靴噴沖系統的4種不同噴沖工況，發現樁靴在上下同時噴沖時拔樁阻力降低值超過無噴沖拔樁時的50%，效果顯著。

1 試件及試驗方法

1.1 試驗材料及試件設計

（1）試驗土體 試驗土體取用粉質黏土及粉土2種不同性質的土體材料。其中粉質黏土的含水量29.5%，經過固結30d，其內聚力為3kPa；粉土的天然容重為20kN/m3，含水量為22.9%，摩擦角為31°，樁靴插入黏土25cm時端阻5.6MPa。

（2）噴嘴 噴嘴選用出口孔徑為分別為Φ1、Φ2、Φ3、Φ7、Φ9、Φ12、Φ16、Φ22長度皆為6cm的等徑短直管型噴嘴（其中部分噴嘴內管為錐型）。

（3）噴沖壓力 噴沖壓力系指噴嘴接水管壓力。噴沖壓力范圍為0.15～0.52MPa。

（4）樁靴模型 樁靴模型結構如圖1和2所示，平面形狀為正八邊形。對邊距離為1 000mm，邊長為456mm，采用5mm厚的普通鋼板焊接而成，內部中空，為格構式樁靴，樁靴頂部中心與直徑為350mm的圓柱形樁腿模型焊接，形成整個試驗模型。噴沖系統的管路布置在樁靴的內部，分為噴沖樁靴上部土體的上噴沖支管及噴沖樁靴下部土體的下噴沖支管。其詳細尺寸及噴嘴的排布位置見圖1和2。

圖1 模型平面圖Fig.1 Plan of model

圖2 模型立面圖Fig.2 Elevation of Model

1.2 單噴嘴噴沖試驗

通過單噴嘴噴沖試驗，探索噴沖參數在不同地質條件中的變化規律。試驗于特制的泥沙噴沖試驗桶內進行：利用各種噴嘴，在各種噴沖壓力下形成的射流對2種土體進行噴沖，噴沖時間為10min，觀察土體潰散情況。當水流射程達到臨界值時，測定（或計算）射流出口速度和射流落點速度以及噴坑指標數據。通過這樣一系列試驗，最終總結出影響噴沖效果的各噴沖參數之間相互關系。

射流速度計算采用了如下方法［8］：

（1）珂諾瓦洛夫公式

式中：VL為距起始斷面為L的斷面處的平均流速；V0為起始斷面處平均流速；D為噴嘴直徑。

（2）水動力學公式

式中：VL為距起始斷面距離為L的斷面處軸心速度；V0為起始斷面處速度；D為管嘴直徑；φ為實驗常數，可取6.4。

（3）鉆井手冊公式

式中符號意義與前式同，L大于5.9D。

（4）地基處理手冊

式中：HL為距起始斷面L處水噴射流軸上壓力，L適用于50～300d；H0為起始壓力。

根據本試驗所采用土體樣本的特性及實驗設備的具體情況，采用水動力學公式計算射流速度最能反映真實情況。因此，在后續試驗所得射流速度都將由此公式計算。

1.3 噴沖拔樁試驗

研究在不同噴沖條件下如何降低拔樁阻力，驗證噴沖系統的工作效率。試驗步驟如下：

（1）配置粉土試驗地基。

（2）將樁靴試驗模型沉入試驗地基中，樁靴上表面位于泥面下80mm。

（3）進行無噴沖上拔試驗，記錄上拔阻力。

（4）進行只有下噴沖的上拔試驗，記錄上拔阻力。（只有下噴沖的樁靴模型見圖3）

圖3 只有上噴沖的樁靴模型Fig.3 The spudcan model with upper jet

（5）進行只有上噴沖的上拔試驗，記錄上拔阻力。（只有上噴沖的樁靴模型見圖4）

（6）進行同時有上、下噴沖的上拔試驗，記錄上拔阻力。

（7）根據情況，重復（2）～（6）的試驗步驟。

（8）增加（2）中的樁靴入泥深度，樁靴上表面位于泥面下160mm，重復（3）～（7）的試驗步驟。

（9）增加（2）中的樁靴入泥深度，樁靴上表面位于泥面下240mm，重復（3）～（7）的試驗步驟。

（10）配置粉質黏土試驗地基，重復（2）～（9）的試驗步驟。

圖4 只有下噴沖的樁靴模型Fig.4 The spudcan model with lower jet

2 試驗結果及分析

2.1 噴沖參數之間的相互關系

（1）粉土與粉質黏土中射流功率與有效射程的關系。

射流運動功率為噴沖壓力與噴嘴流量的乘積［9］，它與有效射程的關系綜合反映了射流驅動力及流量與有效射程的關系。

通過射流功率與有效射程的關系曲線可以看出：在粉土中隨著射流功率的增大，有效射程隨著增大，但增幅逐漸趨于平緩，而在粉質黏土中二者的關系基本保持線性增長。

圖5 粉土中射流功率與有效射程關系圖Fig.5 Relationship between jet power and the effective range in silt

圖6 粉質黏土中射流功率與有效射程關系圖Fig.6 Relationship between jet power and the effective range in silty clay

（2）粉質黏土與粉土中射流流量與噴坑容積的關系。

通過射流流量與噴坑容積的關系曲線可以看出：噴除體積與噴嘴流量大致為二次曲線。在相同功率下，粉土中采用大噴嘴更有效。在粉質黏土中，噴除體積與流量大致成正比。

圖7 粉土中射流流量與噴坑容積關系圖Fig.7 Relationship between jet flow and spray volume in silt

圖8 粉質黏土中射流流量與噴坑容積關系圖Fig.8 Relationship between jet flow and spray volume in silty clay

（3）以粉土為例展示各種噴孔直徑與相關量的關系。（噴沖壓力P＝0.5MPa）

圖9 粉土中噴孔直徑與有效射程關系圖Fig.9 Relationship between nozzle diameter and the effective range in silt

圖10 粉土中噴孔直徑與噴坑容積關系圖Fig.10 Relationship between nozzle diameter and spray volume in silt

圖11 粉土中噴孔直徑與噴坑當量直徑關系圖Fig.11 Relationship between nozzle diameter and equivalent diameter in silt

在單噴嘴定時試驗中，粉土中噴坑深度（有效射程）、噴坑當量直徑與噴孔直徑大致成正比，噴坑容積與噴孔直徑的三次方大致成正比。因理論上噴坑容積與噴坑當量直徑的二次方成正比，與噴坑深度成正比，進而得出所以由圖9～11所得結果與理論結果相符。噴孔直徑越大，噴沖帶出的泥漿越多，含沙濃度越大，如圖12所示。并且隨著噴孔直徑增大，含沙濃度加速增長，噴沖效果更明顯。

圖12 粉土中噴孔直徑與出水含沙濃度關系圖Fig.12 Relationship between nozzle diameter and sediment concentration in silt

進行實驗時也碰到一些問題，其中堵眼問題是在試驗中多次出現的現象。其中重主原因是泵吸入塊狀或纖維類物體，也出現過從噴嘴外部堵塞的現象。而且通過試驗發現，噴孔越小時，堵眼出現的可能性越大。

2.2 噴沖拔樁的有效性分析

分別在粉土和粉質黏土中按前述試驗步驟進行噴沖拔樁試驗后發現噴沖試驗在兩種地質條件中表現出相似的特性，因此限于文章篇幅，在此僅就在粉土條件下的實驗結果進行分析。

有無噴沖情況下最大上拔力都隨著埋置深度的增加線性增長（圖13～17），當埋置深度為80mm，噴沖壓力為0.1MPa時不同情況下最大上拔力之間的對比見表1，從表中可以看出上下同時噴沖時，效果較為明顯，其最大噴沖力僅為無噴沖時的54%，降低了將近一半。下噴沖比上噴沖起到的效果要明顯的多。因為在拔樁過程中樁靴底部的吸附力是拔樁阻力的主要部分，下噴沖可以減少土體與樁底的接觸，降低了吸附力。這與其他的類似研究結果相吻合［10－11］。

當僅有下噴沖時，噴沖壓力從0MPa上升到0.1 MPa這一階段，最大上拔力迅速降低。而當噴沖壓力繼續升高，從0.15MPa上升到0.2MPa時，最大上拔力降幅減小并趨于穩定。這說明噴沖壓力存在最優值，過小起不到效果，過大的話造成浪費并且會對噴沖管道造成磨損。

表1 不同噴沖條件下的最大拔樁力Table 1 The maximum of pull-out load in different jetting conditions

圖13 無噴沖時最大上拔力與埋深關系圖Fig.13 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with no jetting

圖14 僅上噴沖時最大上拔力與埋深關系圖Fig.14 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with upper jetting

圖15 僅下噴沖時最大上拔力與埋深關系圖Fig.15 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with lower jetting

圖16 上/下同時噴沖時最大上拔力與埋深關系圖Fig.16 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with full jetting

圖17 僅下噴沖時最大上拔力與噴沖壓力關系圖Fig.17 Relationship between the maximum of pull-out load and jetting pressure with lower jetting

3 結論

噴沖系統工作時，可以降低拔樁阻力。通過試驗，得到如下結論：

（1）當噴沖功率、壓力、流量、噴口直徑增大時，有效射程、噴坑容積、當量直徑也會隨之增大，這種關系在不同地質條件中稍有不同，但總體趨勢一致。當噴沖功率等參數增大時會產生一些其他影響，如降低噴沖系統的穩定性，耗費更多的能量，加快噴沖系統管道的磨損等問題。因此，在多種約束條件下，存在符合拔樁要求的最優參數。

（2）在設計噴沖作用下，可以顯著降低平臺的拔樁阻力，實現平臺的順利起拔作業。樁靴上下同時噴沖時拔樁阻力可以降低值超過無噴沖拔樁時的50%，效果明顯。

需要指出的是：在出現部分噴嘴堵塞的情況下，平臺的上拔力會增大，可能導致平臺無法順利起拔。因此，噴嘴的設計還需進一步改進。

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