套管伸缩器及定位钢管桩在滨海浮船平台绳索取心钻进中的应用

尚月成，陈为民，郝 峰，王明辉

(山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021)

0 引言

在滨海钻探中，经常因为海水的潮差和钻具定位问题而影响钻探施工。为解决钻具横向、竖向定位问题，以往或采用“钻探固定平台”工法[1]或采用“浮船+锚泊+加减套管”工法[2]，偶尔亦有采用“浮船+锚泊+伸缩式套管”工法[3]来解决。但“钻探固定平台”费用高、耗时长，适用于施工周期长的中深孔钻探;“浮船+锚泊+加减套管”工法存在横向固定不稳、频繁提下钻、适用于浅孔;“浮船+锚泊+伸缩式套管”工法存在横向固定不稳、套管伸缩段密封不可靠(漏浆)、无伸缩器、多见应用于大口径海洋石油钻井。

莱州朱由西金矿普查海上钻探项目设计孔深70～200 m，前期设计钻孔16个，孔位布设距离岸边2.5～4.3 km，高潮时水深6 m左右，潮差2 m。平均波高为0.8 m，平均波长为30 m。海底50～70 m以浅为强风化岩及第四系砂土层。设计要求采用小口径绳索取心钻进工艺。因绳索取心钻进对钻机的立轴与孔位的同心度要求较高，如果只用锚锭固定浮船，浮船会随海水暗流和风浪发生较大的横向变位;同时，绳索取心钻进对冲洗液循环系统密封要求严格(要求粘度较低)，不能发生冲洗液泄漏现象，以免发生孔内事故、污染海水;而且绳索取心钻进过程中很少提大钻，也就不能同工勘施工一样频繁提钻随潮水涨落加减套管。以上诸多条件都限制了上述几种工法在该工程中的应用。为降低成本、加快进度、减少污染，笔者会同项目技术人员根据实际情况，在以往“浮船+锚泊+伸缩式套管”工法的基础上研究应用了“浮船+钢管桩+套管伸缩器”工法。该工法在该项目钻孔施工中得到了成功应用。

1 “浮船+钢管桩+套管伸缩器”工法工作原理

“浮船+钢管桩+套管伸缩器”工法的核心是:套管伸缩器及定位钢管桩。其工作原理如下:

(1)浮船平台横向定位及竖向升沉:通过船体外侧固定导管压入海底一定深度的钢管桩对浮船进行强制横、竖向定位、保证浮船平台在风浪条件下实现横方向基本不发生位移、竖向可随潮水涨落垂直升沉活动;

(2)钻具竖向升沉:通过套管伸缩器实现上下两段不同直径的套管既可随潮水涨落自由升沉伸缩又密封良好。

2 套管伸缩器的结构

2.1 套管伸缩器的结构

首先根据设计终孔直径由小到大、由里及外、必要的安全储备进行钻孔结构设计。再根据选定的钻孔结构进行选择相应配套的套管伸缩器加工尺寸。该项目第一级套管选用146 mm，第二级伸缩管为127 mm，第三级套管为108 mm。图1为钻孔结构图。

图1 钻孔结构图

套管伸缩器由压帽、压环、塞线、塞线体4部分组成(如图2所示)。

图2 套管伸缩器总成图

压帽:选用外径180 mm、内径129 mm、长度170 mm的厚壁地质钢管，表面滚花(便于手工松紧)，压帽内径加工成与塞线体外部相匹配的螺纹，丝扣长度150 mm。

压环:压环在压帽和塞线体之间，安装时压在塞线上部，通过压帽起传压作用。压环的外径小于塞线室的内径，以139 mm为宜。内径应＞127 mm套管，以130 mm为宜，高60 mm。

塞线:塞线选用盘根(7 mm×7 mm石墨型最好)、软胶条等材料。

塞线体:选择外径165 mm、内径129 mm、长270 mm的厚壁钢管，下部加工成母扣，使之可与已埋设的146 mm套管公扣连接，丝扣长100 mm，螺纹选择与146 mm套管同型相配;上部外侧加工和压帽相匹配的螺纹，螺纹直径162 mm，丝扣长150 mm，上部内侧加工成直径140 mm，深度为150 mm的塞线室。

2.2 套管伸缩器的组装

图3 套管伸缩器实体应用照片

3 定位钢管桩的结构

3.1 定位钢管桩的结构

定位钢管桩由钢管桩、销钉、固定导向套管、卡箍4部分组成(如图4所示)。

图4 定位钢管桩实体应用照片

(1)钢管桩:应根据浮船的大小、吃水线、海水潮差、波浪作用力等选择定位桩的数量、直径、壁厚、长度。莱州朱由西矿区海域涨潮后水位在6 m以下，浮船平台总质量800～1000 t，选用了168 mm无缝钢管定位桩6根，定位桩长 ＞10 m，壁厚12 mm，钢号＞20号。钢管桩的材质、规格选用宜进行相关验算。桩长计算可参考下式:

桩长≥最高吃水线以上船体高2 m+水深6 m+入海底2 m=10 m。

钢管桩抗弯能力计算可参考如下公式[4]。

工区海浪对每根钢管桩的横向水平作用力:

F=0.5(海水重度×水底坡度系数×波坦系数×平均波高)×平均波高×船长度÷钢管桩根数=0.5(10 kN/m3×1.37×1.06×0.8 m)×0.8 m×20 m÷6根=15.4 kN/根

抗弯验算:

M=每根钢管桩的横向水平作用力×平均水深≤钢管桩抗弯强度=15.4 kN/根 ×5 m=77 kN·m＜86 kN·m

(3)固定导向管:每根钢管桩配备一节长2 m、壁厚10 mm、内径大于钢管桩外径3～5 mm的导管。

(4)卡箍:加工2套具有一定强度能夹住固定套管的卡箍，卡箍为里外半合形式。里卡箍焊接到船体上，焊接选用厚20 mm的铁板。外卡箍采用＞M35的螺栓与固定导管抱紧连接。

3.2 定位钢管桩的组装

基本流程:里卡箍焊接→安装固定导管→吊插钢管桩(以上3项工作在码头上完成)→浮船钻孔定位→确定桩位→钢管桩压入海底一定深度→起拔钢管桩→浮船行驶移位至下一孔位。图5为定位钢管桩组装实体应用照片。

图5 定位钢管桩组装实体应用照片

在浮船的两侧确定钢管桩位置[5]，先把里卡箍焊接到船体上，在浮船吃水线和船帮的垂直方向上下各焊一支，焊接一定要牢固，焊好后把固定套管用外卡箍夹住，然后用吊车把钢管桩吊插到固定套管内，钢管桩利用普通套管夹板(每桩配2支，可倒替固定使用)按需要高度夹紧，在船上钢管桩附近加工高2.5 m的挑杆(也可利用较高的船帮)，挂5 t吊链，用以压入和起拔钢管桩。

4 使用注意事项

(2)伸缩器距孔口冲洗液漏斗的距离要大于潮差，以免落潮时伸缩器顶坏漏斗。

(4)遇到大风、涌浪等恶劣情况，浮船可能把定位桩扭弯，此时可松动卡箍，增大定位桩的活动范围，拉出海底，驶离现场避险。

(5)施工过程中要配合锚泊使用，可加大抗风浪能力。

(6)钻进过程中要注意观察海涌大小、给进压力，及时调整钻进参数。

(7)浮船行驶前应把钢管桩起拔到距海底一定高度并夹紧。

(8)施工过程中要及时收听天气预报，结合钻孔深度组织施工。

5 应用情况

该工法在莱州朱由西海上金矿普查项目中实施情况见表1。

套管伸缩器和定位钢管桩配合锚泊的应用，较好地解决了船载钻探设备在滨海进行绳索取心钻探横向、竖向定位难题。从钻孔就位到具备开钻条件，一般只需2～3 h即可完成，节约了大量时间、成本，综合效益显著提高。

表1 已完工钻孔一览表

6 结语

实践证明，套管伸缩器及定位钢管桩配合浮船在滨海孔深200 m以浅的钻探中具有施工简便、造价低、工期短、安全环保等特点，有着良好的应用前景。

[1] 董星亮，曹式敬，等.海洋钻井手册[M].北京:石油工业出版社，2011.

[2] JGJ/T 87－2012，建筑工程地质勘探与取样技术规程[S].

[3] 姜伟.海洋石油钻井工程力学研究与实践[M].北京:石油工业出版社，2008.

[4] SL 435－2008，海堤工程设计规范[S].

[5] 秦昌福.深水栈桥钢管桩精确定位与快速施工[J].科技风，2012，(24):106.