自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 4卷 第 6 期第 5 9页 石 油 矿 o I L Fl ELD 场 机械 EQUI PME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 5 0 6 0 0 5 9 - 0 4 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 1 ． 中海油能源发展股份有 限公 司 工 程技 术分 公司 ， 天津 3 0 0 4 5 7 ； 2 ． 中国石油大学 北京石 油工程教 育部 重点试 验室 北京 1 O 2 2 4 9 摘 要 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 4 0 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 。 关键 词 钻 井平 台 ； 吸 附力 ； 冲桩 ； 拔 桩 ； 拔桩 阻力 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 4 2 ． 2 0 l 5 ． 0 6 ． 0 1 4 Re s e a r c h o f J a c k ‘ u p Dr i l l i n g Ri g Le g J e t t i ng Ef f e c t o n Pi l e - pu l l i n g Fo r c e ZHANG Ba o p i n g ， J I N Yu a n g a n g ， W ANG J i n mi n g ， YANG J i n 。 ， S UN L i we i ， W U Yo n g 1 ． E n e r T e c h - Dr i l l i n g P r o d u c t i o n C o ． ， C NO OC ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 7 ， C h i n a ； 2 ． Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t r y o f Edu c a t i o n o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be Oi n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a 3 0 0 4 d 防腐潜油电泵的运行 时间也远远大于质保 故障。 期的要求 。 3 结论 1 除 4 5 钢 以外 ， 其他耐腐蚀材料 的腐蚀速 率受环境温 度、 C O 分压 、 材料表面流 速 3方面影 响， 流速越快 、 C O 分压越大、 温度越 高， 腐蚀速率 越 快 。 2 几种材料的耐腐蚀性 由强到弱依次是 3 0 4 不 锈 钢 、1 C r 1 8 Ni 9 、2 C r 1 3 、Mo n e l 、含 镍 铸 铁、 9 C r l Mo 、 4 5 钢， 可根据使用环境不同、 加工工艺和 经济效益等方面综合考虑选材。 3 海上油 田电泵机组质保期最长为 8 5 0 d ， 采 用耐 C O。 腐蚀材料的防腐机组按试验腐蚀速率计 算 ， 机组 在质保期 内不会 因为腐蚀 原 因造 成机 组 参考文献 [ 1 3 黄启忠 ， 朱学海， 石博士， 等． 渤海油田电潜泵出租方的 主要 应 对 措 施 和 效 果 [ J -1 ． 海 洋 石 油 ， 2 0 0 9 ， 2 9 4 94 98 ． E 2 -1 丁学光． 潜油 电泵 金属波纹 管储 油腔设计 及试验 研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 1 1 6 3 - 6 6 ． [ 3 -1 韩锡鹏 ， 张立军 ， 王锦程 ， 等． 潜油 电泵用单流 阀的冲蚀 研究E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 4 ， 4 3 8 8 5 8 7 ． [ 4 - 1 梅思杰， 邵永实， 刘军． 潜油电泵技术服务手册[ M] ． 北 京 石 油工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 -1 朱克华 ， 刘 云 ， 苏娜 ， 等． 油井二氧化碳腐蚀行 为规 律及 研究进展I- J ] ． 全面腐蚀控制 ， 2 0 1 3 ， 2 7 1 O 2 3 2 6 ． E 6 ] 徐剑明 ， 郑 璐璐 ， 李 亮 ， 等． 普 光气 田 N8 O套管 多元 腐 蚀行 为 试 验 研 究 E J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 6 4 O 一 44． 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 2 2 6 基金项 目 国家 高技术研究发展计划 8 6 3 计划 “ 海 洋平 台地基 与基础 测试 分析技术” 2 0 O 8 AA O 9 2 7 O l 一 0 3 ； 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” YX KY 一 2 0 1 4 一 Z Y - 0 4 作者简介 张宝平 1 9 8 1 一 ， 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 ， E - ma i l q z z b p 1 9 8 1 1 6 3 ．c o rn 。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 5 年 6 月 Ab s t r a c t Af t e r p i l e i n s e r t i n g o f j a c k u p r i g， f o r t h e p i l e i n s e r t i n g i s d e e p a n d l o n g wo r k t i me ， p i l e pul l i n g p e r i o d i s v e r y l on g， p i l e p ul l i ng i s di f f i c ul t ．I n o r de r t o i mpr o ve t h e e f f i c i e nc y of pi l e pu l l i n g， i t i s n e c e s s a r y t o p i l e p u l l i n g s y s t e m e s p e c i a l l y t h e p i l e s h o e b o t t o m n o z z l e j e t t i n g e f f i c i e n c y t e s t r e s e a r c h ． The l e g a nd s p ud c a n mo de l de s i gn e d f r om o ne d e e p wa t e r d r i l l i ng r i g a r e us e d， a nd t h e Bo h a i b a y o f f s h o r e u n d i s t u r b e d s o i l a s t h e t e s t s i t e i s s e l e c t e d。 f o r i n s e r t i n g p i l e a n d p i l e p u l l i n g t e s t ， a n d o b t a i n i n g a c l e a r r e l a t i o n s h i p b e t we e n d i f f e r e n t i n s e r t i n g p i l e a n d p i l e p u l l i n g f o r c e ． Te s t r e s u l t s s h o w t h a t wh e n t h e p i l e j e t t i n g h o l e a r e a r e a c h e s t o p i l e s h o e a r e a 1 ， p i l e p u l l i n g f o r c e d e c r e a s e s a b o u t 4 0 ， S O t h e p i l e j e t t i n g h a s a p e r f e c t e f f e c t o n t h e d a ma g e o f a d s o r p t i o n a t t h e b o t t o m o f s p u d c a n， i t i s a n e f f e c t i v e me a n s t o d e a l wi t h t h e d i f f i c u l t y o f p i l e p u l l i n g ． Ke y wo r d s d r i l l i n g p l a t f o r m； a d s o r p t i o n f o r c e ； j e t t i n g ； p i l e - p u l l i n g； p i l e p u l l i n g f o r c e 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_ J ] ， 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I 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 ] ， 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 1 6区块 某 探井 作业 时人 泥 2 6 m， 拔 桩 时 间达 到 2 2 d ； 胜 利 六号人 泥 l 1 ． 2 m， 拔 桩 时间达到 6 2 d E s ] 。 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 3 6 c m， 所 以上 覆 土 的 重力 不 予 考 虑 ， 试 验 模 型 的计 算公 式_ g 为 QQ f Q 一f A。 q A 1 式中 Q f 为桩腿底部 吸附力 ， N； Q。为桩腿端部 阻 力 ， N； A 为桩靴侧壁表面积 ， m ； A。 为桩靴底部最 大面积， m ； f为桩靴 的侧壁单位摩擦力 ， N／ m。 ； q 为桩 靴底 部单 位阻力 ， N／ m。 。 O ． 61 1 ． 1 7 拔桩阻力Q 1 图 1 海洋石油 9 4 1 桩靴 摩擦力Q 。 在 自升式钻井平台桩腿人泥深度计算时 ， 从 图 1可以看出， 侧壁长度仅 为 0 ． 6 1 m， 相对桩靴直径 1 8 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。 石油 矿场 机 械 2 0 1 5年 6月 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 1 2 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 1 2 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 0 3 3 6 7 1 00 冲桩孔占桩靴表面积百分 比， ％ 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 4 0 ％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。 参考文献 [ 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 ， 2 0 1 3 ， 4 1 3 6 3 - 6 7 ． [ 2 ] 戴兵 ， 张瑜 ， 段 梦兰 ， 等． 新型多功能桩基试验 系统 的研 制口] ． 石油机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 4 6 4 6 7 ． [ 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 ， 2 0 1 0 ， 3 2 6 96 1 96 6． [ 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， 2 0 1 2 ， 4 1 1 0 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 ， 2 0 1 3 ， 3 9 6 3 8 4 O ． [ 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 , 2 0 1 4 ， 4 3 8 3 7 4 2 ． [ 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 ， 2 0 1 2 ， 2 3 4 4 02 40 6 ． [ 8 ] Ho s s a i n M S ． L i m i t i n g c a v i t y d e p t h f o r s p u d c a n f o u n d a t i o n s p e n e t r a t i n g c l a y[ J ] ． G e o t e c h n i q u e ， 2 0 0 5 ， 5 5 9 6 79 - 69 0． E 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 ， 2 0 1 1 ． [ 1 O ] 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 ， 2 0 1 2 ， 4 0 4 5 4～ 5 7．