一种除障的自升式平台桩靴及障碍清除方法

本发明涉及海洋石油开发钻探装备，具体涉及一种除障的自升式平台桩靴及障碍清除方法。

背景技术：

1、海上钻井采油作业主要采用三种平台方式进行钻采作业，分别为导管架平台、自升式平台、半潜式平台。其中，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，利用桩腿托起船壳，并使船壳底部离开海面一定的距离，主要用于水深几十米至上百米钻井作业。

2、自升式平台在海上进行作业时，需要将桩腿入泥一定深度才能达到足够的承载能力，桩腿下入的过程中，桩腿下端的桩靴需要通过往驳船船体内压载舱中泵入海水，依靠海水重量施加在桩腿上，通过桩腿传递至桩靴，桩靴踩在海底，挤压排开或破坏海底浅部软质地层，直到桩靴在压载作业下贯入至稳定可靠的持力地层，方可确保自升式平台整个作业周期内的稳定，不发生因桩腿失稳下沉而倾覆。然而，桩靴在压载作业贯入至持力地层之前，不可避免会遇到不稳定的硬质地层或桩靴踩了一部分硬质地层，这两种情况下极有可能导致桩腿突然迅速刺穿下沉，或侧滑蹩腿，造成桩腿倾斜弯曲损坏，甚至造成自升式平台倾覆。尽管自升式钻井平台插桩安全相关的技术研究非常多，但是一直以来，自升式平台插桩失稳事故或险情时有发生，近几年仍然有相关事故报道。当桩靴无法平稳的刺穿厚度较薄的硬质地层时，桩靴正常贯入受阻，桩腿无法入泥至稳定可靠的持力地层，此时，桩腿承载力不足以保障自升式平台整个作业周期内的安全稳定，继续压载插桩和后期正常作业期间，平台存在随时失稳的重大风险；当桩靴突然穿刺失稳会造成单个桩腿下沉速度较快，其余桩腿速度跟不上，从而造成平台歪斜无法整体下入的状况，正常钻完井作业期间，即使平台整体下沉不倾斜，由于平台整体下降，会压垮井口设施，甚至碰撞自升式钻井平台钻井悬臂梁覆盖的在生产的工程导管架平台，会给海上钻完井作业及平台生产造成重大事故。

3、在现有技术中，自升式平台桩靴为一个超大的盘状钢体结构，内部布置了一些用于拔桩作业的冲桩管线，而现有的桩靴无法主动对所踩的地层进行破坏。只是作为桩腿的底座，提高桩腿底端承载力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种除障的自升式平台桩靴及障碍清除方法，以解决现有技术中自升式平台桩靴因无法平稳的刺穿厚度较薄的硬质地层或桩靴底部局部硬质地层形成的台阶而导致桩基容易失稳的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供一种除障的自升式平台桩靴，包括：

4、桩靴本体；

5、除障装置，所述除障装置包括摆臂和牙轮钻头，所述摆臂竖直设置在所述桩靴本体的底部，所述摆臂的顶端通过球铰接件与所述桩靴本体的底部铰接，并在所述桩靴本体的底部安装有驱动组件，所述驱动组件与所述摆臂相连接并能够控制所述摆臂360°摆动，所述牙轮钻头通过电控驱动的方式安装在所述摆臂的底端。

6、进一步地，所述驱动组件包括沿所述桩靴本体底部圆周方向分布的四组控制液压杆，所述控制液压杆的壳端通过球铰接件铰接在所述桩靴本体底部的边缘处，且所述控制液压杆的输出端通过球铰接件与所述摆臂的臂体铰接，其中，所述摆臂设置在所述桩靴本体底部的中部位置。

7、进一步地，所述摆臂的底端固接有“y”字型的固定架，且所述固定架的开口向下，所述牙轮钻头呈滚筒式结构，且所述牙轮钻头转动连接在所述固定架的开口内。

8、进一步地，所述牙轮钻头内套接有滚轴，所述滚轴的一端通过转动轴承与所述固定架开口内的一侧壁转动连接，且所述滚轴的另一端通过转动轴承与所述固定架开口内的另一侧壁转动连接。

9、进一步地，所述桩靴本体的内部设有驱动管线，所述驱动管线沿所述摆臂内部延伸至所述固定架处并分别与两个所述转动轴承电连接，且所述驱动管线延伸至所述桩靴本体的外部用于外接驱动源。

10、进一步地，所述桩靴本体的内部设有泥砂抽吸通道，所述泥砂抽吸通道延伸至所述桩靴本体的顶部形成有若干个排出口，且所述泥砂抽吸通道沿所述摆臂内部延伸至所述固定架开口处的顶壁上形成有第一抽吸口。

11、进一步地，所述泥砂抽吸通道延伸至所述桩靴本体的底部形成有若干个第二抽吸口。

12、基于上述的一种除障的自升式平台桩靴，本发明还提供一种桩靴刺穿地层的障碍清除方法，包括：

13、采用自升式平台进行压载作业，在桩靴本体置于非理想的障碍地层时，上拔桩靴本体距离障碍地层顶部空间高度大于桩靴底部清障摆臂长度，或者在下放桩靴接近非理想的障碍地层前，距离障碍地层顶部空间高度大于桩靴底部清障摆臂长度时，启动驱动组件将摆臂调整至竖直状态，并同步驱动牙轮钻头运行，对该位置的障碍地层进行主动破坏穿刺；

14、实时获取桩靴本体附近的工况，分别控制四组控制液压杆伸长或收缩以驱动摆臂进行360°不同方位角摆动，并由牙轮钻头扫除桩靴本体底部周边的障碍；

15、同步启动泥砂抽吸设备，基于泥砂抽吸通道将桩靴本体以及牙轮钻头附近破碎的砂土返排到桩靴本体顶部周围；

16、待桩靴本体顺利通过非理想的障碍地层后，分别控制四组控制液压杆伸长或收缩以驱动摆臂水平贴向桩靴本体底部，实现摆臂和牙轮钻头回收。

17、本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

18、通过在桩靴本体的底部设置除障装置，利用驱动组件控制摆臂在桩靴本体的底部360°摆动，以便于带动牙轮钻头对障碍地层进行无死角破坏，即在桩靴轻载贯入至薄硬质地层顶部之前，启动桩靴本体底部的钟摆式钻头，以便于在下放桩靴过程中，提前主动进行钻孔破坏薄硬质地层，为桩靴本体平稳通过扫除障碍，从而保障自升式平台桩靴平稳贯入至设定的最佳入泥深度所在稳定可靠的持力地层中，支撑自升式平台整个作业期间内安全作业，不发生桩基失稳。

技术特征：

1.一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于，所述自升式平台桩靴包括：

2.根据权利要求1所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述驱动组件包括沿所述桩靴本体底部圆周方向分布的四组控制液压杆，所述控制液压杆的壳端通过球铰接件铰接在所述桩靴本体底部的边缘处，且所述控制液压杆的输出端通过球铰接件与所述摆臂的臂体铰接，其中，所述摆臂设置在所述桩靴本体底部的中部位置。

3.根据权利要求1所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述摆臂的底端固接有“y”字型的固定架，且所述固定架的开口向下，所述牙轮钻头呈滚筒式结构，且所述牙轮钻头转动连接在所述固定架的开口内。

4.根据权利要求3所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述牙轮钻头内套接有滚轴，所述滚轴的一端通过转动轴承与所述固定架开口内的一侧壁转动连接，且所述滚轴的另一端通过转动轴承与所述固定架开口内的另一侧壁转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述桩靴本体的内部设有驱动管线，所述驱动管线沿所述摆臂内部延伸至所述固定架处并分别与两个所述转动轴承电连接，且所述驱动管线延伸至所述桩靴本体的外部用于外接驱动源。

6.根据权利要求3所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述桩靴本体的内部设有泥砂抽吸通道，所述泥砂抽吸通道延伸至所述桩靴本体的顶部形成有若干个排出口，且所述泥砂抽吸通道沿所述摆臂内部延伸至所述固定架开口处的顶壁上形成有第一抽吸口。

7.根据权利要求6所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于：所述泥砂抽吸通道延伸至所述桩靴本体的底部形成有若干个第二抽吸口。

8.一种桩靴刺穿地层的障碍清除方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种除障的自升式平台桩靴，其特征在于，所述障碍清除方法包括：

技术总结
本发明涉及一种除障的自升式平台桩靴及障碍清除方法，除障装置包括摆臂和牙轮钻头，摆臂竖直设置在桩靴本体的底部，摆臂的顶端通过球铰接件与桩靴本体的底部铰接，并在桩靴本体的底部安装有驱动组件，驱动组件与摆臂相连接并能够控制摆臂360°摆动，牙轮钻头通过电控驱动的方式安装在摆臂的底端。本发明利用驱动组件控制摆臂在桩靴本体的底部360°摆动，以便于带动牙轮钻头对障碍地层进行无死角破坏，以便于主动进行钻孔破坏薄硬质地层，为桩靴本体平稳通过扫除障碍，从而保障自升式平台桩靴不易发生桩基失稳。

技术研发人员：杨进,徐国贤,谢仁军,吴怡,殷启帅,李磊,宋宇,仝刚
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15