專利名稱：可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油開采相關(guān)技術(shù)，尤其是指一種應(yīng)用于自升式鉆井平臺樁腿結(jié)構(gòu)的可伸縮鉆井平臺樁靴。
背景技術(shù)：
在以樁端阻力為主要的樁腿承載力的樁腿結(jié)構(gòu)上(如桁架結(jié)構(gòu)樁腿)，廣泛采用在樁腿底部配備大橫截面積的樁靴，以此提高樁端阻力，從而確保樁腿極限承載力的要求。 樁側(cè)摩阻力是隨著樁入泥深度的增加而不斷增加的(理論上是分段積分的累加)，不存在刺穿風(fēng)險的問題。而樁端阻力不同于樁側(cè)摩阻力，樁端阻力的大小取決于樁靴所在深度對應(yīng)的地層，隨著地層的層狀分布不同，樁端承載力曲線在地層分層界面的深度處不連續(xù)，成跳躍間斷。整條承載力曲線呈現(xiàn)出不同高度的臺階狀。正是由于這種按照深度呈現(xiàn)臺階狀分布的承載力，以樁端承載力作為樁極限承載力的樁腿，必然存在刺穿風(fēng)險。而樁靴所在位置是決定刺穿風(fēng)險發(fā)生的關(guān)鍵因素。在自升式鉆井平臺插拔樁作業(yè)前，一般都需要相關(guān)單位給出插樁深度和拔樁阻力的預(yù)測，以及刺穿風(fēng)險和拔樁困難的評價。而目前這些預(yù)測和評價都是依靠傳統(tǒng)的計算模型。傳統(tǒng)計算模型固有的缺陷，導(dǎo)致自升式鉆井船插樁過程中的事故時有發(fā)生。本發(fā)明人根據(jù)多年來在自升式鉆井平臺插拔樁研究上取得的成果，針對目前采用固定式樁靴的自升式鉆井平臺插拔樁作業(yè)，已經(jīng)具備了精度很高的預(yù)測技術(shù)。憑借這一預(yù)測技術(shù)，能夠?qū)ψ陨姐@井平臺插拔樁作業(yè)給予科學(xué)指導(dǎo)，降低作業(yè)過程中的風(fēng)險。但由于人為的理論計算和預(yù)測受到人的主觀因素影響很大，對自升式鉆井平臺插拔樁預(yù)測結(jié)果也是因人而異。正是這種不確定不統(tǒng)一的存在，讓人們對自升式鉆井平臺插拔樁作業(yè)存在疑
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是在于針對現(xiàn)有自升式鉆井平臺插拔樁預(yù)測技術(shù)的不足，而提供一種可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，以解決自升式鉆井平臺作業(yè)過程中存在的刺穿風(fēng)險和拔樁困難。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，包括封頂板、封底板、 可伸縮的鋼骨架、可活動的樁靴側(cè)壁外殼及液壓裝置，其中所述封頂板是位于樁腿下方的的上固定板，所述封底板是位于樁靴下部構(gòu)成樁靴樁腳尖的下固定板；所述鋼骨架位于所述封頂板的下方，是由多個鋼構(gòu)件組成的伸縮式籠體結(jié)構(gòu)；所述可活動的樁靴側(cè)壁外殼能夠配合樁靴鋼骨架的伸縮變形，以增加樁靴的承壓面積并阻礙樁靴周圍土體進(jìn)入樁靴；所述液壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)置在平臺壓載控制中心，通過沿樁腿鋪設(shè)的液壓管線將樁靴伸縮指令傳給液壓裝置，配合平臺的壓載控制實現(xiàn)鋼骨架的自動伸縮。
本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴研制成功，使得樁靴在具備了選擇避開刺穿風(fēng)險大的地層的能力的同時降低了拔樁的困難，克服了現(xiàn)有預(yù)測技術(shù)中存在的缺陷，滿足生產(chǎn)實際的需要。本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置與現(xiàn)有樁靴裝置相比，具備以下顯著的優(yōu)點和特點1、本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置靈活性強(qiáng)。體現(xiàn)出了很大的能動性，可操作、可控制、可選擇。2、本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置克服了公知技術(shù)存在的缺陷，解決自升式鉆井平臺插樁過程中的刺穿問題、降低平臺作業(yè)過程的刺穿風(fēng)險、解決自升式鉆井平臺撤離時的拔樁困難。


圖1為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例主體結(jié)構(gòu)的收縮狀態(tài)示意圖；圖2為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例主體結(jié)構(gòu)的張開狀態(tài)示意圖；圖3A、圖IBB為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例的鋼骨架張開過程的機(jī)構(gòu)工作原理示意圖；圖4A、圖4B為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例的鋼骨架收縮過程的機(jī)構(gòu)工作原理示意圖；圖5為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例的張開狀態(tài)半剖圖；圖5A為本發(fā)明的一具體實施例的中段鋼梁內(nèi)側(cè)壁上的滑槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖6A為本發(fā)明的一具體實施例中所采用的活動式伸縮外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6B為對應(yīng)圖6A的活動外殼的俯視示意圖；圖7A為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴的外殼的鋼板結(jié)構(gòu)示意圖；圖7B為具有圖7A的鋼板外殼的可伸縮鉆井平臺樁靴的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號說明1、樁腿21、上段鋼梁24、上固定環(huán)27、28、鉸支座31、千斤頂41、上段鋼板401、連接部50、封底板
具體實施例方式自升式鉆井平臺的就位和撤離作業(yè)中必不可少的插拔樁環(huán)節(jié)存在刺穿與拔樁困難兩大風(fēng)險，刺穿與拔樁困難兩大風(fēng)險恰好是相互矛盾的存在。在設(shè)計自升式鉆井平臺的樁靴時，既要考慮樁靴承載力盡可能大的要求，又要滿足拔樁阻力盡可能的小的要求。將樁靴有效截面積增大了，其承載力必然增大，但其拔樁時的阻力也必然增大。這就是插樁和拔樁兩大環(huán)節(jié)的矛盾焦點?？缮炜s鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計思路的出發(fā)點正是基于這一矛
10、封頂板 22、中段鋼梁 25、芯柱 W、活動伸縮環(huán) 33、液壓機(jī)構(gòu) 42、中段鋼板 403、第一側(cè)翼 51、滾珠
20、鋼骨架 23、下段鋼梁 26、下固定環(huán) 30、液壓裝置 40、外殼 43、下段鋼板 405、第二側(cè)翼盾的焦點。如果可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置研制成功勢必會徹底解決自升式鉆井平臺插樁和拔樁環(huán)節(jié)所要考慮的最主要的問題。那就是如何實現(xiàn)自升式鉆井平臺在適合的插樁深度下有足夠的承載力，不發(fā)生刺穿風(fēng)險和不給拔樁環(huán)節(jié)帶來困難?？缮炜s鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置使得樁靴具有了靈活性，讓操作人員擁有了對合適的插樁深度和合適沉樁地層的選擇權(quán)。使得鉆井平臺在插樁時具有目標(biāo)性。在拔樁時，通過樁靴的收縮，拔樁阻力會大幅度降低，從而也大大的降低了拔樁困難的風(fēng)險，使得平臺在更換井位和避臺時顯得游刃有余?；谏鲜隹紤]，如圖所示，本發(fā)明提出一種可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，包括封頂板、封底板、可伸縮的鋼骨架、可活動的樁靴側(cè)壁外殼及液壓裝置，其中所述封頂板是位于樁腿下方的的上固定板，所述封底板是位于樁靴下部構(gòu)成樁靴樁腳尖的下固定板；所述鋼骨架位于所述封頂板的下方，是由多個鋼構(gòu)件組成的伸縮式籠體結(jié)構(gòu)；所述可活動的樁靴側(cè)壁外殼能夠配合樁靴鋼骨架的伸縮變形，以增加樁靴的承壓面積并阻礙樁靴周圍土體進(jìn)入樁靴；所述液壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)置在平臺壓載控制中心，通過沿樁腿鋪設(shè)的液壓管線將樁靴伸縮指令傳給液壓裝置，配合平臺的壓載控制實現(xiàn)鋼骨架的自動伸縮。通過上述結(jié)構(gòu)，在樁靴收縮狀態(tài)，依靠液壓裝置對樁靴中段鋼梁的定位束縛，樁靴上段鋼梁的力通過軸向力傳遞到中段鋼梁，然后傳遞到下段鋼梁上，最終傳遞到地層；在樁靴下入到目的層后，將進(jìn)行樁靴的張開作業(yè)，依靠液壓系統(tǒng)破壞樁靴收縮狀態(tài)的平衡，借助鉆井平臺的壓載，使得樁靴在強(qiáng)的地層束縛下能夠進(jìn)行張開作業(yè)，實現(xiàn)新的力的平衡。較佳地，可伸縮鋼骨架包括設(shè)于中央部位的芯柱以及芯柱外側(cè)環(huán)形陣列分布的多組鋼梁，各組鋼梁能夠在液壓裝置的控制下同步沿徑向伸縮地設(shè)置。進(jìn)一步地，為了便于形成伸縮式籠體結(jié)構(gòu)，每組鋼梁至少包括靠近封頂板并可樞轉(zhuǎn)設(shè)置的上段鋼梁以及靠近封底板并可樞轉(zhuǎn)設(shè)置的下段鋼梁，且所述上段鋼梁及下段鋼梁的另一端也是樞轉(zhuǎn)設(shè)置。較佳地，所述每組鋼梁還包括中段鋼梁，所述中段鋼梁兩端可樞轉(zhuǎn)地連接于所述上段鋼梁和下段鋼梁之間，所述液壓裝置的一端設(shè)置于所述中段鋼梁的內(nèi)壁面。為了使樁靴籠保持整體性和不變形體系，還可在相鄰的二中段鋼梁的上、下端分別設(shè)置連接鏈條，構(gòu)成上、下活動伸縮環(huán)，以便在樁靴籠壓扁到一定程度后位于張開狀態(tài)時加以適當(dāng)?shù)氖`。由于可伸縮鋼骨架在張開的過程中，隨著中段鋼梁在液壓裝置的作用下發(fā)生偏離軸線向樁靴外側(cè)移動，樁靴上部因受到樁腿傳來的載荷，通常會出現(xiàn)下沉式位移，因此，本發(fā)明較佳是在中段鋼梁的內(nèi)壁面沿軸向設(shè)置滑槽，液壓裝置包括向芯柱的柱身周圍水平伸出呈輻射狀環(huán)形陣列分布的一組液壓機(jī)構(gòu)，且各液壓機(jī)構(gòu)的一端是通過滑動式鉸支座連接于對應(yīng)的中段鋼梁的內(nèi)壁面滑槽中。液壓裝置的各液壓機(jī)構(gòu)連接到中段鋼梁上的鉸支座卡在滑槽內(nèi)，只允許在滑槽內(nèi)沿著中段鋼梁內(nèi)側(cè)做豎直方向上滑動，從而實現(xiàn)鋼骨架的自動伸縮。此外，為了方便各組骨架的固定連接及實現(xiàn)自動伸縮，可伸縮鋼骨架還包括設(shè)于各組鋼梁頂端的上固定環(huán)和設(shè)于各組鋼梁底端的下固定環(huán)，所述上固定環(huán)與上封頂板組成圓盤狀結(jié)構(gòu)，所述樁腿位于所述圓盤狀結(jié)構(gòu)的上方，各組鋼梁的上段鋼梁的上端通過上固定鉸支座與上固定環(huán)相連而呈環(huán)形陣列分布；所述封底板固定在下固定環(huán)上構(gòu)成樁靴的樁腳尖，各組鋼梁的下段鋼梁的下端是通過下固定鉸支座與下固定環(huán)相連而呈環(huán)形陣列分布。所述上、下固定環(huán)較佳是呈圓形或正多邊形。為了使得在樁靴收縮擠壓時該外殼能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)纳煺故阶冃?，并在樁靴張開時能承受住來自樁靴周圍土體壓力的材料，樁靴側(cè)壁外殼較佳包括分塊附著在各鋼梁上的交錯起伏的片狀鋼板，在樁靴的收縮和張開的整個過程中，各片狀鋼板通過彼此間的聚攏重疊和散開搭接來形成樁靴的外殼，用以增加樁靴的承壓面積并阻擋周圍土體大量的進(jìn)入樁靴內(nèi)部。由于上固定環(huán)所在位置的樁靴上端面接有樁腿結(jié)構(gòu)，下固定環(huán)所在位置的樁靴下端面內(nèi)表面接有芯柱，考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體性，較佳是分別在上下固定環(huán)的環(huán)中加焊鋼支撐。該鋼支撐的外端較佳是位于相鄰的二鉸支座之間。為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、特征和效果更加顯而易見，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1、圖2，分別為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一具體實施例的主體結(jié)構(gòu)收縮狀態(tài)下和張開狀態(tài)下的示意圖，另請結(jié)合圖3A至圖6B所示，本實施例的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置包括封頂板10、可伸縮的鋼骨架20、液壓裝置30、可活動的樁靴側(cè)壁外殼40 及封底板50(為了使本實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更清楚，圖1至圖5A中均未顯示外殼部分)。其中，可伸縮的鋼骨架20包括上固定環(huán)24、芯柱25、下固定環(huán)沈、上、下活動伸縮環(huán)四以及多組鋼梁，上固定環(huán)24、下固定環(huán)沈可以為圓形或正多邊形等多種形狀，本實施例以圓形為例進(jìn)行說明，每組鋼梁包括上段鋼梁21、中段鋼梁22及下段鋼梁23，液壓裝置30包括設(shè)于芯柱25內(nèi)部的液壓千斤頂31以及芯柱25外周呈輻射狀分布的多個液壓機(jī)構(gòu)33。封頂板10與上固定環(huán)M組成圓盤狀結(jié)構(gòu)，作為可伸縮活動的鋼骨架20與樁腿1 之間的連接部位，即樁腿1坐落在該圓盤狀結(jié)構(gòu)上。每組鋼梁的上端通過上固定環(huán)M的周向呈陣列分布的鉸支座27連接固定到上固定環(huán)M上。封底板50根據(jù)需要可以設(shè)計成平板狀，也可以設(shè)計成具有一定錐度的圓錐狀。封底板50固定在下固定環(huán)沈上構(gòu)成樁靴的樁腳尖。在這個樁腳尖的上端部位(下固定環(huán) 26)的圓周上成圓形陣列分布的設(shè)置了與下段鋼梁23等量的固定鉸支座觀，用以建立下段鋼梁23與樁腳尖的鉸接。樁靴內(nèi)部的芯柱25則是直接焊接固定在下固定環(huán)沈所在的端面上。樁靴內(nèi)部的芯柱25與樁靴封頂板10之間有一定的活動距離，芯柱25內(nèi)豎直安裝有一個一定噸位的千斤頂31，該活動距離作為千斤頂31的液壓桿(圖中未示出)的伸縮距離。在樁靴收縮狀態(tài)，該千斤頂31的液壓桿伸長與封頂板10接觸；在樁靴的張開過程中， 液壓桿不斷回收，上固定環(huán)對和封頂板10隨著樁腿1 一起下落至芯柱25的上端。此時液壓桿已收回到芯柱25內(nèi)，樁靴也處在極限張開狀態(tài)，請參考圖6所示。由此可見，該活動距離是整個樁靴高度在張開狀態(tài)和壓縮狀態(tài)間的變化范圍。從樁靴內(nèi)部的芯柱25向柱身周圍水平伸出成輻射狀環(huán)形陣列分布的一組液壓機(jī)構(gòu)33的一端連接在中段鋼梁22的中部，通過該組液壓機(jī)構(gòu)33的伸縮，控制整個樁靴的伸縮。該組液壓機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)置在平臺壓載控制中心里，通過沿樁腿1鋪設(shè)的液壓管線 (圖中未示出)將樁靴伸縮指令傳給液壓機(jī)構(gòu)組，配合平臺的壓載控制，實現(xiàn)樁靴的自動伸
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各組鋼梁的上段鋼梁21的上端通過對應(yīng)的鉸支座27連接于上固定環(huán)24，下段鋼梁23的下端是通過對應(yīng)的鉸支座觀連接于下固定環(huán)沈，各組鋼梁的中段鋼梁22的兩端對應(yīng)鉸接上段鋼梁21的下端及下段鋼梁23的上端，且液壓裝置的各液壓機(jī)構(gòu)較佳是連接于各中段鋼梁的中部，以實現(xiàn)樁靴自動伸縮的順暢?；跇堆ソY(jié)構(gòu)的安全和整體性考慮，較佳是在樁靴的腰部設(shè)置上、下活動伸縮環(huán)四，在樁靴籠壓扁到一定程度后，由所述上、下活動伸縮環(huán)四加以束縛，以使樁靴籠保持整體性和不變形體系。具體地，活動伸縮環(huán)可以是由一定數(shù)量的帶有弧度的活動伸縮節(jié)串聯(lián)而成一個圓環(huán)。主要給張開后的樁靴提供束縛力，因為活動伸縮環(huán)的活動性比較弱，所以活動伸縮環(huán)的結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。由于可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)在受力中主要考慮的是上頂面和下底面受到壓載而對樁靴腰部產(chǎn)生的張力作用，所以還可以考慮采用鏈條(形成錨鏈?zhǔn)? 或者一種各向異性的材料(如纖維類)制成的圓環(huán)(其能表現(xiàn)出大的拉力，而受壓時能變形)，來代替由活動伸縮節(jié)串聯(lián)而成的圓環(huán)提供樁靴腰部的束縛力，以此來提升可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置的整體性。如果考慮腰部側(cè)壁的活動外殼能夠確保樁靴的周向的整體性，況且樁靴周圍處在地層的束縛中，因而也可以不設(shè)置活動伸縮環(huán)，畢竟樁靴內(nèi)部還設(shè)置有環(huán)狀陣列輻射狀分布的液壓機(jī)構(gòu)組?？苫顒拥臉堆?cè)壁外殼較佳是能在樁靴收縮擠壓時發(fā)生如同雨傘式變形的折疊結(jié)構(gòu)或搭接結(jié)構(gòu)，且在樁靴張開時能承受住來自樁靴周圍土體壓力?；顒拥臉堆?cè)壁外殼40較佳是由分塊附著(焊接)在各鋼梁上的交錯起伏的片狀鋼板所組成而不影響樁靴結(jié)構(gòu)的伸縮活動性。本實施例中，附著在鋼梁上的活動樁靴側(cè)壁外殼是采用橫截面為弧形的四邊形片狀鋼板搭接而成，如圖6A、圖6B所示，該外殼是由沿樁靴周向均布的多個鋼板組構(gòu)成，每一鋼板組由附著在上段鋼梁21上的上段鋼板41、附著在中段鋼梁22上的中段鋼板42以及附著在下段鋼梁23上的下段鋼板43構(gòu)成可伸縮式結(jié)構(gòu)，相鄰的兩鋼板組相互交錯搭接。具體地，如圖6A、圖6B所示，各片狀鋼板具有與對應(yīng)鋼梁相接的沿軸向延伸的連接部401，該連接部401的兩側(cè)分別沿周向延伸形成有對稱且截面呈弧狀的第一側(cè)翼403、 第二側(cè)翼405 ；在收縮狀態(tài)時，相鄰的一片狀鋼板的第一側(cè)翼403與另一片狀鋼板的第二側(cè)翼405保持重疊搭接；在完全張開狀態(tài)時，相鄰的二鋼板組中，中段鋼板42向外推出，第一中段鋼板的第一側(cè)翼403與相鄰的第二中段鋼板的第二側(cè)翼405至少完整相接，較佳是仍保持少量的重疊搭接，以形成相對的封閉狀態(tài)，而上、下段鋼板41、43隨著中段鋼梁22的推出而向外輻射式伸展，最終靠近中段鋼板的最大伸展位置(上段鋼板的下端、下段鋼板的上端)的相鄰二鋼板的第一側(cè)翼和第二側(cè)翼至少完整相接，較佳是仍保持少量的重疊搭接，以形成相對的封閉狀態(tài)，但其在下降的過程中各鋼板的遠(yuǎn)離中段鋼板的固定端(上段鋼板的上端、下段鋼板的下端)之間的關(guān)系基本保持不變，由此形成本實施例的可隨鋼梁伸縮的封閉式籠體外殼。利用上述結(jié)構(gòu)，伴隨著鋼骨架的收縮和張開，這些片狀鋼板彼此間發(fā)生聚攏重疊和搭接散開，從而增加樁靴的承壓面積和阻礙樁靴周圍土體進(jìn)入樁靴，這種活動的樁靴側(cè)壁外殼主要目的是在樁靴的收縮和張開的整個過程中，通過彼此間的聚攏重疊和散開搭接來形成樁靴的外殼，用以阻擋周圍土體大量的進(jìn)入樁靴內(nèi)部。
考慮片狀鋼板在受力時可能會存在微量變形，可活動樁靴側(cè)壁外殼還可增設(shè)滾珠，以降低在活動時搭接的片狀鋼板間的摩擦力，實現(xiàn)活動樁靴外殼的活動自如。如圖7A、 7B所示，在相互搭接的兩片鋼板間的接觸面之一鋼板接觸面上設(shè)置一定數(shù)目(每平米4個或者6個)的滾珠51。通過布設(shè)這些滾珠，實現(xiàn)將兩鋼板之間的滑動面接觸改為滾動面接觸，從而大大降低搭接鋼板之間的摩擦力，提升活動樁靴側(cè)壁外殼的活動性能。此外，由于組成活動樁靴外殼的上下段鋼板活動時，隨著樁靴的張開，上下鋼板成從中心向四周輻射狀張開，鋼板間的搭接存在一定的交叉擠壓現(xiàn)象，影響張開時的順滑性。 為了提高張開時的順滑，本發(fā)明的一實施例對片狀鋼板的側(cè)翼進(jìn)行了變厚度處理，即側(cè)翼部分采用變厚度式鋼板結(jié)構(gòu)，使得上下鋼板側(cè)翼的厚度隨著張開過程中的接觸擠壓程度而改變，以削弱因張開導(dǎo)致的擠壓程度的增加。結(jié)合前述內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以了解，本發(fā)明的樁靴側(cè)壁外殼40并不限于此，附著在樁靴籠外表面的高抗拉強(qiáng)度的樁靴外殼例如還可以采用纖維布等能收縮的高抗拉強(qiáng)度的材料制成，配合樁靴的鋼骨架能夠阻止樁靴周圍土體進(jìn)入樁靴。利用上述結(jié)構(gòu)，在樁靴收縮狀態(tài)，依靠液壓機(jī)構(gòu)33對樁靴中段鋼梁22的定位束縛，樁靴各上段鋼梁21的力(收縮狀態(tài)下的樁靴上、中、下段鋼梁均受到軸力，表現(xiàn)為受壓桿件)通過軸向力傳遞到中段鋼梁形成軸力，然后傳遞到下段鋼梁上形成軸力，最終傳遞到地層，這種受力原理能夠保證收縮狀態(tài)的穩(wěn)定性。另一方面，在樁靴下入到目的層后，將進(jìn)行樁靴的張開作業(yè)，張開作業(yè)將依靠液壓系統(tǒng)破壞樁靴收縮狀態(tài)的平衡，借助鉆井平臺的壓載，使得樁靴在強(qiáng)的地層束縛下依然能夠進(jìn)行張開作業(yè)，實現(xiàn)新的力的平衡。本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)是依靠可伸縮鋼骨架機(jī)構(gòu)，采用液壓裝置對機(jī)構(gòu)加以能動性控制。由于在海底土層中，機(jī)構(gòu)受到的束縛大，機(jī)構(gòu)能動性的發(fā)揮需要的載荷很大，可借助壓載時的載荷實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的張縮能動性。具體過程如下可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置處于收縮狀態(tài)，樁靴直徑與樁腿直徑相當(dāng)。樁靴在樁腿下入的推動下而下入海底土。隨著壓載的增大，樁靴不斷下入。當(dāng)樁靴下入到預(yù)定最適合的承載地層(此地層是通過樁腿極限承載力計算滿足自升式鉆井平臺最大預(yù)壓載荷和刺穿分析后不存在刺穿風(fēng)險的地層)，可以將此作為可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置張開的位置。啟動液壓系統(tǒng)，通過液壓桿的推力使樁靴中段鋼梁稍稍向外側(cè)偏離初始軸線，機(jī)構(gòu)在上部樁腿壓載的作用下發(fā)生持續(xù)性擴(kuò)張，直至力的平衡。機(jī)構(gòu)達(dá)到新的平衡狀態(tài)是樁靴的張開狀態(tài)。隨著機(jī)構(gòu)的張開，樁靴的橫截面積變大，承載力自然變大。下面結(jié)合上述結(jié)構(gòu)針對樁靴下入過程及拔樁過程的各部分的動作及受力狀態(tài)進(jìn)行具體說明參見圖3A、圖;3B所示，其為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴一實施例的機(jī)構(gòu)工作原理示意圖(張開過程)。樁靴在目標(biāo)層時，隨著液壓機(jī)構(gòu)33開始工作，經(jīng)過與中段鋼梁22 連接的滑動鉸支座推動中段鋼梁22，中段鋼梁22發(fā)生向樁靴外側(cè)的偏移，機(jī)構(gòu)的平衡被破壞，樁靴上部的上固定環(huán)M將在樁腿1載荷的作用下發(fā)生向下的位移，這種趨勢進(jìn)一步推動了中段鋼梁22向外側(cè)位移，樁靴的橫截面積得以擴(kuò)大。隨著上固定環(huán)M的下降和液壓機(jī)構(gòu)33的推動，樁靴有效直徑增加到極限值時，活動伸縮環(huán)(錨鏈)29的束縛作用開始發(fā)揮，同時上固定環(huán)M坐落在芯柱25的上端，整個樁靴得以在張開狀態(tài)下工作。其中在初始狀態(tài)，可伸縮鋼骨架是在收縮狀態(tài)下，整個樁靴也處在收縮狀態(tài)下，其受力面積必然相對比較小，在同等的壓載下，樁靴比較容易通過被認(rèn)為存在刺穿風(fēng)險的“雞蛋殼”地層，直達(dá)目標(biāo)層。到達(dá)目標(biāo)層后，可伸縮鋼骨架在張開的過程中，隨著中段鋼梁在液壓裝置的作用下發(fā)生偏離軸線向樁靴外側(cè)移動，樁靴上部因受到樁腿傳來的載荷，對可伸縮鋼骨架的張開有一個很大的促進(jìn)作用。正是液壓裝置配合上部傳來的載荷對樁靴壓扁作用，使得可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置在周圍地層的束縛下也能實現(xiàn)張開動作，樁靴如同一楔形體嵌入到地層中。可伸縮鋼骨架在張開的過程中，隨著中段鋼梁在液壓裝置的作用下發(fā)生偏離軸線向樁靴外側(cè)移動，樁靴上部因受到樁腿傳來的載荷，出現(xiàn)下沉式位移。當(dāng)樁靴上部固定部分下移到樁靴內(nèi)部的芯柱端面時，樁靴也達(dá)到最大張開狀態(tài)。張開的樁靴整體承受載荷構(gòu)成了樁腿的極限承載力。在自升式鉆井平臺作業(yè)過程中，樁靴就是以此狀態(tài)支撐著平臺?？缮炜s鋼骨架在張開的過程中，隨著中段鋼梁在液壓裝置的作用下發(fā)生偏離軸線向樁靴外側(cè)移動，中段鋼梁相對于芯柱水平方向上相對位置伴隨著液壓裝置的伸縮發(fā)生改變，豎直方向上相對位置也因為樁靴結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生變化而改變，所以液壓裝置與中段鋼梁之間的連接是采用滑動鉸支座，以此來配合這個豎直方向上相對位置的改變，即在每個中段鋼梁的內(nèi)側(cè)豎直方向上設(shè)置有滑槽221 (如圖5A所示)，液壓機(jī)構(gòu)33連接到中段鋼梁22上的鉸支座卡設(shè)在滑槽221內(nèi)，只允許在滑槽221內(nèi)沿著中段鋼梁22內(nèi)側(cè)做豎直方向上的滑動。在可伸縮鋼骨架在張開的過程中，中段鋼梁相對于芯柱豎直方向上相對位置有所變化。液壓機(jī)構(gòu)安裝在芯柱柱身外側(cè)，與中段鋼梁連接成水平向布置，伸縮端連接到中段鋼梁上。所以中段鋼梁相對于芯柱在豎直方向上相對位置的變化對液壓裝置的工作有影響， 本實施例即是采用滑動鉸支座來避免這一影響。即隨著中段鋼梁的相對下降，安裝在其上面的滑動鉸支座將從中段鋼梁下端向上端滑動，從而避免中段鋼梁相對于芯柱豎直方向上相對位置的變化對液壓裝置工作帶來的影響。參見圖4A、圖4B，其為本發(fā)明的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)裝置機(jī)構(gòu)工作原理示意圖(收縮過程)。自升式平臺撤離時，開始拔樁作業(yè)，在上拔力的作用下樁靴上部的上固定環(huán)4將發(fā)生向上的位移，隨著液壓機(jī)構(gòu)33的工作，經(jīng)過與中段鋼梁2連接的滑動鉸支座拉攏中段鋼梁22，中段鋼梁22向樁靴軸線靠攏，樁靴的橫截面積得以縮小，實現(xiàn)樁靴的收縮。 其中隨著拔樁作業(yè)的進(jìn)行，樁靴上段鋼梁21擠壓上覆回填土，回填土對樁靴反作用力以及樁靴周圍的土體對樁靴的壓力都是使活動樁靴收縮的外載荷，外載荷配合液壓機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)樁靴的收縮作業(yè)。以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，但不能理解為實施時必須為具體實施例中所有特征的組合，本發(fā)明的說明書中描述的各技術(shù)特征可以根據(jù)實際需要選擇一項單獨采用或選擇多項組合起來使用，因此，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述樁靴結(jié)構(gòu)包括封頂板、封底板、可伸縮的鋼骨架、可活動的樁靴側(cè)壁外殼及液壓裝置，其中所述封頂板是位于樁腿下方的的上固定板，所述封底板是位于樁靴下部構(gòu)成樁靴樁腳尖的下固定板；所述鋼骨架位于所述封頂板的下方，是由多個鋼構(gòu)件組成的伸縮式籠體結(jié)構(gòu)；可活動的樁靴側(cè)壁外殼能夠配合樁靴鋼骨架的伸縮變形；所述液壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)置在平臺壓載控制中心，通過沿樁腿鋪設(shè)的液壓管線將樁靴伸縮指令傳給液壓裝置，配合平臺的壓載控制實現(xiàn)鋼骨架的自動伸縮。
2.如權(quán)利要求1所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，在樁靴收縮狀態(tài)，依靠液壓裝置對樁靴中段鋼梁的定位束縛，樁靴上段鋼梁的力通過軸向力傳遞到中段鋼梁，然后傳遞到下段鋼梁上，最終傳遞到地層；在樁靴下入到目的層后，將進(jìn)行樁靴的張開作業(yè)， 依靠液壓系統(tǒng)破壞樁靴收縮狀態(tài)的平衡，借助鉆井平臺的壓載，使得樁靴在強(qiáng)的地層束縛下能夠進(jìn)行張開作業(yè)，實現(xiàn)新的力的平衡。
3.如權(quán)利要求1所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，可伸縮鋼骨架包括設(shè)于中央部位的芯柱以及芯柱外側(cè)環(huán)形陣列分布的多組鋼梁，各組鋼梁能夠在液壓裝置的控制下同步沿徑向伸縮地設(shè)置。
4.如權(quán)利要求3所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，每組鋼梁至少包括靠近封頂板并可樞轉(zhuǎn)設(shè)置的上段鋼梁以及靠近封底板并可樞轉(zhuǎn)設(shè)置的下段鋼梁，且所述上段鋼梁及下段鋼梁的另一端也是樞轉(zhuǎn)設(shè)置。
5.如權(quán)利要求4所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述每組鋼梁還包括中段鋼梁，所述中段鋼梁兩端可樞轉(zhuǎn)地連接于所述上段鋼梁和下段鋼梁之間，所述液壓裝置的一端設(shè)置于所述中段鋼梁的內(nèi)壁面。
6.如權(quán)利要求5所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，相鄰的二中段鋼梁的上、下端分別設(shè)有上、下活動伸縮環(huán)，以便在樁靴籠壓扁到一定程度后位于張開狀態(tài)時加以束縛，使樁靴籠保持整體性和不變形體系。
7.如權(quán)利要求5所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中段鋼梁的內(nèi)壁面沿軸向設(shè)置有滑槽，所述液壓裝置包括向芯柱的柱身周圍水平伸出呈輻射狀環(huán)形陣列分布的一組液壓機(jī)構(gòu)，且各液壓機(jī)構(gòu)的一端是通過滑動式鉸支座連接于對應(yīng)的中段鋼梁的內(nèi)壁面滑槽中。
8.如權(quán)利要求4所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述可伸縮鋼骨架包括設(shè)于各組鋼梁頂端的上固定環(huán)和設(shè)于各組鋼梁底端的下固定環(huán)，所述上固定環(huán)與封頂板組成圓盤狀結(jié)構(gòu)，所述樁腿位于所述圓盤狀結(jié)構(gòu)的上方，各組鋼梁的上段鋼梁的上端通過上固定鉸支座與上固定環(huán)相連而呈環(huán)形陣列分布；所述封底板固定在下固定環(huán)上構(gòu)成樁靴的樁腳尖，各組鋼梁的下段鋼梁的下端是通過下固定鉸支座與下固定環(huán)相連而呈環(huán)形陣列分布。
9.如權(quán)利要求3至8任一項所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述樁靴側(cè)壁外殼包括分塊附著在各鋼梁上的交錯起伏的片狀鋼板，以滿足樁靴結(jié)構(gòu)的伸縮活動性， 在樁靴的收縮和張開的整個過程中，各片狀鋼板通過彼此間的聚攏重疊和散開搭接來形成樁靴的外殼，用以增加樁靴的承壓面積并阻擋周圍土體大量的進(jìn)入樁靴內(nèi)部。
10.如權(quán)利要求9所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封底板呈平板狀或圓錐狀，其固定在所述下固定環(huán)上構(gòu)成樁靴的樁腳尖，各組鋼梁的下段鋼梁是通過所述下固定環(huán)沿周向上陣列分布設(shè)置的固定鉸支座與所述樁腳尖鉸接；樁靴內(nèi)部的芯柱焊接固定在封底板的上端面上。
11.如權(quán)利要求9所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述上、下固定環(huán)呈圓形或正多邊形；所述上、下固定環(huán)中加焊有鋼支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體性。
12.如權(quán)利要求9所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述液壓裝置還包括所述芯柱內(nèi)豎直安裝的千斤頂，所述芯柱與封頂板之間有一段作為千斤頂液壓桿伸縮活動的距離，該距離是整個樁靴高度在張開狀態(tài)和壓縮狀態(tài)間的變化范圍。
13.如權(quán)利要求5所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，該樁靴側(cè)壁外殼包括多個鋼板組，每一鋼板組由附著在上段鋼梁上的上段鋼板、附著在中段鋼梁上的中段鋼板以及附著在下段鋼梁上的下段鋼板構(gòu)成可伸縮式結(jié)構(gòu)，相鄰的兩鋼板組相互交錯搭接。
14.如權(quán)利要求13所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述各鋼板具有與對應(yīng)鋼梁相接的沿軸向延伸的連接部，該連接部的兩側(cè)分別沿周向延伸形成有對稱且截面呈弧狀的第一側(cè)翼、第二側(cè)翼；在收縮狀態(tài)時，相鄰的一片狀鋼板的第一側(cè)翼與另一片狀鋼板的第二側(cè)翼保持重疊搭接；在完全張開狀態(tài)時，相鄰的二鋼板組中，中段鋼板向外推出， 第一中段鋼板的第一側(cè)翼與相鄰的第二中段鋼板的第二側(cè)翼形成相對的搭接封閉狀態(tài)，而上、下段鋼板隨著中段鋼梁的推出而向外輻射式伸展，最終靠近中段鋼板的最大伸展位置的相鄰二鋼板的第一側(cè)翼和第二側(cè)翼形成相對的封閉狀態(tài)，但其在下降的過程中各鋼板的遠(yuǎn)離中段鋼板的固定端之間的關(guān)系基本保持不變，由此形成封閉式籠體外殼。
15.如權(quán)利要求14所述的可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，其特征在于，可活動樁靴側(cè)壁外殼在相互搭接的兩片鋼板間的接觸面之一的鋼板接觸面上設(shè)置一定數(shù)目的滾珠，使得兩鋼板之間為滾動接觸，以降低搭接鋼板之間的摩擦力，提升活動樁靴側(cè)壁外殼的活動性能。
全文摘要
一種可伸縮鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)，包括封頂板、封底板、可伸縮的鋼骨架、可活動的樁靴側(cè)壁外殼及液壓裝置，其中所述封頂板是位于樁腿下方的的上固定板，所述封底板是位于樁靴下部構(gòu)成樁靴樁腳尖的下固定板；所述鋼骨架位于所述封頂板的下方，是由多個鋼構(gòu)件組成的伸縮式籠體結(jié)構(gòu)；所述可活動的樁靴側(cè)壁外殼能夠配合樁靴鋼骨架的伸縮變形，以增加樁靴的承壓面積并阻礙樁靴周圍土體進(jìn)入樁靴；所述液壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)置在平臺壓載控制中心，通過沿樁腿鋪設(shè)的液壓管線將樁靴伸縮指令傳給液壓裝置，配合平臺的壓載控制實現(xiàn)鋼骨架的自動伸縮。本發(fā)明解決了自升式鉆井平臺插樁過程中的刺穿問題及自升式鉆井平臺撤離時的拔樁困難問題。
文檔編號E02D5/72GK102226344SQ20111008409
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者劉書杰, 姜偉, 徐國賢, 楊進(jìn), 汪順文, 謝梅波, 黃熠 申請人:中國石油大學(xué)(北京)