導管架平臺井口回接結構新技術研究

郭洪升

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京100028） ①

導管架平臺井口回接結構新技術研究

郭洪升

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京100028） ①

在海洋石油開發工程實踐中，為節約成本，縮短投產時間，需要利用原有的具有開采價值的勘探井。為了在施工過程中保證導管架的準確就位及保護原有井口，需要設計井口回接導向結構。針對國外某項目的具體情況，提出了一種利于井口保護、便于導管架安裝的新型井口回接結構。詳細說明了導向結構的各組成部分及整個安裝過程的關鍵步驟。介紹了導管架與導向樁最大容許碰撞速度的確定方法，以及在碰撞載荷作用下結構強度的計算，為類似海洋工程結構設計提供參考。

海上平臺；井口裝置；連接；導向結構

為了縮短海上平臺建設周期，節約工程及鉆井成本，在海上油氣田開發過程中可考慮保留有開采價值的勘探井，這就涉及到井口回接問題，從而對導管架的安裝精度提出更高的要求。在結構設計階段需要考慮導管架安裝過程中對井口的保護，導管架上隔水套管導向與原有井口的精確對接，以及井口回接［1］操作空間要求等，并進行相應的結構設計。

本文結合某項目實例，介紹了一種新型井口回接防撞結構及其設計方法。這種結構型式在國外項目中有應用實例，而在我國海洋平臺中還沒有推廣使用。因此，可為國內平臺類似結構設計提供一定的參考。

1 井口回接方式

根據預鉆井形式以及原有井口結構，在施工中常采用的井口回接方式有［2］：導向樁與套筒的對接、樁與緩沖框架的對接以及基盤與緩沖框架的對接。通常情況下，可考慮采用導向樁的方式，即在導管架底部設置與導向樁直徑相適應的對接套筒或緩沖框架結構（設有緩沖裝置如硬木、橡膠等），與已安裝在預定海床位置的導向樁進行對接；導向樁頂部高程由原有井口及隔水套管導向結構確定。為便于安裝及定位，套筒上部設計為錐形（如圖1），樁可由套筒內打入。

圖1 預鉆井基盤

該項目中，井口平臺所在海域水深為70m，導管架為4腿4樁結構，有15口井槽（如圖2所示），隔水套管直徑為660.4mm（26英寸），原有井口頂標高距離泥面3.92m?？紤]到后續其他井的鉆井操作，并避免水泥及巖屑返回對施工的影響，該平臺中底層隔水套管導向結構（如圖2b所示）距離海底約3.0m，且其高程應低于原有回接井口0.5～1.0m。

圖2 隔水套管導向結構

2 井口回接結構設計

本文所研究的井口回接結構包括水下基盤、導向樁及緩沖導向結構3部分，作用是保護原有井口免受導管架安裝時的碰撞破壞；能夠準確進行導管架的安裝定位。整套結構如圖3所示。

圖3 本文采用的井口回接結構

2.1 水下基盤

水下基盤（如圖4所示）主要是由H型鋼組成的框架結構，其底部有多個類似錨釘的靴板，起著一定的固定作用，同時為了保證結構吊裝入水后在海床上的抗滑移及抗傾覆能力，在框架底部還設計了防沉板，并且在防沉板與底部型鋼組成的0.6m高的空間內填充有水泥砂漿，以降低水下基盤的重心，提高結構的穩定性。

水下基盤在靠近導管架導向結構的一側設計了樁套筒，用于定位導向樁。同時，為了便于插樁，在套筒的頂端設有圓錐導向，并噴涂有易于識別的油漆顏色，以利于安裝時吊裝人員的操作判斷。為吊裝方便，在基盤結構上還設置了4個吊點。

圖4 水下基盤結構

2.2 導向樁

導向樁的直徑、壁厚以及貫入深度可根據導管架安裝時的碰撞載荷以及所在位置的土壤參數設計確定。由于導向樁的位置決定了導管架的最終安裝位置，因此導向樁打入后，應測量導向樁在泥面處的實際坐標。同時，導管架導向結構上的緩沖裝置（硬木）等應根據導向樁的實際位置在運輸船上進行調整，以適應導向樁的間距。

為便于導管架安裝，2個導向樁距離泥面的高度相差1.5m。當導管架靠近導向樁時，首先由高的導向樁定位，該項目中較高的導向樁距泥面高度8.957m，另一導向樁為7.457m，導向樁設計入泥深度25m，直徑1 219.2mm（48英寸）。為便于插樁，導向樁用白色油漆涂裝。

2.3 導管架上的緩沖導向結構

導管架上的緩沖導向結構與2個導向樁的設計相對應，如圖5a和5b所示。為側限導向結構，形狀類似“牛角”（CORN HORN），2個“角”之間的內間距與導向樁外壁間距相對應，該結構支撐在導管架最底層的水平層。導管架在安裝下放過程中，當靠近導向樁時首先由較高的導向樁定位，然后調整導管架安裝角度，沿2個導向樁下放。為了緩沖導管架下放過程中與導向樁之間的碰撞，避免鋼與鋼之間的直接接觸，在導向結構上設有硬木，用來吸收部分碰撞能量，如圖5b和5c所示。在海上安裝導管架之前，硬木的位置或尺寸可根據導向樁的實際安裝位置在駁船上進行調整，以確保導管架的準確就位，在安裝過程中允許其受到碰撞并發生變形。

圖5 導管架上的緩沖導向結構

3 井口回接施工過程

在井口回接的施工過程中，為了控制水下基盤結構的就位位置和定位方向，在該結構的2個角點處分別裝有水下羅經儀。水下羅經儀是海洋結構安裝中常用的定位裝置，為了減小安裝誤差，通常還采用DGPS羅經儀校驗定位。水下基盤結構的安裝位置決定了導向樁的位置，因此應根據導管架的導向結構和設計位置以及原有井口坐標確定水下基盤結構的坐標。同時，水下基盤結構的位置也決定了導管架的安裝位置。為避免對導管架實際安裝位置做較大調整，基盤結構的安裝位置不得偏于目標位置50mm，不得偏離其標定的地理位置坐標0.20°或50mm。整個安裝過程可簡述如下：

1） 將水下基盤結構吊裝入水并下放至海底，該過程需要水下羅經儀和數字全球定位系統（DGPS）進行輔助定位。

2） 檢查確定水下基盤是否已安裝在原定的目標位置。

3） 將較短導向樁打入。

4） 將較長導向樁打入。

5） 檢查并測量導向樁的方向和位置。

6） 調整導向結構上的緩沖硬木間隙。

7） 將導管架吊裝入水。

8） 對導管架充水扶正。

9） 調整導管架，使其最底端至少高于海床7 m，并且高出水下結構樁套筒頂端至少3m。

10） 利用ROV輔助導管架的安裝，監測導管架的運動狀態。

11） 繼續調整導管架，使導向結構水平桿件位于導管架的豎直平面內。

12） 將牛角結構的一角靠向導向樁，并保證導管架的就位方向準確。

13） 下放導管架，使導管架的導向結構水平桿件同時緊靠較短的導向樁，并允許導向樁在安裝過程中出現較小位移。

14） 導管架的位置由2個導向樁確定，并應注意防止其與樁套筒結構的碰撞。

15） 將導管架緩慢下放至泥面，導管架坐底。

16） 水下基盤結構不做拆除，將永久留在海底。

4 井口回接結構設計

導管架安裝過程中，需要保證導管架結構、水下基盤及原有井口的安全性，即其結構強度校核應滿足規范要求，各結構之間的相互影響可通過對接分析進行評估。為了便于安裝，還應控制導管架在水中的運動狀態，以及導管架對導向樁可能產生的碰撞。具體來說，可以考慮2種工況，如圖6所示。第1種工況為靜力工況，如果導管架的移動速度很小，導管架緩沖導向結構緩慢靠近導向樁，此時兩者之間不存在沖擊性的碰撞，可視為擬靜態過程。這種工況需要對導管架在最不利的安裝環境條件下（考慮一年一遇波浪和流）的結構強度進行校核。第2種工況中，導管架在向井口移動時可能會對某一導向樁產生碰撞，為保證結構安全，應減小碰撞能量，控制導管架的移動速度不得超過最大容許碰撞速度。

圖6 井口回接結構校核計算工況

4.1 最大容許碰撞速度

在導管架安裝過程中，需要注意結構在水中的運動狀態，尤其是緩沖導向結構靠近導向樁之前導管架的移動速度。該參數是此類安裝設計的重要研究內容，安裝過程中施工操作人員應注意控制導管架的實際速度不得超過最大容許碰撞速度值，同時應進行監測、記錄。確定最大容許碰撞速度的基本原則是保證此速度下產生的導管架動能不會引起導向樁及導管架本身結構的破壞，具體計算可按以下步驟確定。

1） 能量吸收 在導管架安裝過程中，當導管架緩沖導向結構與導向樁之間產生碰撞時，假設產生的碰撞動能全部由樁－土系統來吸收，此時樁體強度UC值＜1.0且其在彈性變形范圍內時可得到樁－土系統能夠吸收的最大能量，也就是總的碰撞動能。可首先根據樁強度計算求得樁頭最大水平載荷和樁的側向位移，以及土體的側向變形等，然后根據計算結果來計算樁－土系統吸收的總能量。能量的吸收分為2部分，即土體所吸收的能量及樁體本身變形吸收的能量。

2） 土體吸收的能量 由于導向樁主要是受到橫向力的作用發生側向位移，因此計算中沒有考慮土體對結構軸向及端面的約束。根據土體本身的非線性、p－y曲線特性以及樁體強度計算結果，可將土體簡化為提供側向約束的彈簧，從而求得總的吸收能量E1。

3） 樁體吸收的能量 根據導向樁的受力情況，只考慮彎曲變形引起的樁體能量吸收；對于剪力引起的變形能量吸收，則忽略不計。樁體彎曲變形所吸收的能量E2可按下式求得，即

式中，M為彎矩；E為樁的彈性模量；I為樁的慣性矩。

4） 最大允許碰撞速度 在導管架與導向樁的碰撞過程中，假設導管架動能全部由樁－土系統來吸收。因此有

式中，m為導管架自重；v為最大容許碰撞速度。

根據式（2），可求得導向樁的最大容許碰撞速度。

4.2 計算模型

結構計算所采用的程序是SACS，其分析模型如圖7所示。結構強度校核和管節點沖剪校核均按照API RP 2A－WSD 21th（2007）中的有關規定［3］進行。

圖7 結構計算模型

4.3 設計載荷

導管架施工應選擇在利于安裝的氣候窗進行，在井口回接過程中，結構會受到以下載荷的作用：

1） 結構自重力 包括導管架主結構及安裝時導管架上的附屬結構（例如登船平臺、護舷、吊點、索具平臺、防沉板、浮筒等）的總重力。

2） 浮力 作用在結構水面以下部分的浮力。

3） 環境載荷 主要是風、海流、波浪作用在導管架結構上的載荷。由于安裝過程中風力較小，可忽略不計。

4） 碰撞力 碰撞力可按照導管架自重力的百分比估算得到，取值為

式中，W為導管架在水中的自重力。

水下基盤結構和導向樁強度計算的基本載荷工況如表1所示。

表1 基本載荷工況

結構計算應考慮對結構產生最惡劣影響的適當載荷條件。將上述基本載荷條件進行組合，靜力工況及碰撞工況下組合載荷工況及相關組合系數如表2所示。

表2 組合荷載工況

續表2 組合載荷工況

4.4 計算結果

本項目中所采用的導向樁直徑為1 219.2mm（48英寸），入泥25m；導管架結構吊裝質量約為1 800t，經過計算分析，求得其最大容許碰撞速度為0.482m／s。水下結構和導向樁的強度均滿足規范要求，導管架結構滿足安裝強度要求，桿件最大UC值分別如表3～4所示。

表3 水下結構和導向樁強度計算結果

表4 導管架結構強度計算結果

5 結論

1） 根據海洋工程實踐中井口回接的需要設計了一種新型井口回接裝置。該裝置可以對導管架進行準確定位，并可以有效地保護原有井口不被破壞，滿足井口回接的操作要求。

2） 新型井口回接裝置結構簡單，同時具備導向和緩沖功能，便于導管架的安裝操作，因此在工程實踐中有著廣泛的應用前景。

3） 當回接井口數量較多時，需在結構上進行改進。在今后的工程實踐中，可根據實際安裝過程記錄研究多井口回接的技術方案，以優化結構設計，并通過技術改進來適應多井口回接的工程需要。

［1］ 曹 川，馮 宇，王金宏，等，海洋油氣井水下井口回接裝置［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：88－90.

［2］ 楊曉剛.導管架與基盤導向樁的對接技術分析［J］.中國海洋平臺，2001，16（3）：21－26.

［3］ API RP 2A－WSD 2007，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms－Working Stress Design［S］.

Study on New Technology of Well Tie－back for Jacket Platform

GUO Hong－sheng
（Engineering Design Institute，CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

In offshore oil and gas development project，the original exploring well is usually utilized for drilling purpose to save the cost and make the production ahead of time.Well tie－back guides should be designed to ensure the accurate positioning of the jacket and the protection of the original well simultaneously.This paper introduces one type of guides which can provide good protection for the well and facilitate the installation of the jacket.The components of the structure are illustrated and the procedure of the installation is dealt with in detail.In addition，the determination method of the maximum allowable impacting velocity of the jacket to the guides is explained and the structure has been checked to resist the impact from the jacket.This method can be referred to in the future similar project.

offshore platform；wellhead equipment；connection；guides

TE952

A

2012－01－29

郭洪升（1969－），山東壽光人，高級工程師，碩士，主要從事海洋工程設計研究及管理工作，E－mail：guohs.cpoe＠cnpc.com.cn。