海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置及监控方法

摘要

本发明公开了一种海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置及监控方法，所述管或桩包括桩体及桩体顶端装设的打桩帽，该监控装置包括贯入度传感器及计算机控制系统，所述贯入度传感器装设在所述打桩帽上，所述贯入度传感器记录桩体贯入深度，所述贯入度传感器记录的打桩过程数据传递到计算机控制系统，通过贯入度控制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是否达到钻井管或桩的合理入泥深度，并据此控制锤的动力开关。本发明能够科学地对贯入度进行实时监测，指导海上打桩施工过程，减少海上由于钻井隔导管打桩不当而导致的海上事故。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海上石油勘探开发技术，尤其是一种用于解决海上钻井管桩锤入法打桩控制贯入度的实时监控的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置及监控方法。

背景技术

在海上石油的勘探中，锤入法打桩技术应用较为普遍，该技术常常采用控制贯入度(拒锤数)作为打桩过程结束的条件。目前在实际施工过程中采用在一定时间内桩体顶部标高的变化值与在该段时间内的锤击数之间的关系来作为控制贯入度的判断标准。由于锤击数采用以打桩锤的频率为基础的人为计数法，该方法存在较大的误差和不确定性，从而影响到桩体的入泥深度及承载能力的准确性。因此，一套科学的控制贯入度监测技术对于锤入法打桩技术的应用将更加合理、准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种海上石油管、桩锤入法贯入度的监测装置与方法，其能够对贯入度进行实时监测，指导海上打桩施工过程。

为了解决上述技术问题，本发明首先提出一种海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，所述管或桩包括桩体及桩体顶端装设的打桩帽，其中：该监控装置包括贯入度传感器及计算机控制系统，所述贯入度传感器装设在所述打桩帽上，所述贯入度传感器记录桩体贯入深度，所述贯入度传感器记录的打桩过程数据传递到计算机控制系统，通过贯入度控制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是否达到钻井管或桩的合理入泥深度，并据此控制锤的动力开关。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，其中，所述监控装置还包括记录打桩过程中的锤击数的锤击数传感器，所述锤击数传感器装设在所述打桩帽上，锤击数传感器记录的打桩过程累计锤击数传递到计算机控制系统进行处理，据此计算平均贯入度，并作为判断是否停打的另一依据。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，其中，所述监控装置的锤击数传感器和贯入度传感器是通过环状结构的传感器固定环安装固定于打桩帽上，锤击数传感器和贯入度传感器呈对称装设，锤击数传感器和贯入度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打桩帽。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，其中，所述监控装置还包括固定在所述打桩帽上的上部传感器保护环和下部传感器保护环，防止在打桩施工过程中损伤到无线感应锤击数传感器和无线贯入度传感器，前述传感器固定环固定在所述上部传感器保护环和下部传感器保护环之间。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，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。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，其中，所述锤击数传感器和贯入度传感器通过无线数据接收系统将记录打桩过程的数据传递到计算机控制系统，且所述锤击数传感器和贯入度传感器的数据无线传输距离不大于200米。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，其中，所述管为钻井隔水导管，除了隔水导管，还可以是平台的桩腿。

除了上述监控装置，本发明还提出一种海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其包括以下步骤：

(A)确定打桩最后阶段，即打桩控制贯入度监测开始点，并确定每一击的控制贯入度预测值e，并设定最后停打标准；

(B)从打桩控制贯入度监测开始点起，监测每一击所对应的贯入深度e_i，并将记录的数据传送到计算机控制系统；

(C)计算机控制系统对所获得数据进行处理，得到每一击所对应的贯入度e_i，并与前述每一击的控制贯入度预测值e进行比较，当满足预设的最后停打标准时，计算机控制控制系统给出停打指示，关断锤的动力开关。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，所述最后停打标准为：当连续N次的每一击所对应的贯入度e_i均小于前述每一击的控制贯入度预测值e。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，在连续多次的每一击贯入深度小于一预设值时，将该时间点作为打桩控制贯入度监测开始点，所述预设值为10～50mm。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，所述步骤(A)中，还包括确定平均贯入度预测值所述停打标准为e_i＜e及同时满足；所述(B)步骤中包括累计锤击数；所述(C)步骤中还包括计算平均贯入度并将该平均贯入度与前述设定的平均贯入度预测值相比较，当前述e_i＜e及同时满足时给出停打提示；如果则继续作业。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，所述步骤(A)中，是利用格尔谢万诺夫打桩公式进行控制贯入度预测，即打桩最后阶段每一击的控制贯入度预测值e由下式获得：

$e=\frac{\mathrm{nAQH}}{{\mathrm{KP}}_a({\mathrm{KP}}_a+\mathrm{nA})}·\frac{Q+0.2q}{Q+q}$

式中：e-打桩最后阶段每一击的贯入度，cm；

n-根据桩材料和桩垫所定的系数，钢桩无桩垫取时n＝50kg/cm²；

A-桩身横截面积，cm²；

Q-锤冲击部分重量kg；

q-桩重kg，包括送桩、打桩帽及锤非冲击部分的重量；

K-安全系数，临时建筑物1.5，永久建筑物2.0；

H-落锤高度，m；

P_a-桩的容许承载力，kg；

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中桩的容许承载力P_a按下式计算获得：

P_a＝πD∑q_sikh_i+q_pkA

式中：D-桩体直径，

q_sik-桩侧第i层土的单位表面摩擦阻力标准值，

h_i-桩侧第i层土厚度，

q_pk-极限桩端阻力。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，步骤(A)中，是根据导管设计入泥最小深度H_min及海洋工程地质调查资料确定打桩控制贯入度重点监测开始点，即根据导管设计入泥深度H_min确定打桩最后阶段控制贯入度重点监测开始时的导管已贯入深度H_f；步骤(B)中是从贯入深度H_f开始，安装在打桩帽上的锤击数传感器与贯入度传感器开始记录数据。

如上所述的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其中，最后停打标准的平均贯入度是依照拒锤标准作出的。

本发明的特点和优点是：本发明的海上石油管、桩锤入法打桩贯入度的监控装置与监控方法克服了公知技术存在的缺陷，在海上钻井隔水导管打桩过程中不需要人工记录打桩数据，而通过计算机系统自动记录打桩数据，能够科学判断是否达到设计的钻井隔水导管入泥深度，既满足生产要求，又简化了作业程序，大大减少了作业工作量，节约了大量的作业时间，进一步节省了大量的海上作业费用。

附图说明

图1为本发明的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置的一实施例的示意图。

图2为本发明的海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置的传感器固定环的一具体实施示意图。

图3为本发明的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法的控制流程图。

附图标号说明：

1、打桩帽            2、上部传感器保护环    3、锤击数传感器

4、下部传感器保护环  5、贯入度传感器        6、传感器固定环

7、钻井隔水导管      8、上紧螺栓            9、计算机控制系统

具体实施方式

下面配合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提出一种海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置，管或桩包括桩体及桩体顶端装设的打桩帽，该监控装置包括贯入度传感器及计算机控制系统，贯入度传感器装设在所述打桩帽上，用于记录桩体贯入深度，其所记录的打桩过程数据传递到计算机控制系统，通过贯入度控制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是否达到钻井管或桩的合理入泥深度，并据此控制锤的动力开关。通过贯入度传感器监测该管或桩的每一击的贯入度，再由计算机控制系统对所获取的数据进行处理，并自动判定是否达到钻井管或桩的合理入泥深度，从而其能够科学地对贯入度进行实时监测，指导海上打桩施工过程，减少海上由于钻井隔导管打桩不当而导致的海上事故。

本发明的监控装置的一具体实施例中，该监控装置包括锤击数传感器(感应计数器)、贯入度传感器(位移传感器)及计算机控制系统，锤击数传感器和贯入度传感器均装设在所述打桩帽上，锤击数传感器和贯入度传感器记录的打桩过程数据传递到计算机控制系统，通过贯入度控制软件程序对所记录的数据进行处理。具体如图1所示，其为本发明的监控装置的该具体实施例的示意图。该贯入度监控装置用于海上钻井隔水导管7，是在隔水导管7的打桩帽1上安装有锤击数传感器3和贯入度传感器5，其中锤击数传感器3用来记录打桩过程中的锤击数，贯入度传感器5用来记录桩体贯入深度；然后，可通过有线或无线传输的方式，将所记录到的数据实时传递到计算机控制系统9，通过贯入度控制软件程序对所记录到的数据进行处理，根据处理结果自动判定是否达到钻井隔水导管7的合理入泥深度，如是，则发出停打提示；如否，则继续作业。

如图1所示，该监控装置的锤击数传感器3和贯入度传感器5是通过环状结构的传感器固定环6安装固定于打桩帽1上，结合图2所示，锤击数传感器3和贯入度传感器5安装在传感器固定环6上，该传感器固定环6通过上紧螺栓固定于打桩帽1。本实施例中，锤击数传感器3和贯入度传感器5呈对称设置，以方便安装和测量。

较佳地，锤击数传感器3和贯入度传感器5是通过无线数据传输系统将记录打桩过程的数据传递到计算机控制系统，以方便装设及操作，而且，锤击数传感器3和贯入度传感器5的数据无线传输距离最好不大于200米，以保证数据传输的准确性。

为了防止在打桩施工过程中损伤到无线感应的锤击数传感器3和无线贯入度传感器5，本实施例的监控装置还包括固定在打桩帽1上的上部传感器保护环2和下部传感器保护环4，传感器固定环6间隔固定在上部传感器保护环2和下部传感器保护环4之间。

进一步地，上部传感器保护环2和下部传感器保护环4均为环状金属结构，且二者的外径大于传感器固定环6的外径，二者之间的间距比传感器固定环6的高度大100～200mm。

与上述海上石油管、桩锤入法贯入度监控装置相对应，本发明还提出一种海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法，其包括以下步骤：

(A)确定打桩最后阶段，即打桩控制贯入度监测开始点，并确定每一击的控制贯入度预测值e，并设定最后停打标准；

(B)从打桩控制贯入度监测开始点起，监测每一击所对应的贯入深度e_i，并将记录的数据传送到计算机控制系统；

(C)计算机控制系统对所获得数据进行处理，得到每一击所对应的贯入度e_i，并与前述每一击的控制贯入度预测值e进行比较，当满足预设的最后停打标准时，计算机控制控制系统给出停打指示，关断锤的动力开关。

进一步地，在连续多次的每一击贯入深度小于一预设值时，将该时间点作为打桩控制贯入度监测开始点，所述预设值为10～50mm，较佳为10～20mm，如需提高控制的精确性，可将该预设值设为较大的值。

在本发明的监控方法的一具体实施例中，是将最后停打标准为：当连续N次的每一击所对应的贯入度e_i均小于前述每一击的控制贯入度预测值e。N的具体数值可根据海洋工程地质资料及/或实际经验来确定，如10次、20次等。

在本发明的另一实施例中，除了比较每一击的控制贯入度，还将平均贯入度结合考虑。该海上石油管桩锤入法贯入度监控方法包括以下步骤：

(A1)确定打桩最后阶段，即打桩控制贯入度监测开始点，并确定每一击的控制贯入度预测值e及平均贯入度预测值以作为最后停打标准，且该平均贯入度可依照拒锤标准作出；

(B1)从打桩控制贯入度监测开始点起，监测每一击所对应的贯入深度e_i及累计锤击数，并将记录的数据传送到计算机控制系统；

(C1)计算机控制系统对所获得数据进行处理，得到每一击所对应的贯入度e_i及对应锤击数的平均贯入度并分别与前述每一击的控制贯入度预测值e以及前述设定的平均贯入度预测值进行比较，当e_i＜e及同时满足时，给出停打提示。

具体可如图3所示，其为本发明的海上石油管、桩锤入法贯入度监控方法的上述具体实施例的流程示意图。

该具体实施例的上述步骤(A1)中，是利用格尔谢万诺夫打桩公式进行控制贯入度预测，即打桩最后阶段每一击的控制贯入度预测值e由下式获得：

$e=\frac{\mathrm{nAQH}}{{\mathrm{KP}}_a({\mathrm{KP}}_a+\mathrm{nA})}·\frac{Q+0.2q}{Q+q}$

式中：e-打桩最后阶段每一击的贯入度，cm；

n-根据桩材料和桩垫所定的系数，钢桩无桩垫取时n＝50kg/cm²；

A-桩身横截面积，cm²；

Q-锤冲击部分重量kg；

q-桩重kg，包括送桩、打桩帽及锤非冲击部分的重量；

K-安全系数，临时建筑物1.5，永久建筑物2.0；

H-落锤高度，m；

P_a-桩的容许承载力，kg；

其中桩的容许承载力P_a按下式计算获得：

P_a＝πD∑q_sikh_i+q_pkA

式中：D-桩体直径，

q_sik-桩侧第i层土的单位表面摩擦阻力标准值，

h_i-桩侧第i层土厚度，

q_pk-极限桩端阻力。

步骤(A1)中，是根据导管设计入泥最小深度H_min及海洋工程地质调查资料确定打桩控制贯入度重点监测开始点，即根据导管设计入泥深度H_min确定打桩最后阶段控制贯入度重点监测开始时的导管已贯入深度H_f；步骤(B1)中是从贯入深度H_f开始，安装在打桩帽上的锤击数传感器与贯入度传感器开始记录数据。

步骤(C1)中，将记录到的数据通过无线传递方式传送到计算机控制系统9进行数据处理，包括每一击所对应的贯入深度e_i及平均贯入度的计算，具体计算方法如下：

(1)计算每一击所对应的贯入深度e_i，满足下式：

e_i＝h_t(i)-h_i(i-1)

其中，h_t(i)为本次击锤后所对应的贯入深度值，h_t(i-1)为前一次击锤后所对应的贯入深度值。

将并e_i与步骤(A1)中的控制贯入度预测值e进行比较，给出比较结果。

(2)平均贯入度计算

当记录到的锤击数对应为(或达到)一定数量N(如200击)时，对应的贯入深度累计值为h，计算出平均贯入度满足下式：

${\bar{e}}_i=\frac{h}{N}$

并与设定的平均贯入度进行比较，给出比较结果。如果进行下一轮平均贯入度计算。

最后，为了便于对本发明的技术方案的准确理解，下面以将本发明试用于某油田为例说明具体实施过程。该油田海域水深132.3m，采用外径为24in的钻井隔水导管7，且其壁厚1in；水面至桩顶距离为16m；打桩锤采用选定IHCS-90打桩锤。采用本发明的监控方法时，可按照以下步骤进行：

步骤1：进行海洋工程地质调查，得到以下轴向桩设计参数：海底土轴向桩侧第i层土的单位表面摩擦阻力标准值q_sik，Mpa；海底土极限桩端阻力q_pk，Mpa。

步骤2：按照图1所示将锤击数传感器3和贯入度传感器5安装在传感器固定环6上，传感器固定环6通过上紧螺栓8能够方便地固定在打桩帽1的上部传感器保护环2和下部传感器保护环4之间。通过无线传输方式将锤击数传感器3和贯入度传感器5信号传递到计算机控制系统9，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：根据该油田24in最小入泥深度设计值H_min＝67.3m，确定最后阶段控制贯入度重点监测开始时的导管已贯入深度H_f＝57.3m，即从最后10m开始监测；并设定最后停打标准(平均贯入度一般采用200击/0.3m作为拒锤标准)。

步骤4：根据打桩锤参数、导管参数、海底土参数，利用格尔谢万诺夫打桩公式对最后阶段控制贯入度进行预测，计算可得e＝1.4mm。

步骤5：当打桩深度到57m左右，开始通过安置的锤击数传感器3及贯入度传感器5记录数据并传递到计算机控制系统9。

步骤6：如其中连续两次记录得到的贯入深度度数据为：h_i(i)＝68.3390mh_i(i-1)＝68.3379m，由公式e_i＝h_i(i)-h_i(i-1)可计算得到该深度处贯入度为e_i＝1.1mm。与预测贯入度值e＝1.4mm比较，可得e_i＜e。同时贯入深度从68.1114m到68.3390m当记录到的锤击数总数为200击，对应的贯入深度累计值为h＝0.2276m，根据公式计算出平均贯入度小于所设定的平均贯入度

步骤7：由步骤6可知，e_i＜e且同时满足，所以，此时打桩程序结束，最终打桩深度为68.3390m。

最后应说明的是，虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，例如，本发明除了用于海上石油钻井，还能用于其它河流上的桥梁锤入施工的桩腿，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，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。