導(dǎo)管架平臺(tái)井口回接結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究

郭洪升

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京100028） ①

導(dǎo)管架平臺(tái)井口回接結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究

郭洪升

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京100028） ①

在海洋石油開發(fā)工程實(shí)踐中，為節(jié)約成本，縮短投產(chǎn)時(shí)間，需要利用原有的具有開采價(jià)值的勘探井。為了在施工過程中保證導(dǎo)管架的準(zhǔn)確就位及保護(hù)原有井口，需要設(shè)計(jì)井口回接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。針對(duì)國(guó)外某項(xiàng)目的具體情況，提出了一種利于井口保護(hù)、便于導(dǎo)管架安裝的新型井口回接結(jié)構(gòu)。詳細(xì)說明了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的各組成部分及整個(gè)安裝過程的關(guān)鍵步驟。介紹了導(dǎo)管架與導(dǎo)向樁最大容許碰撞速度的確定方法，以及在碰撞載荷作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算，為類似海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

海上平臺(tái)；井口裝置；連接；導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

為了縮短海上平臺(tái)建設(shè)周期，節(jié)約工程及鉆井成本，在海上油氣田開發(fā)過程中可考慮保留有開采價(jià)值的勘探井，這就涉及到井口回接問題，從而對(duì)導(dǎo)管架的安裝精度提出更高的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要考慮導(dǎo)管架安裝過程中對(duì)井口的保護(hù)，導(dǎo)管架上隔水套管導(dǎo)向與原有井口的精確對(duì)接，以及井口回接［1］操作空間要求等，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)例，介紹了一種新型井口回接防撞結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。這種結(jié)構(gòu)型式在國(guó)外項(xiàng)目中有應(yīng)用實(shí)例，而在我國(guó)海洋平臺(tái)中還沒有推廣使用。因此，可為國(guó)內(nèi)平臺(tái)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 井口回接方式

根據(jù)預(yù)鉆井形式以及原有井口結(jié)構(gòu)，在施工中常采用的井口回接方式有［2］：導(dǎo)向樁與套筒的對(duì)接、樁與緩沖框架的對(duì)接以及基盤與緩沖框架的對(duì)接。通常情況下，可考慮采用導(dǎo)向樁的方式，即在導(dǎo)管架底部設(shè)置與導(dǎo)向樁直徑相適應(yīng)的對(duì)接套筒或緩沖框架結(jié)構(gòu)（設(shè)有緩沖裝置如硬木、橡膠等），與已安裝在預(yù)定海床位置的導(dǎo)向樁進(jìn)行對(duì)接；導(dǎo)向樁頂部高程由原有井口及隔水套管導(dǎo)向結(jié)構(gòu)確定。為便于安裝及定位，套筒上部設(shè)計(jì)為錐形（如圖1），樁可由套筒內(nèi)打入。

圖1 預(yù)鉆井基盤

該項(xiàng)目中，井口平臺(tái)所在海域水深為70m，導(dǎo)管架為4腿4樁結(jié)構(gòu)，有15口井槽（如圖2所示），隔水套管直徑為660.4mm（26英寸），原有井口頂標(biāo)高距離泥面3.92m?？紤]到后續(xù)其他井的鉆井操作，并避免水泥及巖屑返回對(duì)施工的影響，該平臺(tái)中底層隔水套管導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（如圖2b所示）距離海底約3.0m，且其高程應(yīng)低于原有回接井口0.5～1.0m。

圖2 隔水套管導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

2 井口回接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的井口回接結(jié)構(gòu)包括水下基盤、導(dǎo)向樁及緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)3部分，作用是保護(hù)原有井口免受導(dǎo)管架安裝時(shí)的碰撞破壞；能夠準(zhǔn)確進(jìn)行導(dǎo)管架的安裝定位。整套結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 本文采用的井口回接結(jié)構(gòu)

2.1 水下基盤

水下基盤（如圖4所示）主要是由H型鋼組成的框架結(jié)構(gòu)，其底部有多個(gè)類似錨釘?shù)难グ?，起著一定的固定作用，同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)吊裝入水后在海床上的抗滑移及抗傾覆能力，在框架底部還設(shè)計(jì)了防沉板，并且在防沉板與底部型鋼組成的0.6m高的空間內(nèi)填充有水泥砂漿，以降低水下基盤的重心，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

水下基盤在靠近導(dǎo)管架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)計(jì)了樁套筒，用于定位導(dǎo)向樁。同時(shí)，為了便于插樁，在套筒的頂端設(shè)有圓錐導(dǎo)向，并噴涂有易于識(shí)別的油漆顏色，以利于安裝時(shí)吊裝人員的操作判斷。為吊裝方便，在基盤結(jié)構(gòu)上還設(shè)置了4個(gè)吊點(diǎn)。

圖4 水下基盤結(jié)構(gòu)

2.2 導(dǎo)向樁

導(dǎo)向樁的直徑、壁厚以及貫入深度可根據(jù)導(dǎo)管架安裝時(shí)的碰撞載荷以及所在位置的土壤參數(shù)設(shè)計(jì)確定。由于導(dǎo)向樁的位置決定了導(dǎo)管架的最終安裝位置，因此導(dǎo)向樁打入后，應(yīng)測(cè)量導(dǎo)向樁在泥面處的實(shí)際坐標(biāo)。同時(shí)，導(dǎo)管架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)上的緩沖裝置（硬木）等應(yīng)根據(jù)導(dǎo)向樁的實(shí)際位置在運(yùn)輸船上進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)導(dǎo)向樁的間距。

為便于導(dǎo)管架安裝，2個(gè)導(dǎo)向樁距離泥面的高度相差1.5m。當(dāng)導(dǎo)管架靠近導(dǎo)向樁時(shí)，首先由高的導(dǎo)向樁定位，該項(xiàng)目中較高的導(dǎo)向樁距泥面高度8.957m，另一導(dǎo)向樁為7.457m，導(dǎo)向樁設(shè)計(jì)入泥深度25m，直徑1 219.2mm（48英寸）。為便于插樁，導(dǎo)向樁用白色油漆涂裝。

2.3 導(dǎo)管架上的緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管架上的緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與2個(gè)導(dǎo)向樁的設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，如圖5a和5b所示。為側(cè)限導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，形狀類似“牛角”（CORN HORN），2個(gè)“角”之間的內(nèi)間距與導(dǎo)向樁外壁間距相對(duì)應(yīng)，該結(jié)構(gòu)支撐在導(dǎo)管架最底層的水平層。導(dǎo)管架在安裝下放過程中，當(dāng)靠近導(dǎo)向樁時(shí)首先由較高的導(dǎo)向樁定位，然后調(diào)整導(dǎo)管架安裝角度，沿2個(gè)導(dǎo)向樁下放。為了緩沖導(dǎo)管架下放過程中與導(dǎo)向樁之間的碰撞，避免鋼與鋼之間的直接接觸，在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)上設(shè)有硬木，用來吸收部分碰撞能量，如圖5b和5c所示。在海上安裝導(dǎo)管架之前，硬木的位置或尺寸可根據(jù)導(dǎo)向樁的實(shí)際安裝位置在駁船上進(jìn)行調(diào)整，以確保導(dǎo)管架的準(zhǔn)確就位，在安裝過程中允許其受到碰撞并發(fā)生變形。

圖5 導(dǎo)管架上的緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

3 井口回接施工過程

在井口回接的施工過程中，為了控制水下基盤結(jié)構(gòu)的就位位置和定位方向，在該結(jié)構(gòu)的2個(gè)角點(diǎn)處分別裝有水下羅經(jīng)儀。水下羅經(jīng)儀是海洋結(jié)構(gòu)安裝中常用的定位裝置，為了減小安裝誤差，通常還采用DGPS羅經(jīng)儀校驗(yàn)定位。水下基盤結(jié)構(gòu)的安裝位置決定了導(dǎo)向樁的位置，因此應(yīng)根據(jù)導(dǎo)管架的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)位置以及原有井口坐標(biāo)確定水下基盤結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)。同時(shí)，水下基盤結(jié)構(gòu)的位置也決定了導(dǎo)管架的安裝位置。為避免對(duì)導(dǎo)管架實(shí)際安裝位置做較大調(diào)整，基盤結(jié)構(gòu)的安裝位置不得偏于目標(biāo)位置50mm，不得偏離其標(biāo)定的地理位置坐標(biāo)0.20°或50mm。整個(gè)安裝過程可簡(jiǎn)述如下：

1） 將水下基盤結(jié)構(gòu)吊裝入水并下放至海底，該過程需要水下羅經(jīng)儀和數(shù)字全球定位系統(tǒng)（DGPS）進(jìn)行輔助定位。

2） 檢查確定水下基盤是否已安裝在原定的目標(biāo)位置。

3） 將較短導(dǎo)向樁打入。

4） 將較長(zhǎng)導(dǎo)向樁打入。

5） 檢查并測(cè)量導(dǎo)向樁的方向和位置。

6） 調(diào)整導(dǎo)向結(jié)構(gòu)上的緩沖硬木間隙。

7） 將導(dǎo)管架吊裝入水。

8） 對(duì)導(dǎo)管架充水扶正。

9） 調(diào)整導(dǎo)管架，使其最底端至少高于海床7 m，并且高出水下結(jié)構(gòu)樁套筒頂端至少3m。

10） 利用ROV輔助導(dǎo)管架的安裝，監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

11） 繼續(xù)調(diào)整導(dǎo)管架，使導(dǎo)向結(jié)構(gòu)水平桿件位于導(dǎo)管架的豎直平面內(nèi)。

12） 將牛角結(jié)構(gòu)的一角靠向?qū)驑?，并保證導(dǎo)管架的就位方向準(zhǔn)確。

13） 下放導(dǎo)管架，使導(dǎo)管架的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)水平桿件同時(shí)緊靠較短的導(dǎo)向樁，并允許導(dǎo)向樁在安裝過程中出現(xiàn)較小位移。

14） 導(dǎo)管架的位置由2個(gè)導(dǎo)向樁確定，并應(yīng)注意防止其與樁套筒結(jié)構(gòu)的碰撞。

15） 將導(dǎo)管架緩慢下放至泥面，導(dǎo)管架坐底。

16） 水下基盤結(jié)構(gòu)不做拆除，將永久留在海底。

4 井口回接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架安裝過程中，需要保證導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、水下基盤及原有井口的安全性，即其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核應(yīng)滿足規(guī)范要求，各結(jié)構(gòu)之間的相互影響可通過對(duì)接分析進(jìn)行評(píng)估。為了便于安裝，還應(yīng)控制導(dǎo)管架在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及導(dǎo)管架對(duì)導(dǎo)向樁可能產(chǎn)生的碰撞。具體來說，可以考慮2種工況，如圖6所示。第1種工況為靜力工況，如果導(dǎo)管架的移動(dòng)速度很小，導(dǎo)管架緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)緩慢靠近導(dǎo)向樁，此時(shí)兩者之間不存在沖擊性的碰撞，可視為擬靜態(tài)過程。這種工況需要對(duì)導(dǎo)管架在最不利的安裝環(huán)境條件下（考慮一年一遇波浪和流）的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。第2種工況中，導(dǎo)管架在向井口移動(dòng)時(shí)可能會(huì)對(duì)某一導(dǎo)向樁產(chǎn)生碰撞，為保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)減小碰撞能量，控制導(dǎo)管架的移動(dòng)速度不得超過最大容許碰撞速度。

圖6 井口回接結(jié)構(gòu)校核計(jì)算工況

4.1 最大容許碰撞速度

在導(dǎo)管架安裝過程中，需要注意結(jié)構(gòu)在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)靠近導(dǎo)向樁之前導(dǎo)管架的移動(dòng)速度。該參數(shù)是此類安裝設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容，安裝過程中施工操作人員應(yīng)注意控制導(dǎo)管架的實(shí)際速度不得超過最大容許碰撞速度值，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄。確定最大容許碰撞速度的基本原則是保證此速度下產(chǎn)生的導(dǎo)管架動(dòng)能不會(huì)引起導(dǎo)向樁及導(dǎo)管架本身結(jié)構(gòu)的破壞，具體計(jì)算可按以下步驟確定。

1） 能量吸收 在導(dǎo)管架安裝過程中，當(dāng)導(dǎo)管架緩沖導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向樁之間產(chǎn)生碰撞時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的碰撞動(dòng)能全部由樁－土系統(tǒng)來吸收，此時(shí)樁體強(qiáng)度UC值＜1.0且其在彈性變形范圍內(nèi)時(shí)可得到樁－土系統(tǒng)能夠吸收的最大能量，也就是總的碰撞動(dòng)能?？墒紫雀鶕?jù)樁強(qiáng)度計(jì)算求得樁頭最大水平載荷和樁的側(cè)向位移，以及土體的側(cè)向變形等，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果來計(jì)算樁－土系統(tǒng)吸收的總能量。能量的吸收分為2部分，即土體所吸收的能量及樁體本身變形吸收的能量。

2） 土體吸收的能量 由于導(dǎo)向樁主要是受到橫向力的作用發(fā)生側(cè)向位移，因此計(jì)算中沒有考慮土體對(duì)結(jié)構(gòu)軸向及端面的約束。根據(jù)土體本身的非線性、p－y曲線特性以及樁體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可將土體簡(jiǎn)化為提供側(cè)向約束的彈簧，從而求得總的吸收能量E1。

3） 樁體吸收的能量 根據(jù)導(dǎo)向樁的受力情況，只考慮彎曲變形引起的樁體能量吸收；對(duì)于剪力引起的變形能量吸收，則忽略不計(jì)。樁體彎曲變形所吸收的能量E2可按下式求得，即

式中，M為彎矩；E為樁的彈性模量；I為樁的慣性矩。

4） 最大允許碰撞速度 在導(dǎo)管架與導(dǎo)向樁的碰撞過程中，假設(shè)導(dǎo)管架動(dòng)能全部由樁－土系統(tǒng)來吸收。因此有

式中，m為導(dǎo)管架自重；v為最大容許碰撞速度。

根據(jù)式（2），可求得導(dǎo)向樁的最大容許碰撞速度。

4.2 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的程序是SACS，其分析模型如圖7所示。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和管節(jié)點(diǎn)沖剪校核均按照API RP 2A－WSD 21th（2007）中的有關(guān)規(guī)定［3］進(jìn)行。

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.3 設(shè)計(jì)載荷

導(dǎo)管架施工應(yīng)選擇在利于安裝的氣候窗進(jìn)行，在井口回接過程中，結(jié)構(gòu)會(huì)受到以下載荷的作用：

1） 結(jié)構(gòu)自重力 包括導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)及安裝時(shí)導(dǎo)管架上的附屬結(jié)構(gòu)（例如登船平臺(tái)、護(hù)舷、吊點(diǎn)、索具平臺(tái)、防沉板、浮筒等）的總重力。

2） 浮力 作用在結(jié)構(gòu)水面以下部分的浮力。

3） 環(huán)境載荷 主要是風(fēng)、海流、波浪作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上的載荷。由于安裝過程中風(fēng)力較小，可忽略不計(jì)。

4） 碰撞力 碰撞力可按照導(dǎo)管架自重力的百分比估算得到，取值為

式中，W為導(dǎo)管架在水中的自重力。

水下基盤結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向樁強(qiáng)度計(jì)算的基本載荷工況如表1所示。

表1 基本載荷工況

結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最惡劣影響的適當(dāng)載荷條件。將上述基本載荷條件進(jìn)行組合，靜力工況及碰撞工況下組合載荷工況及相關(guān)組合系數(shù)如表2所示。

表2 組合荷載工況

續(xù)表2 組合載荷工況

4.4 計(jì)算結(jié)果

本項(xiàng)目中所采用的導(dǎo)向樁直徑為1 219.2mm（48英寸），入泥25m；導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量約為1 800t，經(jīng)過計(jì)算分析，求得其最大容許碰撞速度為0.482m／s。水下結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向樁的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)滿足安裝強(qiáng)度要求，桿件最大UC值分別如表3～4所示。

表3 水下結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向樁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表4 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1） 根據(jù)海洋工程實(shí)踐中井口回接的需要設(shè)計(jì)了一種新型井口回接裝置。該裝置可以對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并可以有效地保護(hù)原有井口不被破壞，滿足井口回接的操作要求。

2） 新型井口回接裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具備導(dǎo)向和緩沖功能，便于導(dǎo)管架的安裝操作，因此在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3） 當(dāng)回接井口數(shù)量較多時(shí)，需在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。在今后的工程實(shí)踐中，可根據(jù)實(shí)際安裝過程記錄研究多井口回接的技術(shù)方案，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過技術(shù)改進(jìn)來適應(yīng)多井口回接的工程需要。

［1］ 曹 川，馮 宇，王金宏，等，海洋油氣井水下井口回接裝置［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：88－90.

［2］ 楊曉剛.導(dǎo)管架與基盤導(dǎo)向樁的對(duì)接技術(shù)分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2001，16（3）：21－26.

［3］ API RP 2A－WSD 2007，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms－Working Stress Design［S］.

Study on New Technology of Well Tie－back for Jacket Platform

GUO Hong－sheng
（Engineering Design Institute，CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

In offshore oil and gas development project，the original exploring well is usually utilized for drilling purpose to save the cost and make the production ahead of time.Well tie－back guides should be designed to ensure the accurate positioning of the jacket and the protection of the original well simultaneously.This paper introduces one type of guides which can provide good protection for the well and facilitate the installation of the jacket.The components of the structure are illustrated and the procedure of the installation is dealt with in detail.In addition，the determination method of the maximum allowable impacting velocity of the jacket to the guides is explained and the structure has been checked to resist the impact from the jacket.This method can be referred to in the future similar project.

offshore platform；wellhead equipment；connection；guides

TE952

A

2012－01－29

郭洪升（1969－），山東壽光人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)研究及管理工作，E－mail：guohs.cpoe＠cnpc.com.cn。