較深水導(dǎo)管架隔水套管安裝方案優(yōu)化及提效技術(shù)

魏佳廣， 王浩宇， 黃山田， 崔廣亮， 邱 煒， 嚴(yán)亞林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

隔水套管是海上鉆井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)施，也是油氣井生產(chǎn)的重要通道。在導(dǎo)管架施工期間，淺水導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管一般采用短分節(jié)長(zhǎng)度、多分段數(shù)量的方式進(jìn)行海上安裝。較深水導(dǎo)管架隔水套管的安裝受首節(jié)隔水套管翻身長(zhǎng)度和強(qiáng)度限制，導(dǎo)致隔水套管分節(jié)數(shù)量較多，且首節(jié)隔水套管不能夠直接插入泥面以下，需要懸掛在導(dǎo)管架井口區(qū)，對(duì)井口區(qū)強(qiáng)度要求較高，嚴(yán)重影響隔水套管的海上施工，具有施工效率低、建設(shè)成本高的特點(diǎn)。因此，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效油氣田開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)較深水導(dǎo)管架隔水套管的安裝效率提升技術(shù)進(jìn)行研究很有必要。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

以南海鶯歌海盆地內(nèi)的東方氣田某平臺(tái)為例，新建1座WHPA導(dǎo)管架平臺(tái)，基準(zhǔn)面水深為62.3 m，導(dǎo)管架第1水平層高度為+8.5 m。根據(jù)資料，隔水套管原始設(shè)計(jì)分為5節(jié)，第1節(jié)隔水套管長(zhǎng)度為59.2 m，第2～第4節(jié)隔水套管長(zhǎng)度均為30.5 m，第5節(jié)隔水套管長(zhǎng)度為13.2 m，規(guī)格均為直徑Ф762 mm×壁厚25 mm。隔水套管常規(guī)安裝方法如圖1所示。較深水導(dǎo)管架隔水套管如圖2所示。重點(diǎn)以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合較深水導(dǎo)管架隔水套管的安裝難題[1]，從較深水導(dǎo)管架隔水套管安裝方案優(yōu)化分析和提效方面進(jìn)行施工效率提升技術(shù)研究，為國(guó)內(nèi)油氣田開(kāi)發(fā)提質(zhì)增效打下基礎(chǔ)。

2 較深水導(dǎo)管架隔水套管安裝影響因素及方案優(yōu)化

2.1 安裝影響因素

WHPA導(dǎo)管架隔水套管的安裝存在如下難題[2]：

圖1 隔水套管常規(guī)安裝方法

圖2 較深水導(dǎo)管架隔水套管

(1) 東方海域泥質(zhì)較松軟，自由入泥較深，存在溜樁風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 首節(jié)隔水套管受翻身長(zhǎng)度限制，最大只能設(shè)計(jì)至59.2 m。

(3) 隔水套管初始設(shè)計(jì)分為5節(jié)，分節(jié)數(shù)量多。

(4) 導(dǎo)管架井口區(qū)懸掛隔水套管數(shù)量少，首節(jié)隔水套管不能入泥，隔水套管懸掛在導(dǎo)管架井口區(qū)。根據(jù)計(jì)算校核，WHPA導(dǎo)管架首節(jié)隔水套管1次最多懸掛1根[3](導(dǎo)管架由于考慮減小砰擊載荷和沖剪載荷的影響，井口區(qū)的設(shè)計(jì)壁厚及直徑較小)，嚴(yán)重影響施工效率。WHPA隔水套管設(shè)計(jì)所用部分土壤參數(shù)如表1所示。

(5) 冬季施工氣候窗少、效率低。

表1 WHPA隔水套管設(shè)計(jì)所用的部分土壤參數(shù)

結(jié)合上述問(wèn)題，需要?jiǎng)?chuàng)造性地開(kāi)展隔水套管安裝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，努力減少隔水套管的分節(jié)數(shù)量，提升施工工效，尤其施工季節(jié)處于季風(fēng)盛行的冬季，海況條件極為惡劣[4]，安裝氣候窗極少，嚴(yán)重影響施工效率，因此需要優(yōu)化分析施工方案，確保海上施工的安全、高效。

2.2 隔水套管方案優(yōu)化

隔水套管的分節(jié)方案優(yōu)化一直是較深水導(dǎo)管架安裝提效探討的首要考慮問(wèn)題[5-6]。WHPA導(dǎo)管架隔水套管分為5節(jié)，第1節(jié)隔水套管最大僅設(shè)計(jì)至59.2 m，在海上吊裝時(shí)需要懸掛在井口區(qū)進(jìn)行第2節(jié)的組對(duì)接長(zhǎng)，而在導(dǎo)管架井口區(qū)環(huán)境載荷的影響強(qiáng)度較弱，懸掛隔水套管數(shù)量少，按照常規(guī)的海上安裝工藝，將第1節(jié)懸掛于井口區(qū)進(jìn)行第2節(jié)的組對(duì)接長(zhǎng)，然后下放至自由入泥進(jìn)行第3節(jié)套管的組對(duì)接長(zhǎng)、下放及打樁，順序重復(fù)進(jìn)行第4和第5節(jié)隔水套管接長(zhǎng)下放、打樁，即逐節(jié)、逐根組對(duì)、接長(zhǎng)、安裝隔水套管，施工效率極低，工程建設(shè)投資較高。

通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式，保持隔水套管總長(zhǎng)度近似不變，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)入泥深度，力求減少分節(jié)數(shù)量。對(duì)WHPA導(dǎo)管架隔水套管進(jìn)行分節(jié)方案論證比選，3種比選方案如表2所示。方案1從分節(jié)數(shù)量上減少為4節(jié)，在一定程度上減少工程量，但該方案沒(méi)有解決首節(jié)懸掛井口區(qū)的問(wèn)題，采用常規(guī)施工工藝安裝，工效提升并不明顯。方案2分節(jié)數(shù)量為4節(jié)，首節(jié)長(zhǎng)度為80.0 m，第4節(jié)長(zhǎng)度為21.1 m，解決了隔水套管懸掛井口區(qū)問(wèn)題，但該海域泥質(zhì)松軟，首節(jié)隔水套管安裝自由入泥僅8 m，井口區(qū)的承載能力沒(méi)有完全解決，且首節(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要?jiǎng)?chuàng)新首節(jié)隔水套管的起樁方法，解決長(zhǎng)隔水套管翻身強(qiáng)度問(wèn)題，第4節(jié)隔水套管需要打樁，才能滿(mǎn)足施工設(shè)計(jì)要求。結(jié)合上述2種方案思路，根據(jù)施工主船藍(lán)鯨號(hào)作業(yè)能力，經(jīng)多次優(yōu)化校核分析，將隔水套管優(yōu)化為4節(jié)，創(chuàng)新將第1節(jié)隔水套管設(shè)計(jì)為90.5 m，第2和第3節(jié)隔水套管長(zhǎng)為28.5 m，第4節(jié)隔水套管長(zhǎng)為8.5 m，徹底解決首節(jié)隔水套管懸掛井口區(qū)問(wèn)題，減少1道焊口，第4節(jié)僅需組對(duì)焊接，無(wú)須打樁，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，大幅提高作業(yè)效率[7]。

表2 隔水套管分節(jié)優(yōu)化方案比選 m

3 超長(zhǎng)隔水套管起樁方案設(shè)計(jì)

在第2節(jié)中分節(jié)方案3將首節(jié)隔水套管長(zhǎng)度創(chuàng)新設(shè)計(jì)為90.5 m，在駁船甲板上利用浮式起重機(jī)直接起樁的常規(guī)作業(yè)方式已不滿(mǎn)足其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。因此，針對(duì)首節(jié)超長(zhǎng)隔水套管的起樁是本方案首要考慮的問(wèn)題，需要?jiǎng)?chuàng)新思路設(shè)計(jì)。

結(jié)合藍(lán)鯨號(hào)作業(yè)能力及導(dǎo)管架特點(diǎn)[8]，考慮超長(zhǎng)隔水套管翻身強(qiáng)度、最大變形、索具掛扣布置、摘扣操作和施工效率等因素，進(jìn)行超長(zhǎng)隔水套管翻樁方案對(duì)比分析，擇優(yōu)選取起樁方案。

如圖3所示，方案一采用的隔水套管翻身思路如下：采用藍(lán)鯨號(hào)(見(jiàn)圖4)副鉤預(yù)掛隔水套管頂端吊點(diǎn)，浮式起重機(jī)單鉤緩慢起鉤，以隔水套管底端為支點(diǎn)在駁船甲板旋轉(zhuǎn)完成隔水套管的翻身。采用該方案，超長(zhǎng)隔水套管翻身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但該方案對(duì)運(yùn)輸駁船的甲板強(qiáng)度、運(yùn)輸穩(wěn)性和船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)要求較高，操作具有一定的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

圖3 超長(zhǎng)隔水套管翻樁設(shè)計(jì)方案一

圖4 藍(lán)鯨號(hào)

根據(jù)上述思路，開(kāi)展方案二的設(shè)計(jì)：藍(lán)鯨號(hào)副鉤在左側(cè)吊點(diǎn)位置掛扣，藍(lán)鯨號(hào)甲板履帶起重機(jī)在右側(cè)吊點(diǎn)處掛扣，藍(lán)鯨號(hào)副鉤與履帶起重機(jī)同步起鉤向上平吊隔水套管，當(dāng)距駁船甲板達(dá)一定高度后，履帶起重機(jī)停止起鉤，藍(lán)鯨號(hào)副鉤繼續(xù)起鉤直至完成隔水套管翻轉(zhuǎn)作業(yè)。如圖5所示，采用藍(lán)鯨號(hào)副鉤與甲板履帶起重機(jī)配合，雙起重機(jī)合抬的方式進(jìn)行超長(zhǎng)隔水套管的翻身，解決超長(zhǎng)隔水套管翻身強(qiáng)度不足問(wèn)題，有效降低了對(duì)運(yùn)輸駁船的需求，安全可靠性高，同時(shí)可在主作業(yè)船舶與運(yùn)輸駁船間的空隙處完成水中扶正，降低了對(duì)甲板履帶起重機(jī)的能力要求，效果顯著。

圖5 超長(zhǎng)隔水套管翻樁設(shè)計(jì)方案二

4 超長(zhǎng)隔水套管雙起重機(jī)合抬扶正強(qiáng)度校核

首節(jié)隔水套管長(zhǎng)度為90.5 m，壁厚為25 mm，直徑為762 mm，屬于超細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，對(duì)其翻身過(guò)程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核尤為重要。

對(duì)所選用的方案二進(jìn)行翻身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，采用SACS計(jì)算模型。動(dòng)力放大因數(shù)參照DNV-OS-H205取1.50，右側(cè)吊點(diǎn)距左側(cè)端部為62 m(距右側(cè)端部為28 m)。對(duì)隔水套管強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果如下：

最大UC值為0.96(位于左側(cè)吊點(diǎn)處，處于初始狀態(tài)時(shí))；

最大變形為123.51 cm(距左側(cè)端部31 m處，起吊角度為45°時(shí))；

最大鉤頭力為436.62 kN(處于初始狀態(tài)時(shí))。

經(jīng)計(jì)算分析，對(duì)于方案二的分節(jié)長(zhǎng)度和起樁方式，隔水套管自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。但其UC值較大。當(dāng)首節(jié)套管起樁時(shí)，履帶起重機(jī)在距端部不同位置的UC值、變形、履帶起重機(jī)受力不同。對(duì)履帶起重機(jī)掛扣位置進(jìn)行多工況試算，結(jié)果如下：

(1) 履帶起重機(jī)距端部25 m。起吊角度為0°，UC值為0.82，變形為131.767 cm，履帶起重機(jī)受力為410.08 kN。

(2) 履帶起重機(jī)距端部26 m。起吊角度為0°，UC值為0.83，變形為108.591 cm，履帶起重機(jī)受力為416.70 kN。

(3) 履帶起重機(jī)距端部27 m。起吊角度為0°，UC值為 0.89，變形為86.094 cm，履帶起重機(jī)受力為423.54 kN。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)位置對(duì)履帶起重機(jī)的受力、桿件的強(qiáng)度影響較為明顯。本實(shí)例中選擇履帶起重機(jī)距端部25 m距離為最優(yōu)方案，其SCAS計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 SCAS計(jì)算模型(履帶起重機(jī)預(yù)掛25 m)

針對(duì)套管的起樁方式，經(jīng)過(guò)多次校核、調(diào)整和優(yōu)化，采取藍(lán)鯨號(hào)副鉤掛在上端點(diǎn)處、履帶起重機(jī)鉤掛在下端點(diǎn)處，利用雙鉤扶正方式翻身隔水套管，采用這種翻樁方式UC值和變形均較小，同時(shí)降低了履帶起重機(jī)鉤承載，大幅降低冬季海上施工風(fēng)險(xiǎn)。需要關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)與注意事項(xiàng)如下：隔水套管與履帶起重機(jī)相連并受力，需要采取保護(hù)措施保證在起吊過(guò)程中隔水套管端部不受損，并制定嚴(yán)格的起吊程序，以保證起吊過(guò)程的安全可靠。

5 超長(zhǎng)隔水套管雙起重機(jī)翻身數(shù)值模擬

采用藍(lán)鯨號(hào)副鉤與履帶起重機(jī)合抬作業(yè)的方法，其中雙起重機(jī)的協(xié)同配合作業(yè)及翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的干涉是海上作業(yè)考慮的主要問(wèn)題。結(jié)合藍(lán)鯨號(hào)作業(yè)能力，利用三維模擬分析方法[10]研究一種基于雙起重機(jī)合抬扶正超長(zhǎng)隔水套管的履帶起重機(jī)最佳作業(yè)方法，規(guī)劃雙起重機(jī)扶正過(guò)程中履帶起重機(jī)最佳行走路徑及站位，并在舷側(cè)摘扣，便于操作。利用超長(zhǎng)隔水套管起樁的三維設(shè)計(jì)及數(shù)值分析方法，開(kāi)展動(dòng)態(tài)模擬鉤頭、扒桿、駁船和套管的運(yùn)動(dòng)，有效避免干涉的出現(xiàn)，精確分析套管的起樁過(guò)程，利于控制隔水套管變形和選取安全受力點(diǎn)。套管扶正過(guò)程的三維模擬設(shè)計(jì)如圖7所示，突破90.5 m隔水套管的翻身工藝設(shè)計(jì)難題。

圖7 超長(zhǎng)隔水套管雙起重機(jī)合抬三維模擬

6 工程應(yīng)用

設(shè)計(jì)方案在東方WHPA導(dǎo)管架安裝項(xiàng)目中得以成功應(yīng)用，超長(zhǎng)隔水套管運(yùn)輸駁船靠駁藍(lán)鯨號(hào)右舷側(cè)，采用藍(lán)鯨號(hào)副鉤掛鉤隔水套管頂端吊點(diǎn)，履帶起重機(jī)預(yù)掛隔水套管底端25 m位置，利用副鉤及其甲板履帶起重機(jī)同時(shí)起吊，并在2條船的縫隙處提升副鉤，履帶起重機(jī)下放完成隔水套管的扶正。首節(jié)隔水套管起樁時(shí)間顯著縮短，就WHPA導(dǎo)管架而言，節(jié)省海上安裝船費(fèi)用約1 000萬(wàn)元/d，減少多道焊口，縮短多次起錘打樁時(shí)間，提質(zhì)降本增效顯著。圖8為東方WHPA導(dǎo)管架現(xiàn)場(chǎng)隔水套管安裝應(yīng)用。

圖8 超長(zhǎng)隔水套管海上運(yùn)輸、打樁應(yīng)用

在海上應(yīng)用過(guò)程中，藍(lán)鯨號(hào)副鉤處索具較長(zhǎng)，存在與吊點(diǎn)干涉的情況，易出現(xiàn)索具旋轉(zhuǎn)打扭、刮碰的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，盡可能縮短副鉤處的吊索具，或者加裝撐桿等框架，解決索具碰撞及扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，保證海上安全、高效施工。

渤海區(qū)域項(xiàng)目也可采用該設(shè)計(jì)思路進(jìn)行隔水套管的優(yōu)化，如某渤海項(xiàng)目首節(jié)隔水套管優(yōu)化為66 m，直徑為508 mm，采用雙起重機(jī)合抬扶正方法進(jìn)行海上施工。另外該技術(shù)可推廣至打樁錘的雙起重機(jī)合抬翻身、鋼樁的雙起重機(jī)合抬翻身，顯著提高隔水套管的施工效率，具有較大的示范意義，也為后續(xù)類(lèi)似在渤海、南海北部灣等淺水及較深水海域項(xiàng)目積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

利用藍(lán)鯨號(hào)副鉤和履帶起重機(jī)雙起重機(jī)合抬扶正超長(zhǎng)隔水套管方法，既優(yōu)化套管分節(jié)數(shù)，又解決井口區(qū)懸掛問(wèn)題。突破超長(zhǎng)隔水套管雙起重機(jī)合抬的海上操作技術(shù)難題，掌握一套雙起重機(jī)協(xié)同配合作業(yè)工藝。技術(shù)成果已在我國(guó)渤海海域多個(gè)工程項(xiàng)目得到廣泛應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果。創(chuàng)新采用藍(lán)鯨號(hào)副鉤與履帶起重機(jī)合抬翻身首節(jié)隔水套管的施工方案，從技術(shù)層面上快速高效完成隔水套管安裝，克服套管首節(jié)不能入泥且預(yù)掛在頂層水平層強(qiáng)度不足的困難，徹底解決懸掛問(wèn)題。掌握提高較深水導(dǎo)管架隔水套管安裝效率的技術(shù)，增強(qiáng)較深水領(lǐng)域的作業(yè)能力。