CN115787755B - 自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，涉及海上油气开发领域，包括容器，还包括能够进入容器内的承载板、位于承载板上的若干压载箱、水平仪；还包括活动穿过承载板的三个桩腿组件，三个桩腿组件呈等腰三角形分布；桩腿组件上设置有呈纵向分布的齿条，每个桩腿组件均配备有与齿条相啮合的齿轮组件、用于驱动齿轮组件的电机，电机安装在承载板上。本发明提供自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，解决的技术问题之一是现有技术的加载方式过于单一、试验结果与现场工程之间存在较大偏离，实现能够灵活加载、更加真实有效的模拟现场插拔桩作业、为自升式钻井平台的插拔桩作业提供更加合理且科学的试验系统的目的。

Description

自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及海上油气开发领域，具体涉及自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法。

背景技术

自升式钻井平台俗称自升式钻井船，是用于浅海海域石油天然气开发钻井的工作平台、为海上油气钻井的井场提供作业和生活区域。自升式钻井平台带有能够升降的桩腿，在工作过程中的插桩和拔桩作业对于井场安全而言非常重要，因此对于插桩和拔桩的试验研究是建造和维护自升式钻井平台的重要研究内容。

现有技术中，CN113482069A公开了“一种自升式钻井平台插拔桩试验装置”，其试图解决试验装置结构复杂的问题，然而，发明人在研究过程中发现，该现有技术依然存在诸多不足：（1）其桩腿使用密闭的圆柱式结构，与我国绝大多数自升式钻井平台结构不符，难以模拟海流对桩腿的振动，并且会导致浮力被显著放大，导致插拔桩的荷载数据存在较大偏差；（2）其在压载工况下，加载箱和桩腿之间会产生横向的相互摩擦力；并且由于其悬挂绳的两端分别连接在加载箱和桩腿上，因此若加载箱下行，则其桩腿理论上应该上行，这与压载要求不符，难免导致悬挂绳产生强烈的疲劳变形甚至损坏；（3）其冲刷管用于冲刷桩腿外周壁的回填土，然而该回填土是现场实际工程中必不可少的、海底自然回填的，一旦将其破坏反而容易导致船体失稳，给现场的人员和设备带来极大安全隐患，且将其破坏后得到的拔桩结果明显失真；（4）其加载方式十分单一，完全没有考虑到不同桩腿之间的相互影响、更无法适配自升式钻井平台压载舱布置方式的影响。因此，这类现有技术存在大量与工程不符的设计缺陷，难以为自升式钻井平台的插拔桩工程施工提供有效指导。

发明内容

本发明提供自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，要解决的技术问题之一是现有技术的加载方式过于单一、试验结果与现场工程之间存在较大偏离，实现能够灵活加载、更加真实有效的模拟现场插拔桩作业、为自升式钻井平台的插拔桩作业提供更加合理且科学的试验系统的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，包括容器，还包括能够进入所述容器内的承载板、位于所述承载板上的若干压载箱、水平仪；还包括活动穿过所述承载板的三个桩腿组件，三个桩腿组件呈等腰三角形分布；所述桩腿组件上设置有呈纵向分布的齿条，每个桩腿组件均配备有与所述齿条相啮合的齿轮组件、用于驱动所述齿轮组件的电机，所述电机安装在承载板上。

针对现有技术中的加载方式过于单一、没有考虑到不同桩腿之间的相互影响、更无法适配自升式钻井平台压载舱布置方式的影响的问题，本发明首先提出一种自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，本系统中的容器用于装入泥土和液体，用于模拟海水以及海底沉积的、还未成岩的泥土类物质。承载板用于模拟自升式钻井平台的船体，因此使其尺寸能够进入容器内部，便于模拟拖航就位后的状态。承载板上具有若干压载箱，压载箱数量若干，根据不同的试验需要可灵活增减数量、或使用不同容积的压载箱，进而模拟不同的自升式钻井平台的压载舱布设方式。水平仪用于监控压载箱的倾斜或水平状态。本系统中的桩腿组件共三个，呈等腰三角形分布，以更加真实的模拟自升式钻井平台的桩腿结构及其拔桩时的相互影响关系。

本申请中的各桩腿组件，通过齿轮齿条机构以实现与承载板之间的相对升降运动。本申请中的齿轮组件在此不做限定，可以由任意数量的齿轮构成，也可根据需要设置调速或减速的齿轮组。

基于本系统所进行的插拔桩作业模拟试验，可包括插桩试验和拔桩试验；

所述插桩试验包括：

在所述容器内置入泥土并压实，向容器内注水；将承载板放在容器上方，使承载板位于液面之上、三个桩腿组件与泥面接触；根据设定的压载舱位置摆放各压载箱；按照设定的加载方式向各压载箱内分组注水；其中，每组注水结束后静置5~10min，观察水平仪，若承载板发生倾斜，则调整各压载箱内的水量，将承载板调平；按照设定的加载方式完成注水后，各压载箱卸载，得到插桩试验数据。

所述拔桩试验包括：

使承载板降于底面没入液面之下；冲桩；通过各电机逐一拔桩，直至三个桩腿组件均脱离泥面，得到拔桩试验数据。

其中，所述插桩试验数据可以是各压载箱的加载-时间曲线、各桩腿组件的位移-时间曲线、桩靴上不同点位的压力-时间曲线等，所述拔桩试验数据可以是各桩腿组件的位移-时间曲线、对应电机的输出扭矩-时间曲线、桩靴上不同点位的压力-时间曲线等；具体的插桩试验数据、拔桩试验数据可由本领域人员根据实际试验需求适应性的设置相应的传感器来获得，其不具有实现难度，故在此不做赘述。

本申请通过在承载板上设置若干压载箱的方式，克服了现有技术中桩腿会受到不必要的横向作用力所带来的试验误差，并可模拟不同的自升式钻井平台的压载舱布设方式，使得本系统能够满足不同的自升式钻井平台的插拔桩试验需求，能够灵活加载、更加真实有效的模拟现场插拔桩作业；此外，本申请还能够更加真实的模拟自升式钻井平台的桩腿结构及其拔桩时的相互影响关系；并且本申请可灵活控制桩腿周围的压载箱各自的加载速度，得到在不同加载顺序与速度下的插桩试验数据，为自升式钻井平台的插桩作业提供更加科学合理的依据。

进一步的，所述压载箱活动放置在承载板上，所述承载板外侧边缘设置挡板，所述挡板上设置刻度尺；所述承载板上开设三个通孔，三个通孔分别用于三个桩腿组件穿过；还包括与所述通孔连通的安装槽，所述安装槽用于安装电机和齿轮组件。

本方案中，各压载箱活动放置在承载板上，便于根据不同的试验需要灵活增减数量、或使用不同容积的压载箱，进而适配不同的自升式钻井平台压载舱布置方式；承载板外侧边缘的挡板用于阻挡压载箱跌落，同时便于在其上设置刻度尺，有利于工作人员更加准确的将各压载箱摆放至所需位置。本方案还在承载板上开设三个通孔，每个通孔均对应连通安装槽，以实现对桩腿组件、电机、齿轮组件等的安装。

进一步的，所述桩腿组件包括上、下分布的升降段、支撑段；所述齿条位于升降段上，所述支撑段底端设置桩靴。

所述升降段包括顶部敞口的筒体、所述筒体内部设置潜水泵，所述桩靴上开设若干喷孔，所述潜水泵的出水端与所述喷孔连通。

所述支撑段包括若干桩柱、连接在各桩柱之间的桁架；所述桩靴连接在各桩柱的底部。

将桩腿组件分为上方的升降段和下方的支撑段，以利用桩腿的不同位置实现在试验过程中的不同功能；其中顾名思义，升降段起到让桩腿组件升降的功能，支撑段用于插入泥面以下起插桩功能。由于在插拔桩试验过程中的插桩深度是能够提前设计的，因此这为本方案的设计提供了可行性，使得升降段的长度大于插拔桩过程中所需的、承载板与桩腿组件之间的相对移动距离即可，同时使支撑段的长度大于最大入泥深度与液面深度之和即可。

本方案的支撑段包括若干桩柱和桁架，相较于现有技术中密闭的圆柱式桩腿而言，能够更加准确的模拟自升式钻井平台入水后桩腿与水流之间的相互作用、同时避免排水量过大而导致的浮力失真、影响试验准确性等现象出现。

此外，本方案将升降段设置为顶部敞口的筒体结构，其内部可储水，在需要冲桩时，启动筒体内部的潜水泵向桩靴上开设的喷孔供水，此方案相较于现有技术而言：冲桩位置与实际现场施工一致，避免了对所谓的“回填土”进行不合理的冲桩所导致的结构失稳、拔桩数据失真等问题；同时冲桩水提前存储在筒体内部，无需从下方容器抽水冲桩，避免了不可控的水流扰动对桩腿的干扰。

进一步的，所述桩柱内部设置与所述喷孔相连的纵向流道，所述潜水泵的出水端通过连接管与各纵向流道连通，所述连接管穿过筒体底部、且连接管与筒体之间设置密封圈。

本方案通过桩柱提供纵向流道以模拟冲桩管路、为冲桩水提供内置的流动路径，与各筒体和潜水泵相配合，实现了对冲桩系统的完全内置式、隐藏式的布置，同时各桩腿组件可独立冲桩，更加有利于对拔桩之前的冲桩作业的准确模拟。

进一步的，所述桩靴内部设置与各纵向流道连通的腔体，所述喷孔开设在腔体侧壁，所述腔体内部动密封配合隔板，所述隔板底部与腔体底部之间连接弹性件。

本方案中由腔体连通各纵向流道，使液体进入腔体汇总。在潜水泵未泵水时，由弹性件的弹力使得隔板遮挡各喷孔；当潜水泵开始泵水后，在液柱压力和泵压的共同作用下，向下压缩弹性件，使隔板向下运动，直至露出各喷孔。本方案通过隔板和弹性件的设置，与液柱压力与泵压相配合，巧妙的实现了在不冲桩时对各喷孔的自动封堵，避免泥沙等倒灌进入腔体内造成冲桩管线的堵塞。

进一步的，所述喷孔内设置单向阀，所述单向阀从所述腔体至桩靴外部导通。本方案通过单向阀更加避免泥沙倒灌进入腔体内部。其中本领域技术人员可选用现有技术中任意能够适用的单向阀类型。

进一步的，冲桩的方法包括如下步骤：

向升降段内的筒体中注水，保证筒体内的液面始终没过其中的潜水泵；

启动潜水泵，将水泵入至桩柱内的纵向流道、并进入桩靴内部的腔体内；

在液柱压力和泵压作用下，腔体内的隔板压缩弹性件向下运动，解除对桩靴上的喷孔的遮挡；

通过喷孔向桩靴的侧面和底面喷水。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，克服了现有技术中桩腿会受到不必要的横向作用力所带来的试验误差，并可模拟不同的自升式钻井平台的压载舱布设方式，使得本系统能够满足不同的自升式钻井平台的插拔桩试验需求，能够灵活加载、更加真实有效的模拟现场插拔桩作业。

2、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，能够更加真实的模拟自升式钻井平台的桩腿结构及其拔桩时的相互影响关系；可灵活控制桩腿周围的压载箱各自的加载速度，得到在不同加载顺序与速度下的插桩试验数据，为自升式钻井平台的插桩作业提供更加科学合理的依据。

3、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，能够更加准确的模拟自升式钻井平台入水后桩腿与水流之间的相互作用、同时避免排水量过大而导致的浮力失真、影响试验准确性等现象出现。

4、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，冲桩位置与实际现场施工一致，避免了对所谓的“回填土”进行不合理的冲桩所导致的结构失稳、拔桩数据失真等问题；同时冲桩水提前存储在筒体内部，无需从下方容器抽水冲桩，避免了不可控的水流扰动对桩腿的干扰。

5、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，通过桩柱提供纵向流道以模拟冲桩管路、为冲桩水提供内置的流动路径，与各筒体和潜水泵相配合，实现了对冲桩系统的完全内置式、隐藏式的布置，同时各桩腿组件可独立冲桩，更加有利于对拔桩之前的冲桩作业的准确模拟。

6、本发明自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统及方法，通过隔板和弹性件的设置，与液柱压力与泵压相配合，巧妙实现了在不冲桩时对各喷孔的自动封堵，避免泥沙等倒灌进入腔体内造成冲桩管线的堵塞。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明具体实施例中承载板的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中桩靴的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-承载板，2-压载箱，3-齿条，4-齿轮组件，5-电机，6-挡板，7-刻度尺，8-通孔，9-安装槽，10-升降段，11-支撑段，12-桩靴，13-喷孔，14-水平仪，15-单向阀，101-筒体，102-潜水泵，111-桩柱，112-桁架，113-纵向流道，114-连接管，115-密封圈，121-腔体，122-隔板，123-弹性件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1

如图1所示的自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，包括容器，还包括能够进入所述容器内的承载板1、位于所述承载板1上的若干压载箱2、水平仪14；还包括活动穿过所述承载板1的三个桩腿组件，三个桩腿组件呈等腰三角形分布；所述桩腿组件上设置有呈纵向分布的齿条3，每个桩腿组件均配备有与所述齿条3相啮合的齿轮组件4、用于驱动所述齿轮组件4的电机5，所述电机5安装在承载板1上。

如图3所示，所述压载箱2活动放置在承载板1上，所述承载板1外侧边缘设置挡板6，所述挡板6上设置刻度尺7；所述承载板1上开设三个通孔8，三个通孔8分别用于三个桩腿组件穿过；还包括与所述通孔8连通的安装槽9，所述安装槽9用于安装电机5和齿轮组件4。

本实施例中，各水平仪的方向不同，以监测承载板在不同方向上的倾斜。

本实施例中，承载板需具有浮力，其浮力和容器内液体密度的设置，需保证承载板能够自然漂浮于液面、不会下沉。

本领域技术人员应当理解，在计算拔桩过程中对桩腿的上提拉力时，用电机输出轴的扭矩除以齿轮组件中末端直接与齿条啮合的齿轮的公称半径即可。

在更为优选的实施方式中，容器内可以设置造浪泵或循环水泵等，以模拟海流对桩腿的扰动。

在更为优选的实施方式中，电机5的输出轴通过减速器与齿轮组件4相连。齿轮组件4包括两个同向转动的、大小相等的齿轮，一个为主动齿轮一个为从动齿轮，所述主动齿轮与减速器的输出端固定连接，所述从动齿轮与主动齿轮之间通过换向齿轮啮合。主动齿轮与从动齿轮均与齿条配合。

实施例2

自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，在实施例1的基础上，如图1与图2所示，所述桩腿组件包括上、下分布的升降段10、支撑段11；所述齿条3位于升降段10上，所述支撑段11底端设置桩靴12。

所述升降段10包括顶部敞口的筒体101、所述筒体101内部设置潜水泵102，所述桩靴12上开设若干喷孔13，所述潜水泵102的出水端与所述喷孔13连通。

所述支撑段11包括若干桩柱111、连接在各桩柱111之间的桁架112；所述桩靴12连接在各桩柱111的底部。

所述桩柱111内部设置与所述喷孔13相连的纵向流道113，所述潜水泵102的出水端通过连接管114与各纵向流道113连通，所述连接管114穿过筒体101底部、且连接管114与筒体101之间设置密封圈115。

如图4所示，所述桩靴12内部设置与各纵向流道113连通的腔体121，所述喷孔13开设在腔体121侧壁，所述腔体121内部动密封配合隔板122，所述隔板122底部与腔体121底部之间连接弹性件123。所述喷孔13内设置单向阀15，所述单向阀15从所述腔体121至桩靴12外部导通。

本实施例中，弹性件123为压缩弹簧，其弹力能够抵抗纵向流道高度的液柱压力，但无法抵抗该液柱压力与潜水泵泵压之和。

本实施例中，隔板122与腔体121侧壁之间通过若干密封圈实现动密封配合。

实施例3

自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统的试验方法，包括插桩试验和拔桩试验；

所述插桩试验包括：

在所述容器内置入泥土并压实，向容器内缓慢注水至设定高度；

将承载板1放在容器上方，使承载板1位于液面之上、三个桩腿组件与泥面接触；

根据设定的压载舱位置摆放各压载箱2；

按照设定的加载方式向各压载箱2内分组注水；其中，每组注水结束后静置5~10min，观察水平仪14，若承载板1发生倾斜，则调整各压载箱2内的水量，将承载板1调平；

按照设定的加载方式完成注水后，各压载箱2卸载，得到插桩试验数据；

所述拔桩试验包括：

使承载板1降于底面没入液面之下；

冲桩作业；

通过各电机5逐一拔桩，直至三个桩腿组件均脱离泥面，得到拔桩试验数据。

在更为优选的实施方式中，所示冲桩作业包括如下步骤：

向升降段10内的筒体101中注水，保证筒体101内的液面始终没过其中的潜水泵102；

启动潜水泵102，将水泵入至桩柱111内的纵向流道113、并进入桩靴12内部的腔体121内；

在液柱压力和泵压作用下，腔体121内的隔板122压缩弹性件123向下运动，解除对桩靴12上的喷孔13的遮挡；

通过喷孔13向桩靴12的侧面和底面喷水。

在冲桩完成关停潜水泵102后，在弹性件123的复位力作用下，又使隔板122向上移动重新遮住喷孔13。

在更为优选的实施方式中，冲桩作业过程中，潜水泵102先用大排量泵水、再用小排量泵水。先用大排量泵水的目的是破坏土壤对桩靴处的摩擦阻力和吸附力，再用小排量泵水的目的是使桩靴周围和底部区域及时充满海水，以减少拔桩过程中的抽吸效应，并保证浮力作用。

在更为优选的实施方式中，筒体101内设置液位传感器，当筒体101内的液位下降至设定阈值时，可通过工作人员补液，或进行自动补液。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (6)

1.自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，包括容器，其特征在于，还包括能够进入所述容器内的承载板（1）、位于所述承载板（1）上的若干压载箱（2）、水平仪（14）；还包括活动穿过所述承载板（1）的三个桩腿组件，三个桩腿组件呈等腰三角形分布；所述桩腿组件上设置有呈纵向分布的齿条（3），每个桩腿组件均配备有与所述齿条（3）相啮合的齿轮组件（4）、用于驱动所述齿轮组件（4）的电机（5），所述电机（5）安装在承载板（1）上；

所述压载箱（2）活动放置在承载板（1）上，所述承载板（1）外侧边缘设置挡板（6），所述挡板（6）上设置刻度尺（7）；所述承载板（1）上开设三个通孔（8），三个通孔（8）分别用于三个桩腿组件穿过；还包括与所述通孔（8）连通的安装槽（9），所述安装槽（9）用于安装电机（5）和齿轮组件（4）；

所述桩腿组件包括上、下分布的升降段（10）、支撑段（11）；所述齿条（3）位于升降段（10）上，所述支撑段（11）底端设置桩靴（12）；

所述升降段（10）包括顶部敞口的筒体（101）、所述筒体（101）内部设置潜水泵（102），所述桩靴（12）上开设若干喷孔（13），所述潜水泵（102）的出水端与所述喷孔（13）连通；

所述支撑段（11）包括若干桩柱（111）、连接在各桩柱（111）之间的桁架（112）；所述桩靴（12）连接在各桩柱（111）的底部；

所述容器内设置造浪泵或循环水泵。

2.根据权利要求1所述的自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，其特征在于，所述桩柱（111）内部设置与所述喷孔（13）相连的纵向流道（113），所述潜水泵（102）的出水端通过连接管（114）与各纵向流道（113）连通，所述连接管（114）穿过筒体（101）底部、且连接管（114）与筒体（101）之间设置密封圈（115）。

3.根据权利要求2所述的自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，其特征在于，所述桩靴（12）内部设置与各纵向流道（113）连通的腔体（121），所述喷孔（13）开设在腔体（121）侧壁，所述腔体（121）内部动密封配合隔板（122），所述隔板（122）底部与腔体（121）底部之间连接弹性件（123）。

4.根据权利要求3所述的自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统，其特征在于，所述喷孔（13）内设置单向阀（15），所述单向阀（15）从所述腔体（121）至桩靴（12）外部导通。

5.根据权利要求1~4中任一所述的自升式钻井平台插拔桩作业模拟试验系统的试验方法，其特征在于，包括插桩试验和拔桩试验；

所述插桩试验包括：

在所述容器内置入泥土并压实，向容器内注水；

将承载板（1）放在容器上方，使承载板（1）位于液面之上、三个桩腿组件与泥面接触；

根据设定的压载舱位置摆放各压载箱（2）；

按照设定的加载方式向各压载箱（2）内分组注水；其中，每组注水结束后静置5~10min，观察水平仪（14），若承载板（1）发生倾斜，则调整各压载箱（2）内的水量，将承载板（1）调平；

按照设定的加载方式完成注水后，各压载箱（2）卸载，得到插桩试验数据；

所述拔桩试验包括：

使承载板（1）降于底面没入液面之下；

冲桩；

通过各电机（5）逐一拔桩，直至三个桩腿组件均脱离泥面，得到拔桩试验数据。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述桩腿组件包括上、下分布的升降段（10）、支撑段（11）；

所述冲桩包括如下步骤：

向升降段（10）内的筒体（101）中注水，保证筒体（101）内的液面始终没过其中的潜水泵（102）；

启动潜水泵（102），将水泵入至桩柱（111）内的纵向流道（113）、并进入桩靴（12）内部的腔体（121）内；

在液柱压力和泵压作用下，腔体（121）内的隔板（122）压缩弹性件（123）向下运动，解除对桩靴（12）上的喷孔（13）的遮挡；

通过喷孔（13）向桩靴（12）的侧面和底面喷水。

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