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自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响研究

作者：来源：日期：2019/12/12 9:18:08人气：2345

自升式钻井平台是近海油气勘探中使用最广泛的钻并装置(1],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[2]，如果遇到地质疏松的地层,可能造成平台桩靴人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16区块某探井作业时入泥26 m,拔桩时间达到22 d;胜利六号入泥11.2 m,拔桩时间达到62 d[0]。

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[间。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--些。桩靴底部吸附力主要由负空隙压力和粘着力组成”] ,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36 cm,所以上覆土的重力不予考虑，试验模型的计算公式印为

式中:Q:为桩腿底部吸附力,N;Q,为桩腿端部阻力,N;A.为桩靴侧璧表面积,m2 ;Ap为桩靴底部最大面积,m2 ;f为桩靴的侧壁单位摩擦力,N/m2;;9u为桩靴底部单位阻力,N/m2。

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. 61 m,相对桩靴直径18 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。

  1.3 试验桩腿桩靴模型

  试脸选取渤海湾塘洁海边原状土作为试验场地。经过钻孔取样和分析.符合海上土层分层情况。试验选取模型为海洋石油941桩腿和桃靴(如图5)按照1 :50设计并加工的桩腿和桩靴模型如图6~7。

  2试验步骤

  平台拔桩过程中，拔桩阻力各部分同时存在.因此本试验只测定桩靴底部吸附力作为拔桩阻力。

  奥试验系统包括试验平台压载设施，测量拉力设备、钻化设备、传感器相数据采集仪表面试验过程按照以下步骤进行;

  1)选择插桩点。

  2)下人桩腿模型。

3)逐步加载压载水,记录数据。

  4)压到位后,静止 12 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,桩靴人泥深度值基本-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2m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12 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。

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40%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。

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