CN112302009A - 钻井平台桩靴、钻井平台及其插桩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井平台桩靴、钻井平台及其插桩方法，该钻井平台桩靴包括：桩靴本体；破岩机构，其包括破岩块和液压缸，所述液压缸安装于所述桩靴本体，所述破岩块与所述液压缸连接，所述液压缸能够驱动所述破岩块上下运动，以锤击所述桩靴本体下方的地层。通过本发明，缓解了钻井平台在插桩时桩腿容易发生穿刺，导致钻井平台结构受损和安全事故的技术问题。

Description

钻井平台桩靴、钻井平台及其插桩方法

技术领域

本发明涉及钻井平台技术领域，尤其涉及一种钻井平台桩靴、钻井平台及其插桩方法。

背景技术

部分海域海底土中存在鸡蛋壳地层，鸡蛋壳地层即硬度较大且厚度较薄的地层覆盖在厚度较大的软地层上。自升式钻井平台在插桩就位过程中遇到鸡蛋壳地层时，随压载量的增加，会发生单个桩腿突然快速沉降现象，导致与钻井平台其它三个桩腿的伸出长度不一致，使得平台发生倾斜。桩腿穿过表层的地层向下沉降，称作穿刺。如果穿刺行程过大，将会导致钻井平台的桩腿桁架结构和升降齿轮受损，还可能导致人员伤亡等重大安全事故，严重影响钻井作业效率和安全。

为了避免发生上述情况，通常情况下，如钻井作业区块的土质资料显示有鸡蛋壳地层，则采用调整桩靴位置或者更换平台的方式。但是这样会导致钻井作业周期延长。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井平台桩靴、钻井平台及其插桩方法，以缓解钻井平台在插桩时桩腿容易发生穿刺，导致钻井平台结构受损和安全事故的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种钻井平台桩靴，包括：

桩靴本体；

破岩机构，其包括破岩块和液压缸，所述液压缸安装于所述桩靴本体，所述破岩块与所述液压缸连接，所述液压缸能够驱动所述破岩块上下运动，以锤击所述桩靴本体下方的地层。

在优选的实施方式中，所述钻井平台桩靴包括多个分布于所述桩靴本体的底面的破岩机构。

在优选的实施方式中，所述液压缸安装于所述桩靴本体的内腔中，所述桩靴本体的底壁设有供穿设所述液压缸的活塞杆的通孔，所述破岩块连接于所述活塞杆的下端。

在优选的实施方式中，所述破岩块具有位于底部中心的破岩底面和沿从下往上的方向向外倾斜的破岩锥面。

在优选的实施方式中，所述破岩块的底面安装有切削齿；所述破岩机构包括液压马达；所述液压缸的活塞杆包括活塞和连接杆，所述连接杆贯穿所述液压缸的缸体，所述破岩块连接于所述连接杆的下端，所述液压马达与所述连接杆的上端连接，用于驱动所述连接杆和所述破岩块旋转。

在优选的实施方式中，所述液压马达的转轴为空心轴，所述连接杆从所述液压马达的转轴中穿过，所述液压马达的转轴能带动所述连接杆一起旋转，并且所述连接杆能相对于所述液压马达的转轴沿轴向移动。

在优选的实施方式中，所述破岩块设有喷射腔和设于所述破岩块的底部的喷射孔，所述喷射孔与所述喷射腔相连通；所述连接杆为空心杆，所述连接杆的下端与所述喷射腔连通；所述破岩机构包括旋转接头，所述旋转接头包括固定套和转动连接于所述固定套的转动套，所述连接杆的上端与所述转动套连接，所述固定套用于与喷射供液管线连接。

在优选的实施方式中，所述破岩块设有喷射腔和设于所述破岩块的底部的喷射孔，所述喷射孔与所述喷射腔相连通，所述喷射腔能与喷射供液管线连接。

本发明提供一种钻井平台，包括：平台和多个桩腿，所述桩腿的下端连接有上述的钻井平台桩靴。

本发明提供一种钻井平台的插桩方法，钻井平台采用上述的钻井平台桩靴，包括：

步骤S10，下放钻井平台的桩腿，使所述桩腿的钻井平台桩靴与地层接触；

步骤S20，启动所述破岩机构，所述液压缸驱动所述破岩块上下运动，以锤击地层，实现对表层的硬质地层主动穿刺；

步骤S30，各个桩腿均穿过表层的硬质地层，下放至下部地层。

本发明的特点及优点是：

在鸡蛋壳地层，钻井平台采用本发明提供的钻井平台桩靴，钻井平台桩靴下放至与地层接触，启动破岩机构，液压缸驱动破岩块上下运动，以锤击地层，实现对表层的硬质地层主动穿刺，然后，钻井平台的桩腿可以穿过表层的硬质地层，下放至下部地层，能够比较顺利地进行插桩，这样可以避免单个桩腿意外快速沉降，保障了钻井平台的稳定性，减少结构受损和安全事故。

采用该钻井平台桩靴，在该钻井平台桩靴下放至与地层接触后进行破岩，可以不用对地层预先进行打孔，可以缩短作业时间，节约成本。

破岩机构安装于桩靴本体，所破开的孔能够更好地与桩靴本体配合，便于桩腿顺利下入，并且，减小了孔与桩腿之间的偏差，减小产生偏心承载力，有利于使桩腿受力更加均衡，减少桩腿受损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的钻井平台桩靴与桩腿的结构示意图；

图2为本发明提供的钻井平台桩靴的结构示意图；

图3为本发明提供的钻井平台桩靴中的破岩机构第一种实施方式的结构示意图；

图4为本发明提供的钻井平台桩靴中的破岩机构第二种实施方式的结构示意图；

图5为图3所示的破岩机构中的破岩块、连接杆与旋转接头的连接示意图；

图6为图3所示的破岩机构中的破岩块的仰视图；

图7为本发明提供的钻井平台桩靴中的桩靴本体的仰视图；

图8为本发明提供的钻井平台桩靴中的桩靴本体的侧视图；

图9为本发明提供的钻井平台的插桩方法的示意图。

附图标号说明：

10、桩靴本体；11、通孔；

20、破岩机构；21、破岩块；211、破岩底面；212、破岩锥面；213、喷射腔；214、喷射孔；

30、切削齿；31、CBN镶块；

40、液压缸；41、活塞杆；411、活塞；412、连接杆；

50、液压马达；51、液压马达固定板；

60、旋转接头；61、固定套；62、转动套；63、密封胶圈；64、滚动钢珠；

71、喷射供液管线；72、管线；

81、桩腿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

桩靴主动穿刺技术是鸡蛋壳地层的插桩穿刺问题的一种解决方法。桩靴主动穿刺技术是指在桩腿位置预先打孔，降低鸡蛋壳地层的承载力，便于桩靴主动穿透鸡蛋壳地层，插桩至下部的稳定地层的方法。采用预钻孔的方式进行作业，在桩靴需要入泥的位置提前进行预钻孔，钻孔范围通常超过桩靴的尺寸，进行多位置钻孔，破坏鸡蛋壳地层，使桩靴顺利通过鸡蛋壳地层并插桩至下部稳定地层。但是，此项技术具有以下缺点：

(1)需要工程船配合钻井平台，作业时间较长，耗费资源较多，缩短钻井作业周期的效果不明显，造成成本增高；

(2)钻孔位置通常与桩靴会有一定偏差，导致桩靴底部受力不均衡，易于产生偏心承载力，容易损坏桩靴；

(3)钻孔后硬质地层的承载力具有不确定性，虽然对硬质地层造成了破坏，无法保障桩靴能够顺利下入。

(4)钻孔质量具有不确定性，钻孔会对结构地质情况造成了影响，地质的变化极有可能影响桩靴的承载性能，造成承载能力不足，产生缓慢沉降的情况。

实施例一

为了更好地缓解钻井平台在插桩时桩腿容易发生穿刺，导致钻井平台结构受损和安全事故的技术问题，本发明提供了一种钻井平台桩靴，如图1和图2所示，该钻井平台桩靴包括：桩靴本体10和破岩机构20，破岩机构20包括破岩块21和液压缸40，液压缸40安装于桩靴本体10，破岩块21与液压缸40连接，液压缸40能够驱动破岩块21上下运动，以锤击桩靴本体10下方的地层。

在鸡蛋壳地层，钻井平台采用本发明提供的钻井平台桩靴，钻井平台桩靴下放至与地层接触，启动破岩机构20，液压缸40驱动破岩块21上下运动，以锤击地层，实现对表层的硬质地层主动穿刺，然后，钻井平台的桩腿81可以穿过表层的硬质地层，下放至下部地层，能够比较顺利地进行插桩，这样可以避免单个桩腿81意外快速沉降，保障了钻井平台的稳定性，减少结构受损和安全事故。

采用该钻井平台桩靴，在该钻井平台桩靴下放至与地层接触后进行破岩，可以不用对地层预先进行打孔，可以缩短作业时间，节约成本。

破岩机构20安装于桩靴本体10，所破开的孔能够更好地与桩靴本体10配合，便于桩腿81顺利下入，并且，减小了孔与桩腿81之间位置尺寸的偏差，减小产生偏心承载力，有利于使桩腿81受力更加均衡，减少桩腿81受损。

在本发明的一实施方式中，桩靴本体10可以为金属箱型结构，桩靴本体10具有内腔，内腔中设有立柱及支撑；具体地，该内腔中设有型钢支撑筋板，桩靴本体10的大小可以根据平台设计载荷确定。桩靴本体10连接于桩腿81的下端，桩腿81的上端与平台连接。桩腿81可以为桁架结构。

破岩机构20锤击地层，在一些情况下，破岩机构20使表层地层形成孔，以便桩靴本体10穿过表层地层。在另一些情况下，破岩机构20破坏了表层地层的结构，例如使表层地层开裂；在桩靴本体10施加的压力下，表层地层上形成孔，桩靴本体10可从中穿过。

一个桩靴本体10可以连接有一个破岩机构20，在该实施方式下，破岩块21的尺寸与桩靴本体10的尺寸接近。为了更便于破岩，一个桩靴本体10连接有多个破岩机构20，通过多个破岩机构20，可以使表层地层上形成多个孔，或者使表层地层的结构被破坏，便于在表层地层上形成供桩靴本体10穿过的孔。

在本发明的一实施方式中，多个破岩机构20可以沿桩靴本体10在地层表面的投影的外轮廓分布，具体的，多个破岩机构20可以分别安装于桩靴本体10的侧壁；更具体地，多个破岩机构20设于桩靴本体10外，且固定于桩靴本体10的外侧壁。

在本发明的另一实施方式中，该钻井平台桩靴包括多个分布于桩靴本体10的底面的破岩机构20，这样更便于破坏表层地层，使表层地层上形成的孔与桩靴本体10相匹配。

进一步地，液压缸40安装于桩靴本体10的内腔中，如图2和图3所示，桩靴本体10的底壁设有供穿设液压缸40的活塞杆41的通孔11，破岩块21连接于活塞杆41的下端，液压缸40的活塞杆41可以在该通孔11中伸缩运动，带动破岩块21上下移动。具体地，液压缸40固定于桩靴本体10的底壁的内表面，液压缸40可通过焊接或者螺栓来与桩靴本体10连接，焊接方式相对牢固，承载能力高；螺栓连接便于拆装维修，可缩短维修周期。液压缸40的动力源位于平台上，液压缸40通过油管与平台上的该动力源连接，该动力源供应液压油，上部液压油注入，活塞杆41向下伸出；下部液压油注入，活塞杆41向上收回。

为了增强破岩块21破坏地层的效果，如图3和图4所示，破岩块21具有位于底部中心的破岩底面211和沿从下往上的方向向外倾斜的破岩锥面212。破岩块21上下运动锤击地层时，先由破岩底面211与地层接触，锤击更加集中，减小了接触面积，可以提高与地层的接触压力增强破岩效果。破岩底面211和破岩锥面212均作为破岩块21的底面，破岩块21上下运动，随着破岩深度的增加，破岩锥面212也可以开始与地层接触，便于将地层逐步破开。

在本发明的一实施方式中，如图3和图6所示，破岩块21的底面安装有切削齿30；破岩机构20包括液压马达50；液压缸40的活塞杆41包括活塞411和连接杆412，活塞与液压缸的内壁配合，连接杆412贯穿液压缸40的缸体，破岩块21连接于连接杆412的下端，液压马达50与连接杆412的上端连接，用于驱动连接杆412和破岩块21旋转，实现对地层进行钻削，以提高破岩机构20的破岩能力。

具体地，液压马达固定板51与液压马达50通过螺栓连接，液压马达50通过液压马达固定板51固定于桩靴本体10的内腔中。液压马达50的动力源位于平台上，液压马达50通过油管与平台上的该动力源连接，该动力源供应油液。

在破岩的过程中，可以先通过液压缸40驱动破岩块21对地层进行锤击；当破岩遇到较大阻碍时，液压马达50驱动破岩块21旋转，利用切削齿30对地层进行钻削，以提高破岩的效率，便于顺利插桩。优选地，破岩块21采用图3和图6所示的具有破岩底面211和破岩锥面212的结构，破岩底面211和破岩锥面212均设有切削齿30。切削齿30可以呈点状分布，在破岩块21锤击地层时，切削齿30与地层接触，可以进一步使锤击力集中于各个切削齿30，实现更高的压强，以有效破坏硬质地层，使桩靴本体10能够按照计划达到相应地层，能够起到对平台的有效支撑作用。切削齿30可以采用CBN镶块31(Cubic Boron Nitride，立方氮化硼，缩写为CBN)。CBN镶块31具有较高的硬度的，破岩能力强。

为了保障液压马达50、液压缸40与破岩块21的连接结构的稳定性，可靠地传递伸缩运动和旋转运动，发明人对破岩机构20的结构做了改进。

在本发明的一实施方式中，液压马达50的转轴为空心轴，如图3所示，连接杆412从液压马达50的转轴中穿过，液压马达50的转轴能带动连接杆412一起旋转，并且连接杆412能相对于液压马达50的转轴沿轴向移动。具体地，连接杆412与液压马达50的转轴可以采用方形结构或者花键结构连接。例如，连接杆412的外壁的横截面可以呈长方形，液压马达50的转轴的内腔的横截面为相配合的长方形。进一步地，如图3所示，连接杆412设有台阶部，以限制连接杆412相对于液压马达50向上移动的行程。在本发明的另一实施方式中，连接杆412可以采用伸缩杆，伸缩杆的下端可以在液压缸40的作用下上下移动，伸缩杆的上端与液压马达50连接，伸缩杆的上端与液压马达50在上下方向的位置保持稳定。

在本发明的一实施方式中，破岩块21设有喷射腔213和设于破岩块21的底部的喷射孔214，喷射孔214与喷射腔213相连通；连接杆412为空心杆，连接杆412的下端与喷射腔213连通；破岩机构20包括旋转接头60，如图3和图5所示，旋转接头60包括固定套61和转动连接于固定套61的转动套62，连接杆412的上端与转动套62连接，固定套61用于与喷射供液管线71连接，转动套62与固定套61之间可以相对转动，以在连接杆412发生转动时，连接杆412与喷射供液管线71之间能够保持可靠连接。

破岩机构20包括设于平台的高压泵，高压泵作为动力源，将高压水通过喷射供液管线71、旋转接头60和连接杆412，输送至喷射腔213中，高压水从喷射孔214喷出，形成高压水射流，高压水射流可以冲走破裂的岩石块，并且，高压水射流会对硬质地层造成一定的侵蚀作用，可产生主动破坏效果，使桩靴本体10可顺利下入。在破岩过程中，当刺穿遇到较大阻力时可开启高压泵，开始喷射高压水射流，有效辅助主动刺穿作业，实现顺利破岩，该实施方式可以较好地保障钻孔质量，减小对结构地质情况造成的影响。

如图5所示，旋转接头60还包括密封胶圈63和滚动钢珠64，密封胶圈63和滚动钢珠64设于固定套61与转动套62之间，使两者之间可以顺畅转动，且保障密封性。

如图3所示，可以在破岩块21与液压缸40和液压马达50连接的情况，设置喷射腔213和喷射孔214。也可以在破岩块21与液压缸40连接的情况，设置喷射腔213和喷射孔214，例如，如图4所示，破岩块21设有喷射腔213和设于破岩块21的底部的喷射孔214，喷射孔214与喷射腔213相连通，喷射腔213能与喷射供液管线71连接，由于破岩块21不作旋转运动，可以省去旋转接头60，高压泵可以通过管线72直接与喷射腔213连接，或者通过管线72和连接杆412与喷射腔213连接。破岩块21的伸缩运动和喷射孔214喷射高压水射流相协作，可以较高效率地破坏硬质地层，达到主动刺穿的目的，使桩靴本体10能够按照计划达到相应地层，能够起到对平台的有效支撑作用。

在本发明的一实施方式中，桩靴本体10的下表面为突出状结构，可局部增大接触压力，具有一定的破岩能力。优选地，如图7和图8所示，桩靴本体10的侧视图为七边形，桩靴本体10的仰视图十边形，桩靴本体10的下表面形成坡度，有利于顺利入泥。

采用该钻井平台桩靴，使得在遇到较硬地层且还未到达设计入泥深度时，可主动刺穿地层继续下沉直至设计入泥深度。该钻井平台桩靴中的部件均可在车间内部进行模块化生产，生产完成后运至码头进行组装焊接；该钻井平台桩靴在焊接完成后，可以运至海上将原有桩靴进行替换，液压缸40和液压马达50的动力源、及高压泵，可以安装至平台，连接管线72即可完成。该钻井平台桩靴可根据原有设计平台现有状况进行设计加工，也可以在新平台设计时，设计该钻井平台桩靴，从而提高平台在鸡蛋壳地层的区块插桩就位作业的安全性，从切实出发达到降本增效的目的。该钻井平台桩靴可作为现有平台替换桩靴，具有一定的可连接行和替换性，模块化设计，可降低现场组装工作量，提高作业效率。

实施例二

本发明提供了一种钻井平台，包括：平台和多个桩腿81，桩腿81的下端连接有上述的钻井平台桩靴。

该钻井平台，在钻井平台桩靴遇到较硬地层且还未到达设计入泥深度时，可主动刺穿地层继续下沉直至设计入泥深度，保障了该钻井平台的稳定性，减少结构受损和安全事故。

采用该钻井平台，在该钻井平台桩靴下放至与地层接触后进行破岩，可以不用对地层预先进行打孔，可以缩短作业时间，节约成本。

破岩机构20安装于桩靴本体10，所破开的孔能够更好地桩靴本体10配合，便于桩腿81顺利下入，并且，减小了孔与桩腿81之间位置尺寸的偏差，减小产生偏心承载力，有利于使桩腿81受力更加均衡，减少桩腿81受损。

实施例三

本发明提供了一种钻井平台的插桩方法，钻井平台采用上述的钻井平台桩靴，如图9所示，该钻井平台的插桩方法包括：步骤S10，下放钻井平台的桩腿81，使桩腿81的钻井平台桩靴与地层接触；步骤S20，启动破岩机构20，液压缸40驱动破岩块21上下运动，以锤击地层，实现主动刺穿表层的硬质地层；步骤S30，各个桩腿81均穿过表层的硬质地层，下放至下部地层。

该钻井平台的插桩方法可以应用于鸡蛋壳地层，在钻井平台桩靴遇到较硬地层且还未到达设计入泥深度时，可主动刺穿地层继续下沉直至设计入泥深度，保障了该钻井平台的稳定性，减少结构受损和安全事故。

该钻井平台的插桩方法，在该钻井平台桩靴下放至与地层接触后进行破岩，可以不用对地层预先进行打孔，可以缩短作业时间，节约成本。

破岩机构20安装于桩靴本体10，所破开的孔能够更好地桩靴本体10配合，便于桩腿81顺利下入，并且，减小了孔与桩腿81之间位置尺寸的偏差，减小产生偏心承载力，有利于使桩腿81受力更加均衡，减少桩腿81受损。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钻井平台桩靴，其特征在于，包括：

桩靴本体；

破岩机构，其包括破岩块和液压缸，所述液压缸安装于所述桩靴本体，所述破岩块与所述液压缸连接，所述液压缸能够驱动所述破岩块上下运动，以锤击所述桩靴本体下方的地层。

2.根据权利要求1所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述钻井平台桩靴包括多个分布于所述桩靴本体的底面的破岩机构。

3.根据权利要求2所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述液压缸安装于所述桩靴本体的内腔中，所述桩靴本体的底壁设有供穿设所述液压缸的活塞杆的通孔，所述破岩块连接于所述活塞杆的下端。

4.根据权利要求1所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述破岩块具有位于底部中心的破岩底面和沿从下往上的方向向外倾斜的破岩锥面。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述破岩块的底面安装有切削齿；所述破岩机构包括液压马达；

所述液压缸的活塞杆包括活塞和连接杆，所述连接杆贯穿所述液压缸的缸体，所述破岩块连接于所述连接杆的下端，所述液压马达与所述连接杆的上端连接，用于驱动所述连接杆和所述破岩块旋转。

6.根据权利要求5所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述液压马达的转轴为空心轴，所述连接杆从所述液压马达的转轴中穿过，所述液压马达的转轴能带动所述连接杆一起旋转，并且所述连接杆能相对于所述液压马达的转轴沿轴向移动。

7.根据权利要求5所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述破岩块设有喷射腔和设于所述破岩块的底部的喷射孔，所述喷射孔与所述喷射腔相连通；所述连接杆为空心杆，所述连接杆的下端与所述喷射腔连通；

所述破岩机构包括旋转接头，所述旋转接头包括固定套和转动连接于所述固定套的转动套，所述连接杆的上端与所述转动套连接，所述固定套用于与喷射供液管线连接。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的钻井平台桩靴，其特征在于，所述破岩块设有喷射腔和设于所述破岩块的底部的喷射孔，所述喷射孔与所述喷射腔相连通，所述喷射腔能与喷射供液管线连接。

9.一种钻井平台，其特征在于，包括：平台和多个桩腿，所述桩腿的下端连接有权利要求1-8中任一项所述的钻井平台桩靴。

10.一种钻井平台的插桩方法，其特征在于，钻井平台采用权利要求1-8中任一项所述的钻井平台桩靴，包括：

步骤S10，下放钻井平台的桩腿，使所述桩腿的钻井平台桩靴与地层接触；

步骤S20，启动所述破岩机构，所述液压缸驱动所述破岩块上下运动，以锤击地层，实现对表层的硬质地层主动穿刺；

步骤S30，各个桩腿均穿过表层的硬质地层，下放至下部地层。

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