一種緊湊型井口架的設(shè)計

尹彥坤

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司，湛江 524057）

0 引言

井口架是一種最小型化的井口平臺，上部只有采油樹、井口控制盤等設(shè)施，沒有其他的油氣處理設(shè)施。它的一種主要用途是現(xiàn)有平臺打調(diào)整井的需要，生產(chǎn)中的平臺經(jīng)常需要打調(diào)整井以提高采收率、降低開發(fā)成本，而受平臺結(jié)構(gòu)強度和空間的限制，內(nèi)掛井槽或者外掛井槽往往不可行，或者工程費用偏高。增加井口架可以增加井槽，并依托老平臺原有設(shè)施進行生產(chǎn)，節(jié)約開發(fā)成本。井口架的另一種用途是開發(fā)小油田區(qū)塊的需要，井口架加鉆采平臺形成蜜蜂式采油模式，從而降低開發(fā)成本。2010年1月，潿洲11-4北平臺（圖1）要進行增加井槽打調(diào)整井的方案設(shè)計，擬最多增加7口調(diào)整井。潿洲11-4北平臺是兩腿三樁簡易平臺，結(jié)構(gòu)儲備強度較少，投產(chǎn)后又經(jīng)過了經(jīng)過多次改造。經(jīng)過結(jié)構(gòu)核算，發(fā)現(xiàn)強度不足，樁基承載能力也趨近極限，無法直接加掛井槽。因此決定增加一個能自存的井口架。本文對該井口架的設(shè)計安裝過程進行介紹。

圖1 潿洲11-4北平臺

1 結(jié)構(gòu)方案的確定

考慮到潿洲11-4北平臺的實際情況和節(jié)約鉆井、工程等費用的要求，新型井口架的設(shè)計需要解決以下幾個問題：一是新的井口架必須要有足夠的剛度，不給老平臺增加荷載負擔；二是控制單吊重量在250噸以下，以便能適用小型的浮吊船，節(jié)約安裝費用；三是新增加的井口要與老的井口布置緊湊。

1.1 井口區(qū)的布置

確定井口架的結(jié)構(gòu)形式首先要確定井口區(qū)的布置。為了鉆修井方便，新增加的井口要與老的井口布置緊湊，以便鉆井船的懸臂式井架能夠從左側(cè)夠得著老井，并且鉆井船就位一次，就能修所有的新井和老井。井口區(qū)的布置如圖2所示。

圖2 井口架的井口區(qū)與老井口區(qū)的相對位置

1.2 確定腿柱的數(shù)量和布置

初步分析用一根腿柱來掛五個隔水套管的話，整體剛度不足，因此至少需要兩根腿柱。把兩個腿柱布置在井口區(qū)的左側(cè)是一種常規(guī)的方法，但是這樣布置會導致井口架的上部甲板面積太大，造成浪費，同時導管架的重量也會比較大。為了減輕整體重量，合理利用隔水套管（圖3），經(jīng)分析認為，把左側(cè)的兩根隔水套管和腿柱合并在一起（圖4），利用隔水套管兼作主樁，這樣既節(jié)約了兩根主樁，又優(yōu)化了井口架的整體布置，預計節(jié)約鋼材用量100噸左右。

圖3 隔水套管的布置

圖4 樁的布置

1.3 確定樁的數(shù)量和布置

按照圖4布置完兩根主樁以后，還需要另外兩根樁形成平面穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。經(jīng)過分析對比，采用42寸（1068mm）樁、12m跨距的三角形底盤形式，整體形式會比較優(yōu)化，因此需要再增加2根跨距12m的樁與上述2根隔水套管形成三角形的導管架底盤。此外，為了減輕腿柱重量和波浪荷載，新增的兩個樁采用水下樁形式。

經(jīng)過上述分析，可以確定井口架的基本形式（圖5）。整體由上部組塊、導管架和隔水套管組成，有兩根水下樁和兩根主樁，主樁兼作隔水套管。上部組塊包括上部組塊甲板、上部組塊腿柱；導管架包括導管架腿柱、導管架斜支撐、裙樁套筒和防沉板。兼作主樁的隔水套管為914mm,其他隔水套管610mm,水下樁1068mm。導管架吊裝重量210噸，組塊結(jié)構(gòu)吊裝重量90噸。

圖5 整體結(jié)構(gòu)形式

2 設(shè)計分析

井口架的設(shè)計及計算分析要包含從安裝就位到生產(chǎn)的所有工況，安裝工況包括裝船分析、運輸分析、吊裝分析、坐底穩(wěn)性分析、打樁分析等，在位工況包括在位靜力分析（包括極端環(huán)境條件和操作條件）、地震分析和疲勞分析，這點與常規(guī)的平臺設(shè)計類似，因此，以下將重點介紹該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要特別注意的問題。

2.1 群裝效應(yīng)

由于結(jié)構(gòu)緊湊，主樁距離隔水套管太近，二者距離沒有超過樁直徑的8倍，在計算樁基承載能力和基礎(chǔ)剛度時，要考慮群裝效應(yīng)。群裝效應(yīng)的計算要根據(jù)API RP 2A規(guī)范來進行，在海工結(jié)構(gòu)計算程序SACS中，通過調(diào)整 P-Y,T-Z曲線的系數(shù)來實現(xiàn)。

2.2 樁端承載力的計算

井口架的主樁兼作隔水套管，主樁內(nèi)會進行鉆井作業(yè)和下套管，這樣樁端就不會形成土塞，樁端承載能力也不存在。因此在計算樁基承載能力時，只考慮樁側(cè)摩阻力的貢獻，而不考慮樁端承載力的貢獻。

2.3 安裝過程中重心的變化

井口架是非對稱結(jié)構(gòu)，在空氣中有一個重心位置，而在入水時，由于浮力的影響，在水中的重心位置可能存在較大變化。因此在配置索具時，要充分考慮到中心的變化，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜甚至傾覆。

2.4 坐底穩(wěn)性

井口架的底盤較小，并且由于重量的限制不可能把防沉板設(shè)計的過大。因此坐底穩(wěn)性不足可能導致安裝時坐底傾斜。解決方法是在老平臺的樁腿上增加一個安裝導向，既能扶住井口架不致發(fā)生傾斜，又能精確定位安裝位置。導向結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 安裝導向

3 安裝過程

3.1 焊前準備

井口架的整個安裝過程如圖7所示，具體安裝步驟如下：

1）井口架的導管架、上部組塊和隔水套管在建造碼頭裝船，運輸至安裝場地；

2）在老平臺上焊接安裝導向；

3）導管架用浮吊吊起，入水，在導向的輔助下就位；

4）插樁，打樁，調(diào)平，打入隔水套管；

5）安裝上部組塊，上部組塊與老平臺連接。

4 結(jié)構(gòu)形式的特點和優(yōu)點

4.1 結(jié)構(gòu)利用率高

隔水套管從導管架腿柱中間打入，作為樁基礎(chǔ)并兼作上部組塊的腿柱，這種模式有效的節(jié)省了材料費用和建造安裝費用，結(jié)構(gòu)利用率高。

圖7 安裝過程

4.2 結(jié)構(gòu)形式合理

本結(jié)構(gòu)主要的承載能力形式為2根隔水套管+2根水下樁。導管架所承受的環(huán)境荷載（主要是波浪力）主要集中在水面和飛濺區(qū)附近，減少這一區(qū)域的構(gòu)件數(shù)量和截面尺寸，可以有效地減少環(huán)境荷載，故2根水下樁的采用可以有效減少波浪力，從而減少了導管架重量。

4.3 剛度較大

經(jīng)過核算，該井口架能夠在百年一遇風浪下自存，整體剛度超過老平臺。與老平臺連成一個整體后，整個平臺得到了加強。剛度對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 100年環(huán)境條件下的甲板位移對比

4.4 重量較輕

本井口架的最大吊裝重量是210噸，因此可以利用的浮吊資源比較豐富，從而可以采用小型浮吊進行安裝，較大地節(jié)省安裝費用。表2是與幾個典型的常規(guī)建議平臺的對比。

5 結(jié)束語

本文中的井口架形式是在常規(guī)的平臺結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)之上，為了適應(yīng)油田增效的實際情況的一種大膽創(chuàng)新。這種新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用受現(xiàn)有平臺的實際情況的限制，也存在一些不足，需要在后期的油田開發(fā)實踐中不斷完善。但是，由于其結(jié)構(gòu)簡單合理、形式優(yōu)化、重量較輕的特點，可作為后續(xù)的邊際油田開發(fā)、油田調(diào)整井開發(fā)以及其他海工結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參考范例。

表2 幾個典型簡易平臺的重量對比

[1]API.API RP 2A Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress design, 21th edition[S].2004.

[2]AISC.Specification for Structural Steel Buildings, 13th edition[S].2005.

[3]周守為, 曾恒一.海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].天津: 天津大學出版社, 2007.

[4]竺艷蓉.海洋工程波浪力學[M].1991.

[5]中國海洋石油（中國）有限公司.Study on metocean environmental parameters of Weizhou marginal oil fields[R].2005.