高承载力易拔桩的自升式平台桩靴及钻井平台的制作方法

本发明涉及海上石油钻井设备领域，尤其涉及一种高承载力易拔桩的自升式平台桩靴及钻井平台。

背景技术：

自升式钻井平台是海上石油钻井作业的基础和重要装备，在以桩端阻力为主要的桩腿承载力的桩腿结构上(如桁架结构桩腿)，广泛采用在桩腿底部配备大横截面积的桩靴，以此提高桩端阻力，从而确保桩腿极限承载力的要求。此种钻井平台在站立状态时通过桩腿和桩靴的摩擦力和正压力来支撑平台站立的稳定性，以保证平台的正常操作和生产工作。

目前，桩靴通常为圆形或正多边形，其形状和大小根据平台所需的承载力来计算和设计。自升式钻井平台的桩靴是保证平台站立稳定的重要结构形式，桩靴的垂向投影面积(承载面积)越大，其所提供的垂向正压力越大，从而可以减少桩腿插入泥层的深度，桩腿的长度也能适当缩短，这样对平台的造价和可变载荷都有利。

但是，桩靴的垂向变化投影面积(承载面积)越大，平台拔桩时和海底的淤泥的摩擦力越大，所以拔腿时间越长，对平台浮力要求更高，拔腿难度也相应增加。现有的钻井平台桩靴难以满足解决上述矛盾的需要。

技术实现要素：

鉴于上述不足，本发明的目的是提供一种高承载力易拔桩的自升式平台桩靴及钻井平台，以能够提供较佳的承载面积，从而保证平台稳定性，同时在拔桩时减小拔桩时的承载面积，减小拔桩阻力，进而利于拔桩。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高承载力易拔桩的自升式平台桩靴，包括：

桩靴主体；

铰接于所述桩靴主体边缘的承载单元；所述承载单元围绕所述桩靴主体安装；所述承载单元在插桩时受到的土体作用力下向外转动，从而扩大所述桩靴的承载面积；所述承载单元在拔桩时受到的重力、浮力以及土体粘附力下向内转动，从而减小所述桩靴的承载面积；所述承载单元在插桩完成时的最低点高于所述桩靴主体的最低点。

作为一种优选的实施方式，所述承载单元与所述桩靴主体的铰接连接点高于所述桩靴主体的最低点。

作为一种优选的实施方式，所述桩靴主体的边缘沿周向均匀固定设置有多个安装件；

所述承载单元包括多个翻转组件；所述翻转组件一一对应且可枢转地连接所述安装件。

作为一种优选的实施方式，所述安装件为悬臂梁；所述悬臂梁沿所述桩靴主体的径向的外端与所述翻转组件铰接。

作为一种优选的实施方式，所述翻转组件为箱型钢结构。

作为一种优选的实施方式，所述承载单元的上止点为所述承载单元向外转动时与所述桩靴主体沿其径向的外端接触的位置。

作为一种优选的实施方式，所述安装件上位于所述翻转组件的下方设置有限位件；

所述承载单元的下止点为所述承载单元向内转动时与所述限位件接触的位置。

作为一种优选的实施方式，所述承载单元位于下止点时所述承载单元相对于所述桩靴主体呈扩张状态。

作为一种优选的实施方式，所述承载单元位于下止点时，所述承载单元与重力方向的夹角为10-15度。

作为一种优选的实施方式，连接所述安装件与所述翻转组件的枢转轴的长度方向与所述桩靴主体的径向垂直。

作为一种优选的实施方式，所述翻转组件的重心位于所述枢转轴远离所述桩靴主体的一侧。

作为一种优选的实施方式，所述翻转组件靠近所述桩靴主体的一端为近端，所述翻转组件远离所述桩靴主体的一端为远端；

所述近端与所述枢转轴的距离小于所述远端与所述枢转轴的距离。

作为一种优选的实施方式，所述翻转组件的近端和所述远端的厚度小于所述翻转组件的中间位置和/或所述翻转组件与所述安装件的连接位置的厚度。

作为一种优选的实施方式，所述桩靴主体包括多个沿周向均匀分布的支撑梁。

一种钻井平台，包括：

平台主体；

支撑所述平台主体的桁架桩腿；所述桁架桩腿的下端设置有如上任一所述的高承载力易拔桩的自升式平台桩靴。

作为一种优选的实施方式，所述钻井平台为张力腿平台。

作为一种优选的实施方式，套设于所述桁架桩腿外的桩箱；所述桩箱与所述限位件相配合将所述承载单元限制在下死点位置。

有益效果：

在使用时，将该桩靴与钻井平台的桩腿连接进行插桩。在平台插桩作业初期即桩靴已经可以接触到海洋泥面时，随着桩靴插入土体(或泥体)，承载单元受到向上与插入方向相反的方向)的土体阻力，在该土体阻力作用下承载单元向外转动，扩大(增加)桩靴的承载面积(或沿重力方向在水平面上的投影面积、或垂向投影面积)，进而增大了桩靴的桩端承载力，保证平台的稳定性。

在海上工作平台工作完成后拔桩时，桩靴主体以及承载单元深埋在土体中。在拔桩过程中，桩靴上方的土体(比如泥质、海底淤泥)以及承载单元的重力会施加于承载单元，同时，土体与桩靴的粘附力方向向内，与拔桩方向相反。从而，在重力、浮力以及土体粘附力下承载单元向内转动，减小桩靴的承载面积，进而减小拔桩时的阻力，从而有利于拔桩。

另外，本实施方式中的桩靴并未设置有来推动桩靴的动力机构，比如伸缩液缸等装置。这是由于若在桩靴中设置动力机构，动力机构的液压或电缆需要附接在桩腿上，使得桩腿在设计时考虑更多因素，结构稳定性降低，同时，桩靴处的设计也会更加复杂，设备稳定性较差。而本实施方式中的桩靴的承载单元依靠插桩或拔桩的泥体作用力实现转动，不仅结构简单，且仅改动桩靴处的结构，不仅利于桩靴的高承载力易拔桩要求，且具有较佳的结构稳定性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

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发明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发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式提供的桩靴在拔桩完成状态下的俯视图；

图2为图1中的桩靴在插桩完成状态下的俯视图；

图3为图1中的桩靴在插桩完成状态下的剖视图；

图4为图1中的桩靴在拔桩完成及插桩完成状态下的剖视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

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”、“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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

自升式钻井平台的就位和撤离作业中必不可少的插拔桩环节存在土体承载力不足与拔桩困难两大风险，土体承载力不足与拔桩困难两大风险恰好是相互矛盾的存在。在设计自升式钻井平台的桩靴时，既要考虑桩靴承载力尽可能大的要求，又要满足拔桩阻力尽可能的小的要求。将桩靴有效截面积增大了，其承载力必然增大，但其拔桩时的阻力也必然增大。这就是插桩和拔桩两大环节的矛盾焦点。为解决该矛盾点，实现桩靴的高承载力且易拔桩，本发明提供以下实施方式。

请参阅图1至图4，本发明一种实施方式提供一种高承载力易拔桩的自升式平台桩靴，包括：桩靴主体1；铰接于所述桩靴主体1边缘的承载单元2；所述承载单元2围绕所述桩靴主体1安装；所述承载单元2在插桩时受到的土体作用力下向外转动，从而扩大所述桩靴的承载面积；所述承载单元2在拔桩时受到的重力、浮力以及土体粘附力下向内转动，从而减小所述桩靴的承载面积；所述承载单元2在插桩完成时的最低点高于所述桩靴主体1的最低点。

在使用时，将该桩靴与钻井平台的桩腿连接进行插桩。在平台插桩作业初期即桩靴已经可以接触到海洋泥面时，随着桩靴插入土体(或泥体)，承载单元2受到向上(与插入方向相反的方向)的土体阻力，在该土体阻力作用下承载单元2向外转动，扩大(增加)桩靴的承载面积(或沿重力方向在水平面上的投影面积、或垂向投影面积)，进而增大了桩靴的桩端承载力，保证平台的稳定性。

同时，所述承载单元2在插桩完成时的最低点高于所述桩靴主体1的最低点，使得在插桩完成状态下，桩靴主体1依然为主要承力机构，承载单元2在完全扩张状态下高于桩靴主体，从而会将(至少部分)受力传递至桩靴主体1，由桩靴主体1受力。如此设置，可以适应支撑海洋钻井平台的工程环境，如由承载单元为主要受力机构，则结构稳定性较差，而该实施方式中由桩靴主体1为主要受力机构，则稳定性较高，能够稳定地支撑钻井平台。

在海上工作平台工作完成后拔桩时，桩靴主体1以及承载单元2深埋在土体中。在拔桩过程中，桩靴上方的土体(比如泥质、海底淤泥)以及承载单元2的重力会施加于承载单元2，同时，土体与桩靴的粘附力方向向内，与拔桩方向相反。从而，在重力、浮力以及土体粘附力下承载单元2向内转动，减小桩靴的承载面积，进而减小拔桩时的阻力，从而有利于拔桩。

另外，本实施方式中的桩靴并未设置有来推动桩靴的动力机构，比如伸缩液缸等装置。这是由于若在桩靴中设置动力机构，动力机构的液压或电缆需要附接在桩腿上，使得桩腿在设计时考虑更多因素，结构稳定性降低，同时，桩靴处的设计也会更加复杂，设备稳定性较差。而本实施方式中的桩靴的承载单元2依靠插桩或拔桩的泥体作用力实现转动，不仅结构简单，且仅改动桩靴处的结构，不仅利于桩靴的高承载力易拔桩要求，且具有较佳的结构稳定性。

在本实施方式中，桩靴主体1为桩靴的主体结构，桩靴主体1的上端连接钻井平台的桩腿。桩靴主体1可以为桩靴的其他组件提供安装支撑，比如后述的安装件4、承载单元2等。具体的，桩靴主体1可以为钢结构、横梁结构、框架结构。所述桩靴主体1可以包括多个支撑梁3。多个支撑梁3沿周向均匀排布，从而形成整个桩靴主体1的结构，并提供较佳的结构强度。具体的，支撑梁3可以为如图3所示的钢结构梁。

在本实施方式中，桩靴主体1的横截面(该横截面与水平面平行)可以为圆形、多边形(优选为正方形)、或者其他形状。本实施方式中并不作特别的限定。优选的，如图1所示的所述桩靴主体1的横截面为圆形。桩靴主体1的周向可以理解为桩靴主体1的圆周方向，也可以理解为围绕桩靴主体1的周围方向。

在本实施方式中，承载单元2铰接于桩靴主体1的边缘，该桩靴主体1的边缘可以理解为桩靴在水平面投影(或垂向投影)的边缘位置，或者桩靴主体1的最外侧的圆周(或圈体)，或支撑梁3的(沿径向的)远端所在位置。承载单元2围绕桩靴主体1安装，其安装方式为铰接，从而使得承载单元2可以相对于桩靴主体1在一定角度范围内上下转动(或内外扩张、内外转动)。

在所述铰接方式连接下，承载单元2可以在土体作用力下上下转动(或内外扩张、内外转动)，承载单元2在桩靴主体1的周向外或承载单元2的左右方向外不产生位移，从而保证承载单元2的转动稳定。其中，承载单元2可以直接与桩靴主体1铰接，也可以通过一安装件4间接安装在桩靴主体1上。优选的，所述承载单元2与所述桩靴主体1的铰接连接点高于所述桩靴主体1的最低点。如此设置，桩靴主体1插入泥体后，两侧的泥体可以推动承载单元2翻转，从而利于承载单元2向外转动，保证插桩的顺利完成。

如图1、图3所示，所述桩靴主体1的边缘沿周向均匀固定设置有多个安装件4。所述承载单元2包括多个翻转组件2；所述翻转组件2一一对应且可枢转地连接所述安装件4。其中，安装件4可以通过焊接的方式固定于桩靴主体1的支撑梁3的远端上。安装件4的个数与支撑梁3的个数可以相等，且同样为一一对应安装。安装件4可以提供承载单元2的安装点。安装件4的结构形式有多种，比如安装板、安装梁、安装架。具体的，所述安装件4可以为悬臂梁4；所述悬臂梁4沿所述桩靴主体1的径向的外端与所述翻转组件2铰接。

如图2、图3所示，连接所述安装件4与所述翻转组件2的枢转轴5的长度方向与所述桩靴主体1的径向垂直。为便于翻转组件2在拔桩时顺利向内转动，所述翻转组件2的重心位于所述枢转轴5远离所述桩靴主体1的一侧。如此设置，在拔桩过程中，翻转组件2的重心相对于枢转轴5产生的力矩同样可以促使翻转组件2向内转动，进而加快翻转组件2转动进程，进一步降低拔桩阻力。

具体的，所述翻转组件2靠近所述桩靴主体1的一端为近端，所述翻转组件2远离所述桩靴主体1的一端为远端；所述近端与所述枢转轴5的距离小于所述远端与所述枢转轴5的距离。此时，翻转组件2的重心可以位于枢转轴5远离桩靴主体1的一侧，从而有利于翻转组件2的转动。

在本实施方式中，翻转组件2的数量为多个，多个翻转组件2沿桩靴主体1的周向均匀排布，或者，多个翻转组件2围绕桩靴主体1排布。在插桩完成状态下，多个翻转组件2全部张开，相邻两个翻转组件2的左右两侧互相接触，从而翻转组件2之间相互形成限位避免左右晃动，影响结构稳定性。如图2所示，张开状态下的翻转组件2呈放射性结构通过各个悬臂梁4连接于桩靴主体1上。

为提升桩靴的承载能力，所述翻转组件2可以为箱型钢结构。其中，采用箱型钢结构的翻转组件2能够较大幅度的提升桩靴的承载力，经过发明人试验测定，采用箱型钢结构的翻转组件2能够提升20％以上的桩靴承载力。

继续参阅附图1，所述翻转组件2靠近所述桩靴主体1的一端为近端，所述翻转组件2远离所述桩靴主体1的一端为远端。为使得翻转组件2具有较佳的结构强度，从而对于桩靴的承载力具有较佳的提升效果，采用箱型钢结构的翻转组件2的近端和远端的厚度小于翻转组件2的中间位置和/或与安装件4的连接位置的厚度。

在本实施方式中，承载单元2可以在预定角度范围内转动(摆动)，也可以认为承载单元2具有可切换的第一工作位置以及第二工作位置。承载单元2在第一工作位置时处于张开状态，以使桩靴的承载面积最大，承载单元2在第二工作位置时处于收缩状态，以使桩靴的承载面积最小。可以理解的，第一工作位置与第二工作位置可以认为承载单元2的死点位置，当承载单元2处于第一工作位置或第二工作位置时，承载单元2无法继续向外转动或向内转动。

如图4所示，在本实施方式中，所述承载单元2的上止点为所述承载单元2向外转动时与所述桩靴主体1沿其径向的外端接触的位置。具体的，上止点位置为翻转组件2的近端接触支撑梁3的远端时的位置。所述安装件4上位于所述翻转组件2的下方设置有限位件6；所述承载单元2的下止点为所述承载单元2向内转动时与所述限位件6接触的位置。

具体的，限位件6可以为限位楔块6。限位楔块6可以通过焊接安装于悬臂梁4上。其中，限位楔块6可以安装于枢转轴5的下方。为有利于承载单元2的向外转动，防止向内转动而影响插桩，所述承载单元2位于下止点时所述承载单元2相对于所述桩靴主体1呈扩张状态。进一步的，为有利于拔桩，减小拔桩时的阻力，所述承载单元2位于下止点时，所述承载单元2与重力方向的夹角为10-15度。即，所述承载单元2相对于重力方向向外扩张10-15度。

下面结合附图1至图4详细描述本发明一实施方式的工作原理，以便更好地阐述及理解本发明。

平台插桩作业初期即桩靴已经可以接触到海洋泥面时，插桩过程中承载单元2受到土体的阻力向外转动。插桩完成时，承载单元2的近端与桩靴主体1远端(或边缘的)支撑梁3接触限位，此时，承载单元2停止转动，承载单元2处于张开状态增加了桩靴正投影面积，增大了桩靴的桩端承载力。

在海上工作平台工作完成后拔桩时，拔桩过程中，承载单元2在海底淤泥的重力影响下能自动向内转动，减少了桩靴拔桩时的承载面积，拔桩阻力相应减小。所述限位锲块位于枢转轴5的下方，以控制承载单元2的下垂角度。可以看出，本实施方式的桩靴可以有效解决自升式钻井平台插桩过程中的土体承载力不足问题及自升式钻井平台撤离时的拔桩困难。

本发明另一种实施方式还提供一种钻井平台。该钻井平台包括：平台主体；支撑所述平台主体的桁架桩腿；所述桁架桩腿的下端设置有如上任一实施方式所述的高承载力易拔桩的自升式平台桩靴。具体的，所述钻井平台为张力腿平台。另外，该钻井平台还可以包括套设于所述桁架桩腿外的桩箱。所述桩箱与所述限位件相配合将所述承载单元限制在下死点位置。

需要说明的是，本实施例提供的钻井平台具有的平台主体部分、将支撑平台主体的桩腿部分以及其他部分(例如控制部分)等可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但是应该理解，本实施例在范围上并不因此而受到限制。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

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。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。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。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。