【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及石油勘探，具体涉及一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置与方法。
技术介绍
1、自升式平台带有能够自由升降的桩腿，作业时桩腿下伸到海底，站立在海床上，利用桩腿托起平台，并使平台底部离开海面一定的距离，从而避免海上浪流对平台的影响，可在平台上进行作业。为了确保自升式平台稳定可靠的站立，需提前对各个桩腿进行预压载，以保障各桩腿压载贯入到能够可靠承受住设计最大的预压载的土层中该土层就是平台基础的持力层，确保整个作业期间平台基础稳定。
2、因自升式平台特有的桩靴入泥方式，依靠具有一定面积的桩靴结构“踩”在海底浅部土层之中，是一种依靠底部端面提供承载力的端承桩结构型式，所以在平台就位过程中也具有特定的风险。自升式钻井平台插桩压载作业，经常不可避免会面临海底土竖向分层强度差异和横向非均质性，以及桩靴需要部分踩之前插桩留下的桩坑，桩靴在上述海底条件下插桩压载贯入地层过程中会出现穿透上部较高强度地层进入下部强度较低的地层中，来不及降低在上部较高地层中的压载载荷，导致桩腿快速冲击式下沉；或当桩靴踩在横向非均质地层，以及踩在海底已有的桩坑边缘，出现桩靴底部支撑力不均匀，导致桩靴向支撑力弱的或没有支撑力的一侧滑移，上述单个桩腿快速冲击式下沉和向支撑力弱的一侧滑桩，均会导致自升式钻井平台与桩腿不同程度的损坏，甚至出现平台倾覆等恶劣事故。
3、“穿刺”是指在自升式钻井平台预压载或正常作业过程中，因为海底土层支撑的桩基础持力层在巨大的桩腿施加的载荷下突然发生破坏(剪切滑动或冲剪破裂)，桩腿失去平衡的支撑力而快速下沉
4、解决所述问题的现有的方式是在将自升式钻井平台拖航至预定的目标平台场址插桩压载作业前，通过勘察工程船在平台场址插桩位置钻孔，进行单点取样，在室内开展土力学试验获取单层土的设计抗剪强度等承载力设计参数。但是该方式存在问题是获得的参数为非原位承载力，取样、保存与运输过程存在土壤扰动或失水，样品无法代表真正原位土层力学属性。而且通常只在一个桩腿站立位置取1至2个孔样，取样点稀少，面积小，难以代表面积达数百平米桩靴站立位置的土体整体承载力，不能反映土层横向非均质性。
5、或者，现有在桩靴本体结构上进行改进，常见的改进方式是通过增加桩靴承载力面积来使桩靴本体具有更高的承载能力，同等海水压载量下，桩靴面积越大，桩靴对海底土的压强越小，在桩靴接触到硬质地层时，硬质地层会依靠自身强度承托住面积更大的桩靴，从而达到不刺穿硬质地层的目的。若硬质地层下方为非常软泥层，硬质地层非常薄，稳定性很差，增大桩靴承载力面积，虽然能够降低桩靴底部对土体的压强，但是会不利于桩靴在比较小的压载量下突破薄硬质地层，而一旦压载量增大到极限压载量，由薄硬质地层和下面的软土层构成的“鸡蛋壳”地层，会发生严重穿刺，穿刺后，桩靴在较大的压载量下，具有很高的风险性。此类桩靴并不适用于所有可能发生穿刺的硬质地层，当硬质地层达不到其桩靴需要的承载能力强度时，桩靴同样会产生穿刺现象，在某种类型结构的分层土中，增大桩靴面积反而会带来桩靴在小压载量下对薄硬质地层的压强不足以突破薄硬层，而一旦压载到最大压载量又有可能突破薄硬质地层承载能力，此时一旦发生穿刺，其后果会更加严重，穿刺时的冲量会更大。因此，增大桩靴面积在薄硬质层和厚软土层构成的“鸡蛋壳”地层中，穿刺风险与穿刺后的危害会更大。
6、针对自升式钻井平台部分踩之前插桩留下的桩坑，通常称之为踩“旧脚印”，会出现滑桩“劈叉”问题，现有做法是尽可能选择桩靴形状尺寸与“旧脚印”匹配的自升式钻井平台，通过完全踩入“旧脚印”的方式插桩就位，或者更换就位方向与位置，尽可能避开踩到“旧脚印”。然而，海上工程平台海面与海底设施布置会制约自升式钻井平台就位方向与位置选择，同时选择桩靴形状尺寸与“旧脚印”完全匹配的自升式钻井平台的资源有限。由于海上作业需要，不可避免的会面对用于作业的自升式钻井平台插桩就位时需要部分踩“旧脚印”的情况。因此，需要通过压载作业控制来防止出现滑桩问题，然而，海上作业控制难度大，滑桩现象时有发生，甚至出现滑桩造成自升式钻井平台碰撞工程生产平台的险情。
7、因此，急需一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置。
技术实现思路
1、本专利技术一方面提供一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，能够在自升式平台预压载至最大设计载荷的整个过程中，通过设计在桩靴底部的装置实现选择性主动穿透底部较高承载力的土层，必要时启动旋转切削桩靴底部的较高承载力的土层，降低该土层与下部软土层之间强度差异，避免插桩桩腿踩在强度较高、厚度较薄的“鸡蛋壳”地层上，造成穿刺。本专利技术另一方面提供一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、本专利技术第一方面提供一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，包括液压顶升穿刺机构、压力检测机构和数据采集计算机，所述液压顶升穿刺机构分布在桩靴的周向上，所述液压顶升穿刺机构能够主动穿刺地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动，所述液压顶升穿刺机构上设有压力检测机构，所述压力检测机构用于检测所述桩靴的下入深度以及受力情况，所述压力检测机构与所述数据采集计算机电连接，所述数据采集计算机用于接收及显示所述压力检测机构检测的信息，以实现检测的信息控制所述液压顶升穿刺机构的运动。
4、所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，优选地，所述液压顶升穿刺机构包括液压千斤顶和穿刺钻头，所述液压千斤顶上均设有用于主动穿刺的所述穿刺钻头和所述压力检测机构，所述液压千斤顶用于给所述穿刺钻头主动穿刺提供钻压与穿刺距离，并且所述液压千斤顶随着穿刺所述穿刺钻头深入地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动。
5、所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，优选地，所述桩靴底部中心设有转盘，所述液压顶升穿刺机构设置在所述转盘上。
6、所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，优选地，所述液压顶升穿刺机构沿所述桩靴的圆周方向平均分布。
7、所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，优选地，所述液压顶升穿刺机构与所述桩靴竖向中心线呈辐射状布置。
8、所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，优选地，所述液压千斤顶的液压伸缩杆为楔形结构，所述液压伸缩杆的端部设有钢齿以形成所述穿刺钻头。
9、本专利技术第二方面提供一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑的方法，基于所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，方法具体包括如下步骤：
10、通过gps设备对钻采位置进行定位，确认自升式钻井平台艏向以及桩腿位置；
11、进行桩基压强预探，判断硬质地层承载压强是否足以承担自升式钻井平台的最大预压载，若存在穿刺风险，则启动液压顶升穿刺机构旋转切削土层，主动破除硬质地层；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，包括液压顶升穿刺机构、压力检测机构和数据采集计算机，所述液压顶升穿刺机构分布在桩靴的周向上，所述液压顶升穿刺机构能够主动穿刺地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动，所述液压顶升穿刺机构上设有压力检测机构，所述压力检测机构用于检测所述桩靴的下入深度以及受力情况，所述压力检测机构与所述数据采集计算机电连接，所述数据采集计算机用于接收及显示所述压力检测机构检测的信息，以实现检测的信息控制所述液压顶升穿刺机构的运动。
2.根据权利要求1所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述液压顶升穿刺机构包括液压千斤顶和穿刺钻头，所述液压千斤顶上均设有用于主动穿刺的所述穿刺钻头和所述压力检测机构，所述液压千斤顶用于给所述穿刺钻头主动穿刺提供钻压与穿刺距离，并且所述液压千斤顶随着穿刺所述穿刺钻头深入地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动。
3.根据权利要求1或2所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述桩靴底部中心设有转盘，所述液压顶升穿刺机构
4.根据权利要求3所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述液压顶升穿刺机构沿所述桩靴的圆周方向平均分布。
5.根据权利要求4所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述液压顶升穿刺机构与所述桩靴竖向中心线呈辐射状布置。
6.根据权利要求5所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述液压千斤顶的液压伸缩杆为楔形结构，所述液压伸缩杆的端部设有钢齿以形成所述穿刺钻头。
7.一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑的方法，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，方法具体包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑的方法，其特征在于，所述步骤“所述实施穿刺风险应对措施”具体的方法为：通过吃水加载的方式进行插桩预压载作业。
9.根据权利要求8所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑的方法，其特征在于，所述吃水加载的方法具体为：
10.根据权利要求7所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑的方法，其特征在于，所述步骤“所述实施穿刺风险应对措施”具体的方法为：终止继续插桩压载作业，将自升式钻井平台移开穿刺风险区域。
...【技术特征摘要】
1.一种自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，包括液压顶升穿刺机构、压力检测机构和数据采集计算机，所述液压顶升穿刺机构分布在桩靴的周向上，所述液压顶升穿刺机构能够主动穿刺地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动，所述液压顶升穿刺机构上设有压力检测机构，所述压力检测机构用于检测所述桩靴的下入深度以及受力情况，所述压力检测机构与所述数据采集计算机电连接，所述数据采集计算机用于接收及显示所述压力检测机构检测的信息，以实现检测的信息控制所述液压顶升穿刺机构的运动。
2.根据权利要求1所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述液压顶升穿刺机构包括液压千斤顶和穿刺钻头，所述液压千斤顶上均设有用于主动穿刺的所述穿刺钻头和所述压力检测机构，所述液压千斤顶用于给所述穿刺钻头主动穿刺提供钻压与穿刺距离，并且所述液压千斤顶随着穿刺所述穿刺钻头深入地层，实现所述桩靴的底部能够锚桩，以防止所述桩靴侧向滑动。
3.根据权利要求1或2所述的自升式钻井平台桩靴底部主动穿刺防滑装置，其特征在于，所述桩靴底部中心设有转盘，所述液压顶升穿刺机构设置在所述转盘上。
4.根据权利要求3所述的自升式钻井平台桩靴底部...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨进，张孝全，殷启帅，谢仁军，李磊，焦金刚，仝刚，宋宇，陈柯锦，朱国倞，王佳康，何黎，黄子祺，董梦珂，蒋润邦，陈祉夫，徐国贤，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：
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