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自升式钻井平台插拔桩及冲桩试验系统
臧孟1, 罗晓兰1, 刘阳1, 高攀2, 段梦兰1, 赵良美1     
1. 中国石油大学(北京)海洋油气研究中心;
2. 复旦大学航空航天系
摘要: 为了对自升式钻井平台插拔桩和冲桩过程进行研究,设计了一套自升式钻井平台插拔桩和冲桩试验系统。该系统能够提供最大50 kN的推力和拉力,以及最大压力为1 MPa的冲桩水,满足试验工况的要求;能够监测记录试验过程中的阻力、孔隙水压力、桩靴模型的位移和试验土体的性质。对试验系统的承力部位加载架进行了有限元分析,结果表明加载架的稳定性符合要求;当入泥深度在300 mm以内时,试验测得的阻力与SNAME(2008)推荐方法预测阻力吻合。所得结果验证了试验系统能够有效地模拟插拔桩及冲桩过程。
关键词: 自升式钻井平台     插拔桩作业     冲桩     试验系统     稳定性分析     有效性    
Jack-up Spudcan Penetration/Extraction & Jetting Experimental System
Zang Meng1, Luo Xiaolan1, Liu Yang1, Gao Pan2, Duan Menglan1, Zhao Liangmei1     
1. Offshore Oil & Gas Research Center, China University of Petroleum (Beijing);
2. Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University
Abstract: In order to study the process of spudcan penetration/extraction and jetting operations of jack-up drilling rig, a set of test system for spudcan penetration/extraction and jetting operation has been designed. The system can provide the maximum thrust and pull force of 50 kN, and the maximum pressure of 1 MPa of jetting water to meet the requirements of test conditions. The resistance, pore water pressure, spudcan shoe model displacement and the nature of soil could be monitored and recorded. The loading frame of the test force bearing part has been analyzed by finite element analysis. The results show that the stability of the loading frame is in accordance with the requirement. When the in-mud depth is less than 300 mm, the measured resistance force is in good agreement with the predicted resistance force of the SNAME (2008) method. The test system can effectively simulate the process of spudcan penetration/extraction and jetting operation.
Key words: jack-up rig     spudcan penetration and extraction operations     spudcan jetting     test system     stability analysis     effectiveness    

0 引 言

自升式钻井平台在我国海洋油气资源的开发过程中占有非常重要的地位,由于其移位频繁[1],需要经常进行插拔桩作业。海底的地质条件复杂,当自升式钻井平台就位的地层土质较软时,桩靴就会入泥过深,进而造成拔桩困难。例如在南墨西哥湾的软地层中,一座自升式钻井平台入泥深度达31.6 m,为了将桩靴拔出,动用了2条船清理桩靴顶部的淤泥,并向桩靴底部泵入了额外的冲桩水,才将桩靴拔出[2]。目前,冲桩是一种常用的减小平台拔桩阻力的手段,国内外学者对冲桩效果也进行了较多研究,但冲桩对拔桩吸附力的影响规律还未知。因此,需要通过模型试验探究插拔桩阻力的影响因素,研究冲桩对拔桩阻力的影响规律。土工离心机在插拔桩模拟中得到了广泛的应用:2012年,M.S.HOSSAIN等[3]在西澳大利亚大学进行了21组离心机试验,研究桩靴在单层土和多层土拔出时的桩土作用规律;2005年,O.A.PURWANA等[4]在新加坡国立大学研究了100g(即在离心机试验中,重力加速度为100g)条件下桩靴底部吸力对拔桩的影响。此外,离心机试验还被用于研究插桩[5]、穿刺[6]、滑移[7]、稳定性[8]和冲桩[9]等各方面问题。离心机试验的缩尺系数通常在1∶100以上,模型尺寸很小,对于模型土体制备的均匀性有极高的要求,因而其制作难度较大,而1g(重力加速度为1g)模型试验的模型尺寸较大,制作难度相对较小,操作简便。笔者设计了一套1g条件下自升式钻井平台插拔桩和冲桩试验系统;对其主要承力部位加载架进行受力分析,分析结果表明加载架的稳定性符合要求,并通过初步的插拔桩试验验证了试验系统的有效性。

1 试验系统设计 1.1 试验目的及原理

根据试验的目的,要求试验系统能够模拟桩靴的插入和拔出过程,监测记录插拔桩过程中的阻力和桩靴的位移,能够为桩靴提供冲桩水,模拟拔桩时的冲桩过程。模型试验原理如图 1所示。试验在混凝土土池中进行,由固定在加载架上部的伺服电动缸施加垂直方向的载荷。为了保证加载架的稳定性,土池四周有宽1 m的混凝土基础,并用4组高强度地脚螺栓连接加载架与混凝土基础。在桩靴模型上面安装力传感器和位移传感器,用来测量插拔桩试验时的阻力和桩靴的位移。在桩靴模型的内部配备模拟冲桩系统,冲桩水由冲桩泵从汲水井中抽取,加压后输送到桩靴模型内部,并使用孔隙水压计等一系列传感器来测量冲桩系统对拔桩的影响。所有传感器信号通过数据传输线传输到数据采集仪。为了避免边界效应,需要保证桩坑之间和桩坑与混凝土池壁之间的距离不小于桩靴的直径[3];由于海水的流动对插拔桩阻力的影响很小,故可以忽略。

图 1 模型试验原理 Fig.1 Model test principle 1—土池;2—加载架;3—位移传感器;4—DMT测试仪;5—伺服电动缸;6—力传感器;7—桩靴;8—孔隙水压传感器;9—导轨;10—汲水井;11—冲桩管线;12—冲桩泵;13—数据采集仪;14—数据传输线。

在水平方向上设计有2个水平导轨,这样便于加载系统在水平方向移动,也对整个上部测量系统起到承载作用。

1.2 试验土池系统

试验土池系统主要由混凝土土池和加载架组成,为试验提供桩基土和加载平台。试验土池为6.0 m×5.0 m×3.5 m的混凝土土池。如图 2所示,桩坑之间和桩坑与混凝土池壁之间的距离大于桩靴直径,避免边界效应,一次配土可进行9次试验,土池一角筑有0.5 m×0.5 m的汲水井,汲水井壁与地基土间设置有多组排水孔,实现了水体的循环。

图 2 试验土池布置 Fig.2 Layout of test soil pool

为了确保试验的准确性,承力部件加载架的稳定性尤为重要,加载架是由φ245 mm×8 mm的无缝钢管和200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的工字钢焊接而成的钢结构,如图 3所示。

图 3 加载架结构图 Fig.3 Loading frame structure 1—导轨;2—滚轮固定板;3—加载架主体;4—电动缸固定架;5—滚轮。

1.3 电动伺服加载系统

电动伺服加载系统要求能够输出10 kN的推力和拉力,主要由伺服电动缸、驱动控制器及控制软件组成。伺服电动缸型号为WEC160,行程0.35 m,配13.3 kW的交流伺服电机,能提供的最大推力为50 kN,最大速度0.2 m/s,能够实现0~5 Hz的循环加载。控制系统选用Parker驱动控制器。本试验系统的控制软件能控制电动缸输出冲击载荷、静载荷和循环载荷等。

1.4 冲桩系统

冲桩系统主要由水源、冲桩泵和冲桩管路组成。冲桩试验要求冲桩泵输出的最小压力为0.3 MPa,最小排量为16.2 L/min。试验冲桩系统水泵的排量范围为0~70 L/min,最大扬程1 MPa,额定功率7 kW,满足试验要求。冲桩系统实现稳压和稳流的原理如图 4所示,通过在流量计和变频控制器之间形成反馈来控制冲桩水的流量,通过稳压阀来稳定压力。冲桩系统管路如图 5所示,分为内圈喷嘴和外圈喷嘴2根主管路,每根管路可单独进行开关控制。

图 4 冲桩系统 Fig.4 Spudcan jetting system

图 5 冲桩系统管路图 Fig.5 Pipeline diagram of the spudcan jetting system

1.5 扁铲侧胀测试系统

扁铲侧胀测试系统(以下简称DMT测试系统)可以测量土的模量和不排水抗剪强度。测试系统组成如图 6所示,包括扁铲、贯入装置、电-气复合管、控制箱、气管和气源组成。扁铲铲头的核心是压力膜片,膜片受压会造成不同位置电路的通断,从而进行测量。

图 6 DMT测试系统组成 Fig.6 Components of the DMT test system 1—扁铲;2—贯入装置;3—电-气复合管; 4—控制箱;5—气管;6—气源;7—压力膜片。

1.6 试验数据采集系统

试验数据采集系统要能够测量插拔桩过程中桩靴底部孔隙水压的变化、桩靴的位移和插拔桩的阻力;由动态信号测试分析系统、孔隙水压力传感器、位移传感器和力传感器组成。

1.6.1 动态信号采集仪

本系统采用的动态信号采集仪共有32个测量通道,每个通道接口均为7芯航空接头,能够输出最高24 V的桥路电压。另外,它能自动进行桥路的平衡和调零,其测试速度快,抗干扰能力强,能够实现所有静、动态数据的全程记录。通过与相关适调器配合使用,该系统可以测量电压、电流和应变等信号,例如DH3810-2和DH3811适调器。

1.6.2 传感器

试验系统在桩靴底部布置的GE HC-25微型孔隙水压力传感器如图 7所示。传感器的信号通过引出电缆接到动态信号采集仪上,用以测量插拔桩过程中孔隙水压力的变化;孔隙水压力传感器量程为-50~50 kPa,过载能力为2倍满量程压力,精度0.2%,长期稳定性±0.2%/a,供电电压为12~24 V,输出信号电压为0~5 V,连接方式为M8外螺纹连接。力传感器采用S式拉压力传感器,量程为0~50 kN,为四线制电流输出,其工作电压为24 V,输出信号电流为4~20 mA。采用拉线式位移传感器测量插拔桩过程中桩靴模型的位移,工作电压为24 V,输出信号电压为0~5 V,量程为0~1 000 mm。

图 7 GE HC-25微型孔隙水压力传感器 Fig.7 GE HC-25 micro-pore water pressure sensor

2 加载架稳定性分析

为确保试验的准确性,加载架的稳定性尤为重要,因此将结构适当简化以后,建立了加载架有限元分析模型,分析其与电动缸连接部分的位移与应力。加载架和电动缸固定架主体采用管单元(PIPE31)和壳单元(S4R),导轨和电动缸连接部分采用三维实体单元(C3D8R);模型划分了62 980个单元,91 795个节点,其中S4R单元6 614个,C3D8R单元55 689,PIPE31单元587个。

施加10 kN的拔桩载荷,计算出来的应力和位移分别如图 8图 9所示。分析结果表明在拔桩载荷下,电动缸板与加载架连接处的应力最大,为170 MPa,在许用范围之内。拔桩载荷下与电动缸连接处的位移很小,可以忽略不计。因此加载架的稳定性满足试验要求。

图 8 静载荷下的应力云图 Fig.8 Stress cloud under static load

图 9 静载荷下的位移云图 Fig.9 Displacement cloud under static load

3 试验系统有效性验证

在进行自升式平台插拔桩和冲桩试验之前,首先要对试验系统的有效性进行验证。进行了初步的插桩试验,测量试验过程中的插桩阻力,并与SNAME(2008)推荐方法的计算结果进行对比。

3.1 试验工况

采用DMT测试系统对试验土池原位土进行测试,得到了原位土的相关力学和物理参数:含水质量分数28.3%,有效容重7.5 kN/m3,液限49%,塑限27%,泥面不排水抗剪强度1.08 kPa,不排水抗剪强度随深度变化率5.05 kPa/m。控制插桩速率为1 mm/s,插桩过程中记录插桩阻力。

3.2 插桩阻力计算

SNAME(2008)推荐方法中地基承载力计算公式为:

(1)

式中:cu为桩靴入土面积最大位置下B/2内的平均抗剪强度,B为桩靴等效直径;sc=1+(Nq/Nc) (B/L)=1+0.4(D/B);L为桩靴长度;dc=1+0.4arctan(D/B);Nc=5.14;Nq=eπtanθtan2(45°+θ/2),θ为内摩擦角;p′0为计算深度处有效上覆土压;A为桩靴的最大截面积。

3.3 试验结果与计算结果对比

图 10为实测插桩阻力与计算结果对比。由图可知,当插桩深度在300 mm以内时,实测插桩阻力与计算结果吻合;当插桩深度超过300 mm以后,实测插桩阻力小于计算结果,而且随着深度增加差距增大。这可能是因为SNAME(2008)推荐的计算方法没有考虑到入泥过深时桩靴下部土体的软化而导致计算结果偏大。以上分析结果表明试验系统能够有效地模拟插拔桩过程和冲桩过程。

图 10 实测插桩阻力与计算结果对比 Fig.10 Comparison of measured data and calculation results of spudcan penetration resistance

4 结 论

(1) 自升式平台插拔桩和冲桩试验系统能够提供最大50 kN的推力和拉力,以及最大压力为1 MPa的冲桩水,满足模拟桩靴的插入和拔出过程对动力的要求,能够模拟拔桩时的冲桩过程,并能监测记录插拔桩过程中的阻力、桩靴的位移和桩靴底部的孔隙水压力。

(2) 对试验系统的承力部件加载架建立有限元分析模型,对该模型进行静载荷分析,发现其满足稳定性要求。

(3) 当入泥深度在300 mm以内时,试验测得的阻力与SNAME(2008)推荐方法预测阻力吻合;当入泥深度超过300 mm以后,实测插桩阻力小于计算结果,而且随着深度增加差距增大。这可能是因为SNAME(2008)推荐方法没有考虑入泥过深时桩靴下部土体的软化而导致计算结果偏大。

参考文献
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文章信息

臧孟, 罗晓兰, 刘阳, 高攀, 段梦兰, 赵良美
Zang Meng, Luo Xiaolan, Liu Yang, Gao Pan, Duan Menglan, Zhao Liangmei
自升式钻井平台插拔桩及冲桩试验系统
Jack-up Spudcan Penetration/Extraction & Jetting Experimental System
石油机械, 2017, 45(01): 48-52
China Petroleum Machinery, 2017, 45(01): 48-52.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.01.011

文章历史

收稿日期: 2016-07-29

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