QHD32-6WHPH平臺外掛井槽結(jié)構(gòu)設(shè)計施工與維護

周健狀，穆 頃，張曉頻，安振武，王夢穎

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計研發(fā)中心，天津 300452

海上油田開發(fā)在創(chuàng)造了可觀財富的同時，也面臨著隨投產(chǎn)年限增加而逐年減產(chǎn)的問題[1]。為彌補產(chǎn)能不足，平臺外掛井槽技術(shù)應(yīng)運而生。外掛井槽技術(shù)以其空間制約性小、改造量適中、平臺適應(yīng)性強、經(jīng)濟效益好等特點[2]，在渤海海域得到了廣泛的應(yīng)用。

外掛井槽改造在渤海油田大范圍開展的同時，也面臨結(jié)構(gòu)改造難度越來越大的問題，主要體現(xiàn)為：為滿足鉆完井側(cè)鉆以及總體布置要求，新增井口距離原井口區(qū)距離大（常規(guī)外掛井槽最大跨距為8 m）；受水下管卡連接空間制約；對結(jié)構(gòu)連接強度要求高，上述設(shè)計難點可通過新增樁腿加掛井槽解決。新增樁腿方案的缺點是建設(shè)周期長、建造成本高、施工量大。針對外掛井槽技術(shù)的以上設(shè)計難點開展研究，以期改進已有的外掛井槽技術(shù)，更好適應(yīng)大跨度和管卡空間受限問題，大幅降低建造成本，縮短建設(shè)周期。

1 工程實例

秦皇島油田QHD32-6WHPH平臺于2014年投產(chǎn)，為4腿4主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)?？紤]平臺無剩余井槽可用以及現(xiàn)有井口側(cè)鉆無法滿足油田調(diào)整開發(fā)需求，計劃新增井口開采潛力井位，提高采油速度和采收率。

綜合考慮供應(yīng)船靠船碰撞風(fēng)險、管道改造工作量、安全通道合規(guī)性及海域使用限制等因素，經(jīng)方案比選，計劃在平臺南側(cè)外掛5個井槽（如圖1所示），采用鉆井船進行鉆、修井。

圖1 平臺南側(cè)外掛井槽

關(guān)于鉆井船的就位方案，分別考慮了平臺東、南、西、北四個方位。其中：平臺北側(cè)與吊機存在干涉，平臺南側(cè)與已有棧橋存在碰撞風(fēng)險，平臺西側(cè)與海管、海纜路由干涉，平臺東側(cè)鉆井船懸臂梁需外伸12.2 m。綜上，鉆井船在平臺東側(cè)就位最為有利，為推薦方位。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 井口片

一般情況下，外掛井槽置于導(dǎo)管架外部，需通過水上和水下井口片與原導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)連接；井口片的標高與原導(dǎo)管架水平層標高一致。井口片與原導(dǎo)管架的連接：水上一般為焊接連接，水下常采用管卡連接。井口片的作用是：為隔水套管提供水平方向的支撐，作為隔水套管安裝工況下的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)連接外側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。

2.1.1 水上井口片

常規(guī)水上井口片的結(jié)構(gòu)形式見圖2，一般為一根外側(cè)弦桿與若干垂直的撐桿通過焊接連接至原導(dǎo)管架水平層，垂直撐桿布置在隔水套管間隙和外側(cè)。

圖2 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水上井口片

QHD32-6WHPH平臺外掛井槽方案，新增井槽遠離原井口區(qū)，跨距大（井口片跨距約11 m），新增井槽5個，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的空間布置和強度要求高。為提高水上井口片設(shè)計強度和剛度，水上井口片的形式改進如下：一方面，提高管材規(guī)格，采用610鋼與508鋼等；另一方面，改進其結(jié)構(gòu)形式（見圖3），在一根外側(cè)弦桿與若干垂直撐桿的傳統(tǒng)形式基礎(chǔ)上，增加兩根橫向撐桿，另設(shè)內(nèi)部斜撐連接新增橫撐與原導(dǎo)管架。此種結(jié)構(gòu)形式對于大跨距的井口片具有良好的適應(yīng)性。

圖3 改進結(jié)構(gòu)形式的水上井口片

2.1.2 水下井口片

常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水下井口片（見圖4）類似于水上井口片，一般由一根外側(cè)弦桿與若干垂直的撐桿組成，撐桿通過管卡連接至原導(dǎo)管架水平層，垂直桿件布置在隔水套管間隙和外側(cè)。

自覺挖掘茶葉采摘、制作和茶藝表演的旅游觀賞和科普教育價值：（1）通過茶葉采摘教授游客如何采摘茶葉、制作茶葉，讓游客在親身體驗中增長有關(guān)茶葉的知識，享受快樂；（2）通過參觀茶葉加工區(qū)，向游客展示殺青、揉碾、烘干、提香、篩選、包裝等茶葉生產(chǎn)的全過程；（3）通過茶藝表演展示各種茶葉沖泡技藝的形象演示，科學(xué)地、生活化地、藝術(shù)地展示泡飲過程，使人們在精心營造的優(yōu)雅環(huán)境氛圍中，得到美的享受和情操的熏陶。

圖4 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水下井口片

QHD32-6WHPH平臺外掛井槽的方案中，水下井口片既面臨大跨距問題，還面臨水下管卡連接空間受限的問題，即管卡布置位置與垂直撐桿的布置位置不兼容。水下井口片結(jié)構(gòu)形式的改進優(yōu)先考慮水下管卡的可用空間，以確定管卡位置。因為管卡連接垂直撐桿會與新增隔水套管產(chǎn)生干涉，所以設(shè)計矩形框架結(jié)構(gòu)作為隔水套管的支撐框架，將隔水套管與水下井口片的連接轉(zhuǎn)化為與矩形框架的連接，從而擺脫管卡連接垂直撐桿的位置制約。此外，水下井口片也增加了若干撐桿，以提高強度與剛度，見圖5。

圖5 改進結(jié)構(gòu)形式的水下井口片

考慮到水下井口片與導(dǎo)管架為管卡連接，繞管卡軸心轉(zhuǎn)動的約束差，水上井口片設(shè)計了兩根分別連接至導(dǎo)管架主腿與組塊主結(jié)構(gòu)的斜撐，以彌補新增結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度不足。

2.2 連接螺栓

QHD32-6WHPH平臺，共計使用了三處螺栓連接：其一，水下井口片采用管卡與原導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)連接；其二，受限于運輸空間，水下井口片采用法蘭連接，一分為二；其三，隔水套管防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片采用法蘭連接。上述三處的螺栓連接是本項目的設(shè)計要點之一。提取計算得到的螺栓連接處的桿件內(nèi)力，將其轉(zhuǎn)化為單根螺栓受到的拉力、橫向剪力和扭轉(zhuǎn)剪力。校核結(jié)果表明，連接螺栓需采用10.9級承壓型高強螺栓，并施加355kN的預(yù)拉力。其中，螺栓連接最危險處為防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片連接處。

水下螺栓長期承受波流的作用，螺桿的自由長度對于維持預(yù)緊力至關(guān)重要。QHD32-6WHPH水下主要結(jié)構(gòu)的螺栓連接見圖6。設(shè)計中采用雙頭螺栓，且螺栓外伸長度不小于5倍直徑，以保證足夠的連接強度。

圖6 螺栓設(shè)計

2.3 防撞結(jié)構(gòu)

外掛井槽方案使得新增隔水套管位于導(dǎo)管架外部?？紤]隔水套管作為平臺重要結(jié)構(gòu)，遭受破壞后果嚴重，因此常在外掛隔水套管外部設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮防撞結(jié)構(gòu)承受風(fēng)、浪、流以及冰荷載條件下不被破壞。防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計常使用508鋼或406鋼，且不考慮腐蝕余量。防撞結(jié)構(gòu)作為次要結(jié)構(gòu)，在損傷、腐蝕或破壞時應(yīng)及時修復(fù)更換。以上設(shè)計兼顧了保護隔水套管的需求和改造經(jīng)濟性。

2.4 隔水套管導(dǎo)向

外掛井槽的隔水套管多利用鉆修井機或鉆井船以鉆入的方式進行安裝就位，較少采用樁錘打入的方式安裝隔水套管，以避免錘擊振動對平臺生產(chǎn)的不利影響[2]。為了滿足鉆頭下放和提升的需求，隔水套管導(dǎo)向多設(shè)計為雙喇叭口形式（見圖7），且導(dǎo)向筒的直徑略大于常規(guī)錘入方式的導(dǎo)向筒，具體尺寸要求需與鉆完井方協(xié)商確定。

圖7 導(dǎo)向雙喇叭口大直徑設(shè)計

2.5 平臺結(jié)構(gòu)影響

條件允許時，應(yīng)對老平臺進行現(xiàn)狀調(diào)研，并查閱最新的檢測報告，力求在結(jié)構(gòu)計算模型中準確模擬平臺當(dāng)前的荷載狀態(tài)、腐蝕情況和損傷程度[4]。平臺外掛井槽對結(jié)構(gòu)的影響因素包括：結(jié)構(gòu)重力和浮力改變、環(huán)境荷載改變（風(fēng)、浪、流、冰荷載）、結(jié)構(gòu)整體強度和剛度變化、拆除設(shè)備、新增設(shè)備或移位設(shè)備等[3]，可能導(dǎo)致樁基承載力、樁身強度、結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點強度裕量的變化甚至不足。

外掛井槽的規(guī)模改造，需要對平臺結(jié)構(gòu)進行整體的靜力、地震、疲勞分析[5]，視情況需要進行管卡校核、螺栓校核、非管節(jié)點等局部分析[6-7]。

QHD32-6WHPH平臺因海域受限，使用鉆井船鉆完井。對于使用平臺原修井機的情況，需重點關(guān)注新增井槽處修井工況，通常樁基承載力影響較大，且一般需要對原組塊結(jié)構(gòu)進行局部加強。

3 外掛井槽施工

3.1 施工前準備工作

外掛井槽施工前需對周邊海底細致探查，確認鉆井船就位避讓區(qū)內(nèi)沒有海底電纜和海底管道。水下管卡與導(dǎo)管架連接處需提前清理，包括干涉的陽極以及海生物，并對連接處打磨。

3.2 施工方案

外掛井槽施工的一般順序為：組塊結(jié)構(gòu)改造→水下井口片連接→水上井口片連接→防碰撞結(jié)構(gòu)連接→組塊設(shè)備就位與管道連接。具體施工順序可根據(jù)項目實際情況適當(dāng)調(diào)整。

QHD32-6WHPH外掛井槽的具體施工方案如下：改造組塊結(jié)構(gòu)，陸上預(yù)制單根梁段，海上焊接組對；水下井口片，在陸上分兩片預(yù)制，海上利用臨時工裝輔助安裝；水上井口片，在陸上預(yù)制單根管段，利用工裝吊裝，并在海上焊接；防撞結(jié)構(gòu)，先法蘭連接水下井口片，后焊接水上井口片。

4 平臺維護

在平臺運行期間，外掛井槽結(jié)構(gòu)形式需要考慮4個方面維護措施。

（1）海生物清理。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮防撞結(jié)構(gòu)與平臺一致的海生物厚度，海生物的厚度越大，對平臺整體越不利，應(yīng)堅持按照規(guī)定的最大海生物厚度及時清理。

（2）防撞結(jié)構(gòu)。在平臺服役期間，應(yīng)重點對防撞結(jié)構(gòu)進行檢測，確保防撞結(jié)構(gòu)的完整性和有效性。在防撞結(jié)構(gòu)防腐油漆脫落后進行補漆作業(yè)；當(dāng)油漆脫落無法按時修復(fù)且防撞結(jié)構(gòu)桿件壁厚腐蝕嚴重（可考慮原始壁厚一半）時，更換局部桿件或整個防撞結(jié)構(gòu)。

（3）水下管卡及螺栓。水下井口片的管卡形式連接、井口片之間的法蘭連接以及防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片的法蘭連接，都是通過螺栓連接的。螺栓長期受到海洋環(huán)境荷載的作用，損耗大。在平臺服役期間應(yīng)對管卡進行定期檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連接異常時（如橡膠破損等）及時修復(fù)和更換；同時，在水下檢測作業(yè)時密切監(jiān)控螺栓連接的情況，當(dāng)有螺栓或螺母脫落時，立即著手補齊。

（4）井口關(guān)斷保護。平臺運行期間須嚴格控制船舶的靠船方向，避免靠近新增井口區(qū)域；在新增井口區(qū)域設(shè)置警示牌或警示燈，防止不可預(yù)料的意外碰撞；平臺宜采取相應(yīng)的關(guān)斷設(shè)計，當(dāng)新增井口遭受劇烈撞擊導(dǎo)致井口壓力突然變化時，平臺自動關(guān)斷井上、井下安全閥，防止油氣外泄。

5 結(jié)束語

在已建海洋平臺外側(cè)增加井槽的方案，能有效利用原平臺上部設(shè)施，彌補產(chǎn)能不足的問題。外掛井槽技術(shù)日漸成熟，目前在渤海海域多個平臺得到了成功應(yīng)用。本文以QHD32-6WHPH平臺為例，詳細梳理了外掛井槽方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點、施工方案和后期維護事項。針對該平臺的自身特點，重點介紹了大跨度井口片的設(shè)計、矩形框架井口片的設(shè)計及連接螺栓的設(shè)計，可為類似工程項目的設(shè)計、施工和維護提供一定借鑒，也可推廣到土建鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)的大跨度解決方案、空間受限的結(jié)構(gòu)連接方案中，具有廣泛的實用性和參考價值。