自升式鉆井平臺插樁等候時間與拔樁阻力相互影響研究

王金明

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

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自升式鉆井平臺插樁等候時間與拔樁阻力相互影響研究

王金明

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

摘 要：自升式鉆井平臺現(xiàn)場作業(yè)時可能會出現(xiàn)拔樁困難、周期長等問題，為了提高拔樁效率，對拔樁阻力與插樁等候時間之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。以“海洋石油941”平臺樁腿和樁靴為原型，選取渤海灣天津海邊原狀土為試驗場地，進(jìn)行了相關(guān)試驗。結(jié)果表明，拔樁阻力隨等候時間的增加而增加，且增加的幅度越來越小，最終趨于穩(wěn)定；在不考慮拔樁前用高壓海水對樁靴上下表面土體沖樁的情況下，當(dāng)拔樁阻力穩(wěn)定時，拔樁阻力約為樁腿自重的2倍。

關(guān)鍵詞：等候時間；拔樁阻力；散點圖

自升式鉆井平臺是由一個駁船形船體和3至4個能夠升降的樁腿所組成的海上平臺，已成為淺海油氣田勘探開發(fā)最主要的鉆完井裝備之一。自升式鉆井平臺就位插樁作業(yè)過程是鉆井平臺海上施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而拔樁作業(yè)過程同樣是影響重大的環(huán)節(jié)［1］。渤海九號鉆井平臺在墾利某區(qū)塊拔樁作業(yè)時間達(dá)到22 d，勝利六號在某區(qū)塊拔樁作業(yè)達(dá)到62 d，長時間的拔樁作業(yè)不僅對鉆井平臺樁腿造成很大的安全隱患，而且還會對工期安排造成很大影響，甚至?xí)绊懫髽I(yè)的正常生產(chǎn)。

為了研究自升式鉆井平臺拔樁阻力與哪些因素有關(guān)，非常有必要開展海底原狀土試驗，為自升式鉆井平臺拔樁阻力預(yù)測提供技術(shù)支撐和實踐基礎(chǔ)?，F(xiàn)基于海邊海底原狀土試驗，分析研究插樁等候時間與拔樁阻力之間的關(guān)系。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗場地選在渤海灣天津塘沽海邊，場地大小60 m×30 m，在該場地搭建可移動腳手架，見圖1。以該處未被破壞的原狀土作為試驗用土層，經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔取樣并進(jìn)行土質(zhì)分析，該處土層分布符合海上作業(yè)土層特點［2，3］。試驗所用的鉆井平臺樁腿模型為海洋石油941樁腿和樁靴按照1∶100設(shè)計并加工，如圖2所示。

圖1 試驗用腳手架

圖2 試驗用鉆井平臺樁腿樁靴

試驗設(shè)計了一套拔樁系統(tǒng)，系統(tǒng)主要儀器是拉力式大鉗扭矩傳感器，見圖3，主要由大鉗扭矩傳感器、SK-HA-8Y24A壓力傳感器和液壓管線組成，傳感器的量程為10 t；試驗用讀數(shù)的設(shè)備為SK-2Z16鉆井參數(shù)儀，可用來讀取拉力計的讀數(shù)，見圖4。

圖3 大鉗扭矩傳感器

圖4 鉆井參數(shù)儀

1.2 試驗原理

由于進(jìn)行原現(xiàn)場試驗的不可行性，本試驗采用相似原理進(jìn)行室外搭建一定高度的腳手架，在腳手架上進(jìn)行自升式鉆井平臺插拔樁模擬試驗，整個試驗過程保證了幾何相似和物理相似。

幾何相似即試驗所用鉆井平臺樁腿和樁靴完全是按真實鉆井平臺的樁腿和樁靴以一定比例縮小的；物理相似包括試件模型的材質(zhì)，壓載方式，邊界條件等的相似。

試驗理論原理［4， 5］如下：

自升式鉆井平臺在拔樁過程中拔樁阻力由以下幾部分組成：樁靴底部吸附力、樁靴側(cè)面摩擦阻力、樁靴上部覆土的重力和樁側(cè)土體的剪切破壞力，計算公式如下：

式中：Qut為極限上拔力，t；W為樁腿和樁靴質(zhì)量，t；P1為樁靴上部土體質(zhì)量，t；P2為擴(kuò)散角引起的樁靴上部土體質(zhì)量［6，7］，t；Ff為樁靴側(cè)面摩擦阻力，t；Fa為土體破壞時的剪切力，t；Ft為樁靴底部的吸附力［8］，t；Ns為上部阻力系數(shù)；γi'為樁靴以上回填土的浮容重，t/ m3；hi為樁靴上部土體深度，m；A為樁靴最大直徑處面積，m2；Ri為土層頂面土體破壞圓的半徑，m；ri為土層底面土體破壞圓的半徑，m；B為樁靴的直徑，m；d為樁靴的有效高度，m；Su為樁靴側(cè)面土體平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；Sui為第i層土的平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；Ai為第i層土的土體錐形面?zhèn)让娣e，m2。

其中，P1和P2都與插樁等候時間密切相關(guān)。

1.3 試驗步驟

試驗過程按照以下步驟進(jìn)行：

（1）選擇插樁點；

（2）插入樁腿模型；

（3）逐步加壓直到樁腿到預(yù)定深度［9，10］；

（4）分別靜置2 h、6 h、12 h和24 h四種不同的時間；

（5）不同等候時間下分別記錄拔樁時的拔樁阻力。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

由于試驗現(xiàn)場各方面條件的限制，使得現(xiàn)場不能提供過大的拔樁力，所以現(xiàn)場使用18 cm圓筒式樁腿做等候時間對拔樁阻力影響的試驗，所得試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 等候時間與拔樁阻力影響試驗原始記錄

2.2 試驗分析

根據(jù)表1，做出拔樁阻力與等候時間的關(guān)系散點圖，如圖5。

圖5 拔樁阻力與等候時間關(guān)系圖

由圖5可知，拔樁阻力隨等候時間的增加而增加，且增加的幅度越來越小，最終趨于穩(wěn)定。由樁腿自重可知，在不考慮拔樁前用高壓海水對樁靴上下表面土體沖樁的情況下，當(dāng)拔樁阻力穩(wěn)定時，拔樁阻力約為樁腿自重的2倍。

3 結(jié)論

（1）試驗結(jié)論與渤海海域內(nèi)插樁等候時間長短和拔樁時效相吻合，對自升式鉆井平臺拔樁作業(yè)有一定的借鑒意義；

（2）拔樁阻力隨等候時間的增加而增加，且增加的幅度越來越小，最終趨于穩(wěn)定。在實際插樁等候時間比較長的情況下，一定要考慮等候時間對拔樁阻力的影響，以保證拔樁時樁腿的安全；

（3）由試驗可知，在不考慮拔樁前用高壓海水對樁靴上下表面土體沖樁的情況下，當(dāng)拔樁阻力穩(wěn)定時，拔樁阻力約為樁腿自重的2倍。

參考文獻(xiàn)：

［1］董星亮，曹式敬，唐海雄.海洋鉆井手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［2］楊文達(dá).海洋石油鉆井平臺工程地質(zhì)條件評價技術(shù)研究［J］.海洋石油，2008，28（4）：77-82.

［3］王建軍，宋林松，黎劍波.自升式平臺作業(yè)適應(yīng)性分析［J］.船舶工程，2010，32（5）：63-66.

［4］任杰，候勇俊，張智亮.自升式平臺樁腿與巖土互作用研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（1）：9-14.

［5］段夢蘭，張愛霞，王建軍，等.自升式鉆井平臺拔樁阻力預(yù)測的數(shù)值計算方法［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2010，32（6）：961-966.

［6］劉建輝.鉆井船樁靴的拔出對簡型基礎(chǔ)平臺地基的影響分析［D］.天津大學(xué)，2004：43-46.

［7］王建軍，李紅濤.自升式海洋平臺地基穩(wěn)定性分析［J］.中國修船，2010，23（3）：54-56.

［8］張愛霞，段夢蘭，胡知輝，等.海床土體固結(jié)效應(yīng)對平臺拔樁吸附力的影響［J］.石油機(jī)械，2012，40（4）：54-57.

［9］劉劍濤，吳文峰，蔣寶凡.自升式鉆井船插樁深度預(yù)測［J］.中國造船，2007，48（增）：317-322.

［10］姜偉，汪順文，楊進(jìn).自升式鉆井平臺插樁作業(yè)控制技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012：94-105.

中圖分類號：TE58

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.090

文章編號：1008-2336（2016）02-0090-03

收稿日期：2016-01-22；改回日期：2016-02-23

作者簡介：王金明，女，1982年生，工程師，碩士，主要從事自升式鉆井平臺插樁就位方案設(shè)計工作。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