专利名称：可伸缩钻井平台桩靴结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油开采相关技术，尤其是指一种应用于自升式钻井平台桩腿结构的可伸缩钻井平台桩靴。
背景技术：
在以桩端阻力为主要的桩腿承载力的桩腿结构上(如桁架结构桩腿)，广泛采用在桩腿底部配备大横截面积的桩靴，以此提高桩端阻力，从而确保桩腿极限承载力的要求。 桩侧摩阻力是随着桩入泥深度的增加而不断增加的(理论上是分段积分的累加)，不存在刺穿风险的问题。而桩端阻力不同于桩侧摩阻力，桩端阻力的大小取决于桩靴所在深度对应的地层，随着地层的层状分布不同，桩端承载力曲线在地层分层界面的深度处不连续，成跳跃间断。整条承载力曲线呈现出不同高度的台阶状。正是由于这种按照深度呈现台阶状分布的承载力，以桩端承载力作为桩极限承载力的桩腿，必然存在刺穿风险。而桩靴所在位置是决定刺穿风险发生的关键因素。在自升式钻井平台插拔桩作业前，一般都需要相关单位给出插桩深度和拔桩阻力的预测，以及刺穿风险和拔桩困难的评价。而目前这些预测和评价都是依靠传统的计算模型。传统计算模型固有的缺陷，导致自升式钻井船插桩过程中的事故时有发生。本设计人根据多年来在自升式钻井平台插拔桩研究上取得的成果，针对目前采用固定式桩靴的自升式钻井平台插拔桩作业，已经具备了精度很高的预测技术。凭借这一预测技术，能够对自升式钻井平台插拔桩作业给予科学指导，降低作业过程中的风险。但由于人为的理论计算和预测受到人的主观因素影响很大，对自升式钻井平台插拔桩预测结果也是因人而异。正是这种不确定不统一的存在，让人们对自升式钻井平台插拔桩作业存在疑
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实用新型内容本实用新型解决的技术问题是在于针对现有自升式钻井平台插拔桩预测技术的不足，而提供一种可伸缩钻井平台桩靴结构，以解决自升式钻井平台作业过程中存在的刺穿风险和拔桩困难。本实用新型的技术解决方案是一种可伸缩钻井平台桩靴结构，所述桩靴结构包括封顶板、封底板、能伸缩的钢骨架、能配合桩靴钢骨架的伸缩变形的活动式桩靴侧壁外壳及液压装置，其中所述封顶板是位于桩腿下方的的上固定板，所述封底板是位于桩靴下部构成桩靴桩脚尖的下固定板；所述钢骨架位于所述封顶板的下方，是由多个钢构件组成的伸缩式笼体结构；所述液压装置的控制系统设置在平台压载控制中心，通过沿桩腿铺设的液压管线将桩靴伸缩指令传给液压装置，配合平台的压载控制实现钢骨架的自动伸缩。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述钢骨架包括设于中央部位的芯柱以及芯柱外侧环形阵列分布的多组钢梁，各组钢梁能够在液压装置的控制下同步沿径向伸缩地设置。
4[0008]如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，每组钢梁至少包括靠近封顶板并可枢转设置的上段钢梁以及靠近封底板并可枢转设置的下段钢梁，且所述上段钢梁及下段钢梁的另一端也是枢转设置。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述每组钢梁还包括中段钢梁，所述中段钢梁两端能够枢转地连接于所述上段钢梁和下段钢梁之间，所述液压装置的一端设置于所述中段钢梁的内壁面。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，相邻的二中段钢梁的上、下端分别设有上、下活动伸缩环。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述中段钢梁的内壁面沿轴向设置有滑槽，所述液压装置包括向芯柱的柱身周围水平伸出呈辐射状环形阵列分布的一组液压机构，且各液压机构的一端是通过滑动式铰支座连接于对应的中段钢梁的内壁面滑槽中。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述可伸缩钢骨架包括设于各组钢梁顶端的上固定环和设于各组钢梁底端的下固定环，所述上固定环与封顶板组成圆盘状结构，所述桩腿位于所述圆盘状结构的上方，各组钢梁的上段钢梁的上端通过上固定铰支座与上固定环相连而呈环形阵列分布；所述封底板固定在下固定环上构成桩靴的桩脚尖，各组钢梁的下段钢梁的下端是通过下固定铰支座与下固定环相连而呈环形阵列分布。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述活动式桩靴侧壁外壳包括分块附着在各钢梁上的交错起伏的片状钢板，各片状钢板通过彼此间的聚拢重叠和散开搭接来形成桩靴的外壳。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述封底板呈平板状或圆锥状，其固定在所述下固定环上构成桩靴的桩脚尖，各组钢梁的下段钢梁是通过所述下固定环沿周向上阵列分布设置的固定铰支座与所述桩脚尖铰接；桩靴内部的芯柱焊接固定在封底板的上端面上。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述上、下固定环呈圆形或正多边形；所述上、下固定环中加焊有钢支撑结构，通过该间隔设置的钢支撑结构与封顶板相连接。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述液压装置还包括所述芯柱内竖直安装的千斤顶，所述芯柱与封顶板之间有一作为千斤顶的液压杆的伸缩距离的活动距离，该活动距离是整个桩靴高度在张开状态和压缩状态间的变化范围。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，该活动式桩靴侧壁外壳包括多个钢板组，每一钢板组由附着在上段钢梁上的上段钢板、附着在中段钢梁上的中段钢板以及附着在下段钢梁上的下段钢板构成可伸缩式结构，相邻的两钢板组相互交错搭接。如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，所述各钢板具有与对应钢梁相接的沿轴向延伸的连接部，该连接部的两侧分别沿周向延伸形成有对称且截面呈弧状的第一侧翼、第二侧翼；在收缩状态时，相邻的一片状钢板的第一侧翼与另一片状钢板的第二侧翼保持重叠搭接；在完全张开状态时，相邻的二钢板组中，中段钢板向外推出，第一中段钢板的第一侧翼与相邻的第二中段钢板的第二侧翼形成相对的搭接封闭状态，而上、下段钢板随着中段钢梁的推出而向外辐射式伸展，靠近中段钢板的最大伸展位置的相邻二钢板的第一侧翼和第二侧翼形成相对的封闭状态，由此形成封闭式笼体外壳。[0019]如上所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其中，活动式桩靴侧壁外壳还包括在相互搭接的两片钢板间的接触面之一的钢板接触面上设置一定数目的滚珠，两钢板之间为滚动接触。本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴研制成功，使得桩靴在具备了选择避开刺穿风险大的地层的能力的同时降低了拔桩的困难，克服了现有预测技术中存在的缺陷，满足生产实际的需要。本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴结构装置与现有桩靴装置相比，具备以下显著的优点和特点1、本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴结构装置灵活性强。体现出了很大的能动性，可操作、可控制、可选择。2、本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴结构装置克服了公知技术存在的缺陷，解决自升式钻井平台插桩过程中的刺穿问题、降低平台作业过程的刺穿风险、解决自升式钻井平台撤离时的拔桩困难。
图1为本发明的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例主体结构的收缩状态示意图；图2为本发明的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例主体结构的张开状态示意图；图3A、图;3B为本发明的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例的钢骨架张开过程的机构工作原理示意图；图4A、图4B为本发明的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例的钢骨架收缩过程的机构工作原理示意图；图5为本发明的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例的张开状态半剖图；图5A为本发明的一具体实施例的中段钢梁内侧壁上的滑槽结构示意图；图6A为本发明的一具体实施例中所采用的活动式伸缩外壳的结构示意图；图6B为对应图6A的活动外壳的俯视示意图；图7A为本发明的可伸缩钻井平台桩靴的外壳的钢板结构示意图；图7B为具有图7A的钢板外壳的可伸缩钻井平台桩靴的结构示意图。附图标号说明1、桩腿10、封顶板21、上段钢梁22、中段钢梁24、上固定环 25、芯柱27、28、铰支座四、活动伸缩环31、千斤顶 33、液压机构41、上段钢板42、中段钢板401、连接部 403、第一侧翼50、封底板 51、滚珠
具体实施方式
自升式钻井平台的就位和撤离作业中必不可少的插拔桩环节存在刺穿与拔桩困难两大风险，刺穿与拔桩困难两大风险恰好是相互矛盾的存在。在设计自升式钻井平台的
20、钢骨架 23、下段钢梁 26、下固定环 30、液压装置 40、外壳 43、下段钢板 405、第二侧翼桩靴时，既要考虑桩靴承载力尽可能大的要求，又要满足拔桩阻力尽可能的小的要求。将桩靴有效截面积增大了，其承载力必然增大，但其拔桩时的阻力也必然增大。这就是插桩和拔桩两大环节的矛盾焦点。可伸缩钻井平台桩靴结构装置设计思路的出发点正是基于这一矛盾的焦点。如果可伸缩钻井平台桩靴结构装置研制成功势必会彻底解决自升式钻井平台插桩和拔桩环节所要考虑的最主要的问题。那就是如何实现自升式钻井平台在适合的插桩深度下有足够的承载力，不发生刺穿风险和不给拔桩环节带来困难。可伸缩钻井平台桩靴结构装置使得桩靴具有了灵活性，让操作人员拥有了对合适的插桩深度和合适沉桩地层的选择权。使得钻井平台在插桩时具有目标性。在拔桩时，通过桩靴的收缩，拔桩阻力会大幅度降低，从而也大大的降低了拔桩困难的风险，使得平台在更换井位和避台时显得游刃有余。基于上述考虑，如图所示，本实用新型提出一种可伸缩钻井平台桩靴结构，包括封顶板、封底板、可伸缩的钢骨架、可活动的桩靴侧壁外壳及液压装置，其中所述封顶板是位于桩腿下方的的上固定板，所述封底板是位于桩靴下部构成桩靴桩脚尖的下固定板；所述钢骨架位于所述封顶板的下方，是由多个钢构件组成的伸缩式笼体结构；所述可活动的桩靴侧壁外壳能够配合桩靴钢骨架的伸缩变形，以增加桩靴的承压面积并阻碍桩靴周围土体进入桩靴；所述液压装置的控制系统设置在平台压载控制中心，通过沿桩腿铺设的液压管线将桩靴伸缩指令传给液压装置，配合平台的压载控制实现钢骨架的自动伸缩。通过上述结构，在桩靴收缩状态，依靠液压装置对桩靴中段钢梁的定位束缚，桩靴上段钢梁的力通过轴向力传递到中段钢梁，然后传递到下段钢梁上，最终传递到地层；在桩靴下入到目的层后，将进行桩靴的张开作业，依靠液压系统破坏桩靴收缩状态的平衡，借助钻井平台的压载，使得桩靴在强的地层束缚下能够进行张开作业，实现新的力的平衡。较佳地，可伸缩钢骨架包括设于中央部位的芯柱以及芯柱外侧环形阵列分布的多组钢梁，各组钢梁能够在液压装置的控制下同步沿径向伸缩地设置。进一步地，为了便于形成伸缩式笼体结构，每组钢梁至少包括靠近封顶板并可枢转设置的上段钢梁以及靠近封底板并可枢转设置的下段钢梁，且所述上段钢梁及下段钢梁的另一端也是枢转设置。较佳地，所述每组钢梁还包括中段钢梁，所述中段钢梁两端可枢转地连接于所述上段钢梁和下段钢梁之间，所述液压装置的一端设置于所述中段钢梁的内壁面。为了使桩靴笼保持整体性和不变形体系，还可在相邻的二中段钢梁的上、下端分别设置连接链条，构成上、下活动伸缩环，以便在桩靴笼压扁到一定程度后位于张开状态时加以适当的束缚。由于可伸缩钢骨架在张开的过程中，随着中段钢梁在液压装置的作用下发生偏离轴线向桩靴外侧移动，桩靴上部因受到桩腿传来的载荷，通常会出现下沉式位移，因此，本实用新型较佳是在中段钢梁的内壁面沿轴向设置滑槽，液压装置包括向芯柱的柱身周围水平伸出呈辐射状环形阵列分布的一组液压机构，且各液压机构的一端是通过滑动式铰支座连接于对应的中段钢梁的内壁面滑槽中。液压装置的各液压机构连接到中段钢梁上的铰支座卡在滑槽内，只允许在滑槽内沿着中段钢梁内侧做竖直方向上滑动，从而实现钢骨架的自动伸缩。
7[0054]此外，为了方便各组骨架的固定连接及实现自动伸缩，可伸缩钢骨架还包括设于各组钢梁顶端的上固定环和设于各组钢梁底端的下固定环，所述上固定环与上封顶板组成圆盘状结构，所述桩腿位于所述圆盘状结构的上方，各组钢梁的上段钢梁的上端通过上固定铰支座与上固定环相连而呈环形阵列分布；所述封底板固定在下固定环上构成桩靴的桩脚尖，各组钢梁的下段钢梁的下端是通过下固定铰支座与下固定环相连而呈环形阵列分布。所述上、下固定环较佳是呈圆形或正多边形。为了使得在桩靴收缩挤压时该外壳能够产生适当的伸展式变形，并在桩靴张开时能承受住来自桩靴周围土体压力的材料，桩靴侧壁外壳较佳包括分块附着在各钢梁上的交错起伏的片状钢板，在桩靴的收缩和张开的整个过程中，各片状钢板通过彼此间的聚拢重叠和散开搭接来形成桩靴的外壳，用以增加桩靴的承压面积并阻挡周围土体大量的进入桩靴内部。由于上固定环所在位置的桩靴上端面接有桩腿结构，下固定环所在位置的桩靴下端面内表面接有芯柱，考虑结构的强度和整体性，较佳是分别在上下固定环的环中加焊钢支撑，该钢支撑的外端较佳是位于相邻的二铰支座之间。为使本实用新型要解决的技术问题、特征和效果更加显而易见，现结合附图对本实用新型的具体实施方式
做进一步的详细说明。参见图1、图2，分别为本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴一具体实施例的主体结构收缩状态下和张开状态下的示意图，另请结合图3A至图6B所示，本实施例的可伸缩钻井平台桩靴结构装置包括封顶板10、可伸缩的钢骨架20、液压装置30、可活动的桩靴侧壁外壳40及封底板50 (为了使本实施例的内部结构更清楚，图1至图5A中均未显示外壳部分)。其中，可伸缩的钢骨架20包括上固定环24、芯柱25、下固定环沈、上、下活动伸缩环 29以及多组钢梁，上固定环24、下固定环沈可以为圆形或正多边形等多种形状，本实施例以圆形为例进行说明，每组钢梁包括上段钢梁21、中段钢梁22及下段钢梁23，液压装置30 包括设于芯柱25内部的液压千斤顶31以及芯柱25外周呈辐射状分布的多个液压机构33。封顶板10与上固定环M组成圆盘状结构，作为可伸缩活动的钢骨架20与桩腿1 之间的连接部位，即桩腿1坐落在该圆盘状结构上。每组钢梁的上端通过上固定环M的周向呈阵列分布的铰支座27连接固定到上固定环M上。封底板50根据需要可以设计成平板状，也可以设计成具有一定锥度的圆锥状。封底板50固定在下固定环沈上构成桩靴的桩脚尖。在这个桩脚尖的上端部位(下固定环 26)的圆周上成圆形阵列分布的设置了与下段钢梁23等量的固定铰支座观，用以建立下段钢梁23与桩脚尖的铰接。桩靴内部的芯柱25则是直接焊接固定在下固定环沈所在的端面上。桩靴内部的芯柱25与桩靴封顶板10之间有一定的活动距离，芯柱25内竖直安装有一个一定吨位的千斤顶31，该活动距离作为千斤顶31的液压杆(图中未示出)的伸缩距离。在桩靴收缩状态，该千斤顶31的液压杆伸长与封顶板10接触；在桩靴的张开过程中， 液压杆不断回收，上固定环对和封顶板10随着桩腿1 一起下落至芯柱25的上端。此时液压杆已收回到芯柱25内，桩靴也处在极限张开状态，请参考图6所示。由此可见，该活动距离是整个桩靴高度在张开状态和压缩状态间的变化范围。从桩靴内部的芯柱25向柱身周围水平伸出成辐射状环形阵列分布的一组液压机构33的一端连接在中段钢梁22的中部，通过该组液压机构33的伸缩，控制整个桩靴的伸缩。该组液压机构的控制系统设置在平台压载控制中心里，通过沿桩腿1铺设的液压管线 (图中未示出)将桩靴伸缩指令传给液压机构组，配合平台的压载控制，实现桩靴的自动伸缩。各组钢梁的上段钢梁21的上端通过对应的铰支座27连接于上固定环24，下段钢梁23的下端是通过对应的铰支座观连接于下固定环沈，各组钢梁的中段钢梁22的两端对应铰接上段钢梁21的下端及下段钢梁23的上端，且液压装置的各液压机构较佳是连接于各中段钢梁的中部，以实现桩靴自动伸缩的顺畅。基于桩靴结构的安全和整体性考虑，较佳是在桩靴的腰部设置上、下活动伸缩环四，在桩靴笼压扁到一定程度后，由所述上、下活动伸缩环四加以束缚，以使桩靴笼保持整体性和不变形体系。具体地，活动伸缩环可以是由一定数量的带有弧度的活动伸缩节串联而成一个圆环。主要给张开后的桩靴提供束缚力，因为活动伸缩环的活动性比较弱，所以活动伸缩环的结构十分关键。由于可伸缩钻井平台桩靴结构在受力中主要考虑的是上顶面和下底面受到压载而对桩靴腰部产生的张力作用，所以还可以考虑采用链条(形成锚链式) 或者一种各向异性的材料(如纤维类)制成的圆环(其能表现出大的拉力，而受压时能变形)，来代替由活动伸缩节串联而成的圆环提供桩靴腰部的束缚力，以此来提升可伸缩钻井平台桩靴结构装置的整体性。如果考虑腰部侧壁的活动外壳能够确保桩靴的周向的整体性，况且桩靴周围处在地层的束缚中，因而也可以不设置活动伸缩环，毕竟桩靴内部还设置有环状阵列辐射状分布的液压机构组。可活动的桩靴侧壁外壳较佳是能在桩靴收缩挤压时发生如同雨伞式变形的折叠结构或搭接结构，且在桩靴张开时能承受住来自桩靴周围土体压力。活动的桩靴侧壁外壳40较佳是由分块附着(焊接)在各钢梁上的交错起伏的片状钢板所组成而不影响桩靴结构的伸缩活动性。本实施例中，附着在钢梁上的活动桩靴侧壁外壳是采用横截面为弧形的四边形片状钢板搭接而成，如图6A、图6B所示，该外壳是由沿桩靴周向均布的多个钢板组构成，每一钢板组由附着在上段钢梁21上的上段钢板41、附着在中段钢梁22上的中段钢板42以及附着在下段钢梁23上的下段钢板43构成可伸缩式结构，相邻的两钢板组相互交错搭接。具体地，如图6A、图6B所示，各片状钢板具有与对应钢梁相接的沿轴向延伸的连接部401，该连接部401的两侧分别沿周向延伸形成有对称且截面呈弧状的第一侧翼403、 第二侧翼405 ；在收缩状态时，相邻的一片状钢板的第一侧翼403与另一片状钢板的第二侧翼405保持重叠搭接；在完全张开状态时，相邻的二钢板组中，中段钢板42向外推出，第一中段钢板的第一侧翼403与相邻的第二中段钢板的第二侧翼405至少完整相接，较佳是仍保持少量的重叠搭接，以形成相对的封闭状态，而上、下段钢板41、43随着中段钢梁22的推出而向外辐射式伸展，最终靠近中段钢板的最大伸展位置(上段钢板的下端、下段钢板的上端)的相邻二钢板的第一侧翼和第二侧翼至少完整相接，较佳是仍保持少量的重叠搭接，以形成相对的封闭状态，但其在下降的过程中各钢板的远离中段钢板的固定端(上段钢板的上端、下段钢板的下端)之间的关系基本保持不变，由此形成本实施例的可随钢梁伸缩的封闭式笼体外壳。利用上述结构，伴随着钢骨架的收缩和张开，这些片状钢板彼此间发生聚拢重叠和搭接散开，从而增加桩靴的承压面积和阻碍桩靴周围土体进入桩靴，这种活动的桩靴侧壁外壳主要目的是在桩靴的收缩和张开的整个过程中，通过彼此间的聚拢重叠和散开搭接来形成桩靴的外壳，用以阻挡周围土体大量的进入桩靴内部。考虑片状钢板在受力时可能会存在微量变形，可活动桩靴侧壁外壳还可增设滚珠，以降低在活动时搭接的片状钢板间的摩擦力，实现活动桩靴外壳的活动自如。如图7A、 7B所示，在相互搭接的两片钢板间的接触面之一钢板接触面上设置一定数目(每平米4个或者6个)的滚珠51。通过布设这些滚珠，实现将两钢板之间的滑动面接触改为滚动面接触，从而大大降低搭接钢板之间的摩擦力，提升活动桩靴侧壁外壳的活动性能。此外，由于组成活动桩靴外壳的上下段钢板活动时，随着桩靴的张开，上下钢板成从中心向四周辐射状张开，钢板间的搭接存在一定的交叉挤压现象，影响张开时的顺滑性。 为了提高张开时的顺滑，本实用新型的一实施例对片状钢板的侧翼进行了变厚度处理，即侧翼部分采用变厚度式钢板结构，使得上下钢板侧翼的厚度随着张开过程中的接触挤压程度而改变，以削弱因张开导致的挤压程度的增加。结合前述内容，本领域的技术人员可以了解，本实用新型的桩靴侧壁外壳40并不限于此，附着在桩靴笼外表面的高抗拉强度的桩靴外壳例如还可以采用纤维布等能收缩的高抗拉强度的材料制成，配合桩靴的钢骨架能够阻止桩靴周围土体进入桩靴。利用上述结构，在桩靴收缩状态，依靠液压机构33对桩靴中段钢梁22的定位束缚，桩靴各上段钢梁21的力(收缩状态下的桩靴上、中、下段钢梁均受到轴力，表现为受压杆件)通过轴向力传递到中段钢梁形成轴力，然后传递到下段钢梁上形成轴力，最终传递到地层，这种受力原理能够保证收缩状态的稳定性。另一方面，在桩靴下入到目的层后，将进行桩靴的张开作业，张开作业将依靠液压系统破坏桩靴收缩状态的平衡，借助钻井平台的压载，使得桩靴在强的地层束缚下依然能够进行张开作业，实现新的力的平衡。本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴结构是依靠可伸缩钢骨架机构，采用液压装置对机构加以能动性控制。由于在海底土层中，机构受到的束缚大，机构能动性的发挥需要的载荷很大，可借助压载时的载荷实现机构的张缩能动性。具体过程如下可伸缩钻井平台桩靴结构装置处于收缩状态，桩靴直径与桩腿直径相当。桩靴在桩腿下入的推动下而下入海底土。随着压载的增大，桩靴不断下入。当桩靴下入到预定最适合的承载地层(此地层是通过桩腿极限承载力计算满足自升式钻井平台最大预压载荷和刺穿分析后不存在刺穿风险的地层)，可以将此作为可伸缩钻井平台桩靴结构装置张开的位置。启动液压系统，通过液压杆的推力使桩靴中段钢梁稍稍向外侧偏离初始轴线，机构在上部桩腿压载的作用下发生持续性扩张，直至力的平衡。机构达到新的平衡状态是桩靴的张开状态。随着机构的张开，桩靴的横截面积变大，承载力自然变大。下面结合上述结构针对桩靴下入过程及拔桩过程的各部分的动作及受力状态进行具体说明如图3A、3B，其为本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴一实施例的机构工作原理示意图(张开过程)。桩靴在目标层时，随着液压机构33开始工作，经过与中段钢梁22连接的滑动铰支座推动中段钢梁22，中段钢梁22发生向桩靴外侧的偏移，机构的平衡被破坏，
10桩靴上部的上固定环对将在桩腿1载荷的作用下发生向下的位移，这种趋势进一步推动了中段钢梁22向外侧位移，桩靴的横截面积得以扩大。随着上固定环M的下降和液压机构 33的推动，桩靴有效直径增加到极限值时，活动伸缩环(锚链)29的束缚作用开始发挥，同时上固定环M坐落在芯柱25的上端，整个桩靴得以在张开状态下工作。其中在初始状态，可伸缩钢骨架是在收缩状态下，整个桩靴也处在收缩状态下，其受力面积必然相对比较小，在同等的压载下，桩靴比较容易通过被认为存在刺穿风险的“鸡蛋壳”地层，直达目标层。到达目标层后，在可伸缩钢骨架在张开的过程中，随着中段钢梁在液压装置的作用下发生偏离轴线向桩靴外侧移动，桩靴上部因受到桩腿传来的载荷，对可伸缩钢骨架的张开有一个很大的促进作用。正是液压装置配合上部传来的载荷对桩靴压扁作用，使得可伸缩钻井平台桩靴结构装置在周围地层的束缚下也能实现张开动作，桩靴如同一楔形体嵌入到地层中。在可伸缩钢骨架在张开的过程中，随着中段钢梁在液压装置的作用下发生偏离轴线向桩靴外侧移动，桩靴上部因受到桩腿传来的载荷，出现下沉式位移。当桩靴上部固定部分下移到桩靴内部的芯柱端面时，桩靴也达到最大张开状态。张开的桩靴整体承受载荷构成了桩腿的极限承载力。在自升式钻井平台作业过程中，桩靴就是以此状态支撑着平台。在可伸缩钢骨架在张开的过程中，随着中段钢梁在液压装置的作用下发生偏离轴线向桩靴外侧移动，中段钢梁相对于芯柱水平方向上相对位置伴随着液压装置的伸缩发生改变，竖直方向上相对位置也因为桩靴结构的几何形状发生变化而改变，所以液压装置与中段钢梁之间的连接是采用滑动铰支座，以此来配合这个竖直方向上相对位置的改变，即在每个中段钢梁的内侧竖直方向上设置有滑槽221 (如图5A所示)，液压机构33连接到中段钢梁22上的铰支座卡设在滑槽221内，只允许在滑槽221内沿着中段钢梁22内侧做竖直方向上的滑动。在可伸缩钢骨架在张开的过程中，中段钢梁相对于芯柱竖直方向上相对位置有所变化。液压机构安装在芯柱柱身外侧，与中段钢梁连接成水平向布置，伸缩端连接到中段钢梁上。所以中段钢梁相对于芯柱在竖直方向上相对位置的变化对液压装置的工作有影响， 本实施例即是采用滑动铰支座来避免这一影响。即随着中段钢梁的相对下降，安装在其上面的滑动铰支座将从中段钢梁下端向上端滑动，从而避免中段钢梁相对于芯柱竖直方向上相对位置的变化对液压装置工作带来的影响。如图4A、4B，其为本实用新型的可伸缩钻井平台桩靴结构装置机构工作原理示意图(收缩过程)。自升式平台撤离时，开始拔桩作业，在上拔力的作用下桩靴上部的上固定环4将发生向上的位移，随着液压机构33的工作，经过与中段钢梁2连接的滑动铰支座拉拢中段钢梁22，中段钢梁22向桩靴轴线靠拢，桩靴的横截面积得以缩小，实现桩靴的收缩。 其中随着拔桩作业的进行，桩靴上段钢梁21挤压上覆回填土，回填土对桩靴反作用力以及桩靴周围的土体对桩靴的压力都是使活动桩靴收缩的外载荷，外载荷配合液压机构，实现桩靴的收缩作业。以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，但不能理解为实施时必须为具体实施例中所有特征的组合，本实用新型的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述桩靴结构包括封顶板、封底板、能伸缩的钢骨架、能配合桩靴钢骨架的伸缩变形的活动式桩靴侧壁外壳及液压装置，其中所述封顶板是位于桩腿下方的的上固定板，所述封底板是位于桩靴下部构成桩靴桩脚尖的下固定板；所述钢骨架位于所述封顶板的下方，是由多个钢构件组成的伸缩式笼体结构；所述液压装置的控制系统设置在平台压载控制中心，通过沿桩腿铺设的液压管线将桩靴伸缩指令传给液压装置，配合平台的压载控制实现钢骨架的自动伸缩。
2.如权利要求1所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述钢骨架包括设于中央部位的芯柱以及芯柱外侧环形阵列分布的多组钢梁，各组钢梁能够在液压装置的控制下同步沿径向伸缩地设置。
3.如权利要求2所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，每组钢梁至少包括靠近封顶板并可枢转设置的上段钢梁以及靠近封底板并可枢转设置的下段钢梁，且所述上段钢梁及下段钢梁的另一端也是枢转设置。
4.如权利要求3所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述每组钢梁还包括中段钢梁，所述中段钢梁两端能够枢转地连接于所述上段钢梁和下段钢梁之间，所述液压装置的一端设置于所述中段钢梁的内壁面。
5.如权利要求4所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，相邻的二中段钢梁的上、下端分别设有上、下活动伸缩环。
6.如权利要求4所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述中段钢梁的内壁面沿轴向设置有滑槽，所述液压装置包括向芯柱的柱身周围水平伸出呈辐射状环形阵列分布的一组液压机构，且各液压机构的一端是通过滑动式铰支座连接于对应的中段钢梁的内壁面滑槽中。
7.如权利要求3所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述可伸缩钢骨架包括设于各组钢梁顶端的上固定环和设于各组钢梁底端的下固定环，所述上固定环与封顶板组成圆盘状结构，所述桩腿位于所述圆盘状结构的上方，各组钢梁的上段钢梁的上端通过上固定铰支座与上固定环相连而呈环形阵列分布；所述封底板固定在下固定环上构成桩靴的桩脚尖，各组钢梁的下段钢梁的下端是通过下固定铰支座与下固定环相连而呈环形阵列分布。
8.如权利要求2至7任一项所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述活动式桩靴侧壁外壳包括分块附着在各钢梁上的交错起伏的片状钢板，各片状钢板通过彼此间的聚拢重叠和散开搭接来形成桩靴的外壳。
9.如权利要求8所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述封底板呈平板状或圆锥状，其固定在所述下固定环上构成桩靴的桩脚尖，各组钢梁的下段钢梁是通过所述下固定环沿周向上阵列分布设置的固定铰支座与所述桩脚尖铰接；桩靴内部的芯柱焊接固定在封底板的上端面上。
10.如权利要求7所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述上、下固定环呈圆形或正多边形；所述上、下固定环中加焊有钢支撑。
11.如权利要求8所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述液压装置还包括所述芯柱内竖直安装的千斤顶，所述芯柱与封顶板之间有一段作为千斤顶液压杆伸缩活动的距离，该距离是整个桩靴高度在张开状态和压缩状态间的变化范围。
12.如权利要求4所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，该活动式桩靴侧壁外壳包括多个钢板组，每一钢板组由附着在上段钢梁上的上段钢板、附着在中段钢梁上的中段钢板以及附着在下段钢梁上的下段钢板构成可伸缩式结构，相邻的两钢板组相互交错搭接。
13.如权利要求12所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，所述各钢板具有与对应钢梁相接的沿轴向延伸的连接部，该连接部的两侧分别沿周向延伸形成有对称且截面呈弧状的第一侧翼、第二侧翼；在收缩状态时，相邻的一片状钢板的第一侧翼与另一片状钢板的第二侧翼保持重叠搭接；在完全张开状态时，相邻的二钢板组中，中段钢板向外推出， 第一中段钢板的第一侧翼与相邻的第二中段钢板的第二侧翼形成相对的搭接封闭状态，而上、下段钢板随着中段钢梁的推出而向外辐射式伸展，靠近中段钢板的最大伸展位置的相邻二钢板的第一侧翼和第二侧翼形成相对的封闭状态，由此形成封闭式笼体外壳。
14.如权利要求13所述的可伸缩钻井平台桩靴结构，其特征在于，活动式桩靴侧壁外壳还包括在相互搭接的两片钢板间的接触面之一的钢板接触面上设置一定数目的滚珠，两钢板之间为滚动接触。
专利摘要一种可伸缩钻井平台桩靴结构，包括封顶板、封底板、可伸缩的钢骨架、可活动的桩靴侧壁外壳及液压装置，其中所述封顶板是位于桩腿下方的的上固定板，所述封底板是位于桩靴下部构成桩靴桩脚尖的下固定板；所述钢骨架位于所述封顶板的下方，是由多个钢构件组成的伸缩式笼体结构；所述可活动的桩靴侧壁外壳能够配合桩靴钢骨架的伸缩变形，以增加桩靴的承压面积并阻碍桩靴周围土体进入桩靴；所述液压装置的控制系统设置在平台压载控制中心，通过沿桩腿铺设的液压管线将桩靴伸缩指令传给液压装置，配合平台的压载控制实现钢骨架的自动伸缩。本实用新型解决了自升式钻井平台插桩过程中的刺穿问题及自升式钻井平台撤离时的拔桩困难。
文档编号E02B17/02GK202031093SQ20112009545
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者刘书杰, 姜伟, 徐国贤, 杨进, 汪顺文, 谢梅波, 黄熠 申请人:中国石油大学(北京)