自升式钻井平台插桩等候时间与拔桩阻力相互影响研究

王金明

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）



自升式钻井平台插桩等候时间与拔桩阻力相互影响研究

王金明

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

摘 要：自升式钻井平台现场作业时可能会出现拔桩困难、周期长等问题，为了提高拔桩效率，对拔桩阻力与插桩等候时间之间的相互影响关系进行了试验研究。以“海洋石油941”平台桩腿和桩靴为原型，选取渤海湾天津海边原状土为试验场地，进行了相关试验。结果表明，拔桩阻力随等候时间的增加而增加，且增加的幅度越来越小，最终趋于稳定；在不考虑拔桩前用高压海水对桩靴上下表面土体冲桩的情况下，当拔桩阻力稳定时，拔桩阻力约为桩腿自重的2倍。

关键词：等候时间；拔桩阻力；散点图

自升式钻井平台是由一个驳船形船体和3至4个能够升降的桩腿所组成的海上平台，已成为浅海油气田勘探开发最主要的钻完井装备之一。自升式钻井平台就位插桩作业过程是钻井平台海上施工的关键环节，而拔桩作业过程同样是影响重大的环节［1］。渤海九号钻井平台在垦利某区块拔桩作业时间达到22 d，胜利六号在某区块拔桩作业达到62 d，长时间的拔桩作业不仅对钻井平台桩腿造成很大的安全隐患，而且还会对工期安排造成很大影响，甚至会影响企业的正常生产。

为了研究自升式钻井平台拔桩阻力与哪些因素有关，非常有必要开展海底原状土试验，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。现基于海边海底原状土试验，分析研究插桩等候时间与拔桩阻力之间的关系。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验场地选在渤海湾天津塘沽海边，场地大小60 m×30 m，在该场地搭建可移动脚手架，见图1。以该处未被破坏的原状土作为试验用土层，经过现场钻孔取样并进行土质分析，该处土层分布符合海上作业土层特点［2，3］。试验所用的钻井平台桩腿模型为海洋石油941桩腿和桩靴按照1∶100设计并加工，如图2所示。

图1 试验用脚手架

图2 试验用钻井平台桩腿桩靴

试验设计了一套拔桩系统，系统主要仪器是拉力式大钳扭矩传感器，见图3，主要由大钳扭矩传感器、SK-HA-8Y24A压力传感器和液压管线组成，传感器的量程为10 t；试验用读数的设备为SK-2Z16钻井参数仪，可用来读取拉力计的读数，见图4。

图3 大钳扭矩传感器

图4 钻井参数仪

1.2 试验原理

由于进行原现场试验的不可行性，本试验采用相似原理进行室外搭建一定高度的脚手架，在脚手架上进行自升式钻井平台插拔桩模拟试验，整个试验过程保证了几何相似和物理相似。

几何相似即试验所用钻井平台桩腿和桩靴完全是按真实钻井平台的桩腿和桩靴以一定比例缩小的；物理相似包括试件模型的材质，压载方式，边界条件等的相似。

试验理论原理［4， 5］如下：

自升式钻井平台在拔桩过程中拔桩阻力由以下几部分组成：桩靴底部吸附力、桩靴侧面摩擦阻力、桩靴上部覆土的重力和桩侧土体的剪切破坏力，计算公式如下：

式中：Qut为极限上拔力，t；W为桩腿和桩靴质量，t；P1为桩靴上部土体质量，t；P2为扩散角引起的桩靴上部土体质量［6，7］，t；Ff为桩靴侧面摩擦阻力，t；Fa为土体破坏时的剪切力，t；Ft为桩靴底部的吸附力［8］，t；Ns为上部阻力系数；γi'为桩靴以上回填土的浮容重，t/ m3；hi为桩靴上部土体深度，m；A为桩靴最大直径处面积，m2；Ri为土层顶面土体破坏圆的半径，m；ri为土层底面土体破坏圆的半径，m；B为桩靴的直径，m；d为桩靴的有效高度，m；Su为桩靴侧面土体平均不排水抗剪强度，kPa；Sui为第i层土的平均不排水抗剪强度，kPa；Ai为第i层土的土体锥形面侧面积，m2。

其中，P1和P2都与插桩等候时间密切相关。

1.3 试验步骤

试验过程按照以下步骤进行：

（1）选择插桩点；

（2）插入桩腿模型；

（3）逐步加压直到桩腿到预定深度［9，10］；

（4）分别静置2 h、6 h、12 h和24 h四种不同的时间；

（5）不同等候时间下分别记录拔桩时的拔桩阻力。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

由于试验现场各方面条件的限制，使得现场不能提供过大的拔桩力，所以现场使用18 cm圆筒式桩腿做等候时间对拔桩阻力影响的试验，所得试验数据见表1。

表1 等候时间与拔桩阻力影响试验原始记录

2.2 试验分析

根据表1，做出拔桩阻力与等候时间的关系散点图，如图5。

图5 拔桩阻力与等候时间关系图

由图5可知，拔桩阻力随等候时间的增加而增加，且增加的幅度越来越小，最终趋于稳定。由桩腿自重可知，在不考虑拔桩前用高压海水对桩靴上下表面土体冲桩的情况下，当拔桩阻力稳定时，拔桩阻力约为桩腿自重的2倍。

3 结论

（1）试验结论与渤海海域内插桩等候时间长短和拔桩时效相吻合，对自升式钻井平台拔桩作业有一定的借鉴意义；

（2）拔桩阻力随等候时间的增加而增加，且增加的幅度越来越小，最终趋于稳定。在实际插桩等候时间比较长的情况下，一定要考虑等候时间对拔桩阻力的影响，以保证拔桩时桩腿的安全；

（3）由试验可知，在不考虑拔桩前用高压海水对桩靴上下表面土体冲桩的情况下，当拔桩阻力稳定时，拔桩阻力约为桩腿自重的2倍。

参考文献：

［1］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.

［2］杨文达.海洋石油钻井平台工程地质条件评价技术研究［J］.海洋石油，2008，28（4）：77-82.

［3］王建军，宋林松，黎剑波.自升式平台作业适应性分析［J］.船舶工程，2010，32（5）：63-66.

［4］任杰，候勇俊，张智亮.自升式平台桩腿与岩土互作用研究进展［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：9-14.

［5］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.

［6］刘建辉.钻井船桩靴的拔出对简型基础平台地基的影响分析［D］.天津大学，2004：43-46.

［7］王建军，李红涛.自升式海洋平台地基稳定性分析［J］.中国修船，2010，23（3）：54-56.

［8］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.

［9］刘剑涛，吴文峰，蒋宝凡.自升式钻井船插桩深度预测［J］.中国造船，2007，48（增）：317-322.

［10］姜伟，汪顺文，杨进.自升式钻井平台插桩作业控制技术［M］.北京：石油工业出版社，2012：94-105.

中图分类号：TE58

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.090

文章编号：1008-2336（2016）02-0090-03

收稿日期：2016-01-22；改回日期：2016-02-23

作者简介：王金明，女，1982年生，工程师，硕士，主要从事自升式钻井平台插桩就位方案设计工作。E-mail：wangjm4@cnooc.com.cn。

Study on the Mutual Infuence between the Waiting Time of Pile Insertion and the Pull-out Resistance of Jack-up Platform

WANG Jinming
（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.， Tianjin 300452， China）

Abstract：Some problems such as the diffculty in pile pull-out and operation cycle prolonging may occur in the feld operation of the jack-up platform. In order to improve the effciency of pile pull-out， the author conducted the experimental study on the relationship between the pull-out resistance and the waiting time of pile insertion. The experiments were made by taking Marine Oil 941's leg and spudcan as the sample， the undisturbed soil of Bohai Bay in Tianjin as the experimental site. The results show that the of pullout resistance increases with the increase of waiting time， the increment becomes gradually smaller， and eventually tends to be stable. Without regard to the infuence of water jetting of high pressure sea water on the upper and lower surface soil of the spudcan before pulling out the pile， the pull-out force is about 2 times of the weight of the leg when the pull-out resistance is stable.

Keywords：Waiting time； pull-out resistance； scatter diagram