自升式鉆井平臺(tái)沖樁對(duì)拔樁阻力影響研究

張寶平，金元?jiǎng)?，王金明，?進(jìn)，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(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室　北京049）

自升式鉆井平臺(tái)沖樁對(duì)拔樁阻力影響研究

張寶平1，金元?jiǎng)?，王金明1，楊 進(jìn)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(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室北京102249）①

自升式鉆井平臺(tái)插樁較深，拔樁時(shí)出現(xiàn)周期長(zhǎng)、拔樁困難等問題。為了提高拔樁效率，對(duì)拔樁系統(tǒng)尤其是樁靴底部噴嘴沖樁效率進(jìn)行試驗(yàn)研究。以某深水鉆井平臺(tái)為原型設(shè)計(jì)樁腿、樁靴模型，選取渤海濱海原狀土為試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行沖樁和拔樁試驗(yàn)，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(dāng)沖樁孔面積達(dá)到樁靴面積1%時(shí)，拔樁阻力減小40%左右，因此沖樁對(duì)破壞樁靴底部吸附力作用明顯，是應(yīng)對(duì)拔樁困難的有效手段。

鉆井平臺(tái)；吸附力；沖樁；撥樁；拔樁阻力

自升式鉆井平臺(tái)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(gè)鉆井平臺(tái)可以去多個(gè)油田平臺(tái)和導(dǎo)管架進(jìn)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(tái)作業(yè)海域地質(zhì)條件復(fù)雜［2］，如果遇到地質(zhì)疏松的地層，可能造成平臺(tái)樁靴入泥過深而導(dǎo)致拔樁困難［3］，嚴(yán)重影響了平臺(tái)作業(yè)和拖航計(jì)劃［4］。渤海九號(hào)鉆井平臺(tái)在墾利16區(qū)塊某探井作業(yè)時(shí)入泥26 m，拔樁時(shí)間達(dá)到22 d；勝利六號(hào)入泥11．2m，拔樁時(shí)間達(dá)到62 d［5］。

對(duì)于帶樁靴的自升式鉆井平臺(tái)，拔樁作業(yè)是難度大，危險(xiǎn)性高且作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)的一個(gè)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(duì)小一些。樁靴底部吸附力主要由負(fù)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(tái)作業(yè)時(shí)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(dǎo)致樁靴底部的吸附力越來越大，使得自升式鉆井平臺(tái)拔樁困難。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)沖樁系統(tǒng)和拔樁阻力相互關(guān)系進(jìn)行了較多研究，取得了不少成果［8］，但是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)平臺(tái)拔樁時(shí)樁靴底部吸附力還有一定難度，尤其對(duì)平臺(tái)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(yàn)研究的階段，因此很有必要開展海邊原狀土試驗(yàn)研究不同沖樁條件對(duì)拔樁阻力的影響程度，為自升式鉆井平臺(tái)拔樁阻力預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原理和裝置

1．1 試驗(yàn)原理

自升式鉆井平臺(tái)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(yàn)樁靴模型直徑僅為36 cm，所以上覆土的重力不予考慮，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算公式［］為

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(tái)樁腿入泥深度計(jì)算時(shí)，從圖1可以看出，側(cè)壁長(zhǎng)度僅為0．61 m，相對(duì)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(duì)國(guó)內(nèi)外樁基試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)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(yàn)樁腿樁靴模型

試驗(yàn)選取渤海灣塘沽海邊原狀土作為試驗(yàn)場(chǎng)地，經(jīng)過鉆孔取樣和分析，符合海上土層分層情況。試驗(yàn)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(jì)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(yàn)步驟

平臺(tái)拔樁過程中，拔樁阻力各部分同時(shí)存在［10］，因此本試驗(yàn)只測(cè)定樁靴底部吸附力作為拔樁阻力。

試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)平臺(tái)、壓載設(shè)施、測(cè)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(yàn)過程按照以下步驟進(jìn)行：

1） 選擇插樁點(diǎn)。

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(jìn)行不同條件下的拔樁試驗(yàn)，記錄樁腿出泥高度和拔樁拉力。

3 試驗(yàn)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(yàn)實(shí)際插樁深度穩(wěn)定在2 m左右，為試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了良好的基礎(chǔ)。插樁完成后，各個(gè)樁靴均在地層中靜止12 h后進(jìn)行沖樁對(duì)拔樁影響試驗(yàn)。試驗(yàn)選取了沖樁孔不開啟、開啟3個(gè)、開啟6個(gè)和全開啟4種條件進(jìn)行沖樁試驗(yàn)和拔樁拉力測(cè)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(dāng)沖樁水孔的面積達(dá)到樁靴底部面積1%時(shí)，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(jìn)行的拔樁阻力研究，試驗(yàn)結(jié)論與渤海、南海眾多自升式鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)沖樁效果和拔樁時(shí)效相吻合，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)拔樁作業(yè)有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

2） 實(shí)際拔樁遇到困難情況時(shí)，必須進(jìn)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(yàn)結(jié)果表明，沖樁孔占樁靴底部面積很小就能達(dá)到明顯的沖樁效果，說明樁靴底部噴嘴設(shè)計(jì)合理，拔樁就會(huì)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(yàn)結(jié)果結(jié)合自升式鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)拔樁浮力、插樁時(shí)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(tái)懸臂梁縱向鎖緊裝置設(shè)計(jì)［J］．石油機(jī)械，2013，41（3）：63 67．

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

［3］ 段夢(mèng)蘭，張愛霞，王建軍，等．自升式鉆井平臺(tái)拔樁阻力預(yù)測(cè)的數(shù)值計(jì)算方法［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2010，32（6）：961 966．

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

［5］ 劉允杭，楊旬．自升式鉆井平臺(tái)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(tái)拔樁過程動(dòng)力學(xué)分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（8）：37 42．

［7］ 胡知輝，段夢(mèng)蘭，趙軍，等．自升式鉆井平臺(tái)新型高效沖樁系統(tǒng)的研制［J］．中國(guó)機(jī)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(cè)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2011．

［10］ 張愛霞，段夢(mèng)蘭，胡知輝，等．海床土體固結(jié)效應(yīng)對(duì)平臺(tái)拔樁吸附力的影響［J］．石油機(jī)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“海洋平臺(tái)地基與基礎(chǔ)測(cè)試分析技術(shù)”（2008 A A092701 03）；中海油研究總院重點(diǎn)項(xiàng)目“自升式鉆井平臺(tái)插拔樁預(yù)測(cè)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(tái)插拔樁和就位技術(shù)的研究，Email：qzzbp1981＠163．co m。