喷冲系统降低拔桩阻力有效性的试验研究*

张海洋，初新杰，2，董 胜**

（1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

自升式钻井平台是中国在进行海洋油气勘探过程中使用广泛的装备［1］。原有作业任务完成以后，自升式平台需要移至新的作业井位。移位之前必须进行拔桩作业，即将支撑于海底的桩腿拔出。由于每次作业地点的海底土体性状不同，部分地方地层复杂、地质疏松，平台插桩时桩腿入泥过深，且插桩破坏的土体重新成浆回淤，形成新的附着土体稳定在桩腿上，长时间固结后将具有一定强度，由此导致平台拔桩阻力过大，甚至拔桩困难［2］。历史上出现过因入泥过深造成拔桩时间过长、平台受损的事故。为减少平台作业事故，保证平台的作业安全，必须预先分析、评价平台在特定地质条件及入泥深度的拔桩能力，探讨拔桩过程中减小阻力的有效方法，以避免不必要的经济损失。

应用喷冲系统降低拔桩阻力的成果并不多见。1987年Lin针对普通的圆锥形桩靴描述了一种喷冲系统，并在海沙地基中进行了小比尺物理模型试验，研究了喷嘴喷射角度及布置位置对喷冲效果的影响。验证了随着水流量增大及喷口喷射方向接近桩土接触面，拔桩阻力逐渐降低［3］。2006年Gaudin等做了一系列的离心机试验，研究了喷口直径以及喷口在桩靴上的排布方式对喷冲效果的影响，并将实验成果应用于西非贝宁湾的实际工程中［4－6］。2012年胡知辉等针对工程中存在的泥沙倒灌冲桩喷嘴等问题提出了改进的喷冲方案［7］。虽然喷冲系统在自升式平台实际生产中已有一定的应用，但对喷冲系统的工作机理以及其对降低拔桩阻力的有效性仍然缺乏全面系统的研究。

为了探究喷冲系统的工作机理及其影响因素，本文首先进行单喷嘴试验，主要介绍试件设计与试验的过程。通过分析不同喷冲参数之间的相互变化关系，得到喷冲功率、压力、流量、喷口直径增大时，有效射程、喷坑容积、当量直径也会随之增大的结论。这种关系在不同地质条件中稍有不同，但总体趋势一致。通过试验设定桩靴喷冲系统的4种不同喷冲工况，发现桩靴在上下同时喷冲时拔桩阻力降低值超过无喷冲拔桩时的50%，效果显著。

1 试件及试验方法

1.1 试验材料及试件设计

（1）试验土体 试验土体取用粉质黏土及粉土2种不同性质的土体材料。其中粉质黏土的含水量29.5%，经过固结30d，其内聚力为3kPa；粉土的天然容重为20kN/m3，含水量为22.9%，摩擦角为31°，桩靴插入黏土25cm时端阻5.6MPa。

（2）喷嘴 喷嘴选用出口孔径为分别为Φ1、Φ2、Φ3、Φ7、Φ9、Φ12、Φ16、Φ22长度皆为6cm的等径短直管型喷嘴（其中部分喷嘴内管为锥型）。

（3）喷冲压力 喷冲压力系指喷嘴接水管压力。喷冲压力范围为0.15～0.52MPa。

（4）桩靴模型 桩靴模型结构如图1和2所示，平面形状为正八边形。对边距离为1 000mm，边长为456mm，采用5mm厚的普通钢板焊接而成，内部中空，为格构式桩靴，桩靴顶部中心与直径为350mm的圆柱形桩腿模型焊接，形成整个试验模型。喷冲系统的管路布置在桩靴的内部，分为喷冲桩靴上部土体的上喷冲支管及喷冲桩靴下部土体的下喷冲支管。其详细尺寸及喷嘴的排布位置见图1和2。

图1 模型平面图Fig.1 Plan of model

图2 模型立面图Fig.2 Elevation of Model

1.2 单喷嘴喷冲试验

通过单喷嘴喷冲试验，探索喷冲参数在不同地质条件中的变化规律。试验于特制的泥沙喷冲试验桶内进行：利用各种喷嘴，在各种喷冲压力下形成的射流对2种土体进行喷冲，喷冲时间为10min，观察土体溃散情况。当水流射程达到临界值时，测定（或计算）射流出口速度和射流落点速度以及喷坑指标数据。通过这样一系列试验，最终总结出影响喷冲效果的各喷冲参数之间相互关系。

射流速度计算采用了如下方法［8］：

（1）珂诺瓦洛夫公式

式中：VL为距起始断面为L的断面处的平均流速；V0为起始断面处平均流速；D为喷嘴直径。

（2）水动力学公式

式中：VL为距起始断面距离为L的断面处轴心速度；V0为起始断面处速度；D为管嘴直径；φ为实验常数，可取6.4。

（3）钻井手册公式

式中符号意义与前式同，L大于5.9D。

（4）地基处理手册

式中：HL为距起始断面L处水喷射流轴上压力，L适用于50～300d；H0为起始压力。

根据本试验所采用土体样本的特性及实验设备的具体情况，采用水动力学公式计算射流速度最能反映真实情况。因此，在后续试验所得射流速度都将由此公式计算。

1.3 喷冲拔桩试验

研究在不同喷冲条件下如何降低拔桩阻力，验证喷冲系统的工作效率。试验步骤如下：

（1）配置粉土试验地基。

（2）将桩靴试验模型沉入试验地基中，桩靴上表面位于泥面下80mm。

（3）进行无喷冲上拔试验，记录上拔阻力。

（4）进行只有下喷冲的上拔试验，记录上拔阻力。（只有下喷冲的桩靴模型见图3）

图3 只有上喷冲的桩靴模型Fig.3 The spudcan model with upper jet

（5）进行只有上喷冲的上拔试验，记录上拔阻力。（只有上喷冲的桩靴模型见图4）

（6）进行同时有上、下喷冲的上拔试验，记录上拔阻力。

（7）根据情况，重复（2）～（6）的试验步骤。

（8）增加（2）中的桩靴入泥深度，桩靴上表面位于泥面下160mm，重复（3）～（7）的试验步骤。

（9）增加（2）中的桩靴入泥深度，桩靴上表面位于泥面下240mm，重复（3）～（7）的试验步骤。

（10）配置粉质黏土试验地基，重复（2）～（9）的试验步骤。

图4 只有下喷冲的桩靴模型Fig.4 The spudcan model with lower jet

2 试验结果及分析

2.1 喷冲参数之间的相互关系

（1）粉土与粉质黏土中射流功率与有效射程的关系。

射流运动功率为喷冲压力与喷嘴流量的乘积［9］，它与有效射程的关系综合反映了射流驱动力及流量与有效射程的关系。

通过射流功率与有效射程的关系曲线可以看出：在粉土中随着射流功率的增大，有效射程随着增大，但增幅逐渐趋于平缓，而在粉质黏土中二者的关系基本保持线性增长。

图5 粉土中射流功率与有效射程关系图Fig.5 Relationship between jet power and the effective range in silt

图6 粉质黏土中射流功率与有效射程关系图Fig.6 Relationship between jet power and the effective range in silty clay

（2）粉质黏土与粉土中射流流量与喷坑容积的关系。

通过射流流量与喷坑容积的关系曲线可以看出：喷除体积与喷嘴流量大致为二次曲线。在相同功率下，粉土中采用大喷嘴更有效。在粉质黏土中，喷除体积与流量大致成正比。

图7 粉土中射流流量与喷坑容积关系图Fig.7 Relationship between jet flow and spray volume in silt

图8 粉质黏土中射流流量与喷坑容积关系图Fig.8 Relationship between jet flow and spray volume in silty clay

（3）以粉土为例展示各种喷孔直径与相关量的关系。（喷冲压力P＝0.5MPa）

图9 粉土中喷孔直径与有效射程关系图Fig.9 Relationship between nozzle diameter and the effective range in silt

图10 粉土中喷孔直径与喷坑容积关系图Fig.10 Relationship between nozzle diameter and spray volume in silt

图11 粉土中喷孔直径与喷坑当量直径关系图Fig.11 Relationship between nozzle diameter and equivalent diameter in silt

在单喷嘴定时试验中，粉土中喷坑深度（有效射程）、喷坑当量直径与喷孔直径大致成正比，喷坑容积与喷孔直径的三次方大致成正比。因理论上喷坑容积与喷坑当量直径的二次方成正比，与喷坑深度成正比，进而得出所以由图9～11所得结果与理论结果相符。喷孔直径越大，喷冲带出的泥浆越多，含沙浓度越大，如图12所示。并且随着喷孔直径增大，含沙浓度加速增长，喷冲效果更明显。

图12 粉土中喷孔直径与出水含沙浓度关系图Fig.12 Relationship between nozzle diameter and sediment concentration in silt

进行实验时也碰到一些问题，其中堵眼问题是在试验中多次出现的现象。其中重主原因是泵吸入块状或纤维类物体，也出现过从喷嘴外部堵塞的现象。而且通过试验发现，喷孔越小时，堵眼出现的可能性越大。

2.2 喷冲拔桩的有效性分析

分别在粉土和粉质黏土中按前述试验步骤进行喷冲拔桩试验后发现喷冲试验在两种地质条件中表现出相似的特性，因此限于文章篇幅，在此仅就在粉土条件下的实验结果进行分析。

有无喷冲情况下最大上拔力都随着埋置深度的增加线性增长（图13～17），当埋置深度为80mm，喷冲压力为0.1MPa时不同情况下最大上拔力之间的对比见表1，从表中可以看出上下同时喷冲时，效果较为明显，其最大喷冲力仅为无喷冲时的54%，降低了将近一半。下喷冲比上喷冲起到的效果要明显的多。因为在拔桩过程中桩靴底部的吸附力是拔桩阻力的主要部分，下喷冲可以减少土体与桩底的接触，降低了吸附力。这与其他的类似研究结果相吻合［10－11］。

当仅有下喷冲时，喷冲压力从0MPa上升到0.1 MPa这一阶段，最大上拔力迅速降低。而当喷冲压力继续升高，从0.15MPa上升到0.2MPa时，最大上拔力降幅减小并趋于稳定。这说明喷冲压力存在最优值，过小起不到效果，过大的话造成浪费并且会对喷冲管道造成磨损。

表1 不同喷冲条件下的最大拔桩力Table 1 The maximum of pull-out load in different jetting conditions

图13 无喷冲时最大上拔力与埋深关系图Fig.13 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with no jetting

图14 仅上喷冲时最大上拔力与埋深关系图Fig.14 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with upper jetting

图15 仅下喷冲时最大上拔力与埋深关系图Fig.15 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with lower jetting

图16 上/下同时喷冲时最大上拔力与埋深关系图Fig.16 Relationship between the maximum of pull-out load and embedment depth with full jetting

图17 仅下喷冲时最大上拔力与喷冲压力关系图Fig.17 Relationship between the maximum of pull-out load and jetting pressure with lower jetting

3 结论

喷冲系统工作时，可以降低拔桩阻力。通过试验，得到如下结论：

（1）当喷冲功率、压力、流量、喷口直径增大时，有效射程、喷坑容积、当量直径也会随之增大，这种关系在不同地质条件中稍有不同，但总体趋势一致。当喷冲功率等参数增大时会产生一些其他影响，如降低喷冲系统的稳定性，耗费更多的能量，加快喷冲系统管道的磨损等问题。因此，在多种约束条件下，存在符合拔桩要求的最优参数。

（2）在设计喷冲作用下，可以显著降低平台的拔桩阻力，实现平台的顺利起拔作业。桩靴上下同时喷冲时拔桩阻力可以降低值超过无喷冲拔桩时的50%，效果明显。

需要指出的是：在出现部分喷嘴堵塞的情况下，平台的上拔力会增大，可能导致平台无法顺利起拔。因此，喷嘴的设计还需进一步改进。

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