专利名称：海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海上石油勘探开发技术，尤其是一种用于实现海上自升式钻 井平台插桩及拔桩自动控制装置。
背景技术：
在近海石油的勘探开发中，钻井平台桩的插桩、拔桩技术应用较为普遍，目前该技 术的施工过程由人工控制，操作复杂，效率低；桩的承载力由压载力推算得到，拔桩力亦由 计算分析得到，在作业过程中并未实测到桩承载力及拔桩力，给作业造成了一定的误差和 不确定性。因此，一套科学高效的海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控制技术可以处使钻 井平台插桩、拔桩技术的应用更加合理、准确。
实用新型内容本实用新型解决的技术问题是提供一种海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控 制装置，其能够对桩的入泥深度、承载力和拔桩力进行实时监测，指导海上自升式钻井平台 插桩、拔桩施工过程。为了解决上述技术问题，本实用新型首先提出一种海上自升式钻井平台插桩及拔 桩自动控制装置，所述自升式钻井平台桩腿系统包括桩腿及安装在桩腿底端的桩靴，其特 征在于该自动控制装置包括位移传感器、力传感器、计算机监测控制系统、压载泵开关、拔 桩作业控制开关和冲桩阀，所述位移传感器和力传感器安装在所述桩腿的弦杆上，所述压 载泵开关装设在压载舱的压载泵控制系统处，所述拔桩作业控制开关设于甲板控制房里， 以控制拔桩作业时压载舱的排水开关，所述冲桩阀安装在桩靴上并与冲桩管线相连，所述 位移传感器测量桩体入泥深度，所述力传感器测量桩腿承载力及拔桩力，所述位移传感器 和力传感器测量的插桩及拔桩过程中的数据传递到计算机监测控制系统，以控制压载泵开 关、冲桩阀及拔桩作业控制开关。如上所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其中，所述自动控制 装置的位移传感器和力传感器是通过环状结构的传感器固定环安装固定于弦杆上，位移传 感器和力传感器呈对称装设，位移传感器和力传感器安装在传感器固定环上，该传感器固 定环通过上紧螺栓固定于所述弦杆。如上所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其中所述自动控制装 置还包括固定在所述弦杆上的上部传感器保护环和下部传感器保护环，防止在插桩和拔桩 施工过程中损伤到无线感应位移传感器和无线力传感器，前述传感器固定在所述上部传感 器保护环和下部传感器保护环之间。如上所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其中，所述上部传感 器保护环和下部传感器保护环均为环状金属结构，二者的外径大于传感器固定环的外径， 两者之间的间距比所述传感器固定环高度大100 200mm。如上所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其中，所述位移传感器和力传感器通过无线数据接收系统将记录的插桩及拔桩过程中的数据传递到计算机监 测控制系统，且所述位移传感器和力传感器的数据无线传输距离不大于300米。如上所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其中，所述压载泵开 关及冲桩阀通过无线或有线的方式由计算机监测控制系统发出的信号来控制。本实用新型的特点和优点是本实用新型的海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动 控制装置克服了现有技术存在的缺陷一是能够实时监测桩腿的入泥深度、承载力、拔桩 力，自动地、准确地判断插桩及拔桩过程是否已经完成；二是在插桩作业中不需人工控制压 载舱的压载泵开关，在拔桩作业中不需人工判断是否需要冲桩并开启冲桩阀。本实用新型 的自动控制装置及自动控制方法实现了海上自升式钻井平台插桩、拔桩的自动控制，既满 足生产要求，又简化了作业程序，减少了作业工作量，节约了大量的作业时间，提高了作业 的准确度，进一步节省了大量的海上作业费用、提高了作业质量。
[0011] 图1为本实用新型的海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控制装置的一实施例的示意图。[0012] 图2为本实用新型的海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控制装置的传感器固定环的一具体实施示意图。[0013] 图3为应用本实用新型的自动控制装置实现海上自升式钻井平台插桩自动控制的流程图。[0014] 图4为应用本实用新型的自动控制装置实现海上自升式钻井平台拔桩自动控制的流程图。[0015] 附图标号说明[0016] 1、桩体2、桩靴3、弦杆[0017] 4、水平杆5、上部传感器保护环6、力学感应器[0018] 7、位移感应器8、传感器固定环9、下部传感器保护环[0019] 10、计算机监测控制系统11、上紧螺栓12、冲桩管线[0020] 13、冲桩阀14、压载泵开关
具体实施方式
下面配合附图及具体实施例对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。本实用新型提出一种海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，该自升式钻 井平台的桩腿系统包括桩腿及安装在桩腿底端的桩靴，该海上自升式钻井平台插桩及拔桩 自动控制装置包括位移传感器、力传感器、计算机检测控制系统、压载泵开关、拔桩作业控 制开关和冲桩阀，位移传感器和力传感器安装在桩腿的弦杆上，压载泵开关装设在压载舱 的压载泵控制系统处，拔桩作业控制开关设于甲板控制房里，与计算机监测控制系统连接， 以控制拔桩作业时压载舱的排水开关，冲桩阀安装在桩靴上并与冲桩管线相连，所述位移 传感器测量桩体入泥深度，所述力传感器测量桩腿承载力及拔桩力，所述位移传感器和力 传感器测量的插桩及拔桩过程中的数据传递到计算机监测控制系统，通过钻井平台插桩及 拔桩力学计算软件程序对所记录的数据进行处理，根据处理结果自动判定插桩过程中桩的承载力是否达到桩的最大预压载力、拔桩过程中是否需要冲桩及拔桩作业是否完成，并据 此控制压载泵开关、冲桩阀及拔桩作业控制开关，实现海上自升式钻井平台插桩及拔桩自 动控制。本实用新型能够科学地对桩的入泥深度、承载力及拔桩力进行实时监测控制，指导 海上钻井平台插桩、拔桩施工作业，减少海上由于钻井平台插桩及拔桩作业不当而导致的 海上事故。本实用新型的自动控制装置的一具体实施例中，该海上自升式钻井平台插桩及拔 桩自动控制装置包括位移传感器、力传感器、计算机监测控制系统、压载舱泵开关和冲桩 阀，位移传感器和力传感器均安装在所述桩体弦杆上，位移传感器和力传感器测量的插桩 和拔桩过程中的数据传递到计算机监控系统，通过钻井平台插桩和拔桩力学计算软件程序 对所记录的数据进行处理。具体如图1所示，其为本实用新型的自动控制装置的该具体实 施例的示意图。该插桩及拔桩自动自动控制装置用于海上自升式钻井平台桩腿1，是在桩腿 1的弦杆3上安装有位移传感器7和力传感器6，其中位移传感器7用来测量插桩及拔桩过 程中的位移，力传感器6用来测量桩体承载力及拔桩力；然后，可通过有线或无线传输的方 式，将所测量的数据实时传递到计算机监控系统10，通过钻井平台插桩和拔桩力学计算软 件程序对所记录到的数据进行处理，在插桩过程中根据处理结果自动判定桩1的承载力是 否满足设计要求，如是，则发出停止加压的提示，关闭压载泵开关14，如否，则继续作业；在 拔桩过程中根据处理结果自动判定桩腿是否已经完全拔出，如是，则停止拔桩作业；如否， 判断桩体拔桩力是否超过极限拔桩力如是，则发出停拔和冲桩提示，这时，冲桩阀13打 开，开始冲桩，如否，则继续作业。如图1所示，该海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置的位移传感器7和 力传感器6是通过环状结构的传感器固定环8安装固定于弦杆3上，结合图2所示，位移传 感器7和力传感器6安装在传感器固定环8上，该传感器固定环8通过上紧螺栓11固定于 弦杆3。本实施例中，位移传感器7和力传感器6呈对称设置，以方便安装和测量。较佳地，位移传感器7和力传感器6是通过无线数据传输系统将插桩和拔桩过程 中测量的数据传递到计算机监控系统10，计算机监控系统10通过无线传输方式向压载泵 开关14和冲桩阀13传输开关命令，以方便装设及操作，而且，位移传感器7和力传感器6以 及计算机监控系统10的数据无线传输距离最好不大于300米，以保证数据传输的准确性。为了防止在插桩和拔桩施工过程中损伤到无线感应的位移传感器7和力传感器 6，本实施例的自动控制装置还包括固定在弦杆3上的上部传感器保护环5和下部传感器保 护环9，传感器固定环8间隔固定在上部传感器保护环5和下部传感器保护环9之间。进一步地，上部传感器保护环5和下部传感器保护环9均为环状金属结构，且二 者的外径大于传感器固定环8的外径，二者之间的间距比传感器固定环8的高度大100 200mm。由上述海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置实现的海上自升式钻井平 台插桩自动控制方法包括以下步骤(A)确定插桩监控的开始点，并将桩最大预压载力Pmax和桩的入泥深度理论值ha 输入计算机监测控制系统；(B)从插桩监控开始点起，力传感器测量桩体的插入深度每增加一预设值(如 Icm)时弦杆受力的值，并将测量的数据传送到计算机监测控制系统；[0031](C)计算机监测控制系统对所获得数据进行处理，得到每一个记录点所对应的桩 的承载力P及入泥深度h，并分别与桩的最大预压载力Pmax和入泥深度理论值ha进行比较， 根据停止加压的标准给出停止加压的指示信号，压载泵开关自动关闭；进一步地，当压桩的力等于最大预压载力Pmax的三分之二，即&时，将该 时间点作为打桩监控贯入度监测开始点。在本实用新型的一具体实施例中，是将最后停止加压的标准为所述最后停止加 压的标准为当测得的桩体承载力P等于桩最大预压载力Pmax时，停止加压。具体可如图3所示，其为利用本实用新型所实现的的海上自升式钻井平台插桩监 控方法的一具体实施例的流程示意图。步骤(A)中，是根据桩设计的最大预压载力Pmax确定桩位移和承载力重点监测开
女口 ；,步骤⑶中，是从对桩施加的压力等于I^Pmax开始，安装在弦杆上的位移传感器 与力传感器开始测量数据；步骤(C)中，将测量的数据通过无线传递方式传送到计算机监控系统10进行数据 处理，包括桩的入泥深度h和桩的承载力P。当测得的桩的承载力P满足P = Pfflax时，则给出停止加压的提示，同时比较桩的入 泥深度h与桩的入泥深度理论值ha，若满足h > ha，则同时给出“实际入泥深度超过理论值” 的提示。以上介绍了海上自升式钻井平台插桩自动控制方法，下面对海上自升式钻井平台 拔桩自动控制方法进行说明，该方法包括以下步骤(A’ )启动拔桩作业，同时开始监测桩的拔桩力P和入泥深度h。(B’ )从拔桩作业开始起，测量桩腿的入泥深度并记录桩体的入泥深度每减少Icm 时力传感器的值，并将记录的数据传送到计算机监测控制系统。(C’ )位移传感器测量桩腿的入泥深度h，若满足拔桩作业完成的条件，由计算机 监测控制系统给出“拔桩作业已完成”的指示，并控制拔桩作业控制开关自动关闭；若不满 足拔桩作业完成的条件继续下一步骤(D’)。(D’)计算机监测控制系统对所获得数据进行处理，得到每一个记录点所对应的桩 腿的拔桩力P，并与桩的极限拔桩力P' _进行比较，钻井平台桩腿拔出力学计算程序及自 动控制程序根据暂停拔桩作业并开始冲桩的标准给出暂停拔桩作业和开始冲桩的指示，暂 停拔桩作业并打开冲桩阀。(E’ )冲桩0. 5 1小时后，由计算机监测控制系统发出关闭冲桩阀、启动拔桩作 业的指示，重新开始拔桩，循环整个步骤直到满足拔桩作业完成的条件。在自动控制方法的一具体实施例中，拔桩作业完成的条件为桩腿的入泥深度h 满足h < 0，即桩腿完全从海底土中拔出。在本实用新型的实施例中，除了记录桩腿的位移，还要控制桩腿的拔桩力，当桩腿 拔桩力大于极限拔桩力时打开冲桩阀进行冲桩，冲桩结束后，重新启动拔桩作业。具体可如图4所示，其为海上自升式钻井平台拔桩自动控制方法的一具体实施例 的流程示意图。[0048]步骤(E’)中，冲桩时间可视具体情况而定，在本实施例中，冲桩1小时后重新启动 拔桩作业。最后，为了便于对本实用新型的技术方案的准确理解，下面将本实用新型试用于 某自升式钻井平台为例说明具体实施过程。该平台所在海域水深132. 3m，其它信息如下(1)平台桩腿尺寸参数 >桩腿全长(含桩靴)I67· 03m>桩腿所有水平支撑管直径3. 24cm X壁厚2. 86cm>桩腿所有斜支撑管直径2. 73cmX壁厚2. 14cm>桩靴高5. 95m>桩靴直径17. 98m>桩直径M英寸( 桩腿个数3个(3)平台载荷固定载荷>船体:9319. 81t>悬臂梁及底座1718. 62t>钻台及底座814. 73t>桩腿及桩靴4976. 79t可变载荷>漂浮状态3765t>钻井状态6534t>抗风暴状态2995t(4)平台甲板距离海平面距离平潮时32. 45m(5)平台最大压载水量13382t(6)钻井平台描述海洋石油941号钻井平台为三腿自升式移动钻井船。其桩靴式基础的最宽部分面 积为254. 0πΓ2，有效直径为18. lm。每只桩靴的最大预压载为11000吨。本实用新型针对该应用例的海上自升式钻井平台插桩自动控制方法包括步骤1 进行海洋工程地质调查和海况调查，计算入泥深度ha，计算结果为ha = 14. 07m。步骤2 按照图1所示将位移传感器7和力传感器6安装在传感器固定环8上，传 感器固定环8通过上紧螺栓11能够方便地固定在弦杆3的上部传感器保护环5和下部传 感器保护环9之间。通过无线传输方式将位移传感器7和力传感器6信号传递到计算机监 控系统10，并进行系统调试，为下一步工作的顺利进行打下基础。步骤3 根据该平台桩最大预压载力Pmax = llOOOt，确定插桩重点监测开始点，即 从施加压力为& = 开始检测，并设定最后停止压桩的标准。步骤4 当对桩的施加压力为Pffi= 7333t时，开始通过安置的位移传感器7及力 传感器6记录数据并传递到计算机监控系统10。[0077]步骤5 当桩腿入泥深度为h时，测得的桩腿承载力P满足P = Pmax，此时，位移传 感器测量的入泥深度值为h = 14. 28m0步骤6 由步骤5可知，满足停止压桩的标准，计算机监控系统10通过无线传输向 压载泵开关14发出关闭信号，压载泵开关12自动关闭；此时，实测入泥深度满足h>ha，则 计算机监控系统同时给出“实际入泥深度超过理论值”的提示。重复上述步骤完成该海上自升式钻井平台所有桩腿的插入。在上述具体应用例中，该海上自升式钻井平台拔桩自动控制方法包括以下具体实 施步骤步骤1 按照图1所示将位移传感器7和力传感器6安装在传感器固定环8上，传 感器固定环8通过上紧螺栓11能够方便地固定在弦杆3的上部传感器保护环5和下部传 感器保护环9之间。通过无线传输方式将位移传感器7和力传感器6信号传递到计算机监 控系统10，并进行系统调试，为下一步工作的顺利进行打下基础。步骤2 启动拔桩作业，同时位移传感器7和力传感器6开始测量桩腿的位移和拔 桩力，并将测量的数据传递到计算机监测控制系统10进行处理。步骤3 计算机监测控制系统10中的力学计算程序及自动控制程序对数据进行处 理并根据处理结果判定是否需要冲桩。结果显示桩的拔桩力P满足P > Pmax，计算机监测控 制系统10发出暂停拔桩作业、打开冲桩阀的指示，此时，自动控制系统自动关闭拔桩作业 动力开关并打开冲桩阀13，冲桩1小时。步骤4 冲桩结束后，重新启动拔桩作业，重复步骤1。步骤5 当冲桩3次后，测量的拔桩力全部满max，测量的桩腿位移h满足 h < 0时，计算机监测控制系统10发出“拔桩作业已完成”的指示，并自动关闭拔桩作业动 力开关。拔桩作业结束。最后应说明的是，虽然本实用新型已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本实 用新型，例如，本实用新型除了用于海上自升式钻井平台桩腿，还能用于其它平台桩和河流 上桥梁的桩腿，油罐的地基桩、建筑物锤入的地基桩，因此，任何本领域的技术人员，在不脱 离本实用新型的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本实用新型专利保护 范围所作的等同变化与修饰，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，所述自升式钻井平台桩腿系统 包括桩腿及安装在桩腿底端的桩靴，其特征在于该自动控制装置包括位移传感器、力传感 器、计算机监测控制系统、压载泵开关、拔桩作业控制开关和冲桩阀，所述位移传感器和力 传感器安装在所述桩腿的弦杆上，所述压载泵开关装设在压载舱的压载泵控制系统处，所 述拔桩作业控制开关设于甲板控制房里，以控制拔桩作业时压载舱的排水开关，该冲桩阀 安装在桩靴上并与冲桩管线相连，所述位移传感器测量桩体入泥深度，所述力传感器测量 桩腿承载力及拔桩力，所述位移传感器和力传感器测量的插桩及拔桩过程中的数据传递到 计算机监测控制系统，以控制压载泵开关、冲桩阀及拔桩作业控制开关。
2.如权利要求1所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其特征在于， 所述自动控制装置的位移传感器和力传感器是通过环状结构的传感器固定环安装固定于 弦杆上，位移传感器和力传感器对称装设于传感器固定环上，该传感器固定环通过上紧螺 栓固定于所述弦杆。
3.如权利要求2所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其特征在于， 所述自动控制装置还包括固定在所述弦杆上的上部传感器保护环和下部传感器保护环，前 述位移传感器和力传感器固定在所述上部传感器保护环和下部传感器保护环之间。
4.如权利要求3所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其特征在于， 所述上部传感器保护环和下部传感器保护环均为环状金属结构，二者的外径大于传感器固 定环的外径，两者之间的间距比所述传感器固定环高度大100 200mm。
5.如权利要求1所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其特征在于， 所述位移传感器和力传感器通过无线数据接收系统将测量的插桩及拔桩过程中的数据传 递到计算机监测控制系统，且所述位移传感器和力传感器的数据无线传输距离不大于300 米。
6.如权利要求1所述的海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置，其特征在于， 所述压载泵开关和冲桩阀通过无线或有线的方式由计算机监测控制系统发出的信号来控 制。
专利摘要一种海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控制装置，该海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制装置包括位移传感器、力传感器、计算机检测控制系统、压载泵开关和冲桩阀，所述位移传感器和力传感器安装在桩腿的弦杆上，所述压载泵开关装设在压载舱的压载泵控制系统处，所述冲桩阀安装在桩靴上并与冲桩管线相连，位移传感器、力传感器分别测量桩体入泥深度、桩腿承载力及拔桩力，并将测量的插桩及拔桩过程中的数据传递到计算机监测控制系统进行处理，自动判定插桩过程中桩的承载力是否达到桩的最大预压载力、拔桩过程中是否需要冲桩及桩是否已完全拔出，并据此控制压载泵开关、冲桩阀及拔桩作业控制开关，实现海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制。
文档编号E02D11/00GK201865111SQ20102064878
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者周卫华, 杨进, 田瑞瑞 申请人:中国石油大学(北京)