超長(zhǎng)隔水套管優(yōu)化和管樁吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬晉雄 海洋石油工程股份有限公司

魏志德 天津海金德石油工程技術(shù)有限公司

劉 文 海洋石油工程股份有限公司

路健健 戎國(guó)強(qiáng) 天津海金德石油工程技術(shù)有限公司

隨著海洋石油行業(yè)的逐步發(fā)展，海洋石油平臺(tái)大型化，相應(yīng)的井口數(shù)量在增加，受隔水套管自由站立強(qiáng)度影響，隔水套管的分段單節(jié)一般較短，因此分段較多，嚴(yán)重影響海上施工效率。另隔水套管吊點(diǎn)在打樁過(guò)程中為干涉結(jié)構(gòu)，需要占用較多時(shí)間切除。本文以某項(xiàng)目為例，通過(guò)優(yōu)化吊點(diǎn)設(shè)計(jì)形式和優(yōu)化隔水套管分段的方式，提高海上施工效率。

1.項(xiàng)目介紹

某項(xiàng)目?jī)勺鶎?dǎo)管架共有100口井，詳設(shè)基于常規(guī)吊裝模式的強(qiáng)度計(jì)算要求，將隔水套管分成3節(jié)，需要對(duì)300節(jié)隔水套管進(jìn)行吊裝及安裝。

面對(duì)巨大工作量，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化并得到顯著效果。

2.隔水套管節(jié)數(shù)吊裝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

按照常規(guī)做法，隔水套管吊點(diǎn)一般位于套管底部外側(cè)（詳見(jiàn)圖1），首節(jié)利用板式頂部吊耳形式進(jìn)行起樁，現(xiàn)場(chǎng)駁船掛扣及起吊耗時(shí)長(zhǎng)，且打套管至吊耳位置后需對(duì)吊耳后進(jìn)行切割打磨，第二節(jié)套管利用板式底部吊耳形式進(jìn)行鎖樁后起樁，現(xiàn)場(chǎng)駁船掛扣及起吊耗時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，傳統(tǒng)的板式吊耳形式不僅掛扣時(shí)操作繁瑣，切割打磨過(guò)程耗時(shí)嚴(yán)重，且操作過(guò)程存在較大安全隱患。

圖1 原方案隔水套管分段與吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖2 優(yōu)化后隔水套管分段設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目首先結(jié)合主作業(yè)船吊機(jī)和隨船履帶吊共同吊裝，解決了隔水套管首節(jié)平吊強(qiáng)度問(wèn)題；其次充分考慮隔水套管施工資源，使用振動(dòng)打樁錘和柴油打樁錘替代傳統(tǒng)液壓打樁錘，解決了隔水套管自由站立強(qiáng)度問(wèn)題。將3節(jié)隔水套管中的首節(jié)和二節(jié)合并為一節(jié)（詳見(jiàn)圖2）。

3.管樁吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

隔水套管打樁作業(yè)是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，整個(gè)打樁過(guò)程套管端部會(huì)受到上千次的錘擊。因此必須對(duì)應(yīng)力集中位置進(jìn)行疲勞分析，以保證高應(yīng)力區(qū)域不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

針對(duì)管樁吊點(diǎn)優(yōu)化，通過(guò)頭腦風(fēng)暴形式提出多種方案進(jìn)行比選，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工人員意見(jiàn)，提出多種隔水套管吊點(diǎn)形式。后經(jīng)專家論證、評(píng)估和試驗(yàn)等，最終確定使用效率和安全性均較好的開(kāi)孔形式。

設(shè)計(jì)階段結(jié)合隔水套管的安裝過(guò)程，應(yīng)用ANSYS軟件建立了套管新型吊孔的靜力學(xué)分析模型。采用有限元計(jì)算利用鏜孔技術(shù)在套管頂部鉆出直徑為46mm的吊孔，替代傳統(tǒng)吊耳（詳見(jiàn)圖3）。由于鏜孔破壞套管本身結(jié)構(gòu)，降低局部打樁強(qiáng)度，通過(guò)計(jì)算掏孔頂部增加凹槽可以最大程度上減少打樁對(duì)隔水套管頂部掏孔吊點(diǎn)的影響，因此在頂部增加凹槽設(shè)計(jì)。

開(kāi)槽前：IHC S200 18%錘效下，應(yīng)力集中區(qū)域距離孔中心半徑為60mm 的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。隔水套管最大應(yīng)力339.5Mpa。超過(guò)18%錘效，隔水套管發(fā)生破壞。

開(kāi)槽后：IHC S200 70%錘效下，應(yīng)力被分散到開(kāi)孔兩側(cè)樁體。隔水套管最大應(yīng)力313.6Mpa。

圖3 優(yōu)化后隔水套管吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過(guò)直接在隔水套管頂部開(kāi)孔作為吊點(diǎn)，起吊強(qiáng)度滿足要求。經(jīng)過(guò)模擬錘擊受力，發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔部位強(qiáng)度不足，最大只能承受18%的錘擊能量。通過(guò)在開(kāi)孔頂部設(shè)置減壓開(kāi)孔，將絕大多數(shù)錘擊能量分散到完好樁體，保護(hù)了開(kāi)孔部位。優(yōu)化后最大錘擊能量70%，滿足使用要求。

針對(duì)單純開(kāi)孔不滿足打樁計(jì)算強(qiáng)度要求的情況，單純加強(qiáng)吊點(diǎn)周圍結(jié)構(gòu)效果不明顯，且突出隔水套管外壁依然會(huì)對(duì)打樁造成干涉。采用開(kāi)孔內(nèi)外均增加13mm厚加強(qiáng)環(huán)，計(jì)算錘效可以達(dá)到62%，仍不及減壓槽的效果。

管樁吊點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)延伸，大尺寸管樁吊裝適用性校核，根據(jù)另一項(xiàng)目油田區(qū)域土壤進(jìn)行打樁計(jì)算，并提取有土塞且長(zhǎng)期停錘的最危險(xiǎn)工況中打樁錘的最大應(yīng)力，施加在ANSYS模型上，對(duì)套管模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算。

由于打樁過(guò)程是對(duì)套管切割段的長(zhǎng)時(shí)間的有規(guī)律的錘擊，因此我們依據(jù)DNV規(guī)范中要求的疲勞分析計(jì)算公式，對(duì)相應(yīng)的套管模型在實(shí)際打樁過(guò)程中的情況進(jìn)行模擬計(jì)算，保證套管在最危險(xiǎn)工況下，不會(huì)因疲勞強(qiáng)度不足造成損壞，也可利用計(jì)算結(jié)果對(duì)管樁打樁分析進(jìn)行指導(dǎo)控制。

4.結(jié)論

管樁新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)目的成功應(yīng)用，具體如下效益：

4.1 技術(shù)成果

（1）簡(jiǎn)易化的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)理念；

（2）應(yīng)用ANSYS軟件建立了管樁新型吊孔的靜力學(xué)分析模型，對(duì)管樁模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算。

4.2 經(jīng)濟(jì)成果

根據(jù)主作業(yè)船施工效率統(tǒng)計(jì)，隔水套管的海上安裝時(shí)間將占總工期的60%左右。將3節(jié)套管優(yōu)化為2節(jié)和管樁吊點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省近30%的隔水套管安裝時(shí)間。

管樁節(jié)數(shù)及吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的新工藝，此方法對(duì)常規(guī)導(dǎo)管架鋼樁和隔水套管的吊裝安裝方式進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。從根本上解決鋼樁和隔水套管海上無(wú)吊裝器情況下的耗時(shí)費(fèi)力的吊裝現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)海上施工降本增效。

4.3 社會(huì)效益

該技術(shù)誕生在較為成熟的常規(guī)渤海灣淺水導(dǎo)管架隔水套管施工技術(shù)中，該技術(shù)設(shè)計(jì)成熟、可靠性強(qiáng)，通過(guò)模擬計(jì)算指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工有利，已為后續(xù)多個(gè)項(xiàng)目參考并爭(zhēng)相采納使用。