CN114086614A - 深水吸力桩建井实验装置以及承载力的测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种深水吸力桩建井实验装置以及承载力的测试方法，实验装置包括：釜体，用于填充土层和预定密度的盐水；釜盖；下入组件，包括：吸力桩和钻杆，吸力桩为中空的筒体，底端为敞口端，顶端穿设钻杆形成封闭端；注气组件，包括：第一压力传感器；储气罐，储气罐与中空腔室之间设置有进气管路，进气管路上设置有增压泵和进气控制阀；抽吸组件，包括：回收箱，回收箱与钻杆之间设置有抽吸管路，抽吸管路上设置有吸力泵和抽吸控制阀；实验架，实验架上设置有拉力机构和位移测量计，拉力机构与钻杆之间设置有拉力测量计。本申请能准确模拟深水高压环境以及吸力桩的下入过程，以揭示利用吸力桩进行深水表层建井时相关工艺参数的变化规律。

Description

深水吸力桩建井实验装置以及承载力的测试方法

技术领域

本发明涉及深水油气钻井技术领域，特别涉及一种深水吸力桩建井实验装置以及承载力的测试方法。

背景技术

目前海洋石油的勘探与开发作业也逐渐由浅海近海区域转向深海远海区域，以增加海洋油气的勘探开发区域面积，寻求更多的油气发现。

深水表层建井主要采用喷射下导管建井，作业方式单一，并且对地质环境的要求高。而深水表层具有地质风险高、浅层土质疏松、浅层异常地质现象(浅部断层、浅层气、浅层流、天然气水合物等)等特点，使得常规的导管喷射建井工艺应对浅层地质风险能力低。采用喷射下导管建井，是由水力喷射作用使海底土泥形成一条通道下入导管。在下入过程中，导管在其自重的作用下随钻头钻出的井眼下沉并挤压周围地层直至设计深度。当下入至设计深度后，经过一定的“等待时间”，导管与地层粘土之间建立了胶结应力，并随时间增长而加固，从而确保导管被“悬住”而不下沉。

为了使得导管能够被“悬住”而不下沉，需要保证导管在海底土泥中具有足够的承载力。而导管与地层之间的侧向摩擦力能够弥补地层承载力的不足。在采用喷射下导管建井过程中，若喷射力度过小，容易使导管与海底土之间的摩擦力增大，导致下入时间过长甚至下入不到位；若喷射力度过大导致海底粘土恢复胶结应力的时间长，从而掌握不好海底土的回填时间，造成导管下沉。相比之下，吸力桩建井具有如下优势，其可以利用海洋工程船下入，同时由于吸力桩的尺寸较大且可以采用负压的方式下入，不易导致吸力桩下沉，并且吸力桩可以回收重复利用。鉴于上述优点，使得吸力桩在深水表层建井中得到广泛应用。

但是，海底深水的高压环境、深水开发作业过程中的高温、海底土质参数(砂土、粘土、粉土中下入的摩擦力是不同的)等环境因素均能够影响吸力桩的下入时间和下入过程。此外，吸力桩的形状、重力等自身因素也与其在地层中的承载力相关。因此，有必要对进行深水表层吸力桩建井工艺进行优化，从而对深水开发作业过程的影响因素进行有效评估。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供了一种深水吸力桩建井实验装置以及承载力的测试方法，该实验装置能够准确模拟深水高压环境以及吸力桩的下入过程，以揭示利用吸力桩进行深水表层建井时相关工艺参数的变化规律。提供的技术方案如下所述：

一种深水吸力桩建井实验装置，所述实验装置包括：

釜体，所述釜体具有中空腔室，所述中空腔室用于填充土层和预定密度的盐水；

釜盖，用于封闭所述中空腔室，所述釜盖设置有通孔；

下入组件，包括：吸力桩和钻杆，所述吸力桩为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆形成封闭端，所述钻杆从所述通孔中穿设而出；

注气组件，包括：用于检测所述中空腔室内部压力的第一压力传感器；储气罐，所述储气罐与所述中空腔室之间设置有进气管路，所述进气管路上设置有增压泵和进气控制阀；

抽吸组件，包括：回收箱，所述回收箱与所述钻杆之间设置有抽吸管路，所述抽吸管路上设置有吸力泵和抽吸控制阀；

实验架，所述实验架上设置有拉力机构和位移测量计，所述位移测量计用于检测所述下入组件的下入深度，所述拉力机构与所述钻杆之间设置有用于测量拉力的拉力测量计。

作为一种优选的实施方式，所述抽吸管路上在所述吸力泵的下游依次设置有压力控制器、应急安全阀和减压泵。

作为一种优选的实施方式，所述减压泵与所述回收箱之间设置有两相分离器，所述两相分离器设置有与外界相连通的排气管路，所述排气管路上设置有排气阀；经所述两相分离器分离后的气体经所述排气管路排出，分离后的液体和固体沿所述抽吸管路流入所述回收箱。

作为一种优选的实施方式，所述实验装置还设置有排放组件，所述排放组件包括：设置在所述釜盖上的排气口；与所述排气口相连通的排放管路，所述排放管路上设置有第二压力传感器和出口控制阀。

作为一种优选的实施方式，所述拉力机构包括：升降机和与所述升降机相连的钢丝绳，所述拉力测量计连接于所述钢丝绳与所述钻杆之间。

作为一种优选的实施方式，所述位移测量计为刻度尺，所述钻杆上设置有位移测量指针，所述位移测量指针用于读取所述刻度尺的示数。

作为一种优选的实施方式，所述盐水的密度为1.03g/cm3。

一种利用所述的实验装置的深水吸力桩建井承载力的测试方法，所述测试方法包括：

获取吸力桩底部距离土层的距离L₀与吸力桩的长度L₁；

记录所述位移测量指针的位置作为初始位置X₀；

打开所述进气控制阀与增压泵，通过进气管路向所述中空腔室内注入气体，直至所述第一压力传感器达到预定压力值；

通过拉力机构下放所述下入组件，在下放过程中使得拉力测量计的示数等于钻杆的重力值，下入第一预定时间后记录所述位移测量指针的位置X₁；

打开所述吸力泵和所述抽吸控制阀，直至所述吸力桩下入至停止位置；

等待第二预定时间后，通过拉力机构提升所述下入组件直至将所述吸力桩拔出，并读取所述拉力测量计的示数，并计算所述吸力桩与土层之间的摩擦力，则为所述吸力桩在土层中的承载力，所述承载力通过下述公式计算得出：

式中：P₀为吸力桩沉贯的最小吸力，m³/min；P为吸力桩沉贯过程平均排量，m³/min；t为吸力桩的静置时间，h；F_u为整体结构的最大的承载力，N；

F_u＝N_cv+N_co+N_ci+N_sv+N_so+N_si+N_sb；其中，

N_cv＝q_cA_c；

在沉贯的到位后，导管内形成土塞时，N_ci＝q_csA_cs；

N_sv＝q_sA_s；

N_sb＝q_sbA_sb；

N_cv为导管端部支撑力，N_co为导管外侧面摩阻力，N_ci为导管内侧面摩阻力，N_sv为吸力桩端部支撑力，N_so为吸力桩的裙板外侧面摩阻力，N_si为吸力桩的裙板内侧面摩阻力，N_sb为吸力桩顶端底板的承载力。

作为一种优选的实施方式，当所述吸力桩位于所述停止位置时，满足下述关系：

X₂-X₁＝L₀+L₁

式中，X₂表示的吸力桩位于停止位置时，所述位移测量指针的位置，单位为cm。

作为一种优选的实施方式，所述抽吸管路上在所述吸力泵的下游依次设置有压力控制器、应急安全阀和减压泵，若所述第一压力传感器的读数的下降速率超过阈值，打开所述压力控制器、所述应急安全阀、所述减压泵。

有益效果：

本申请提供的深水吸力桩建井实验装置通过向釜体内填充盐水配合注入高压气体达到深水压力条件，能够模拟海洋钻井深水条件下的高压环境。通过钻杆悬提吸力桩并下入，能够模拟深水吸力桩的下入过程，用于研究吸力桩进行深水表层建井时工艺参数的变化规律，以实现对深水表层建井方式的掌握。

在本申请提供的深水吸力桩建井承载力的测试方法中，通过拉力机构悬提钻杆，能够平衡钻杆的重力，使得吸力桩仅利用自身重力下入，并能结合抽吸法将吸力桩下入至停止位置。当吸力桩完全下入后，通过拉力机构提升下入组件直至将吸力桩拔出，通过读取拉力测量计的示数，能计算出吸力桩与土层之间的摩擦力，从而能够准确反映出深水吸力桩在建井过程中的承载力，为深海吸力桩建井工艺的优化提供理论依据。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式提供的深水吸力桩建井实验装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式提供的深水吸力桩建井承载力的测试方法的流程示意图；

图3为本申请实施方式提供的吸力桩复合导管纵向承载力示意图；

图4为本申请实施方式提供的土塞所受摩阻力的示意图。

附图标记说明：

100、导管；1、回收箱；2、两相分离器；3、排气阀；4、减压泵；5、应急安全阀；6、压力控制器；7、吸力泵；8、进气管路；9、增压泵；10、氮气注入控制阀；11、储气罐；12、抽吸管路；13、第一压力传感器；14、进气控制阀；15、实验架；16、第一转换接头；17、进气口；18、第二转换接头；19、升降机；20、位移测量计；21、钢丝绳；22、拉力测量计；23、第二压力传感器；24、排放管路；25、出口控制阀；26、第三转换接头；27、排气口；28、固定螺栓；29、釜盖；30、位移测量指针；31、气体；32、钻杆；33、盐水；34、吸力桩；35、土层；36、釜体；37、抽吸控制阀。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

具体的，将图1中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1中所示意的向下的方向定义为“下”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本发明技术方案的方便，并不限定本发明实施例的深水吸力桩建井实验装置在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。

深水表层建井目前有钻入法与喷射下导管法。钻入法受海底土的性质影响，海底土回填过快容易找不到井眼，套管无法下入或者下入到一半。其次，由于海底低温，固井水泥难以凝固，影响作业时效(海洋深水钻井平台日均费用16万美元左右)。喷射下导管法建井，是由水力喷射作用使海底土泥形成一条通道下入导管。相比之下，吸力桩建井具有明显优势，其可以利用海洋工程船下入，吸力桩由于其尺寸较大且还可以采用负压的方式嵌入至海底土泥中，不易下沉。

吸力桩是一种上端封闭、底端开口，类似于倒置的“水桶”式基础形状。吸力桩以其施工速度快、造价低和可回收利用等优点，被广泛作为系泊海洋浮动式结构、海上油气平台的基础，并逐渐计划向深水表层建井应用，作为传统喷射下入导管的储备方式。

本申请实施方式提供的深水吸力桩建井实验装置能够以吸力桩为基础，用于模拟深水或超深水钻井条件下的吸力桩建井过程。在海洋钻井领域中，在水深大于500m的钻井称为深水钻井，水深大于1500m的钻井为超深水钻井。在深水钻井条件下，水压随着下入深度逐渐增大，在超深水钻井条件下，超高水压可达到15MPa。

如图1所示，所述实验装置包括：釜体36，所述釜体36具有中空腔室，所述中空腔室用于填充土层35和预定密度的盐水33；釜盖29，用于封闭所述中空腔室，所述釜盖29设置有通孔；下入组件，包括：吸力桩34和钻杆32，所述吸力桩34为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆32形成封闭端，所述钻杆32从所述通孔中穿设而出；注气组件，包括：用于检测所述中空腔室内部压力的第一压力传感器13；储气罐11，所述储气罐11与所述中空腔室之间设置有进气管路8，所述进气管路8上设置有增压泵9和进气控制阀14；抽吸组件，包括：回收箱1，所述回收箱1与所述钻杆32之间设置有抽吸管路12，所述抽吸管路12上设置有吸力泵7和抽吸控制阀37；实验架15，所述实验架15上设置有拉力机构和位移测量计20，所述位移测量计20用于检测所述下入组件的下入深度，所述拉力机构与所述钻杆32之间设置有用于测量拉力的拉力测量计22。

本申请提供的深水吸力桩建井实验装置通过向釜体36内填充盐水配合注入高压气体达到深水压力条件，能够模拟海洋钻井深水条件下的高压环境。通过钻杆32悬提吸力桩34并下入，能够模拟深水吸力桩34的下入过程，用于研究吸力桩34进行深水表层建井时工艺参数的变化规律，以实现对深水表层建井方式的掌握。

所述釜体36用于模拟深水环境，其材质为耐高压材料。釜体36内的中空腔室填充有海底土层35和按照一定比例配置的盐水33。所述盐水33用于模拟海水，优选的，所述盐水的密度为1.03g/cm³。所述土层35在实验过程中可以更换为不同性质的土体，例如砂土、粘土、粉土，从而能够模拟吸力桩34在不同土质下的下入过程。该釜体36的中空腔室通过釜盖29进行密封。釜体36与釜盖29可以通过固定螺栓28进行密封，从而能够便于将釜盖29与釜体36分开，便于清洗以及更换土层35。

所述下入组件包括吸力桩34和钻杆32，所述吸力桩34为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆32形成封闭端，所述钻杆32的顶端从所述通孔中穿设而出，吸力桩34通过连接于钻杆32的下方，能够精准的保证垂直下入。所述钻杆32的顶部通过拉力机构悬挂于实验架15上，从而能通过拉力机构对整个吸力桩34以及钻杆32进行起吊、提升和下放。

所述注入组件用于向釜体36的中空腔室内注入高压气体，从而与釜体36中的盐水33配合共同营造深水海底环境。该注入组件包括储气罐11，该储气罐11可以用于存放氮气，或者其他类型的惰性气体，本申请对此不作限定。储气罐11与釜体36的中空腔室之间设置有进气管路8，该进气管路8上设置有用于为气体增压的增压泵9和进气控制阀14。该进气控制阀14在进气管路8上可以设置于增压泵9的下游，从而控制高压气体的注入。增压泵9与储气罐11之间还可以进一步设置有氮气注入控制阀10，用于控制增压泵9对气体的增压过程。

进一步的，所述釜盖29上可以设置有进气口17，该进气口17用于连通进气管路8。为了保证进气口17与进气管路8连接时的密封性，进气口17与进气管路8之间可以设置有第一转换接头16。该第一压力传感器13用于检测釜体36的中空腔室的内部压力，该第一压力传感器13可以是压力表，可以单独设置在釜盖29上，也可以设置在进气管路8上。优选的，为了保证进气密封性，第一压力传感器13设置在进气管路8上，并位于进气控制阀14的下游。

所述抽吸组件用于抽吸所述吸力桩34内部的流体，使得吸力桩34内部形成负压，从而将吸力桩34在负压的作用下进入土层35中。具体的，当吸力桩34依靠自重使其下端嵌入土体中，筒体下端形成封闭状态，此时通过与钻杆32相连的抽吸管路12向外抽水，造成吸力桩34内部压力的降低。当由吸力桩34的内、外压差形成的压入作用力作用在吸力桩34上后，且该垂直向下的压力超过海底泥土与吸力桩34的侧壁之间形成的摩擦阻力时，吸力桩34即被不断的压入海底土体中。

抽吸组件包括回收箱1，该回收箱1用于回收反排的土层35和盐水33，该回收箱1与钻杆32之间的抽吸管路12上设置有吸力泵7和抽吸控制阀37。所述抽吸控制阀37在抽吸管路12上可以位于吸力泵7的上游，从而控制吸力泵7对于液体的抽吸。为了保证抽吸管路12与钻杆32连接时的密封性，抽吸管路12与钻杆32之间可以设置有第二转换接头18。

进一步的，所述抽吸管路12上在所述吸力泵7的下游依次设置有压力控制器6、应急安全阀5和减压泵4。该压力控制器6用于防止压力过大，对设备造成损坏。当压力过大时，可以将应急安全阀5打开，并通过减压泵4减压。压力过大判断的标准是通过读取第一压力传感器13示数的下降速率是否过快，若在抽吸过程中，第一压力传感器13示数下降过快则存在安全隐患，需要将应急安全阀5打开。

需要说明的是，本说明书所述的“上游”和“下游”为沿着流体的流动方向上的“上游”和“下游”。例如，在进气管路8上，沿着流体的流动方向上，进气控制阀14位于增压泵9的下游，储气罐11位于增压泵9的上游；在抽吸管路上，沿着流体的流动方向上，抽吸控制阀37位于吸力泵7的上游，回收箱1则位于吸力泵7的下游。

在一个实施方式中，所述减压泵4与所述回收箱1之间设置有两相分离器2，所述两相分离器2设置有与外界相连通的排气管路，所述排气管路上设置有排气阀3；经所述两相分离器2分离后的气体经所述排气管路排出，分离后的液体和固体沿所述抽吸管路12流入所述回收箱1。在本实施例中，该两相分离器2为液固分离器，经过分离后的液体和固体反排至回收箱1进行回收利用。

在本说明书中，所述实验装置还设置有排放组件，用于排出釜体36的中空腔室中的气体。所述排放组件包括：设置在所述釜盖29上的排气口27；与所述排气口27相连通的排放管路24，所述排放管路24上设置有第二压力传感器23和出口控制阀25。该第二压力传感器23用于检测出口压力，可以是压力表。为了保证排气口27与排放管路24连接时的密封性，排气口27与排放管路24之间通过第三转换接头26连接。

在本说明书中，所述拉力机构包括：升降机19和与所述升降机19相连的钢丝绳21，所述拉力测量计22连接于所述钢丝绳21与所述钻杆32之间。具体的，该升降机19用于带动整个下入组件的提升和下放。所述钢丝绳21用于连接钻杆32与升降机19，所述钢丝绳21具体为无回弹钢丝绳。钢丝绳21与钻杆32之间设置拉力测量计22，拉力测量计22用于显示下入组件所受拉力。

在本说明书中，所述位移测量计20为刻度尺，所述钻杆32上设置有位移测量指针30，所述位移测量指针30用于读取所述刻度尺的示数。钻杆32上的位移测量指针30能够随钻杆32一同上提和下放，可作为测量基准，通过读取刻度尺上的读数，能够准确方便的反应出下入组件的下入深度。

本申请还提供了一种利用所述的实验装置的深水吸力桩建井承载力的测试方法，所述测试方法包括：

S10：获取吸力桩34底部距离土层35的距离L₀与吸力桩34的长度L₁；

S20：记录所述位移测量指针30的位置作为初始位置X₀；

S30：打开所述进气控制阀14与增压泵9，通过进气管路8向所述中空腔室内注入气体，直至所述第一压力传感器13达到预定压力值；

S40：通过拉力机构下放所述下入组件，在下放过程中使得拉力测量计22的示数等于钻杆32的重力值，下入第一预定时间后记录所述位移测量指针30的位置X₁；

S50：打开吸力泵7和所述抽吸控制阀37，直至所述吸力桩34下入至停止位置；

S60：等待第二预定时间后，通过拉力机构提升所述下入组件直至将所述吸力桩34拔出，并读取所述拉力测量计22的示数，并计算所述吸力桩34与土层35之间的摩擦力，则为所述吸力桩34在土层35中的承载力，所述承载力通过下述公式计算得出：

式中：P₀为吸力桩34沉贯的最小吸力，m³/min；P为吸力桩34沉贯过程平均排量，m³/min；t为吸力桩34的静置时间，h；F_u为整体结构的最大的承载力，N。

其中，该承载力的确定具体过程如下：

首先，建立吸力桩34纵向极限承载力模型；

吸力桩34的沉贯过程中吸力桩34的裙板内外壁的摩擦力是其承载力的重要组成部分，尤其是吸力桩34沉贯在海底土时，吸力桩34内中的土体有效应力和土体中的渗流对吸力桩34的摩擦力影响很大。

请结合参阅图3，一种吸力桩复合导管纵向承载力示意图(沉贯中)。

由于渗流的影响，土体与吸力桩34的内壁摩擦力与桩筒外壁的摩擦力相差很大，导致了吸力桩34外部土体有向桩筒内流动的势态。吸力桩34沉贯至设定的位置后，吸力桩34依靠桩筒内的土体提供承载力，同时由于沉贯下入的时候破坏了土体，随着沉贯到位后桩筒外的承载力逐渐恢复。在纵向上，吸力桩复合导管由吸力桩34裙板内外的侧向摩擦力与导管100内外的侧向摩擦力，此外还有导管100和吸力桩34的自重、吸力桩34和导管100之间顶板的支持力以及吸力桩34和导管100之间顶板的支持力共同作用下，支撑起导管100以及上部装备和下部管串的受力，如图3所示。

在吸力桩34沉贯于海底泥面后，保持竖向稳定，则有：

F_u＝N_cv+N_co+N_ci+N_sv+N_so+N_si+N_sb≥Q_c+Q_b (1)

其中，图3中N_cv为导管100端部支撑力，N_co为导管100外侧面摩阻力，N_ci为导管100内侧面摩阻力，N_sv为吸力桩34端部支撑力，N_so为吸力桩34的裙板外侧面摩阻力，N_si为吸力桩34的裙板内侧面摩阻力，N_sb为吸力桩34顶端底板的承载力，Q_c为导管100重力，Q_b为吸力桩34的重力，F_u为吸力桩复合导管的整体的在土层中的极限承载力。

基于桩土相互作用理论，可以得到吸力桩34的内外侧以及导管100的外侧的极限承载力模型分别如下：

导管100外侧极限承载力模型：

吸力桩34外侧极限承载力模型：

吸力桩34的内侧极限承载力模型：

基于桩土相互作用理论，可以得到导管100端部、吸力桩34端部、吸力桩34顶端底板的极限承载力模型分别为：

导管100端部极限承载力模型：

N_cv＝q_cA_c (5)

吸力桩34端部极限承载力模型：

N_sv＝q_sA_s (6)

吸力桩34底板极限承载力模型：

N_sb＝q_sbA_sb (7)

根据桩土中的土拱效应，当导管100中的土壤受到压载时，随负载的压入，土壤将被压缩产生土塞。当压力过大的时候会破坏土拱然后形成新的土拱。此时，土拱的阻力超过了向上的压力。土拱效应将桩底土体的阻力转为导管100内壁的法向挤压力，极大增强了海底土体与导管100内壁间的摩擦力。在吸力桩34贯入过程中，压入导管100内的海底土经历了成拱和破坏的循环过程。当导管100内海底土未形成土塞时，所受承载力为导管100内海底土的摩擦力。当导管100内形成了弹性土塞，相当于形成一个闭合桩，所受阻力为端部阻力。

假设在沉贯的到位后，导管100内壁的摩阻发生了作用，如图4所示。图4为土塞所受摩阻力的示意图。

当土进入导管100中深度为z＝∑h_i处时，则其受到的总极限承载力为：

假设在沉贯的到位后，导管100内形成土塞，则极限承载力模型为：

N_ci＝q_csA_cs (9)

吸力桩34(复合导管)的极限承载力为几个叠加得：

当沉贯的时候形成了土塞，则吸力桩34(复合导管)的极限承载力计算模型为：

其中，F_u为整体结构的最大的承载力，N；L为吸力桩34裙板高度，m；d_c为导管100半径，m；d_s为吸力桩34半径，m；f_co—导管100在土中单位面积的力，Pa；f_so—吸力桩34桩筒的内部与土接触面单位面积摩擦力，Pa；f_si—单位面积的吸力桩34桩筒所受侧向摩擦力，Pa；A_c—导管100横截面积，m²；A_s—吸力桩34横截面积，m²；A_sb—吸力桩34顶板面积，m²；q_c—单位面积导管100的阻力，N/m²；q_s—单位面积吸力桩34所受的阻力，N/m²；q_sb—单位面积吸力桩34顶板受到的阻力，N/m²。

吸力式复合管与海底土的单位面积的摩擦力是决定其承载力的重要因素，

(1)单位面积黏性土摩擦力

在黏土里，吸力桩34与导管100间的摩擦力复合不排水抗剪强度的变化：

f＝αs_u (12)

式中：α无量纲的黏性，α≤1；s_u代表不排水抗剪强度，pa。

其确大小为：

式中：σ_v该位置以上土压力的总和，Pa；

(2)单位面积黏性的端阻

q＝N_cs_u (14)

式中：N_c为承载能评定值。

(3)单位面积砂土摩擦力

f＝Kσ_vtanδ (15)

式中：K为侧向压力评定值，其取值为0.5-1。δ为管土摩擦角，取

为土的内摩擦角。

(4)单位面积砂土端阻

q_u＝N_pP₀ (16)

式中：N_p为承载力系数。

(5)导管100内部土塞阻力

单位面积的摩擦力与上部土塞的重量成正比例，即：

f_ci＝μα∑γ_ih_i (17)

式中：f_z为z深度处径向单位面积的摩阻力，为土塞与管桩间的摩擦系数，为侧压力系数，为第i土层的重量，h_i为算深浅以上第i土层的厚度(图4中，分别为第一土层h₁第而土层h₂和第三土层h₃)。

吸力桩复合导管纵向实时承载力模型

在吸力桩34逐渐沉贯至海底土体的过程中，吸力桩34筒内土体在负压作用下受扰动和破坏，吸力桩34内部的土体承载力增大，吸力桩34外部的土体承载力降低，吸力桩34安装到位后，承载力逐渐恢复，计算模型为：

F_ut＝kF_u (18)

式中：F_ut为整体结构的实时承载力，N；k为无量纲承载力变化评价参数。

根据力学原理，吸力桩34内部负压与土体与吸力桩34的作用力呈正比的关系，因此吸力对其影响因子可以表示为：

式中：P₀为吸力桩34沉贯的最小吸力，m³/min；P为吸力桩34沉贯过程平均排量，m³/min；t为吸力桩的静置时间，h。

综合考虑静置时间、负压情况因素，吸力桩复合导管的沉贯承载力折减系数可代表为：

综合可得整体的实时承载力为：

式中：P₀为吸力桩34沉贯的最小吸力，m³/min；P为吸力桩34沉贯过程平均排量，m³/min；t为吸力桩34的静置时间，h；F_u为吸力桩复合导管整体结构的最大的承载力，N。

通过上述公式确定实时承载力，能够准确反映出深水吸力桩在建井过程中的承载力，为深海吸力桩建井工艺的优化提供理论依据。

具体的，在步骤S30中，通过进气管路8向釜体36的中空腔室中注入高压气体，用于模拟深水高压环境。所述预定压力值根据实验要求而定。在下入过程中，通过调整拉力机构使得拉力测量计22的示数等于钻杆32的重力值，从而平衡掉钻杆32的重力，以保证吸力桩34仅在其自身重力作用下入土层35。下入一段时间后，通过位移测量指针30记录此时下入组件的位置，同时打开吸力泵7和所述抽吸控制阀37，使得吸力桩34在负压作用下快速下入直至吸力桩34下入至停止位置。

在本说明书中，当所述吸力桩34位于所述停止位置时，满足下述关系：

X2-X1＝L0+L1

式中，X2表示的吸力桩34位于停止位置时，所述位移测量指针30的位置，单位为cm。

当吸力桩34下入至停止位置时，则整个吸力桩34均下入至土层35中，从而在等待海底土体回填的过程中，吸力桩34与土层35之间形成胶结应力，保证吸力桩34在土层中“悬住”而不会下沉。在等待第二预定时间后，即吸力桩34与土层35之间形成胶结应力后，通过拉力机构提升所述下入组件直至将所述吸力桩34拔出，并读取所述拉力测量计22的示数，可以计算得出吸力桩34与土层35之间的摩擦力，该摩擦力则能够反映出吸力桩34在土层35中的承载力，为深海吸力桩建井工艺的优化提供理论依据。在后续测试过程中，可以通过更换吸力桩34的大小、形状以及更换土层35，重复上述测试步骤。

为了更好的理解本申请，下面将结合图1和图2，对本申请实施例提供的深水吸力桩建井实验装置以及承载力测试方法作进一步阐述。

首先搭建深水吸力桩建井实验装置，具体的，将土层35与配置好的盐水33放入釜体36内。然后将钻杆32与钢丝绳21和升降机19相连，测量吸力桩34底部距离土层35的距离L₀与吸力桩34的长度L₁。盖上釜盖29，拧紧固定螺栓28，记录位移测量指针30的位置作为初始位置X₀。确保出口控制阀25和抽吸控制阀37关闭，打开氮气注入控制阀10与进气控制阀14，充入一定量氮气，然后依次关闭进气控制阀14、氮气注入控制阀10，通过监测第一压力传感器13的示数测试釜体36以及各个管路接头处是否漏气。若在注气后，第一压力传感器13示数在一段时间内保持稳定，则密封性好，若缓慢下降则可以通过肥皂水在第一转换接头16、第二转换接头18和第三转换接头26处进行检测。

然后依次打开氮气注入控制阀10、进气控制阀14，利用增压泵9向釜体36内泵入氮气，泵入气体的体积根据模拟水深而定，后关闭进气控制阀14、氮气注入控制阀10。缓慢下放钻杆32与吸力桩34，使拉力测量计22的示数等于钻杆32的重力，下入一段时间后记录位移测量指针30的位置作为初次停止位置X₁。

计算X₂的位置，使X₂与X₁的差值等于L₀与L₁的和。打开吸力泵7，缓慢打开抽吸控制阀37，通过抽吸吸力桩34内部压力控制吸力桩34下入，待位移测量指针30指到X₂的位置，将抽吸控制阀37关闭。其中，在利用吸力泵7的抽吸力下入吸力桩时，部分土层35与盐水33将沿着钻杆32与抽吸管路12排出。若第一压力传感器13的读数的下降速率超过阈值时，将压力控制器6、应急安全阀5打开，避免损伤仪器，并减压泵4减压，进入两相分离器2。分离后气体从排气阀3中排出，固体与液体回到回收箱1。等待一段时间待海底土回填，测量吸力桩34与土层35之间的摩擦力，则能够反应出吸力桩34在海底土的承载力。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。

Claims (10)

1.一种深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：

釜体，所述釜体具有中空腔室，所述中空腔室用于填充土层和预定密度的盐水；

釜盖，用于封闭所述中空腔室，所述釜盖设置有通孔；

下入组件，包括：吸力桩和钻杆，所述吸力桩为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆形成封闭端，所述钻杆从所述通孔中穿设而出；

注气组件，包括：用于检测所述中空腔室内部压力的第一压力传感器；储气罐，所述储气罐与所述中空腔室之间设置有进气管路，所述进气管路上设置有增压泵和进气控制阀；

抽吸组件，包括：回收箱，所述回收箱与所述钻杆之间设置有抽吸管路，所述抽吸管路上设置有吸力泵和抽吸控制阀；

实验架，所述实验架上设置有拉力机构和位移测量计，所述位移测量计用于检测所述下入组件的下入深度，所述拉力机构与所述钻杆之间设置有用于测量拉力的拉力测量计。

2.如权利要求1所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述抽吸管路上在所述吸力泵的下游依次设置有压力控制器、应急安全阀和减压泵。

3.如权利要求2所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述减压泵与所述回收箱之间设置有两相分离器，所述两相分离器设置有与外界相连通的排气管路，所述排气管路上设置有排气阀；经所述两相分离器分离后的气体经所述排气管路排出，分离后的液体和固体沿所述抽吸管路流入所述回收箱。

4.如权利要求1所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述实验装置还设置有排放组件，所述排放组件包括：设置在所述釜盖上的排气口；与所述排气口相连通的排放管路，所述排放管路上设置有第二压力传感器和出口控制阀。

5.如权利要求1所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述拉力机构包括：升降机和与所述升降机相连的钢丝绳，所述拉力测量计连接于所述钢丝绳与所述钻杆之间。

6.如权利要求1所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述位移测量计为刻度尺，所述钻杆上设置有位移测量指针，所述位移测量指针用于读取所述刻度尺的示数。

7.如权利要求1所述的深水吸力桩建井实验装置，其特征在于，所述盐水的密度为1.03g/cm³。

8.一种利用如权利要求1所述的实验装置的深水吸力桩建井承载力的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

获取吸力桩底部距离土层的距离L₀与吸力桩的长度L₁；

记录所述位移测量指针的位置作为初始位置X₀；

打开所述进气控制阀与增压泵，通过进气管路向所述中空腔室内注入气体，直至所述第一压力传感器达到预定压力值；

通过拉力机构下放所述下入组件，在下放过程中使得拉力测量计的示数等于钻杆的重力值，下入第一预定时间后记录所述位移测量指针的位置X₁；

打开所述吸力泵和所述抽吸控制阀，直至所述吸力桩下入至停止位置；

等待第二预定时间后，通过拉力机构提升所述下入组件直至将所述吸力桩拔出，并读取所述拉力测量计的示数，并计算所述吸力桩与土层之间的摩擦力，则为所述吸力桩在土层中的承载力，所述承载力通过下述公式计算得出：

式中：P₀为吸力桩沉贯的最小吸力，m³/min；P为吸力桩沉贯过程平均排量，m³/min；t为吸力桩的静置时间，h；F_u为整体结构的最大的承载力，N；F_u＝N_cv+N_co+N_ci+N_sv+N_so+N_si+N_sb；其中，

N_cv＝q_cA_c；

在沉贯的到位后，导管内形成土塞时，N_ci＝q_csA_cs；

N_sv＝q_sA_s；

N_sb＝q_sbA_sb；

N_cv为导管端部支撑力，N_co为导管外侧面摩阻力，N_ci为导管内侧面摩阻力，N_sv为吸力桩端部支撑力，N_so为吸力桩的裙板外侧面摩阻力，N_si为吸力桩的裙板内侧面摩阻力，N_sb为吸力桩顶端底板的承载力。

9.如权利要求8所述的深水吸力桩建井承载力的测试方法，其特征在于，当所述吸力桩位于所述停止位置时，满足下述关系：

X₂-X₁＝L₀+L₁

式中，X₂表示的吸力桩位于停止位置时，所述位移测量指针的位置，单位为cm。

10.如权利要求8所述的深水吸力桩建井承载力的测试方法，其特征在于，所述抽吸管路上在所述吸力泵的下游依次设置有压力控制器、应急安全阀和减压泵，若所述第一压力传感器的读数的下降速率超过阈值，打开所述压力控制器、所述应急安全阀、所述减压泵。

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