自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响研究

张宝平，金元刚，王金明，杨 进，孙立伟，吴 勇（．中海油能源发展股份有限公司　工程技术分公司，天津300457；．中国石油大学（北京）石油工程教育部重点试验室　北京049）

自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响研究

张宝平1，金元刚1，王金明1，杨 进2，孙立伟2，吴 勇1
（1．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300457；2．中国石油大学（北京）石油工程教育部重点试验室北京102249）①

自升式钻井平台插桩较深，拔桩时出现周期长、拔桩困难等问题。为了提高拔桩效率，对拔桩系统尤其是桩靴底部喷嘴冲桩效率进行试验研究。以某深水钻井平台为原型设计桩腿、桩靴模型，选取渤海滨海原状土为试验场地，进行冲桩和拔桩试验，明确了不同冲桩条件和拔桩阻力大小的关系。结果表明，当冲桩孔面积达到桩靴面积1%时，拔桩阻力减小40%左右，因此冲桩对破坏桩靴底部吸附力作用明显，是应对拔桩困难的有效手段。

钻井平台；吸附力；冲桩；拨桩；拔桩阻力

自升式钻井平台是近海油气勘探中使用最广泛的钻井装置［1］，在海洋油气开发中扮演非常重要的角色。一个钻井平台可以去多个油田平台和导管架进行钻井、完井和修井作业，移位频繁，因此需要经常性的插桩、拔桩。由于平台作业海域地质条件复杂［2］，如果遇到地质疏松的地层，可能造成平台桩靴入泥过深而导致拔桩困难［3］，严重影响了平台作业和拖航计划［4］。渤海九号钻井平台在垦利16区块某探井作业时入泥26 m，拔桩时间达到22 d；胜利六号入泥11．2m，拔桩时间达到62 d［5］。

对于带桩靴的自升式钻井平台，拔桩作业是难度大，危险性高且作业时间较长的一个环节［6］。拔桩阻力主要来自于桩靴底部的吸附力，桩靴侧面摩擦阻力和回填土土重相对小一些。桩靴底部吸附力主要由负空隙压力和粘着力组成［7］，桩靴钢体、空隙水和土层三者共同作用的结果，插桩后随着钻井平台作业时间的推移，桩靴周围土体固结越来明显，有效应力增加，导致桩靴底部的吸附力越来越大，使得自升式钻井平台拔桩困难。

虽然国内外对冲桩系统和拔桩阻力相互关系进行了较多研究，取得了不少成果［8］，但是准确预测平台拔桩时桩靴底部吸附力还有一定难度，尤其对平台冲桩后的吸附力的消散程度没有定性或者定量研究，仅仅停留在数值模拟研究和室内试验研究的阶段，因此很有必要开展海边原状土试验研究不同冲桩条件对拔桩阻力的影响程度，为自升式钻井平台拔桩阻力预测提供技术支撑和实践基础。

1 试验原理和装置

1．1 试验原理

自升式钻井平台拔桩阻力桩腿的承载力主要由桩靴底部吸附力、侧壁摩擦力和上覆土的重力组成（如图1）。考虑到试验桩靴模型直径仅为36 cm，所以上覆土的重力不予考虑，试验模型的计算公式［］为

式中：Qf为桩腿底部吸附力，N；Qp为桩腿端部阻力，N；As为桩靴侧壁表面积，m2；Ap为桩靴底部最大面积，m2；f为桩靴的侧壁单位摩擦力，N／m2；qu为桩靴底部单位阻力，N／m2。

图1 海洋石油941桩靴

在自升式钻井平台桩腿入泥深度计算时，从图1可以看出，侧壁长度仅为0．61 m，相对桩靴直径18 m来说微乎其微，一般把桩靴的侧壁摩擦力忽略，只考虑桩靴底部吸附力。

1．2 拔桩系统和冲桩系统

对国内外桩基试验分析的基础上，本次试验设计了一套拔桩系统（如图2），该系统包括：拔力转换器、锚桩、压力传感器、静力载荷测试仪、位移传感器、冲桩管线等，提供压载和拔桩拉力。数据采集系统包括拉力传感器（如图3）和位移传感器，拔桩阻力通过拉力传感器来记录。冲桩系统主要由抽水泵、冲桩管线和桩靴模型底部冲桩孔组成，桩靴底部圆周上均匀分布9个冲桩孔（如图4），可以模拟不同冲桩条件。

图2 拔桩装置

图3 拉力传感器

图4 冲桩管线和冲桩孔

1．3 试验桩腿桩靴模型

试验选取渤海湾塘沽海边原状土作为试验场地，经过钻孔取样和分析，符合海上土层分层情况。试验选取模型为海洋石油941桩腿和桩靴（如图5）按照1∶50设计并加工的桩腿和桩靴模型如图6～7。

图5 海洋石油941

图6 桩腿模型

图7 桩靴（含喷嘴）模型

2 试验步骤

平台拔桩过程中，拔桩阻力各部分同时存在［10］，因此本试验只测定桩靴底部吸附力作为拔桩阻力。

试验系统包括试验平台、压载设施、测量拉力设备、钻孔设备、传感器和数据采集仪表。

试验过程按照以下步骤进行：

1） 选择插桩点。

2） 下入桩腿模型。

3） 逐步加载压载水，记录数据。

4） 压到位后，静止12 h。

5） 安装拔桩设备和冲桩系统。

6） 进行不同条件下的拔桩试验，记录桩腿出泥高度和拔桩拉力。

3 试验结果

只有在不同冲桩条件下，桩靴入泥深度值基本一致才能保证同样土层下拔桩工况一样，本试验实际插桩深度稳定在2 m左右，为试验结果的准确性提供了良好的基础。插桩完成后，各个桩靴均在地层中静止12 h后进行冲桩对拔桩影响试验。试验选取了冲桩孔不开启、开启3个、开启6个和全开启4种条件进行冲桩试验和拔桩拉力测定。

表1为4种冲桩条件下拔桩阻力，图8为拔桩阻力与冲桩水眼面积比关系曲线。

表1 不同冲桩条件下的拔桩阻力

图8 拔桩阻力与冲桩水眼面积比关系曲线

由图8可知：冲桩水孔的面积越大，拔桩阻力越小，当冲桩水孔的面积达到桩靴底部面积1%时，拔桩阻力减小将近40%且还在继续减小。

4 结论

1） 基于桩靴底部吸附力作为拔桩阻力的重要组成部分进行的拔桩阻力研究，试验结论与渤海、南海众多自升式钻井平台现场冲桩效果和拔桩时效相吻合，对自升式钻井平台拔桩作业有一定的借鉴和指导意义。

2） 实际拔桩遇到困难情况时，必须进行冲桩作业，桩靴底部喷嘴要逐步开启，流量要逐渐加大。

3） 试验结果表明，冲桩孔占桩靴底部面积很小就能达到明显的冲桩效果，说明桩靴底部喷嘴设计合理，拔桩就会事半功倍。

4） 文中研究拔桩阻力没有考虑侧壁摩擦力和桩靴上覆土重力，需要将试验结果结合自升式钻井平台现场拔桩浮力、插桩时桩腿周围回填土体积来分析拔桩阻力各分力的百分比。

［1］ 蒙占彬，张爱恩，李泽民，等．自升式钻井平台悬臂梁纵向锁紧装置设计［J］．石油机械，2013，41（3）：63 67．

［2］ 戴兵，张瑜，段梦兰，等．新型多功能桩基试验系统的研制［J］．石油机械，2012，40（4）：64 67．

［3］ 段梦兰，张爱霞，王建军，等．自升式钻井平台拔桩阻力预测的数值计算方法［J］．机械强度，2010，32（6）：961 966．

［4］ 蔡胜利，张福，冯利杰，等．自升式钻井平台冲桩系统技术分析及优化方案［J］．石油矿场机械，2012，41（10）：64 68．

［5］ 刘允杭，杨旬．自升式钻井平台新型拔桩挖泥器的研制［J］．石油工程建设，2013，39（6）：38 40．

［6］ 候勇俊，曾莲．桁架自升式钻井平台拔桩过程动力学分析［J］．石油矿场机械，2014，43（8）：37 42．

［7］ 胡知辉，段梦兰，赵军，等．自升式钻井平台新型高效冲桩系统的研制［J］．中国机械工程，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．海洋钻井手册［M］．北京：石油工业出版社，2011．

［10］ 张爱霞，段梦兰，胡知辉，等．海床土体固结效应对平台拔桩吸附力的影响［J］．石油机械，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

国家高技术研究发展计划（863计划）“海洋平台地基与基础测试分析技术”（2008 A A092701 03）；中海油研究总院重点项目“自升式钻井平台插拔桩预测技术研究与应用”（YXKY 2014 ZY 04）

张宝平（1981 ），男，山东青州人，工程师，主要从事钻井平台插拔桩和就位技术的研究，Email：qzzbp1981＠163．co m。