一种海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴和钻井平台的制作方法

本发明涉及海洋油气田开发设备领域，具体的是一种海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴，还是一种钻井平台。

背景技术：

随着国家提出加大油气资源勘探开发力度的指示，各大石油企业逐步加大了针对我国陆地、海上油气区块的勘探与开发以保障国家能源安全。而海洋浅水区域的油气勘探开发离不开海洋自升式钻井平台的作业支持，自升式钻井平台的插桩与拔桩作业是其在海上作业过程中的两个极为关键的环节。插桩作业时平台的安全与下部土体的承载能力有着密切的联系，而土体对上部平台的承载能力又与土体性质及平台桩靴的尺寸有着直接联系，较大的桩靴尺寸可以保证较大的受力面积，从而土体可提供较强的承载能力保证平台的作业安全，同时桩腿的入泥深度相对更小；拔桩作业时平台的作业难易程度与下部土体参数、桩腿自重、桩腿入泥深度有着密切的联系，较小的桩腿自重与较小的桩腿入泥深度可保证相对更小的拔桩阻力，从而平台更易进行拔桩作业。然而，在实际的作业过程中，平台的插桩安全与拔桩顺利是两个难以同时实现的目标。由于土质原因，多数情况下桩腿需要入泥较深的深度才能保证较强的承载能力，而较深的入泥深度又导致的较大的拔桩阻力导致拔桩困难。

中国专利cn206986884u，公开日期2018年2月9日，公开了《一种适用于桁架式桩腿的可拆卸桩靴》，其通过螺栓连接的环块增加了原始桩靴的最大横截面积以增大桩靴的承载能力，并通过加大桩尖高度增强了桩靴的快速入泥效果，但该可拆卸桩靴的环块与本体间的螺栓承受抗剪强度，整体稳定性相对较差。

技术实现要素：

为了解决现有可拆卸桩靴稳定性较差的问题，本发明提供了一种海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴和钻井平台，该海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴在平台拔桩撤离时作业困难情况下，可随时进行水下解脱，方便平台拔桩作业，并且对于解脱之后的桩靴，后续可进行单独回收作业，桩鞋可分解为多个独立的小块体，极大的降低了回收作业的难度，避免了解脱的桩鞋对后续插桩作业造成不利影响，使得海底土最大程度上恢复原貌。同时，本桩靴与原桩靴配合之后，增加了桩靴的桩尖高度，使得桩靴在在较硬的海底土层下入时，下入难度更小，作业效率更高，且由于桩尖整体尺寸相对更大，其更不可损坏稳定性更强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴，包括桩靴本体和桩鞋，桩靴本体的中心线和桩鞋的中心线均为直立状态，桩靴本体与桩鞋上下设置，桩靴本体能够向上移动并与桩鞋分离；桩靴本体为块状结构，桩靴本体的纵剖面为八边形，桩靴本体含有从上向下依次连接的顶面、上斜面、外周面、下斜面和底面；桩鞋由沿周向设置的多个桩鞋小块体组成，桩鞋的下表面为顶端朝下的锥状结构，桩鞋的上端内设有插接凹槽，沿桩鞋的直径方向，桩鞋的纵剖面含有内外套设的内芯段和外环段，外环段上端的内侧面为该插接凹槽的内周面；桩靴本体的下部匹配的插接于该插接凹槽内。

顶面与底面平行，桩鞋的下表面为桩靴本体的下斜面和底面的放大，桩靴本体的中心线与顶面垂直，外周面的上端直径与外周面的下端直径相同，内芯段的纵剖面为八边形，外环段的纵剖面为梯形。

桩靴本体与桩鞋通过多个销钉可拆卸连接，多个销钉沿桩鞋的周向均匀间隔排列，桩靴本体的外周面内设有销钉插接孔，外环段的上端内设有销钉安装通孔。

当预测桩腿入泥的深度较小，且拔桩作业不需要解脱桩鞋时；

销钉的数量计算公式为：

当预测桩腿入泥的深度较深，且拔桩作业时需要解脱桩鞋时；

销钉的数量计算公式为：

l为销钉的数量，单位为个，四舍五入保留整数；

w为桩鞋的重力，单位为n；

f为桩鞋所受的土体吸附力，单位为n；

fs为桩鞋所受的土体剪切力，单位为n；

fr为桩鞋所受的土体摩擦力，单位为n；

n为销钉的抗剪强度，单位为n/m²；

d为销钉的直径，单位为m；

n为安全系数，无单位，取值为大于或等于1.5。

桩鞋小块体的上端面设有能够牵引桩鞋小块体的回收索，沿桩鞋的周向，桩鞋小块体的一侧设有凹槽，桩鞋小块体的另一侧设有凸块，相邻的两个桩鞋小块体通过凸块与凹槽插接固定。

所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括多根牵引绳，牵引的数量与销钉的数量相同，牵引绳的下端与销钉的外端一一对应连接固定。

所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括直管和多根斜管，斜管的数量与销钉的数量相同，斜管的上端与直管的下端对应连接，斜管的下端与销钉的外端一一对应，牵引绳套设于直管和斜管内。

斜管的下端位于销钉外端的上方，斜管的下端外设有端部定滑轮，牵引绳与端部定滑轮连接，沿桩靴本体的直径方向，端部定滑轮到销钉外端的距离大于销钉的长度。

所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括直立的桁架，直管套设于桁架内，斜管内设有多个管内定滑轮，桁架的上端设有顶部定滑轮，牵引绳与管内定滑轮和顶部定滑轮连接，斜管通过支撑杆与桩靴本体连接固定，直管通过支撑杆与桁架连接固定。

一种钻井平台，所述钻井平台的底部设有上述的海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴。

本发明的有益效果是：该海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴在平台拔桩撤离时作业困难情况下，可随时进行水下解脱，方便平台拔桩作业，并且对于解脱之后的桩靴，后续可进行单独回收作业，桩鞋可分解为多个独立的小块体，极大的降低了回收作业的难度，避免了解脱的桩鞋对后续插桩作业造成不利影响，使得海底土最大程度上恢复原貌。同时，本桩靴与原桩靴配合之后，增加了桩靴的桩尖高度，使得桩靴在在较硬的海底土层下入时，下入难度更小，作业效率更高，且由于桩尖整体尺寸相对更大，其更不可损坏稳定性更强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴的示意图。

图2是桩靴本体与桩鞋的直径关系示意图。

图3是桩靴本体的纵剖面示意图。

图4是桩鞋的纵剖面示意图。

图5是桩鞋小块体的立体示意图。

图6是桩鞋中桩鞋小块体的连接配合示意图。

图7是斜管下端的示意图。

1、桩靴本体；2、桩鞋；3、销钉；4、自弃模块；5、桁架；

11、顶面；12、上斜面；13、外周面；14、下斜面；15、底面；

21、内芯段；22、外环段；23、内侧面；24、插接凹槽；25、下表面；26、外侧面；

41、斜管；42、管内定滑轮；43、牵引绳；44、支撑杆；45、直管；46、顶部定滑轮；47、端部定滑轮；

211、桩鞋小块体；212、凹槽；213、回收索；214、凸块；

221、第一个桩鞋小块体；222、第二个桩鞋小块体；223、第三个桩鞋小块体；224、第四个桩鞋小块体；225、第五个桩鞋小块体；226、第六个桩鞋小块体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴，包括桩靴本体1和桩鞋2，桩靴本体1的中心线和桩鞋2的中心线均为直立状态，桩靴本体1与桩鞋2上下层叠设置，桩靴本体1能够向上移动并与桩鞋2分离；桩靴本体1为块状结构，桩靴本体1的纵剖面为八边形，桩靴本体1含有从上向下依次连接的顶面11、上斜面12、外周面13、下斜面14和底面15；桩鞋2为扁平形结构，桩鞋2由沿周向设置的多个桩鞋小块211组成，桩鞋2的下表面25为顶端朝下的锥状结构，桩鞋2的上端内设有插接凹槽24，沿桩鞋2的直径方向，桩鞋2的纵剖面含有内外套设的内芯段21和外环段22，外环段22上端的内侧面23为该插接凹槽24的内周面；桩靴本体1的下部匹配的插接于该插接凹槽24内(即桩靴本体1插入部分表面与插接凹槽24的内表面完全贴合)，如图1至图7所示。

在本实施例中，桩靴本体1的中心线与桩鞋2的中心线重合，桩靴本体1的纵剖面八边形，桩靴本体1的俯视图为圆形或方形，桩靴本体1为金属块体，桩靴本体1在外周面13处的直径最大。桩鞋2为俯视图为圆环形或方环形，桩鞋2为扁平形块状结构。桩鞋2可以为空心结构或实心结构，当桩鞋2为空心结构时，桩鞋2可以选择由钢制成；当桩鞋2为实心结构时，桩鞋2可以选择由混凝土浇筑而成。

在本实施例中，顶面11与底面15相互平行，底面15平行于水平面，桩靴本体1的中心线与顶面11垂直，外周面13的上端直径与外周面13的下端直径相同，外周面13的直径与外环段22的内侧面23(即插接凹槽24的内周面)的直径相同均为d1，外环段22的外侧面26的直径为d2，桩鞋2在外侧面26处的直径最大，d2大于d1。内芯段21的纵剖面为八边形，外环段22的纵剖面为梯形上斜面12与外环段22的上表面位于同一锥面内。

在本实施例中，桩鞋2的下表面25为桩靴本体1的下斜面14和底面15的放大，这样桩靴整体上的桩尖高度由原来的h1增加至现在的h2，从而使得平台桩靴更易入泥，下入过程更加顺利快捷，如图1所示。

在本实施例中，桩靴本体1与桩鞋2通过多个销钉3可拆卸连接，多个销钉3沿桩鞋2的周向均匀间隔排列，桩靴本体1的外周面13内设有销钉插接孔，外环段22的上端设有销钉安装通孔，该销钉插接孔与销钉安装通孔的位置一一对应。销钉3穿过该销钉安装通孔，销钉3的内端位于桩靴本体1的销钉插接孔内，销钉3的外端位于桩鞋2外。销钉3与桩靴本体1上的销钉插接孔过渡配合，销钉3与外环段22上的销钉安装通孔间隙配合。

在本实施例中，销钉3的数量用下述计算公式进行计算：

当预测桩腿入泥的深度较小(可以理解为平台当前入泥深度，在后期作业完拔桩撤离时，平台可以顺得进行拔桩作业，即不会出现平台拔桩困难的现象)，且拔桩作业不需要解脱桩鞋2时；

销钉3的数量计算公式为：

当预测桩腿入泥的深度较深(可以理解为当前平台入泥深度较大，导致平台在后续拔桩时，由于平台拔桩能力有限，平台无法顺利拔桩撤离，平台的拔桩能力与平台的吃水能力及海底土性质、平台参数、桩靴冲桩能力、平台自身重量等有关)，且拔桩作业时需要解脱桩鞋2时；

销钉3的数量计算公式为：

l为销钉3的数量，单位为个，四舍五入保留整数；

w为桩鞋2的重力，单位为n；

f为桩鞋2所受的土体吸附力，单位为n；

fs为桩鞋2所受的土体剪切力，单位为n；

fr为桩鞋2所受的土体摩擦力，单位为n；

n为销钉3的抗剪强度，单位为n/m²；

d为销钉3的直径，单位为m；

n为安全系数，无单位，取值为大于或等于1.5。

其中，f、fs和fr的具体计算计算方法可以参照api规范以及现有的计算方法，如专著《自升式钻井平台插桩作业控制技术——姜伟、汪顺文、杨进、刘书杰》中的拔桩阻力计算部分内容、期刊《自升式钻井平台拔桩阻力预测的数值计算方法——段梦兰、张爱霞、王建军、宋林松》中的拔桩阻力计算。

多个均匀间隔布置的销钉3插入桩靴本体1与桩鞋2上预留的销钉孔中，对桩靴本体1及桩鞋2起到纵向限位的作用：在平台桩腿下入过程中，多个销钉主要用于承受桩鞋2的重力；在平台撤离拔桩不需要解脱桩鞋2时，多个销钉3主要承受桩鞋2的重力、桩鞋所受的土体吸附力、桩鞋所受的土体剪切力、桩鞋所受的土体摩擦力等力的作用；由于桩鞋2外切于桩靴本体1的外侧，因此对桩靴本体1水平方向上起到了限位的作用。

在本实施例中，桩鞋2由沿桩鞋2的周向设置的多个桩鞋小块体211组成，每个桩鞋小块体211上至少含有一个上述的销钉安装通孔，桩鞋小块体211的上端面设有能够牵引桩鞋小块体211的回收索213，沿桩鞋2的周向，桩鞋小块体211的一侧设有凹槽212，凹槽212的下端与桩鞋小块体211的下表面连通，即凹槽212的下端形成缺口,桩鞋小块体211的另一侧设有凸块214，相邻的两个桩鞋小块体211通过凸块214与凹槽212插接固定，如图5所示。

桩鞋小块体211大致呈扇形结构，每个桩鞋小块体211的大小和形状基本上相同。如图6所示为桩鞋2的各个桩鞋小块体211之间的组合方式，为了方便回收每个桩鞋小块体211，桩鞋2共由6块桩鞋小块体211相互配合组合，6块桩鞋小块体211沿周向依次分别为第一个桩鞋小块体221、第二个桩鞋小块体222、第三个桩鞋小块体223、第四个桩鞋小块体224、第五个桩鞋小块体225、第六个桩鞋小块体226，如图6所示，在图6中，“+”表示凸块214，“-”表示凹槽212。

沿桩鞋2的周向，第一个桩鞋小块体221、第二个桩鞋小块体222、第三个桩鞋小块体223和第四个桩鞋小块体224均为一侧设置凸块214另一侧设置凹槽212，而第五个桩鞋小块体225的两侧均设置凹槽212，第六个桩鞋小块体226的两侧均设置凸块214，当通过第五个桩鞋小块体225上端面处的回收索上提第五个桩鞋小块体225时，其将沿着第四个桩鞋小块体224与第六个桩鞋小块体226侧面的凸块上行进而与其它桩鞋小块体之间发生脱离，之后再依次上提第四个桩鞋小块体224、第三个桩鞋小块体223、第二个桩鞋小块体222、第一个桩鞋小块体221、第六个桩鞋小块体226,从而可将各个桩鞋小块体依次上提进行回收。

在本实施例中，所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括多根牵引绳43，牵引绳43的数量与销钉3的数量相同，牵引绳43的下端与销钉3的外端一一对应连接固定。通过牵引绳43的牵拉作用，可以拉出用于固定桩靴本体1及桩鞋2的多个销钉3。

具体的，斜管41的下端位于销钉3外端的上方(斜管41的下端可以略高于销钉3的外端)，斜管41的下端外设有端部定滑轮47，牵引绳43与端部定滑轮47连接，沿桩靴本体1的直径方向，端部定滑轮47到销钉3外端的距离大于销钉3的长度。这样牵拉牵引绳43时，可以拉出桩靴本体1和裙式桩靴块体2内的多个销钉3，进一步实现桩靴本体1和裙式桩靴块体2之间的分离，如图6所示。另外，端部定滑轮47到裙式桩靴块体2的中心线的距离最好小于裙式桩靴块体2的外侧面26的半径，以减小该裙式可自弃抗刺穿自升式钻井平台桩靴在下入过程中，斜管41、端部定滑轮47和牵引绳43受到的海水及海底土的阻力。

在本实施例中，所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括直管45和多根斜管41，斜管41的数量与销钉3的数量相同，斜管41沿桩靴本体1的上斜面12倾斜，斜管41的上端与直管45的下端对应连接，直管45为直立状态，斜管41的下端与销钉3的外端一一对应，牵引绳43套设于直管45和斜管41内，即每根牵引绳43均含有位于斜管41内一段，也含有位于直管45内一段。

在本实施例中，所述海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴还包括直立的桁架5，直管45套设于桁架5内，斜管41内部的两端和两端之间设有多个间隔排列的管内定滑轮42，桁架5的上端设有顶部定滑轮46，牵引绳43与管内定滑轮42和顶部定滑轮46连接，斜管41通过支撑杆44与桩靴本体1连接固定，直管45通过支撑杆44与桁架5连接固定。

在本发明中，斜管41、管内定滑轮42、牵引绳43、支撑杆44、直管45和顶部定滑轮46可以被称为自弃模块4，即自弃模块4含有斜管41、管内定滑轮42、牵引绳43、支撑杆44、直管45和顶部定滑轮46。桁架5位于桩靴本体1的上端且与其上端面固定连接，直管45外侧壁与桁架5之间通过多个支撑杆44焊接固定对直管45起到限位作用。

在本实施例中，管内定滑轮42均匀间隔对称固定布置于斜管41内壁及直管45的最上端口处，顶部定滑轮46固定于桁架5的顶端，直管45位于桁架5中心；牵引绳43中一段位于斜管41内部与管内定滑轮42配合改变力的方向，其底部与各个销钉3的末端固定连接，其数量与销钉3数量一致，其顶端汇集在一起与另一段牵引绳相连接，该段牵引绳位于直管45内，且与直管45顶端出口及桁架上端的顶部定滑轮46配合。

通过在平台上拉动牵引绳43，拉出位于桩靴本体1及桩鞋2销钉孔内的多个销钉3，使得桩鞋2与桩靴本体1之间解脱，当上提桩腿时，桩靴本体1与桩鞋2分离，桩鞋2被暂时遗留于海底的桩靴脚印中，从而减小平台的拔桩阻力使得拔桩作业更加容易。斜管41的数量与销钉3数量一致，且斜管41沿桩靴本体的侧面均匀间隔布置，并通过多个支撑杆44进行固定。

下面介绍一种钻井平台，所述钻井平台的底部设有上述的海底自弃可回收的自升式钻井平台桩靴。

下面介绍该鞋式可海底自弃式自升式钻井平台桩靴的工作过程，包括以下步骤：

步骤1、将桩靴本体1坐放于桩鞋2内，且对准桩靴本体1与桩鞋2的销钉孔；

步骤2、将多个销钉3插入桩靴本体1与桩鞋2的销钉孔中；

步骤3、将多段位于斜管41内部的牵引绳43的下端与各个销钉3的外端分别一一固定连接；

步骤4、下放桩腿进行压载作业，根据平台的拔桩能力以及桩腿的入泥深度、海底土质参数等综合分析平台在撤离作业时是否需要对桩鞋2进行解脱；

步骤5、若分析认为拔桩阻力较大可能导致拔桩困难时，通过在平台上拉动牵引绳43，拉出位于桩靴本体1及桩鞋2销钉孔内的多个销钉3，使得桩鞋2与桩靴本体1之间解脱，当上提桩腿时，桩靴本体1与桩鞋2分离，桩鞋2被暂时遗留于海底的桩靴脚印中，从而减小拔桩的阻力使得拔桩作业更加容易；

步骤6、通过桩鞋小块体211上端面处的回收索213上提桩鞋小块体211(如图6中的第五个桩鞋小块体225)，其将沿着第四个桩鞋小块体224与第六个桩鞋小块体226侧面的凸块上行进而与其它桩鞋小块体之间发生脱离；

步骤7、再依次上提第四个桩鞋小块体224、第三个桩鞋小块体223、第二个桩鞋小块体222、第一个桩鞋小块体221、第六个桩鞋小块体226，从而可将各个桩鞋小块体依次上提进行回收。

通过使用本发明所述裙式可自弃自升式钻井平台桩靴及钻井平台，可以使得在相同井位处平台所受土体承载力更大且桩腿入泥深度更浅，当桩腿入泥深度较深导致拔桩作业困难时，通过牵引绳的作用可以对桩鞋进行解脱以达到减小桩腿自重的目的，使得拔桩作业受到的阻力更小，拔桩作业更加顺利。同时，由于桩鞋由多个小块体组成，在平台完成拔桩作业而桩鞋块体遗留在海底时，可对各个小块体单独进行回收，大大降低了桩鞋的回收难度，使得海底最大程度恢复原貌且不会对后续的插桩再就位作业造成不利影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。