導(dǎo)管架平臺(tái)大跨度外掛井槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

周健狀，穆頃，安振武，張曉頻

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

渤海油田在役平臺(tái)，隨著投產(chǎn)年限的增加，都面臨產(chǎn)量遞減的問題。為彌補(bǔ)產(chǎn)能不足，近年來，平臺(tái)加掛井槽技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，外掛井槽技術(shù)以其空間制約性小、改造量適中、平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)，以及經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。外掛井槽改造在渤海油田大范圍開展的同時(shí)，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)鉆及總體布置要求，新增井口距離原井口區(qū)距離大(大于常規(guī)井口片7 m的適用跨距)、水下管卡連接空間制約，以及對結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度要求的提高。上述問題的成熟解決方案：采用平臺(tái)外掛樁腿方案，并使用浮吊安裝，該方案投資費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)效益差，直接導(dǎo)致項(xiàng)目無法進(jìn)一步開展。如何突破當(dāng)前技術(shù)條件制約，拓寬外掛井槽的適用跨度，同時(shí)控制項(xiàng)目投資的增幅，保證經(jīng)濟(jì)效益，成為渤海油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)亟待解決的問題。

1 工程實(shí)例

QHD32-6 WHPH平臺(tái)于2014年投產(chǎn)，為4腿4主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。為挖掘油田剩余產(chǎn)量，同時(shí)考慮平臺(tái)無剩余井槽可用及現(xiàn)有井口側(cè)鉆無法滿足油田調(diào)整開發(fā)需求，計(jì)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(xiǎn)、管線改造工作量、安全通道合規(guī)性，以及海域使用限制的因素，經(jīng)方案比選，計(jì)算在平臺(tái)南側(cè)外掛5個(gè)井槽，并采用鉆井船鉆修井。見圖1。

圖1 平臺(tái)南側(cè)外掛井槽

上述方案的最大問題是，新增井槽遠(yuǎn)離原井口區(qū)，井口片的跨度大(約11 m×11 m)?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，井口片最大適用跨距為7 m。為規(guī)避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可采用外掛樁腿方案，同時(shí)浮吊配合施工。經(jīng)工程評(píng)價(jià)，該技術(shù)方案不可行。

針對上述項(xiàng)目難點(diǎn)，開展大跨度外掛井槽結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)研究，著重解決大跨度井口片方案設(shè)計(jì)、連接螺栓的選型與設(shè)計(jì)問題，并經(jīng)過系列計(jì)算和驗(yàn)證，論證了設(shè)計(jì)方案的可靠性。同時(shí)，針對工程項(xiàng)目關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案，減小井口片的單片重量和尺寸，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)用浮吊、使用作業(yè)區(qū)的供應(yīng)船來運(yùn)輸，最大程度上降低工程投資。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大跨度水上井口片優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工方案

2.1.1 大跨度水上井口片優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)形式的井口片(見圖2)，最大適用跨度7 m；本項(xiàng)目的井口片尺度達(dá)11 m×11 m，常規(guī)形式的井口片不適用。為此，改變井口片的結(jié)構(gòu)，具體措施包括提高管材規(guī)格和合理新增橫撐和斜撐。優(yōu)化設(shè)計(jì)的井口片，對于大跨度結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性，見圖3。

圖2 常規(guī)形式的水上井口片

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的大跨度井口片結(jié)構(gòu)形式

2.1.2 大跨度水上井口片施工方案

突破常規(guī)的井口片整體建造和安裝模式，將井口片拆分預(yù)制，分為連接導(dǎo)管架的“網(wǎng)” 字形結(jié)構(gòu)(見圖4)，及井口區(qū)的“口”字形結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖4 網(wǎng)字結(jié)構(gòu)

圖5 口字結(jié)構(gòu)

安裝流程：先安裝“網(wǎng)”字形結(jié)構(gòu)，再焊接“網(wǎng)”字形結(jié)構(gòu)與“口”字形結(jié)構(gòu)，(此時(shí)水下井口片已完成安裝)最后安裝保護(hù)架。

水上井口片分片預(yù)制和安裝，減輕安裝重量，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)用浮吊實(shí)施安裝的技術(shù)要求。

水上井口片分片預(yù)制，尺度減小，解決了供應(yīng)船運(yùn)輸空間不足的問題(寬度小于8 m)，滿足運(yùn)輸船舶要求。

2.2 水下井口片設(shè)計(jì)與施工方案

2.2.1 管卡空間受限的水下井口片設(shè)計(jì)

常規(guī)的管卡連接井口片要滿足兩個(gè)條件：①導(dǎo)管架水平桿有抱卡位置；②可用抱卡位置位于新增隔水套管間隙。對應(yīng)本項(xiàng)目，常規(guī)井口片僅有2個(gè)中間位置可抱卡(見圖6)，連接強(qiáng)度明顯不足。不適用于本項(xiàng)目。

圖6 常規(guī)的管卡連接井口片

為此，改進(jìn)設(shè)計(jì)管卡井口片的結(jié)構(gòu)形式。改進(jìn)措施包括設(shè)置井口片的矩形框架及合理新增橫撐和斜撐，見圖7。

圖7 創(chuàng)新設(shè)計(jì)管卡空間受限的井口片結(jié)構(gòu)

通過設(shè)置水下井口片的矩形框架，克服了抱卡位置與隔水套管間隙必須兼容的關(guān)鍵技術(shù)制約，解決水下井口片的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)難題；通過計(jì)算校核，該結(jié)構(gòu)形式能滿足平臺(tái)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 管卡空間受限的水下井口片施工方案

突破常規(guī)的井口片整體建造和安裝模式，此次水下井口片分片設(shè)計(jì)、分片預(yù)制、分片安裝。水下井口片分片方案，減輕安裝重量，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)用浮吊實(shí)施安裝的技術(shù)要求；同時(shí)，安裝尺度減小，解決供應(yīng)船運(yùn)輸空間不足的問題(寬度小于8 m)，滿足運(yùn)輸船舶要求，見圖8。

圖8 井口片分片安裝

2.3 連接螺栓的選型

使用3處螺栓連接：①水下井口片與原導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)管卡連接；②受限于運(yùn)輸空間，水下井口片一分為二，采用法蘭連接；③防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片采用法蘭連接。

以往類似的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，螺栓為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，未進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算校核。此次井口片設(shè)計(jì)，由于井口片跨度大，連接處的受力大，螺栓作為關(guān)鍵傳力路徑上的承力部件，合理選型至關(guān)重要。針對性開展螺栓的工作性能分析；螺栓的失效模式分析；螺栓校核程序開發(fā)。

法蘭和管卡的連接螺栓同時(shí)承受軸向拉力、彎矩引起的拉力、水平剪切力、及扭轉(zhuǎn)剪切力。螺栓在組合應(yīng)力狀態(tài)下，滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算校核，同時(shí)考慮保守余量，選用10.9級(jí)高強(qiáng)承壓型螺栓連接。螺栓校核程序，為大跨度結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度提供了技術(shù)保障。

3 計(jì)算分析與驗(yàn)證

3.1 靜力分析與校核

3.1.1 結(jié)構(gòu)模型與約束條件

采用SACS模型，將大跨度井口片的水上、水下結(jié)構(gòu)建模在平臺(tái)整體模型中。對于水上井口片，與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)焊接連接，模型考慮剛性連接。對于水下井口片，與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)為管卡連接，保守考慮，允許管卡做軸向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)模型中釋放相應(yīng)的自由度，桿件在管卡端的約束為010010。見圖9～11。

圖9 水上井口片模型

圖10 水下井口片模型

圖11 平臺(tái)整體模型

在位計(jì)算中，導(dǎo)管架底部與泥面相交處考慮樁土約束，隔水套管底部固定約束。

3.1.2 荷載信息

考慮平臺(tái)自投產(chǎn)建成后的完整荷載，包括詳設(shè)階段荷載、歷年改造荷載及此次改造荷載。平臺(tái)主結(jié)構(gòu)部分，通過建模軟件自動(dòng)計(jì)算自重，附屬結(jié)構(gòu)荷載及各專業(yè)的荷載，以加載的形式考慮。由于新增井口和防撞結(jié)構(gòu)，平臺(tái)承受的環(huán)境荷載增加。尤其是由于改造導(dǎo)致額外的冰荷載，計(jì)算中重新加載。新增井口部分，考慮使用鉆井船鉆井完井，及后續(xù)修井，暫不考慮修井機(jī)荷載在新增井槽位置工作引起的荷載移位，以及相應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3.1.3 工況信息與校核結(jié)果

根據(jù)API RP 2A規(guī)范，考慮1年操作風(fēng)暴條件、100年極端風(fēng)暴條件、1年極端冰條件以及100年極端冰條件。對于新增井口片部分，桿件的最大UC值0.68，桿件位置是，水上水平層+6.0 m標(biāo)高，隔水套管導(dǎo)向與井口片之間的直徑406 mm連接桿。

對平臺(tái)樁基承載力校核，操作工況安全系數(shù)2.55>2.00,計(jì)算工況安全系數(shù)2.07>1.50,樁基承載力滿足規(guī)范要求。

3.2 地震分析與校核

針對此次改造，考慮對平臺(tái)整體的質(zhì)量和剛度影響較大，對平臺(tái)整體進(jìn)行地震分析。

3.2.1 結(jié)構(gòu)模型與荷載信息

地震計(jì)算的模型與靜力計(jì)算類似，相應(yīng)修改譜計(jì)算的質(zhì)量凝聚點(diǎn)。

荷載方面，根據(jù)文獻(xiàn)[6]要求，地震計(jì)算的荷載類似靜力極端工況的荷載，容器、儲(chǔ)罐中的存儲(chǔ)物取系數(shù)0.75，活荷載取系數(shù)0.75，鉆修井機(jī)取極端荷載，不考慮風(fēng)浪流冰等的環(huán)境荷載。

強(qiáng)度地震水平的地震力為：方向6 980 kN，方向6 040 kN。

韌性水平地震力為：方向13 800 kN，方向11 800 kN。

3.2.2 工況與校核結(jié)果

強(qiáng)度水平地震，第一階模態(tài)自振周期為1.607 s。對所有的桿件進(jìn)行校核，桿件的UC均小于1.0，滿足規(guī)范要求。新增井口片結(jié)構(gòu)的最大桿件值0.39。井口片的強(qiáng)度余量較大。

韌性水平地震，第一階模態(tài)自振周期為1.658 s。根據(jù)規(guī)范要求，僅對平臺(tái)的門型框架進(jìn)行強(qiáng)度校核，桿件的均小于1.0，滿足規(guī)范要求。

對平臺(tái)進(jìn)行樁基校核，強(qiáng)度水平工況，承載力安全系數(shù)2.03>1.20；韌性水平工況，承載力安全系數(shù)1.62>1.00，滿足規(guī)范要求。

3.3 譜疲勞分析與校核

3.3.1 結(jié)構(gòu)模型與荷載信息

譜疲勞計(jì)算的模型與靜力計(jì)算類似，相應(yīng)修改譜計(jì)算的質(zhì)量凝聚點(diǎn)即可。

荷載方面，譜疲勞計(jì)算的荷載類似靜力極端工況的荷載，容器、儲(chǔ)罐中的存儲(chǔ)物取系數(shù)0.75，活荷載取系數(shù)0.75，鉆修井機(jī)取極端荷載。環(huán)境荷載，僅考慮波浪的作用。

基于中心損傷海況條件生成等效剛度矩陣，計(jì)算平臺(tái)模態(tài)，選取相應(yīng)的周期點(diǎn)生成傳遞函數(shù)，注意在平臺(tái)前三階周期附近加密周期點(diǎn)。

3.3.2 工況與校核結(jié)果

第一階模態(tài)自振周期為1.624 s。校核結(jié)果表明，考慮5倍系數(shù)，所有節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命都大于26年，滿足規(guī)范要求。

3.4 管卡局部校核

新增的水下井口片結(jié)構(gòu)采用管卡與導(dǎo)管架連接。對管卡采用ANSYS進(jìn)行有限元模型校核。

3.4.1 模型與約束條件

采用板單元建模，建模范圍包括1/2管卡、筋板，以及連接圓管。約束條件為、在管卡與螺栓接觸位置固定約束。

荷載信息，從平臺(tái)整體校核的靜力計(jì)算中提取，作用點(diǎn)在圓管端部。

3.4.2 計(jì)算工況與校核結(jié)果

校核結(jié)果表明，最大Von Mises應(yīng)力為211 MPa，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取80%倍安全系數(shù)，許用應(yīng)力為355 MPa×0.8=284 MPa，表明管卡強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，見圖12。

圖12 有限元應(yīng)力云圖

3.5 螺栓連接校核

法蘭和管卡的連接螺栓同時(shí)承受軸向拉力、彎矩引起的拉力、水平剪切力、以及扭轉(zhuǎn)剪切力。

螺栓的受力，從平臺(tái)整體校核的靜力計(jì)算中提取。螺栓所處的位置不同，受力也不同。校核最不利的位置的螺栓強(qiáng)度。

保守考慮，選用10.9級(jí)高強(qiáng)承壓型螺栓連接，經(jīng)校核，抱卡螺栓在組合應(yīng)力狀態(tài)下，最大UC值為0.46，法蘭螺栓在組合應(yīng)力狀態(tài)下最大UC值為0.91，滿足規(guī)范要求。

綜合以上計(jì)算分析與驗(yàn)證，大跨度外掛井槽設(shè)計(jì)方案技術(shù)滿足規(guī)范要求。靜力計(jì)算表明，與隔水套管導(dǎo)向連接的局部桿件，UC值相對較大。管卡校核和螺栓校核，強(qiáng)度余量相對小，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

4 工程應(yīng)用

目前，大跨度外掛井槽結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，歷經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試，現(xiàn)已成功應(yīng)用于QHD32-6WHPH平臺(tái)，運(yùn)行投產(chǎn)良好。

大跨度井口片的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，克服了井槽遠(yuǎn)離井口區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)制約因素，使外掛井槽方案由不可行變?yōu)榭尚?，工期大幅減少，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益大幅提高。

水下和水上井口片分片設(shè)計(jì)，應(yīng)對浮吊資源緊張的行業(yè)現(xiàn)狀，并降本增效的號(hào)召，解決了工期緊張的項(xiàng)目制約難題，同時(shí)節(jié)約了成本，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

空間受限的水下管卡井口片設(shè)計(jì)，作為大跨度井口片的關(guān)鍵技術(shù)方案，解決了水下井口片抱卡布置與連接問題，為大跨度井口片的實(shí)施提供了技術(shù)保證。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的井口片結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)首次研發(fā)并應(yīng)用；井口片的分片方案也是國內(nèi)首次應(yīng)用在外掛井槽項(xiàng)目中。