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浅海表层取土样工具研制 摘要 在渤海埕岛海域海上石油钻采之前，由于软泥层较厚，为防止平台过度下陷 或滑移，必须进行海况调查，以便为平台座底、插桩和后续的采油平台建造提供 土层承载依据。以前，国内一直使用适合陆地使用的国家标准取样工具，由于海 上有水深的影响，取样深度大，同时施工船的晃动将使国家标准标取样工具的连 杆弯曲，影响能量的传递，造成测量数据严重失真。本论文根据海上施工特点， 设计了一套适合海上使用的新型标准贯击实验工具，通过水利学理论分析，计算 了取样工具锤体在充满海水的5 时钻杆内部向下加速运动受力，根据受力情况， 计算出新工具要达到和国标工具相同的撞击能量所需要的运动时间，从而积分出 在此时间内下锤体的运动距离，由此可以确定主要部件的尺寸和重量，使之和国 标工具具有可对比性。并加工制作了一套工具，在一口井的施工过程中使用新旧 工具进行了对比实验，取得了必要的实验数据，通过这些数据，得出了标贯实验 值和土层承载特性的经验公式，用于指导选择合适的钻井平台进行钻井作业。 主题词：浅海表层，井底撞击式，取土样工具研制，水力学计算 s h a l l o ws e ab o t r o ms i 爪f a c es a n m l et o o l r e s e a r c ha n dp r o d u c e a b s t r a c t a tb u o h a is e ac h e n g d a ol o c a t i o n ，t h em u di sv e r yt h i c k ，i no r d e rt o p r e v e n tt h er i gf r o ms e r i o u sd o w n c a s to rs l i p ，i n v e s t i g a t i o ni s n e e d e d s ow ec a nk n o wt h el o a ds u p p o r t i n gc a p a b i l i t yo ft h es h a l l o wm a r i n eb o t t o m b e f o r et h en e wi n j e c t i o nt o o li n v e n t e d ，w eu s et h el a n dt o o lt ot e s tt h e l o a ds u p p o r t i n gc a p a b i l i t y ，i nt h eb u o h a is e a ，t h ew a t e ri sa b o u t2 0m e t e r s d e e p ，a n db e c a u s eo ft h es e aw a v e ，t h ed r i i ip i p em a yb ec u r v e d ，t h i sw i l l s e r i o u si n f l u e n c et h ee n e r g yt r a n s m i s s i o n ，s ot h et e s tr e s u l ti sn o t c o r r e c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fo f f s h o r es a m p li n g ，w em a d ean e w t o o lf i to f f s h o r ew o r k ，b yh y d r a u l i ca n a l y s i s ，w ec o m p u t e rt h es t r e s so f t h eh a m m e r ，t h e nw ec a nk n o wt h et i m et h eh a m m e ru s e dt or e a c ht h ed e s i g n e d v e l o c i t y ，t h e nt h ed i m e n s i o na n dw e i g h to fi t sp a r t sc a nb ec a l c u l a t e d s ot h en e wt o o lh a v et h es a m ee n e r g ya sn a t i o n a ls t a n d a r dt o o l ，a n dt h e n e wt o o lh a v ep a s tt h et e s to nt h ew e l ls i t e b yt h et e s t ，w eh a v eg o t t h ee m p i r i c a le q u a t i o no fn e ws a m p l et o o l 。w h i c hc a ng u i d et h es e l e c t i o n o fd i f f e r e n to f f s h o r er i g k e yw o r d s ：s h a l l o wm a r i n eb o t t o m ，b o t t o mh o l ei m p a c t ，s o i l s a m p l et o o l ， h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ， 上海交通大学上海父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在立年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：z 争嘉鹜 指导教师虢兹f 0 窆呜 日期：如- 占年厂月2 1 日日期：2 , 8 0 7 年f 为( 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苍之，穆 日期：2 阳2 年r 月二日 上海交通大学工程硕士论文 第一章绪论 第一节钻井平台及海况调查 钻井平台：钻井平台是海上石油钻采的重要工具，它通常是一个具有单底或双层底的 单甲板箱形结构，甲板以下布置柴油发电机舱、泥浆泵舱等钻井工程用舱和其他工作舱室，甲 板以上布置钻台与井架、钻杆与套管场地、生活区、直升机平台等。目前胜利油田海洋钻井公 司有座底式和插桩式两种平台。座底式平台通过大面积的浮箱直接支撑于海底。插桩式平台主 体的平面形状和桩腿的数目密切相关，一般有三角形( 三条桩腿) 、矩形( 四条桩腿) 等。下 图为海洋钻井公司的3 条桩腿、插桩式胜利9 号钻井平台照片；座底式胜利三号钻井平台照片。 s h e n g l i9d r i l l i n gp l a t f o r m 图1 - 1 s h e n g l i3d r i l l i n gp l a t f o r m 图1 - 2 桩腿：桩腿的形式可分为壳体式桁架式两种，壳体式是钢板焊制的封闭式结构，其截面有 圆形和方形。一般来说，壳体式桩腿的制造比较简单，结构坚固，但水深较大时将承受很大的 波浪力，所以适用水深范围不超过6 0 7 0 米。桩腿下端的结构形式具有重要意义，这部分结构 是直接和海底相接触的，是支撑面和基础。按海底地貌和土质的不同，设计者可采用插桩型、 箱型、沉垫型等。插桩型的桩腿下端具有较小的支撑面，甚至略带锥形，以适应较硬的海底。 用的最多的是箱型，在每一根桩腿的下端附装一桩腿箱，这样可以增大海底支撑面积从而减少 1 上海交通大学工程硕士论文 桩腿插入海底的深度。减小插入深度的意义不仅在于减小所需桩腿长度，更重要的是提高了拔 桩和插桩作业的安全性，尤其对软性地基土更为重要。 海况调查的目的：胜利石油管理局海洋钻井公司主要从事浅海、极浅海海域的石油钻 井工作。使用的钻井船有座底式和插桩式两种，这两种钻井船都有金属结构支撑于海底，在施 工过程中，钻井船不可飘浮，不可滑移，不可过度下陷。所以，在钻井平台施工之前，必须搞 清海底表层承载情况。由于部分海底存在软泥层或流沙层，特别是黄河入海口附近及部分滩涂 软泥层较厚，若不进行海况调查，平台座底或插桩后，可能造成平台过度下陷或滑移，过度下 陷会造成座底式平台起浮困难，适用作业水深降低，在施工过程中的严重下陷将使平台被迫起 浮撤离，造成严重损失；滑移会造成井口偏斜，导致无法施工。插桩式平台个别桩腿的突然下 陷，可能导致平台的突然倾斜，进而造成憋断桩齿或平台倾覆的严重事故，所有桩腿的整体下陷 将会造成拔桩困难。9 0 年代初期，我公司就有一条钻井平台因为严重下陷，一年多没有拔桩 成功，造成了严重的经济损失。从此之后，每口井都要进行海况调查。海况调查就是要了解井 口附近约1 0 0 米范围内o 一4 0 米深的表层海底地况，例如是否平坦? 不同深度的承载情况如何? 软泥层、流沙层的深度、厚度等等。有了海况调查，就可以在施工以前及时采取措施，避免危 险情况出现，保证平台的施工安全，减少不必要的损失。同时为后续的采油平台建造提供必要 的地基参数，供打桩参考。 第二节水域钻探简介 勘探平台和钻探船： 水域工程钻探作业必须在水上勘探平台或船上搭建的平台进行，钻机则根据钻探要求 配备。 l 、水上勘探平台有自升式和非自升式两种，适用于水上钻探和各种原位测试，能在海况 较差的条件下工作，属大型专用设备，使用成本高，目前我公司不使用。 2 、钻探船有专用的钻探船和租用民船两类，以后者居多。此外还有单体船和双体船之分， 钻探船的吨位在海上一般不小于8 0 吨，并应随风浪、水深的增大而增大。钻探船上搭 设的平台一般不小于5 7m 2 。作业时为增大钻探船的稳性，船舱必须压载。 钻探船的抛锚进点 钻探船应根据探区的水文、气象、水域的底质的锚着力和钻探船自身的特点选择锚重、 2 上海交通大学工程硕士论文 锚型、锚缆长度和锚缆数量。 要在船首向主流方向抛主锚，然后在船的上、下首各抛八字横锚，在有往复水流的水 域，应在船尾加抛尾锚，此外还需有备用锚，以应急用。 锚缆的长度一般应大于水深的5 倍，要求主锚的长度较之其他锚缆长度大。锚重一般 大于5 0 千克。主锚的锚重应加大。锚抛好后，用调整各锚缆长度的方法，使钻探船进入 勘探点位，然后绞紧各锚缆，使钻探船得到固定。在遇潮汐时，应根据水位涨落及时调整 锚缆，使钻探船固定在钻孔位置上。 钻进深度的测量 应设立水尺，其观测范围上部高于最高潮位，下部低于最低潮位，随时观测水位变化， 校正水面标高，据以计算钻孔标高及钻进速度。 下图是我公司现用钻探船示意图 钻撵设备布鬻圈 e x p l o r a t i o ns h i p 图l 一3 上海交通大学工程硕士论文 第二章浅海表层取土样工具的方案设计 第一节基本情况介绍 根据施工需要，设计本工具要具有两种用途： 1 、 取出样品作土工试验。 2 、得出标准贯入实验值n 。 下面介绍一下标准贯入试验 标准贯入试验( s p t ) 是动力触探的一种，它利用一定的锤击能量( 锤重6 3 5 0 5 k g ， 落距7 6 2 c m ) ，将一定规格的对开管式贯入器( 对开管外径5 1 h m , 内径3 5 l m m , 长度大于 4 5 7 m m ；下端长度为7 6 l m m 、刃角1 8 2 0 0 、刃口端部厚1 6 m m 的管靴；上端接一与对开管相同 的钻杆接头，长1 5 2 m m ) 打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层变化和土 的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中3 0 c m 的锤击数n 表示( 也称标贯击数) 。 标准贯入实验结合钻孔进行，国内统一使用直径4 2 m m 的钻杆，国外也有使用直径5 0 r a m 或 6 0 m m 的钻杆。标准贯入实验的优点在于设备简单，操作方便，土层适用性广，除沙土外对硬 粘土或软岩也适用，而且贯入器能够带上扰动土样，可以直接对土样进行鉴别描述。 i 丐一 1 穿一i ) 锤 2 锤垫 3 触探杆 4 贯入器头 s 出水孑l 6 由两半圆形管 并合成贯人器 身 7 - 贯人器擎亿 图2 - 1 国标取样工具结构图 4 上海交通大学工程硕士论文 技术要求 ( 一) 钻进方法：为保证标准贯入试验用的钻孔的质量，要求采用回转钻进，当钻进至实验标 高以上1 5 c m 处，应停止钻进。为保持孔壁稳定，必要时可采用泥浆或套管护壁。如采 用水冲钻进，应使用侧向水冲钻头，不能用底端向下水冲钻头，以使孔底土尽可能少扰 动。钻孔直径在6 3 5 - 1 5 0 m m 之间，钻进时应注意以下几点： 1 、仔细清空孔底残土到实验标高； 2 、在地下水位以下钻进时，孔内水位或泥浆面始终高于地下水位足够高度，以减少土的 扰动。否则孔底涌土，会大大降低n 值。 3 、当下套管时，要防止套管下过头，若套管内的土未清除，贯入器贯入套管内的落土， 使n 值激增，不反映实际情况。 4 、下钻时要缓慢下放，避免松动孔底土。 ( 二) 标准贯入实验所用钻杆应定期检查，钻杆相对弯度应小于1 1 0 0 0 。接头应牢固，否则 受锤击后，钻杆会侧后晃动。 ( 三) 标准贯入实验应采用自动脱钩的自由落锤法，并减小导向杆与锤间的摩阻力，以保持锤 击能量恒定，它对n 值的影响极大。 ( 四) 标准贯入实验时，先将整个杆件系统连同钻杆顶端的锤击系统一起下到孔底，在净重下 贯入器的初始贯入度，在国外也作记录，如初始贯入度已超过4 5 0 m m ，不作锤击贯入实 验，n 值记为零。正常标贯实验分两段进行： 1 、预打阶段：先将贯入器打入土中1 5 0 m , 如锤击已达5 0 击，贯入度未达1 5 0 m m ，记录实 际贯入度。 2 、试验阶段：将贯入器再打入土中3 0 0 m ，记录每打入l o o m 的锤击数，累计打入3 0 0 姗 的锤击数即为标贯基数n 当累计击数已达5 0 击，而贯入度未达3 0 0 硼，终止实验，记 录实际贯入度s 及累计锤击数n 。按下式计算贯入3 0 0 m 的锤击数n ： n - 丝 4s ( 五) 标贯实验可在钻孔全深度范围内等间距进行， 等预实验的土层范围内等间距进行。 ( 2 1 ) 间距i 米或2 米，也可以仅在沙土、粉土 影响因素 标准贯入实验n 值的影响因素很多，下表列出了有关的因素及其对n 值的影响。 上海交通大学工程硕士论文 表2 i 影响因素对n 值的影响 钻孔孔底土的应力状l 、使用套管和清水比使用泥浆 一5 0 态2 、水头不平衡 1 0 0 3 、大的孔径比小孔径 一3 5 锤击能量的传递4 、卷扬钢索吊打锤比自由落体 + i 0 0 5 、锤垫的大小 5 0 6 、钻杆直径的差异 l o 7 、落距的变化误差 1 0 贯入器规格9 、使用大内径、贯入器比标准规格贯入器 一l o - 3 0 1 0 、贯入o - 3 0 c m 比贯入1 5 4 5 c m 标贯击数沙土 - 1 0 中硬粘土 - 3 0 1 1 、贯入3 0 6 0 c m 比贯入1 5 4 5 c m 沙土 + 1 5 中硬粘土 + 3 0 由表2 1 可见，钻孔孔底土的应力状态、锤击能量的传递是最重要的误差来源，设计工具时 必须考虑这些影响因素，通过必要的分析计算和对比，做到和国标实验状态尽量相同。 杆长修正 当标准贯入试验深度增大，钻杆长度超过3 米时，考虑锤击能量损失，采用的指标应乘以 触探杆长度矫正系数a ，取值见表2 2表2 2 i 触探杆长度m 3 69 1 2 1 51 82 12 4 l 校正系数a 1 0 00 9 20 8 60 8 10 7 70 7 30 7 00 6 3 第二节目前的装备及设计构思 目前的装备及施工技术 目前，我公司使用的取样工具就像一部小型钻机，安装在小型船舶上，用5 时钻杆+ 取芯钻 头进行施工，施工时船舶靠锚绳固定，容易随海浪晃动和漂移。在每个井位约2 个不同位置， 每个位置大约在3 0 个不同深度取样，整个井位调查约取6 0 个不同样品。整个取样工序跟钻井 取芯基本相同，每取一个样就要进行一次起下钻，不但起下钻耗时长，而且下钴时不容易对井眼， 6 上海交通大学工程硕士论文 经常重复钻进，有时取一个样钻一个井眼，致使作业时间延长，取6 0 个样品约需纯工作时间 7 2 小时。由于海上气候多变，遇上恶劣天气则必须撤离，待气象允许再次施工时又必须重新定 位，有时一口并要重复勘察多次，这加大了经费投入，延迟了工期，增加了作业风险。因此，如何 设计一种快速简便的取样工具就是一个十分重要的问题。由于国内外象胜利海洋钻井公司这样 从事极浅海作业，同时作业海域又是世界上独一无二的泥沙严重淤积的黄河入海口近海的公司 不多，因此参考或借鉴的可能性不大，根据施工实际研制一种新型施工工具是必然的选择。 设计原则 为了和国家岩土工程标准相统一，也为了简化设计，降低成本，本工具应采用重锤撞击取 样的方法。它有一些基本的技术要求，首先，在取样时，如果需要多次锤击，取样筒必须保持 在井底，不得向上提拉，否则所取样品将混杂，计算也就没有了可对比性。其次，取样时，如 果需要多次锤击，则每次撞击锤座取样的能量要尽量相等。最后，锤击能量要尽可能的全部用 于撞击取样，减少额外消耗，将细长杆传输、海水中运动阻力、泥沙阻力等因素进行计算，设 计中予以考虑。 基本设计思路选择 一、顶部撞击式取样 这是岩土工程使用的标准方法，用5 时钻杆+ 中空钻头靠旋转加水力喷射钻到取样深度后， 循环清空井底，卸下水龙头，下入取样工具，其重锤在井口上部，项部的撞击能量由较细的杆 件传到井底，但在海上施工中，这种方法并不十分适用和恰当，其原因有： 1 、海上船舶在施工过程中有晃动现象，连接探杆会弯曲，有时和护壁钻杆发生碰撞， 能量损失很大，且具有随机性，无法通过计算进行校正，也不可能得出经验公式， 测量结果可信性极差。 2 、目前海上施工有2 - 2 0 米的水深影响，当水深较大时，加上4 0 米泥线以下需调查 的土层，探杆的长度会变得很大，近6 0 米，不但能量损耗巨大，而且也无经验公 式和校正系数，在现场使用过程中出现了打不动、取不出样品的情况，无法测得 正确的数据。 3 、每取出一个样品，即需要起下一次探杆，每根探杆长度不到3 米，卸扣、上扣耗 费大量时间，延长了海上施工的工期。 二、底部撞击式取样 7 上海交通大学工程硕士论文 用5 时钻杆+ 取心钻头靠旋转加水力喷射钻到取样深度后，循环清空井底，卸下水龙头， 下入绳索取样工具到井底，设计换向机构和锤体，进行往复的撞击作业，使取样工具的取样筒 保持在井底，其锤体上提固定距离后自由落下，完成一次对取样筒的撞击，比较硬的地层要撞 击多次，取样成功后用钢丝绳将取样工具提出井口，取出样品。接上水龙头及钻杆继续钻进。 到达取样深度后重复取样作业。 其主要优点如下： l 、由于钢丝绳起下取样工具比起下探杆要迅速的多，所以工期大大缩短。预计取6 0 个样 品的施工时间将由7 2 小时缩短为1 2 小时，大大提高工作时效。 2 、消除了探杆弯曲造成的影响，提高了测量数据的准确性和可对比性。 3 、消除了探杆长度不同对测量结果影响，使得测量结果基本和探杆长度无关，无需抒长 修正系数。 缺点： 取样锤在钻杆内部的海水中进行自由落体运动，将受到海水的复杂阻力，需通过计算和 现场实验评判其影响，在设计时予以考虑。但这种影响是可以计算和修正的，不具有随机性。 下图是施工过程设想简图 d r i l l s t a n d a r ds a m p l e图2 - 2 根据以上分析，我们确定底部撞击式取样工具为设计方向。 8 上海交通大学工程硕士论文 第三节底部撞击式取样工具方案设计 既然底部撞击式取样工具是设计方向，要完成这种工具，必须通过一定手段，使锤体 在钻杆内可以简单的、可重复的获得特定能量，撞击锤座并传递能量于井底的取样筒，要 完成此项功能，有多种方案可选： 一、方案选择： 1 、电磁式 可有多种办法，通过必要的电子或电磁器件，在井眼内或井口外测量锤体的运动距 离和撞击状态，其工作循环有以下几步构成： 电磁式的特点是： 锤体己提离设定距离， 打开控制开关，使锤体 自由下落，撞击锤座。 测量贯入深度，未超过 3 0 公分，等待下一次贯 击信号。大于3 0 公分， 记录锤击数 ( 1 ) 需要增加电子电路部分设备，需要增加传感器，在海洋施工环境中，腐蚀严重， 系统可靠性会降低。 ( 2 ) 可以做到高度自动化，精度也可以达到较高水平。 ( 3 ) 投资成本将会较高。 2 、液压式 液压式的工作原理与电磁式的工作原理基本相同，如果采用此方法，必须要增加 液压设备、液压控制阀件等设备，投资也会较大。 3 、机械换向机构 这种方法结构简单，成本低廉，不易损坏、能够适应海水腐蚀、泥沙混杂的恶劣工作环 境，精度也可达到较高水平，是较简单适用的一种方法。可以设计一种工具，下入5 时钻杆内 部，靠钢丝绳上提下放一段距离，锤体在井底上提固定距离后自由落下，撞击锤座，完成一次 冲击井底取样的过程，多次上提下放，即可多次锤击。 这是一种结构简单、投资少，精度高设计方案，是工具研制的首选方案。 9 上海交通大学工程硕士论文 二、机械换向机构结构设计： 实现机械式换向可选择的方法较多，考虑到海上恶劣的工作环境及施工状况，结构设计中 要尽量避免使用间隙较小的活动副，以免腐蚀生锈或泥沙夹杂时阻力增大，影响正常运动状态。 下图是我们设计的旋转轨道提锤式取样工具结构示意图： 1 0 上海交通大学工程硕士论文 钩的轨道顶端 上接堵头滑杆 一 图中未标明长度单位的数字代表i n l l l 图2 - 4 、轨道底面设计示意图 1 1 上海交通大学工程硕士论文 图2 - 5 、取土工具组合示意图 上海交通大学工程硕士论文 此旋转轨道式提锤取样工具的工作过程是： 1 、结构介绍：钢丝绳系在吊环上，吊环焊接在提钩管上，提钩管底部有轴承，可沿轨道系统 进行滑动，中心杆、轨道系统、锤座、取土器、取样筒通过螺纹连接成为_ 体，铅锤顶部 有轴承通过轨道系统可以上下滑动。 2 、工作过程：下入取样工具时，由于堵头的封堵，提钩管通过堵头吊起中心杆、轨道、铅锤 等整套工具，此时铅锤就座在锤座上，当取样简抵达井底时，继续下放钢丝绳，则提钩沿 轨道系统下滑，到达钩锤点时，提钩旋转即钩住铅锤，此时若仍继续下放，提钩和铅锤的 位置保持不变。若上提钢丝绳，提钩钩住铅锤上行，到达脱钩点时提钩位置旋转，铅锤即 沿轨道垂直下落，撞击锤座，再次下放钢丝绳则可以重复锤击作业。在中心杆堵头上连接 一根细尼龙绳到井口，即可测量标准贯入深度。见图2 5 。 上海交通大学工程硕士论文 第三章取土样工具的结构尺寸设计计算方法 既然工具的结构设计已确定，本章的重点就是进行理论分析计算，确定各部 分的结构尺寸。在此工具设计中，最关键的是锤体在水中撞击锤座的能量要和国 标工具相等。国标工具的撞击能量是6 3 5 公斤的锤体自由下落7 6 厘米，即6 3 5 k g 重锤以速度3 8 6 米秒速度撞击锤座。为了简化计算，本工具也采用6 3 5 k g 的 重锤，需要计算的就是在什么情况下撞击锤座的速度恰好也是3 8 6 米每秒。而 这最容易的实现办法就是增加下锤体的运动距离，其他结构尺寸可以基本确定， 锤的上下止点距离没有确定，需要通过受力分析，计算下锤体的运动加速度，然 后通过积分求出在速度达到3 8 6 米秒时下锤体的运动距离。由此距离即可设计 出锤体脱钩点和下止点之问的距离，工具设计即可完成。 第一节重锤下落受力分析计算 水的动能损失：目前，比较方便使用的钻井工具是5 时钻杆，它的内径是1 0 8 r m ，欲设 计的取样工具的下锤体的外径是8 0 r a m ，中心杆的直径是3 3 r m 。己知在水温1 5 度时，海水的运 动粘度u = 1 1 4 x1 0 督s ，水的动力粘度i i 卸0 6 3 p a s ，在取样工具锤体的下落过程中，它始 终位于5 时钻杆内部，当下锤体达到设定的3 8 6 米，秒速度时，将有和下锤体等体积的水沿环 空向上流动，也就是说，下锤体的势能将有部分损失，转化成环空水体的动能，这部分的能量 为： 下锤体的截面积s l ： s l = 环空面积s 2 s 2 = 4 1 盟! ! ：= ! ：! 堕：o 0 0 4 1 3 4 4 1 4 上海交通大学工程硕士论文 若下锤体的下落速度为v ，则环空水流平均速度为；，：生旦竺! ! ，：1 0 0 8 9 。 0 0 0 4 1 3 4 则当下锤体速度达到3 8 6 米，秒时，环空水流平均速度将达到3 8 9 米，秒，水流的长度可简化为 下锤体的长度，它具有的动能是： w = z m 、，2 = s 2 i pv ，2 = 0 5 x o 0 0 4 1 3 4 x 2 3 1 0 0 0 x 3 8 9 = 1 8 5 二二 这些能量需下锤体的势能来转换，则下锤体的下落高度应增加 由w - - m g h 得：h _ 旦= ! ! ：! 卸0 2 9 7 米 m g 6 3 5 9 s 则由于环空水的流动需增加的落锤距离为2 9 7 厘米。 t i 萄9 析下锤体的受力情况并计算由这些力的影响而增加的落锤距离： 下锤体的受力有： 重力、浮力、顶端水阻力、沿程水阻力、惯性力。其中，重力和浮力容易确定，需要计算的是 顶端水阻力和沿程水阻力。下面分别分析和计算这两个力。 f i g u r e3 - 1 s t r e s so f l o wh a m l l l e f 图3 - 1 上海交通大学工程硕士论文 一、沿程水阻力计算 当达到最大速度3 8 6 m s 时，根据参考资料2 第2 1 4 页，异型管道的雷诺数与i f 缶界雷诺数表， 即本文的表3 - 1 ，它的雷诺数为： r e = 丝：翟掣( 3 - 1 ) 了2 1 百矿 - - - 9 4 8 0 7 1 1 0 0 表3 - 1 撼方形 管道断蜇形状 |，| 台侉声 b 一 r e - - - - - _ l v pd h 私 卫曼一 羔笏旦( 力一孑) 一4 v pp 恕c 2 0 7 移1 9 3 0l l l o o e 显然，当速度达到最大3 8 6 m s 时，雷诺数远远大于下界雷诺数，管内水流动为紊流。 由临界雷诺数1 1 0 0 反算层、紊流的水临界速度可得： v c = 1 1 0 0 x 口6 = 1 1 0 0 x 1 1 4 x 1 0 6 o 0 2 8 = 0 0 4 4 8 m s 即当水流速度达到o 0 4 4 8 矗s 时，就已经变成了紊流。在锤体下落的过程中，速度从0 逐渐增 达到3 8 6 米秒，当速度很小时，锤体侧面所受的沿程阻力也很小，所以，可以忽略速度o 0 4 4 8 m s 之前的层流运动所受的阻力，下锤体的整个运动过程可以看作水流一直处在紊流状态，沿用紊 流运动的沿程阻力公式。 1 6 上海交通大学工程硕士论文 根据参考资料1 ，水力学中适用任何形状断面的沿程水头损失通用公式3 - 1 1 睁入吉善 ( 3 - 2 ) 式中入沿程阻力系数。液流长度；v 液流速度；d 水力直径：g 重力加速度 可见，沿程阻力h f 与水流的速度平方成正比，与沿程阻力系数入成正比，当工具结构尺寸确定 时，d 值为确定值。 在紊流状态，对于整个紊流区值的计算，应用下面较方便的计算式( 参考资料1 公式3 - 4 3 ) 吼1 1 ( 等+ 以6 8 ) 0 。2 5 ( 3 - 3 ) 式中k s 为常用管道的当量粗糙度，查参考资料1 表3 - 1 ，一般状况的钢管，当量粗糙度k s 为0 1 9 m m ，d 水力直径：耻雷诺数 将肛罟= 是黑14 y 1 l o - o l 矗= 0 1 9 r a md = 2 8 r a m 代入公式( 3 3 ) 可得 凡：0 11 ( o 0 0 6 7 8 5 6 7 + 0 0 0 2 7 6 8 6 ) 。2 5 v = o0 11 ( 6 7 8 5 7 + 2 76 8 6 v1 “2 5 估算入的值，当速度v 略高于紊流边界速度0 0 4 4 8 m s 时，例如 v = 0 5 m s 时 = o 0 3 6 5 当v 不断增大时： v = l m s 时 x _ q 0 3 4 3 v = 1 5 m s 时 x ：0 0 3 3 5 v = 2 m s 时 = o 0 3 3 1 v = 2 5 m s 时 = 0 0 3 2 8 v = 3 m s 时 = o 0 3 2 6 v = 3 8 m s 时 入- - 0 0 3 2 4 如不简化计算， 式中将含有v 的一o 2 5 次方，进而h f 将含有v 的1 7 5 次方，很难进行下 一步的分析计算，查莫迪图法对变化的雷诺数也没法解决，所以我们必须估算 的值。根据以上 计算， 值在不同的速度时，变化的范围并不大，同时，可以预见，下锤体的运动加速度随速度 的增大将减小，若取速度居中的话，影响不会太大。所以，方便计算起见，我们取 = o 0 3 3 1 1 7 上海交通大学工程硕士论文 则： h f = 垒生：! ：塑! ! ! ：! ! 堡= 0 1 3 9v z d 2 9 0 0 2 8 x 2 9 8 由于所受水头损失的单位是米，为了下一步计算需要，需换算压强，由 p = t og h = pg h f 可得： 压差损失为p , = 1 0 0 0 0 o 1 3 9v2 = 1 3 9 0v - 2 ( 帕) 据参考资料2 第3 0 7 页，平行平面缝隙与同心环形缝隙却切应力计算公式，见表3 2 可知：下锤体的管壁压差切应力为 【声丝：1 3 9 0 v 2 x 00 2 8 ：8 4 6v 2 2 ， 2 x 2 3 表3 - 2 平行平板间的流动公式 j i ：照- 孵切联台嘏席缝压麓蕾锋算t i el 巨 鼍鼎| ， 动 ，号影 彤 ， 式 卸泐 2 l 从。士。警巾取- + 。号 2 ) 从。士哆中取。一。母 逢缓分椰 - 一箬t 如。 士警。一笳t 靠一妒 - 一c ，詈 迦 j 1 越体 l ：的切砖 r 一筹士孚r 筹 f ， 7 ”了 l l 啦 q 一糕士学舡笔警q 一警 甲均造虞 - 一篇士萼c ，一篇 c ， ”。i 功书拟， ，一a 霞芋t 皿善尉轴矗嚣脚 1 s 上海交通大学工程硕士论文 下锤体的纯剪切应力为： t j - 譬：o 0 6 3 xv o 0 1 4 = 4 5v ( p a ) 则下锤体所受的侧面阻力为 f _ = ( t ，t j ) s = ( t ，+ 1j ) x x d l = ( 8 4 6 v 4 5 v ) x x o 0 8 x 2 3 = 4 8 9v2 + 2 6v ( 牛顿) 二、锤体顶端阻力计算 在下锤体下落过程中，因边界形状发生急剧变化，将产生局部阻力，根据管道局部水头损 失系数值表( 参考资料l 第1 3 6 页) ，对稍微修圆的直角进口，取值0 2 _ o 2 5 ，针 对我们现在下锤体的形状，取值0 2 ，则顶端水头损失： h i = 三2 9 ( 3 4 ) h j = o 2v2 ( 2 9 8 ) ：0 o 1 0 2v 2 同样，h j 的单位是米，换算成力 f = p s = pg h s = pg h jnr 2 4式中，s 取为锤体的端面积， 可得：f d = o 5 1 3v 2 三、计算锤体所受的浮力 锤体所受的浮力：下锤体的结构尺寸确定，其底部有一个空腔，空腔内部灌铅，用于减小下 锤体的尺寸。根据下锤体的结构尺寸，通过计算体积，即可算出下锤体所受的浮力 体积v = ( r 2 _ r z ) 1 3 + ( r 1 2 _ r 1 2 ) 1 = j t ( 0 0 4 2 - 0 0 1 6 5 2 ) x 1 3 + ( 0 0 4 2 - 0 0 3 5 2 ) l = 0 0 6 6 m 3 f # - v pg = o 0 0 6 6 1 0 0 0 0 = 6 6 牛顿 第二节锤体下落距离计算 在上一节中已经分析了锤体下落过程中的受力情况，本节将通过上节受力分析，计算锤体 的下落距离。 锤体的下降加速度：a 等于重力减去浮力、侧面则力、顶端阻力后与下锤体质量的比值， 上海交通大学工程硕士论文 即： a ： 肼 ：矗一如- f 倒- f a ： 6 2 2 6 6 4 8 9 v 2 2 6 v o 5 1 3 v 2 6 3 5 = 8 7 6 0 0 8 5v2 - 0 0 4v 下面我们要通过积分计算求出速度v 与时间t 的数学关系 上式即： 宰= 8 7 6 - 0 o s 5v2 一o 0 4v 变换后可得： 磊五话d v 而。破即1 1 7 而1 01 f 5 0 2 国 8 7 6 一o 0 8 5 v 2 一o0 4 v 2 ( v + | 2 3 5 ) 将此式两边积分可得： 1 1 7 。 1 1 n 型! ! ! ! ：望坠f + c 2 1 0 1 5 1 0 1 5 一( v + o 2 3 5 ) 变换后得： ，：! ：! ! 型：娑堕 ( 3 5 ) 忙1 i 币- 一 w 上式即下锤体速度与时间的数学关系式，注意，当时间t 很小时，因为我们采用紊流阻力 公式，此时水的流动不是紊流，所以式3 - 5 不适用。 将最终将达到的速度v = 3 8 6 米秒代入式3 - 5 ，解得： t = o 4 6 3 7 秒 在空气中，若忽略空气阻力，按自由落体加速度9 8 米秒计算，达到速度3 8 6 米秒所需时 间为t = 3 8 6 9 8 = 0 3 9 4 秒，可见新i b - r 具的单程下落时间有0 0 7 秒的差距。 当下锤体在下降0 4 6 3 7 秒后，将达到设定的速度3 8 6 米秒，将具有和国标工具相同的能 量，下面计算在o 4 6 3 7 秒的时间内下锤体下降的距离。 由s = v t 得： d s = vd t即： 凼= 型铲哆 令1 8 4 5 t = x 则： 肚黑r 等 上海交通大学工程硕士论文 s = 5 3 7 4j p o 每挚1 - 5 3 7 4j r o “5 瓮等- l - p 1 p 1 氓3 ，4 厂( 一珊 = o 8 7 米 即下锤体欲达到3 8 6 米秒的运动速度，需0 4 6 3 7 秒的时间，在此时间内，它运动距离为 0 8 7 米，所以，下锤体上下止点之间的距离应为0 8 7 + 0 0 2 9 7 = 0 9 0 米，由此，工具的关键部 分尺寸己确定。其他各部分不是很关键，本文不再介绍。 本工具尺寸确定后，经过多方联系与调研，我们在北京兴盛元科技股份有限公司，加工制 作了一套表层取土样工具，及相关重要备件，用于现场试验。 下图是新、旧工具实物图片，左侧为旧工具，右侧为新工具。 f i g u r e3 - 2图3 - 2 2 1 上海交通大学工程硕士论文 第四章现场试验 第一节实验基本情况 4 1 1 实验介绍 本工具曾进行多次试验，包括陆上和海上实验，陆地实验主要测试机构的运转情况，海上实 验主要测试新工具和国标工具的对比情况，下面分别进行介绍。 陆地实验 新工具加工完成后，在海兴地质勘察大队进行了一次机构运转测试，下面是实验照片 图4 1 经过测试，发现新工具机构运转灵活， 4 1 2 海上实验 本次现场实验的目的为： 图4 2 能够正常动作，可以满足运动需要。 上海交通大学工程硕士论文 一一j 在同等地层情况下，对比新工具与国标工具标贯结果，并找出存在差距的原因。 2 初步确定新工具的标贯次数与地层承载力、桩腿之间的关系，得出经验公式指导选择 不同的平台进行钻井施工。 4 1 3 海上实验的任务为： 工程地质钻孔4 个，深度均为7 0 米左右。每两个钻孔在同样深度做新工具、国标工具标 贯对比实验。 标贯要求：自泥线起o 1 5 米每米取一个岩层样品，每米一个标贯；1 5 7 0 米每3 米取一 个岩层样品，一个标贯实验。 4 1 4 实际完成的工作量 1 工程地质钻孔4 个，总进尺2 6 0 8 0 米。四个钻孔控制在直径5 米的范围内。 2 取原状土样1 2 8 件，进行原位测试( 标准贯入试验) 1 2 0 次。下面为海上实验图片 图4 - 3 4 1 5 实验、调查的局限性 在我们分析及实验中，假设海底土质条件与钻孔所揭示的情况是相同的，对海底斜坡、不 规则性、土层深部的横向变化、地质构造及其它情况的不作考虑。 2 3 上海交通大学工程硕士论文 4 1 6 钻井平台描述7 胜利九号钻井平台 本井拟采用的胜利九号钻井平台是一条三桩腿支撑式平台。桩靴直径：7 9 m ，高2 6 5 m ， 单桩极大加载为2 6 7 5 5 千牛，单桩工作荷载为1 4 8 6 4 千牛。 第二节试验过程 在双体船上安装o e c - 3 0 0 顶部电驱动钻机，用a p i5 时钻杆，内平通径1 0 8 8 和中空的刮 刀钻头组成的旋转钻具组合。用钢丝带动取样工具，井下的自动重力锤下井进行取样作业，用 2 5 0 泥浆往复泵进行循环，备有配制泥浆用的粘土、纯碱等泥浆材料和配泥浆罐( 槽) 。 实验钻孔作业： 时间1 0 天，共钻孔4 个，用一套美国g a r m i n 生产的g b x - p r o 卫星定位仪进行钻孔定 位，用第二套美国m o t o r o l a 生产的差分定位仪进行复测，座标合格后下入组合钻具，探测实 际水深，下入绳索取样工具，进行第一次取样，记下锤击数，并进行现场简单描述分类，然后 开始钻进至第二个取样深度，把钻具上提离井底o 2 m 左右，停泵，下入绳索取样工具进行第 二次取样，并记下锤击数，依此类推，查到实钻设计的取样深度位置( 见下表) ，进行钻探并 取样。在4 个钻孔中，均在相同深度做标贯实验。在4 个钻孔取样、做标贯实验时，2 个钻孔 用新工具，2 个钻孔用国标工具，在使用国标工具时，全部选择风平浪静，锚绳固定紧固，船 舶抽水压舱，没有晃动的好天气，消除海浪晃动造成的影响，使之和陆地标准贯击实验条件相 同，以取得必要的对比数据，对新工具性能进行研究和计算、改进。在钻探取样过程中，每半 个小时测一次水深，并用实测水深对土样深度进行校正，土样蜡封并保持按土的原始沉积状态 存放。 野外施工情况 ( 1 ) 船只定位 本次采用美国g a r m i n 公司生产的6 b x - - p r o 型动态实时差分定位系统，定位精度1 4 1 m ，钻 孔坐标如下： 北京一5 4 坐标系统 c b i 井位设计坐标： 上海交通大学工程硕士论文 直角坐标：x = 4 2 3 2 8 7 2 ，y = 2 0 6 5 3 0 8 2 大地坐标：北纬n = 3 8 。1 2 5 3 6 7 ，东经e = i1 8 。4 4 5 2 4 7 c b i 井钻孔就位实测坐标： 1 号钻孔：直角坐标：x = 4 2 3 2 8 7 3 ，y = 2 0 6 5 3 0 8 1 2 号钻孔：直角坐标：x = 4 2 3 2 8 7 4 6 ，y = 2 0 6 5 3 0 8 1 3 3 号钻孔：直角坐标：x = 4 2 3 2 8 7 0 7 ，y = 2 0 6 5 3 0 8 0 5 4 号钻孔：直角坐标：x = 4 2 3 2 8 7 3 4 ，y = 2 0 6 5 3 0 8 3 钻探及取样 钻探取样操作是在一艘2 0 0 马力的双体船上进行的，船长3 0 米，宽1 2 o o 米，吃水1 5 米，使用6 只缆长1 0 0 米的锚将船固定在孔位上。钻孔时把钻机安装在船中间的甲板上，跨过 一个穿透甲板孔径为0 5 米圆孔的o e c - 3 0 0 型钻机。配制泥浆时使用一台固定往复泵，钻具结 构是：a p i5 时钻杆，内平通径1 0 8 n n 和中空的刮刀钻头组成的旋转钻具组合。 在钻到每一个取样深度处，上提钻具用卡板卡住钻杆之后，将绳索取样器通过套管下放到 取样深度。取土器被绳索所系质量为6 3 5 千克的滑动锤击入土中，锤的落距约为0 9 0 米，通 过足够的锤击数，将取土器贯入所需的深度，取样时，在较软的粘性土及粒状土中使用交通部 三航上海钻探工具厂生产的薄壁取土器，该取土器取样高度为0 5 米，取样质量高，土样扰动 小。在较硬的粘性土中使用普通取土器，该取土器取样高度为0 3 米。取样间隔为0 至1 5 米， 每l 米取一个样，1 5 米深度以下，每3 米取一个样。 当土样取出后，工程师在船上进行观察鉴定、描述，每个土样包装用蜡密封后装箱后运到 陆地实验室，在实验室进行的各项试验都依据土工试验方法标准( g b j l 2 3 8 8 ) 之规定，土 层资料整理依据国标岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 9 4 ) 及海上平台场址工程地质勘察 规范( g b1 7 5 0 3 - 1 9 9 8 ) 进行。试验结果列在图4 - 4 钻孔柱状图上。 l 号钻孔情况记录表( 国标工具) 表4 - 1 井段 l 抗剪单位体标贯 1 序号地层描