錘入式螺紋隔水管打樁作業(yè)錘擊試驗研究

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(山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司 山東 東營 257091)

·試驗研究·

錘入式螺紋隔水管打樁作業(yè)錘擊試驗研究

馬會珍，程立艷，李妍

(山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司 山東 東營 257091)

海上隔水管打樁作業(yè)是海上鉆井平臺關(guān)鍵作業(yè)之一，對隔水管的綜合性能要求很高。為了確保隔水管的安全性和可靠性，設(shè)計制作隔水管錘擊試驗裝置，并進行一系列錘擊試驗，檢驗隔水管管體及接頭所能承受的錘擊力等參數(shù)，驗證錘入式螺紋隔水管及其附件是否滿足海洋生產(chǎn)需要。

螺紋隔水管；打樁作業(yè)；錘擊力；錘擊試驗

0 引 言

隨著海洋鉆采工程油氣勘探開發(fā)的深水化，作業(yè)海域的水深在不斷增加。深水海況環(huán)境復(fù)雜，對深水油氣勘探開發(fā)的環(huán)境要求越來越高。為減少固井帶來的環(huán)境污染，海上鉆井隔水管的作業(yè)方式由原來的需要固井的鉆入式逐漸向不需要固井的錘入式發(fā)展，對隔水管的綜合性能提出了更高的要求。為了確保錘入式螺紋隔水管滿足現(xiàn)場施工要求，驗證錘入式螺紋隔水管的性能參數(shù)，設(shè)計制造一種模擬海上作業(yè)的打樁試驗裝置進行錘擊試驗。試驗所用隔水管尺寸及下井方式與海上作業(yè)一致，打樁設(shè)備也是完全模擬海況進行選擇，實驗過程中使用打樁分析儀進行數(shù)據(jù)采集，檢測管體接頭能承受的錘擊力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力等，通過分析錘擊力、壓應(yīng)力、傳遞至樁管的有效能量、樁管完整性系數(shù)、柴油錘落錘高度、樁錘效率等數(shù)據(jù)參數(shù)，驗證試驗用隔水管管串及接頭、替打短節(jié)、密封圈、防轉(zhuǎn)塊等附件的安全可靠性。

圖1 惠州25-8樁管承載力圖

1 打樁作業(yè)錘擊試驗

1.1 打樁作業(yè)依據(jù)

綜合中海油各區(qū)塊打樁情況，確定本次試驗以中海油惠州25-8油田開發(fā)井項目隔水管入泥深度與承載力關(guān)系曲線數(shù)據(jù)(如圖1所示)為基礎(chǔ)，取隔水管入泥100 m時樁管所承受的軸向承載力(承載力較大)數(shù)據(jù)作為參照。

1.2 隔水管材料

隔水管包括管體和接頭，隔水管管體采用X56M管線鋼，其力學(xué)性能見表1，化學(xué)成分見表2，隔水管的核心技術(shù)在螺紋接頭的設(shè)計和接頭與管體的組對工藝上，本試驗采用的是外徑和管體一致的錘入式螺紋隔水管接頭，隔水管接頭材料采用ASTM4130，其力學(xué)性能見表3，化學(xué)成分見表4。

表1 X56M材料力學(xué)性能

表2 X56M材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

注：1)C含量比規(guī)定最大質(zhì)量含量每降低0.01%，可允許Mn含量比規(guī)定最大質(zhì)量含量增加0.05%，但最大值不能超過1.75%；

2)不應(yīng)有意加入硼、銅、鉻和鎳，硼B(yǎng)≤0.001；

3)V+Nb+Ti≤0.15%；

4)Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.25。

表3 隔水管接頭材料力學(xué)性能

表4 隔水管接頭材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

1.3 錘入式螺紋隔水管接頭特點

錘入式隔水管接頭的結(jié)構(gòu)和性能等方面具有以下特點：1)隔水管接頭外徑和管體外徑一致，打樁錘擊的阻力小，保證打樁錘擊的貫入度。2)隔水管接頭卡槽與輔助工具吊卡環(huán)配合使用，方便吊裝作業(yè)，保證吊裝操作的安全和質(zhì)量。3)隔水管接頭密封性能好，有密封圈、金屬端面和臺肩面密封。4)隔水管接頭有自鎖性，通過管螺紋的錐度和螺紋負角產(chǎn)生的作用力，另外隔水管接頭還配有防轉(zhuǎn)裝置進行雙重防轉(zhuǎn)，防止打樁錘擊時出現(xiàn)倒扣、脫扣現(xiàn)象。5)隔水管具有作業(yè)程序簡單、作業(yè)效率高、無需固井作業(yè)、節(jié)約時間、沒有泥漿排放減少對海洋的污染、受天氣和海況等環(huán)境影響較小等諸多優(yōu)點。錘入式隔水管結(jié)構(gòu)如圖2所示，錘入式隔水管接頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，配備替打短節(jié)的隔水管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 錘入式螺紋隔水管示意圖

圖3 錘入式螺紋接頭

圖4 配備替打短節(jié)的隔水管

1.4 打樁試驗裝置

打樁試驗裝置是結(jié)合湛江惠州地層地質(zhì)資料設(shè)計，底座尺寸6 m×6 m，高6 m，由工字鋼、鋼板等焊接而成，有兩層作業(yè)平臺，平臺上均焊接有肘板對管體進行扶正，防止在實驗過程中產(chǎn)生歪斜情況，上層平臺為管體對接上扣操作平臺，下層平臺為檢測設(shè)備安裝及輔助操作平臺。最下層中間具有能量緩沖部位，由緩沖板、鋼絲繩進行緩沖，具有吸收打擊能量的作用。

1.5 打樁設(shè)備及檢測儀器

1.5.1 打樁設(shè)備

打樁錘的選擇需要根據(jù)鉆井施工海況、海貌、海底土層、工程的特點及打樁設(shè)備、平臺吊機、隔水管的施工安全性要求來進行選擇。目前在海上打樁施工作業(yè)中主要采用液壓錘和柴油錘兩種，這兩種打樁錘沖擊行程大、能滿足較大的沖擊能量，因而能滿足隔水導(dǎo)管錘入較大的入泥深度[1]?？紤]到海上施工的綜合成本和效率多選用柴油打樁錘。打樁錘的規(guī)格需要根據(jù)打樁作業(yè)項目具體工況進行選擇。D100打樁錘打擊能量為333 540 Nm，作用于樁上的最大爆炸力為2 600 kN，適宜打樁規(guī)格最大為40 000 kg。本次試驗結(jié)合試驗所在地的地層情況和隔水管規(guī)格尺寸選用D100打樁錘。

1.5.2 打樁監(jiān)控系統(tǒng)

打樁檢測工作由上海港灣檢測公司采用美國PDI公司打樁檢測分析儀進行檢測，錘擊時，通過固定在隔水管上的兩對傳感器分別將測得的應(yīng)變信號和加速度信號傳遞到PDA主機內(nèi)，檢測管體接頭能承受的錘擊力、

壓應(yīng)力、拉應(yīng)力等。監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器安裝在樁管的本體上，能即時監(jiān)控每錘的能量，防止高值反彈應(yīng)力。利用打樁監(jiān)控器監(jiān)控打擊能量，防止高值反彈應(yīng)力，避免損壞樁管及樁管絲扣。

1.6 打樁試驗條件

打樁作業(yè)錘擊試驗前首先進行準備工作，主要包括Φ406 mm樁架固定管按試驗要求錘入地下，并與樁架焊接，保證樁架在錘擊過程中的穩(wěn)定。盤鋼絲繩，蓋環(huán)板，目的是在錘擊過程中起到緩沖、吸收能量的作用。焊接肘板，模擬平臺喇叭口，保證隔水管在錘擊過程中的垂直度。首先在地面測量好隔水管管體直線度及接頭橢圓度，并記錄，然后吊裝Φ559 mm×25.4 mm管串下入打樁架預(yù)留口中，插入配套Φ559 mm替打短接，切割吊耳，用履帶吊吊起D100柴油打樁錘，進行錘擊試驗，以此類推依次進行5組試驗。分別為：Φ559 mm×25.4 mm管串帶替打，Φ559 mm×25.4 mm管串、Φ610 mm×25.4 mm管串、Φ660 mm×25.4 mm管串、Φ762 mm×25.4 mm管串錘擊試驗，主要為了試驗錘入式螺紋隔水管接頭及管體能承受的極限錘擊力。

2 試驗結(jié)果

本次打樁作業(yè)錘擊試驗共計進行5次，其中替打短節(jié)管串試打試驗1次，接頭管串試驗4次；5次試驗完成后，隔水管管體及接頭、替打短節(jié)、密封圈、防轉(zhuǎn)塊均完好，各次試驗的最大錘擊力及最大錘擊力下隔水管的實測壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、能量等參數(shù)參見表5。

表5 打樁錘擊試驗結(jié)果

3 試驗檢測數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

根據(jù)上海港灣檢測公司提供的打樁試驗檢測數(shù)據(jù)顯示，試驗檢測的隔水管承受的最大錘擊力遠大于實際要求隔水管的極限承載力。在上述錘擊試驗后檢查接頭與替打短節(jié)接觸面受力變化情況、內(nèi)、外螺紋接頭上扣難易、密封圈、防轉(zhuǎn)塊損傷等情況發(fā)現(xiàn)：接頭臺肩和螺紋絲扣均無損傷，替打短節(jié)錘擊受力面無明顯變形，接頭結(jié)構(gòu)完整無變形，不影響二次上扣，密封圈無損傷，防轉(zhuǎn)塊止轉(zhuǎn)效果良好，未出現(xiàn)脫扣、松動現(xiàn)象，管串彎曲變形合理。試驗結(jié)果表明在設(shè)計極限承載力的情況下，所設(shè)計的錘入式螺紋隔水管及其附件性能安全、可靠。

[1] 張紅生，管 申，莊 健，等.崖城13-1氣田表層隔水導(dǎo)管快速打樁技術(shù)分析及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012,34(1)：28-31.

StudyonthePilingHammerTestofThreadedRiser

MAHuizhen,CHENGLiyan,LIYan

(ShandongQilongOffshorePetroleumSteelPipeCo.Ltd.,Dongying,Shandong257091,China)

The offshore piling is the key operation on offshore drilling platform, which requires the riser with high comprehensive properties. In order to ensure the safety and reliability of the riser, the riser hammer test device was designed, a series of hammer tests were carried out to check the hammer force and other parameters that riser pipe and the joints, which also can verify if the hammered thread risers and their accessories can meet the marine production need.

threaded riser; piling; hammer force; hammer test

馬會珍，女，1975年生，工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事技術(shù)管理工作。E-mail:xfx923@126.com

TE52

A

2096-0077(2017)06-0034-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.009

2017-08-30

葛明君)