利用隔水導(dǎo)管提高平臺承載力的方法

吳景健,龐洪林,肖輝,萬軍,張夢玥

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300452)

渤海導(dǎo)管架平臺大多采用樁基式平臺結(jié)構(gòu)形式,平臺主要通過樁基來支撐甲板荷載及抵抗環(huán)境荷載,樁基承載力大小直接影響海上生產(chǎn)的安全性[1]。根據(jù)API RP 2A規(guī)范規(guī)定,樁基承載力安全系數(shù)在操作工況下不小于2.0,極端工況下不小于1.5[2]。渤海油田經(jīng)過多年的發(fā)展,上部組塊生產(chǎn)規(guī)模不斷增加,樁基承載力不足的問題日益凸顯。隔水導(dǎo)管作為連接井口與海底的通道,具有隔離海水形成鉆井液循環(huán)通道,承擔(dān)上部采油樹、防噴器等井口設(shè)備荷載的作用[3]。隔水導(dǎo)管入泥深度受井口荷載的影響,渤海常見的隔水導(dǎo)管入泥深度見圖1,主要集中在40～80 m之間[4]。常見的隔水導(dǎo)管尺寸包括為20″、24″、30″和36″,隔水導(dǎo)管通常采用鋼管結(jié)構(gòu),常見入泥深度(以50 m為例)下的隔水導(dǎo)管承載力如圖1所示,4種尺寸的隔水導(dǎo)管常見的承載力區(qū)間分別為4～6 MN,5～7 MN,7～9 MN,9～11 MN。因此隔水導(dǎo)管最小下入深度在保證正常鉆井液循環(huán)及井口支持情況下,仍具有一定的承載力余量。隔水導(dǎo)管數(shù)量較多,如能合理利用隔水導(dǎo)管的承載力余量,可以提高導(dǎo)管架平臺的承載能力[5],既可以實(shí)現(xiàn)海上的生產(chǎn)作業(yè)需求,又可以提高海上作業(yè)的安全性。

圖1 渤海常見隔水導(dǎo)管入泥深度及樁基承載力大小

以渤海某油田平臺修井機(jī)升級改造項(xiàng)目為例,通過改變導(dǎo)管架和組塊與隔水導(dǎo)管的連接方式,論證利用隔水導(dǎo)管作為平臺輔助持力結(jié)構(gòu)增加平臺承載力的方法的可行性。

1 隔水導(dǎo)管承載方式

一般情況下隔水導(dǎo)管被認(rèn)作非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,不參與平臺剛度貢獻(xiàn)和承載,常見的導(dǎo)管架與隔水導(dǎo)管的相互作用方式見圖2。對于下部結(jié)構(gòu),隔水導(dǎo)管穿過導(dǎo)向孔并通過楔塊進(jìn)行固定,楔塊與隔水導(dǎo)管之間不焊接,只起到限制隔水導(dǎo)管水平位移的作用,不存在垂向載荷的傳遞[6]。對于上部組塊來說,隔水導(dǎo)管與甲板梁不直接接觸,隔水導(dǎo)管頂部自由不受約束[7]。

圖2 平臺與隔水導(dǎo)管的典型連接形式

分析導(dǎo)管架平臺與隔水導(dǎo)管之間的相互作用,平臺與隔水導(dǎo)管之間進(jìn)行載荷傳遞可以采用3種方法,見圖3。對于下部結(jié)構(gòu),可以將導(dǎo)向孔內(nèi)楔塊與隔水導(dǎo)管進(jìn)行焊接,使其承受垂向荷載;對于上部組塊,可以通過甲板梁與隔水導(dǎo)管直接焊接,或者通過設(shè)置斜撐與隔水導(dǎo)管連接,將上部組塊重量傳遞到隔水導(dǎo)管。

圖3 隔水導(dǎo)管承載方式

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

改造平臺為4腿井口平臺,見圖4。

圖4 平臺計(jì)算模型

工作點(diǎn)間距為16 m×11 m,共設(shè)置16個井槽, 4×4布置,井槽間距為2 m×2 m。導(dǎo)管架樁徑為1 219 mm,設(shè)計(jì)入泥深度88 m,單樁極限承載力為25.088 MN。隔水導(dǎo)管直徑610 mm,入泥50 m,單樁極限承載力為6.775 MN。上部組塊分為2層甲板,組塊與導(dǎo)管架之間是1個2層的導(dǎo)管架帽結(jié)構(gòu),包括1層結(jié)構(gòu)框架和1層工作甲板,組塊操作重約為2 762 t。

2.2 計(jì)算參數(shù)

對平臺進(jìn)行修井機(jī)升級改造,新增修井機(jī)與原修井機(jī)載荷對比見表1,平臺修井機(jī)載荷增加4 270 kN。

表1 修井機(jī)荷載對比

平臺位置處海圖水深31.8 m,設(shè)計(jì)環(huán)境條件沿用原平臺環(huán)境數(shù)據(jù),極端工況選取50年一遇的風(fēng)、浪、流、冰組合,操作工況選取1年一遇的風(fēng)、波、流、冰組合,環(huán)境荷載作用于8個方向。修井機(jī)升級改造前后樁基承載力系數(shù)的變化見表2。

表2 修井機(jī)升級改造前后樁基承載力系數(shù)對比

改造后A1樁腿極端冰工況安全系數(shù)為1.39,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)一步提高平臺承載能力。

基于上述隔水導(dǎo)管承載模式分析,根據(jù)平臺與隔水導(dǎo)管不同的連接形式,將計(jì)算工況分為4種,連接形式見圖5。

圖5 平臺與隔水導(dǎo)管連接示意

1)初始工況(工況0),導(dǎo)管架與隔水導(dǎo)管不連接,隔水導(dǎo)管不承受平臺垂向荷載。

2)第一水平層連接工況(工況1),將EL.(+)4.3 m水平層導(dǎo)向孔與隔水導(dǎo)管焊接。

3)工作甲板連接工況(工況2),將井口區(qū)外側(cè)隔水導(dǎo)管通過斜撐與工作甲板甲板梁連接。

4)同時連接第一水平層和工作甲板(工況3)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 荷載轉(zhuǎn)移分析

不同工況下導(dǎo)管架最大樁頭力見表3,樁頭力的變化見圖6。

表3 不同計(jì)算工況下的樁頭力 kN

圖6 不同工況下樁頭力的變化

可以看出通過改變導(dǎo)管架平臺與隔水導(dǎo)管的連接方式后,導(dǎo)管架樁頭力均有不同程度的降低。操作工況下,工況1～3的樁頭力平均減小8.89%、11.28%和16.43%;極端工況下,工況1～3的樁頭力平均減小6.53%、8.06%和11.86%。在工況3下,樁基操作工況最小安全系數(shù)為2.30,極端工況最小安全系數(shù)為1.51,可以滿足規(guī)范要求。

同時隔水導(dǎo)管樁頭力相應(yīng)增加,承受的垂向荷載增大,最大樁頭力見表4。

表4 不同計(jì)算工況下隔水導(dǎo)管最大樁頭力 kN

可以看出,單根隔水導(dǎo)管樁頭力最大不超過1 375.7 kN,單根隔水導(dǎo)管承受平臺載荷不超過960 kN,隔水導(dǎo)管承載力安全系數(shù)最小為4.36,可以滿足規(guī)范要求,隔水導(dǎo)管在附加荷載作用下,可以保證隔水導(dǎo)管井口穩(wěn)定不下沉。

以最危險工況為例,匯總不同連接形式下導(dǎo)管架樁基和隔水導(dǎo)管承受的垂向荷載見表5。

表5 不同計(jì)算工況下載荷轉(zhuǎn)移情況

可以看出,工況1～3傳遞的上部組塊垂向荷載的百分比分別為13.53%、18.30%和26.06%,相比于連接第一水平層導(dǎo)向孔,通過斜撐連接甲板與隔水導(dǎo)管的方式載荷傳遞效率更高。

2.3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

改變導(dǎo)管架與隔水導(dǎo)管的連接方式,直接影響的是樁基、導(dǎo)管架腿、隔水導(dǎo)管、第一水平層桿件和工作甲板梁的受力,對其他結(jié)構(gòu)桿件幾乎沒有影響。計(jì)算分析這些部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,見圖7。

圖7 樁基UC值分布

由圖7可見,組塊荷載部分轉(zhuǎn)移到隔水導(dǎo)管后,導(dǎo)管架樁基受力較小,UC值最大降低8.58%,導(dǎo)管架腿UC最大降低9.42%,隔水導(dǎo)管樁基和隔水導(dǎo)管受力增大,但仍在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。第一水平層井口區(qū)桿件和工作甲板梁由于桿件規(guī)格較小,與隔水導(dǎo)管連接后受力增大,部分桿件UC值大于1,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行加強(qiáng)。第一水平層桿件通過焊接補(bǔ)板增加桿件壁厚方式進(jìn)行加強(qiáng),工作甲板桿件梁通過在工字鋼兩側(cè)增加腹板組成箱型梁進(jìn)行加強(qiáng),加強(qiáng)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度見圖8,可以滿足規(guī)范要求。

圖8 平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

2.3.3 位移分析

改變導(dǎo)管架和隔水導(dǎo)管的連接方式,對樁基和平臺位移的影響見圖9。圖9表明,荷載轉(zhuǎn)移使導(dǎo)管架主腿樁基垂向位移減小,最大可降低12.48%,隔水導(dǎo)管樁基垂向位移增大。由于考慮隔水導(dǎo)管的剛度貢獻(xiàn),在一定程度上降低了樁基的側(cè)向位移以及導(dǎo)管架和隔水導(dǎo)管頂部水平位移[8],主腿樁基和隔水導(dǎo)管樁基側(cè)向位移最大降低7.54%和7.96%,導(dǎo)管架和隔水導(dǎo)管頂部水平位移最大降低9.56%和24.52%。

圖9 樁基垂向位移分布

2.4 上部組塊與隔水導(dǎo)管連接方式分析

以極端工況為例,分析不同組塊連接方式的荷載傳遞效率,按照組塊與隔水導(dǎo)管甲板梁連接、不同尺寸斜撐連接形式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表6。

表6 組塊不同連接方式荷載傳遞效率

由表6可以看出,通過甲板梁連接或者斜撐連接均可以將組塊垂向荷載傳遞到隔水導(dǎo)管,并且荷載傳遞效率除了與上部組塊荷載分布、平臺與隔水導(dǎo)管相對剛度有關(guān)外,還與連接結(jié)構(gòu)的剛度相關(guān),隨著連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大,荷載傳遞效率逐漸提高,通過平衡平臺強(qiáng)度與荷載傳遞效率選擇最優(yōu)的組塊連接形式。

對于本平臺來說,406 mm×13 mm的斜撐尺寸既可以滿足自身強(qiáng)度要求,荷載傳遞結(jié)果又可以使平臺滿足承載力要求,因此組塊與隔水導(dǎo)管的連接方式采用406 mm×13 mm。

3 結(jié)論

1)隔水導(dǎo)管在常規(guī)入泥深度下,其承載力在滿足井口支持的前提下仍具有一定的余量,隔水導(dǎo)管具有作為平臺持力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和能力;

2)改變平臺與隔水導(dǎo)管的連接方式后,組塊荷載進(jìn)行了有效地傳遞,荷載傳遞效率最大達(dá)到26.06%,對平臺整體結(jié)構(gòu)分析表明,樁基荷載和導(dǎo)管架腿部受力減小,UC值最大可降低8.58%和9.42%,樁基和導(dǎo)管架頂部水平位移均有減小,最大可降低7.54%和9.56%;

3)在不同組塊連接方式中,荷載傳遞效率與連接結(jié)構(gòu)剛度有關(guān),剛度越大荷載傳遞效率越高。

綜上,利用隔水導(dǎo)管的剩余承載力提高平臺的承載力方法是可行的,可以有效減輕平臺承載力不足的壓力,解決平臺承載力不足的問題。分析結(jié)論不僅適用于老平臺改造,對于新建平臺降低鋼材用量也具有一定的參考意義。