導管架式鉆井平臺新增樁腿加掛井槽改造技術

劉 洋,段夢蘭,范 曉,匡 濤,韓 峰

(1.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心,北京102249;2.中石化石油工程技術研究院,山東 德州253034)

導管架式鉆井平臺新增樁腿加掛井槽改造技術

劉 洋1,段夢蘭1,范 曉1,匡 濤1,韓 峰2

(1.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心,北京102249;2.中石化石油工程技術研究院,山東 德州253034)

提出一種導管架式鉆井平臺井口擴建方案。該方案可以有效解決老平臺由于預留井槽不足,導致無法在原平臺井口處加設生產井的問題。新增結構與平臺原有結構之間通過水上導向樁進行連接,這樣做可以避免水下焊接施工,同時也降低了對安裝精度的要求。對改造后平臺進行抗震、抗冰性能分析,結果表明改造后平臺各方面性能均滿足要求。

鉆井平臺;井槽;技術改造;有限元法

我國海洋石油勘探和開發始于20世紀60年代,早期平臺形式主要是固定式平臺,其中鋼制導管架平臺是目前冰區普遍采用的一種結構形式[1]。我國有許多導管架平臺已經達到或接近設計服役年限,但其中大部分平臺仍在服役。

為達到增產的目的,需要在這些老平臺上加設生產井,但由于老平臺預留井槽不足,無法滿足此要求。近年來,通過新增井槽從而增加調整井的做法得到了關注和應用。新增井槽的形式選取和方案設計都要依照平臺現狀和改造要求進行詳細論證。改造方案的設計需綜合考慮避免水下施工,降低安裝施工難度,樁群效應對樁基的影響等因素。另外,改造對平臺結構改變較大,繼續服役面臨安全風險。為確保改造后平臺能夠安全服役,并為平臺改造提供依據,必須對改造后的平臺進行全面的安全評估。

1 新增井槽擴建方案

1.1 新增井槽的分類

新增井槽根據其所在位置的不同可分為井口區內新增井槽和井口區外加掛井槽2種形式[2]。其中,井口區內新增井槽方案由于受到原有井口區空間限制,只適用于新增井槽數目較小的情況,新增的井槽位于平臺甲板內部。這種改造方案的優點是平臺結構新增載荷較小,對上部組塊結構和井口區改造簡單,鉆修井作業位置不變,海上施工簡易快捷,投入成本低。SZ36-1WHPB平臺改造擴建項目和文昌13-2項目都采用了在井口區內新增井槽的方案[3](如圖1)。但是,此方案受井口區空間制約十分明顯,在井口區作業時設備布置十分困難,不便日常生產和維修,且新增井槽數量有限。

圖1 內掛井槽示意

如果新增井槽數目過多,應考慮在井口區外加掛井槽的方案。井口區外加掛井槽的優點是井口區空間可以得到充分的擴展,避免在井口區施工,不影響平臺正常生產。相比在井口區內新增井槽,此方案對平臺原有結構影響較大,需對修井機滑軌等設施進行改造。對平臺原有結構進行過多的改造必然對平臺的結構性能造成影響。為保證改造后平臺的結構性能,需要通過新增2條樁腿來支撐平臺結構,該方案可以最大限度擴展井口區空間。對處于冰區和地震活動比較頻繁的渤海海域內的導管架平臺進行改造,應充分考慮改造對平臺的樁基抗震性能和抗冰性能的影響。這一技術首先在渤海SZ36-1 WHPJ平臺得到應用(如圖2),隨后得到了推廣,并成功應用于南海北部灣的潿洲油田[4]。

圖2 SZ36-1 WHPJ平臺安裝新增樁腿結構

1.2 新增結構的水上連接方案

導管架新增結構安裝位置的準確性將直接關系到后期組塊的安裝能否順利進行,因為新老組塊頂層的修井機滑道需要精密對接和井口設備安裝,這就給導管架安裝提出了更高的要求[5]。由于水下焊接技術難度大,該設計采用水上導向樁連接方案,只對水上結構部分進行連接。水上導向樁結構是在平臺外掛2條樁腿分別安裝2根外徑1.2 m的導向樁,并在平臺原有樁腿相同高度處焊接2個導向套筒。該導向套筒呈喇叭狀,與新增裝腿上所焊接的導向樁匹配,使該導向樁可以順利插入導向套筒內(如圖3)。導向樁外徑比導向套筒的內徑小,這樣在安裝時可以降低對水平安裝精度的要求。水上導向連接結構在安裝后能夠作為新增結構和平臺原有結構之間的受力構件,而不必在導管架安裝后進行切除。

圖3 安裝水上導向樁套筒

根據規范[6-7],當平臺樁距小于8倍樁徑時,樁、土間的相互作用會使樁側阻力、樁端阻力、沉降等性能發生變化,與單樁的情況明顯不同,平臺的承載力不等于各單樁承載力之和。該方案在設計過程中必須要考慮新增樁腿和原有樁腿之間的相互影響。由于新增結構和原有結構沒有水下焊接且上部甲板新增許多設備,所以樁基的設計承載能力要高于通常情況。為避免樁群效應,新增樁腿與原樁腿的距離為10 m。

2 BZ34-1WHPB型平臺的井槽改造方案

BZ34-1WHPB型平臺位于渤海中部海域,屬于渤中34油田群,水深約為20 m,共4腿4樁,井口區位于平臺北側,共9個井槽。改造方案要求增加4個井口,根據該平臺的修井作業要求,新增井口與原有井口可共用修井機,應將井槽位置布置于修井軌道之間,外掛井槽位置定于平臺北側,如圖4。

圖4 BZ34-1WHPB型平臺新增井口位置

2.1 環境載荷及工況組合原則

作用于平臺上的環境載荷主要有風載荷、波浪載荷、海流載荷以及冰載荷。其中風、浪、流的評估條件如表1。

以50 a一遇海洋環境條件作為極端風浪自存狀態校核平臺結構;以1 a一遇海洋環境條件作為作業狀態環境條件校核平臺結構。在工況組合時,應考慮各種工況組合的合理性。例如,最大波浪載荷與最大冰載荷是不可能同時出現在一種工況中。因為海冰具有消浪的作用,通常采用波浪載荷和風載荷組合,冰載荷和風載荷組合[8]。

表1 環境條件

2.2 有限元分析

平臺結構主要包括甲板及上部組塊、導管架和樁基礎3部分。整個結構被模擬成1個三維空間框架結構,所有結點作為剛性節點,每個結構桿件的兩端模擬成剛性連接[9]。平臺結構劃分為711個節點,1 235個空間梁單元,368個四邊形板單元,如圖5。

圖5 平臺整體三維模型

模型將導管架與樁基在泥面處分開,泥面以上的導管架作為空間鋼架,甲板結構作為板梁結構建立模型,泥面以下的樁作為空間梁單元。現有的海洋工程專用計算軟件在處理樁與地層相互作用的有限元模擬時,根據經驗選取泥線以下6～8倍樁徑距離樁腿固支。這種經驗性的作法雖然簡化了結構模型,但無法反映樁與地層的動力相互作用。本文中考慮導管架結構與樁基的相互作用以及土壤的非線性特性,采用樁土效應(PSI)單元模擬樁土相互作用。

為使計算模型與實際結構盡量相似,以使計算結果反映平臺實際受力狀態,將平臺結構所有主要受力構件都按照實際尺寸和布置情況輸入計算模型。

2.2.1 改造后平臺冰激動力響應

對平臺選取頂層甲板4個角點進行加速度校核,如圖6所示。

圖6 平臺4個加速度考察節點位置

通過冰激計算分析,得到頂層甲板4個節點的加速度,如表2所示。

表2 平整冰作用下頂層甲板4個節點的最大加速度m/s2

參考“船舶設計實用手冊(總體分冊)2007版”第2篇第1章第168頁的船體運動對人員舒適度影響評價表,結果表明平臺的加速度響應滿足重體力勞動者的舒適度要求。

2.2.2 改造后平臺冰激疲勞強度

處于渤海重冰區的導管架平臺在靜冰力作用下,平臺結構的變形不大,所以在靜冰力作用下平臺的安全性能一般都可以得到保障。對處于循環動冰力作用下的導管架平臺則面臨著冰激振動的現象。此類受到動冰力載荷作用的導管架平臺屬于柔性結構,在結構的安全評估和優化設計上,除了要考慮靜力失效,即規范規定的極值靜冰力下結構的安全失效;還要考慮動力失效[1]。

冰載荷的計算按中國海洋石油總公司企業標準Q/Hsn 3000—2002:《中國海海冰條件及應用規定》中第5.4.1.1節的方法計算。作用在垂直和接近垂直(與水平面交角大于75°)的孤立墩柱(D≤2.5 m)上的水平冰力為:

式中:m為形狀系數(圓形截面取值0.9);I為嵌入系數;fc為接觸系數;σc為冰無側限壓縮強度;D為冰擠壓結構的寬度;h為冰厚。

導管架結構的總冰力按擠壓破壞模式計算,考慮到樁腿和隔水導管之間的相互影響,各樁腿和隔水導管上的力應乘以相應的遮蔽系數,其總冰力為各樁腿和隔水導管的冰力之和。遮蔽系數選取參見:《中國海海冰條件及應用規定》中5.4.1.2節。冰力計算設計參數如表3。

表3 海冰設計參數

當取定某一工況,即冰厚、方向一定時,冰載隨時間而變化。根據樁腿上一點的冰載荷時間歷程可計算焊接點相對時間的主應力時程曲線。隨之也可得其疲勞壽命。其計算步驟如下[10-11]:

1) 根據計算工況,將取定的第i工況的冰厚代入Ralston公式中,得到相應的靜冰力值Fi。將動冰力時程(歷時ti=35.4 s)用此工況下的靜冰力進行調整,使得調整后的整個時段中最大冰力等于Ralston公式中得到的靜冰力值Fi。

2) 將放大后的冰載時間歷程,作為外加激勵作用在平臺結構上,計算其振動響應,算出第K個管節點的第L個焊接點處的熱點應力時間歷程。

3) 運用雨流計數法對得到的熱點應力時間歷程進行循環計數,得到第K個管節點的第L個熱點處熱點應力幅為σij的循環次數為nij。

4) 根據計算工況表中該工況出現的概率以及環境條件中給出的歷史平均冰期的持續時間,得到該工況在1 a中的持續時間tc(秒)。也就可以得到第K個管節點的第L個熱點處熱點應力幅為σij的循環次數為:

5) 如果管節點在水面以下,則選擇常溫的S-N曲線,如果管節點在水面以上,則選擇低溫的S-N曲線,按照Miner線性累積損傷準則,得到在工況i,1 a中第K個管節點的第L個熱點處的損傷度。

6) 對所有管節點的所有熱點重復上述步驟(1)～(5),則可分別得到在工況i中,所有管節點的所有熱點處的損傷度。

7) 對所有工況重復步驟(1)～(6),則可以得到1 a中每個管節點的每個熱點的累積損傷,對所有的累積損傷分別取倒數,得到各個管節點的各個熱點處的冰振疲勞壽命(年),作為設計要求,其中的最小值應該大于平臺的疲勞壽命要求年限。

對選取的節點提取應力響應曲線,發現樁腿主要節點最大應力為73 MPa,如圖7所示。遠未達到材料屈服極限,滿足設計要求。該節點處的疲勞壽命363.86 a(取安全系數2),滿足平臺設計壽命的要求。

圖7 樁腿處應力最大的節點的應力-時間歷程響應

2.2.3 改造后平臺地震工況下樁基承載能力校核

對改造后的平臺分別進行強度水平地震分析和韌性地震分析。強度水平地震的地面水平加速度為0.16 g,韌性地震分析用2倍強度水平的地面水平加速度來模擬,地面地震水平加速度為0.32 g。在韌性地震中進行樁基承載能力的校核。所得水平地震力如表5;地震工況下要求樁基承載能力安全系數大于1.2。各樁腿最危險工況下承載能力如表6。

地震工況下,最危險樁為B035,如圖8。該樁位于平臺東南角,安全系數為2.31。結果表明:改造后平臺在地震工況下的樁基承載能力仍然可以滿足要求。

表5 強度水平和韌性水平地震力

表6 各樁腿承載的安全系數

圖8 地震工況下平臺最危險的樁

3 結論

1) 新增樁腿式外掛井槽可以使井口區空間得到充分擴展,有效解決老平臺由于預留井槽不足導致無法新增調整井的問題。

2) 用水上導向樁作為新增結構和平臺原有結構間的連接裝置,可避免水下焊接,喇叭狀連接套筒設計增大了連接區域,降低了安裝難度。

3) 計算結果表明:平臺最大加速度為0.55 m/s2,操作人員在平臺上的舒適度滿足正常作業的要求。平臺樁腿主要節點最大應力為73 MPa,滿足設計要求。冰力作用下改造后平臺的疲勞壽命為363.86 a(取安全系數2),滿足平臺設計壽命的要求。地震工況下的樁基校核結果表明平臺能夠滿足結構抗震的安全要求。

4) 目前該技術已在我國多個海上油田得到推廣應用,為我國邊際油田的二次開發提供了創造性的解決方案。

[1] 張大勇,岳前進,車嘯飛.在役抗冰導管架海洋平臺結構風險評估[C]//第十四屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(上冊),2009:79-86.

[2] 李大全,羅振欽,胡輝,等.加掛井槽技術的研究與應用[J].中國工程科學,2011(5):88-92.

[3] 鄧欣,尹彥坤,易滌非,等.海洋平臺加掛井槽技術研究與實例分析[J].中國海洋平臺,2007(12):46-49.

[4] 張建勇,李挺前,穆頃,等.導管架平臺外掛樁腿擴建技術實踐與改進[J].中國海洋平臺,2012(12):27-31.

[5] API RP 2A,Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].21th Edition.Dec.2000.

[6] 石磊,高國鑫.外延平臺海上安裝技術分析[C]//第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(上冊).2011(8).

[7] DNV-RP-C203,Recommended Practice,Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures[S].2001.

[8] 竇培林,王輝輝.導管架平臺強度分析[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,2008(8):1-6.

[9] 王世敬.導管架平臺冰激振動響應分析[J].石油礦場機械,2007,36(9):21-24.

[10] Duan Menglan,Liu Jieming,Fan Xiaodong.Some Recent Advances on Ice Related Problems in Offshore Engineering[J].China Ocean Engineering.2000,14(2):129-142.

[11] 方華燦,許發彥.冰區海上平臺管節點疲勞壽命計算的新方法[J].中國海洋平臺,1997(12):259-263.

Legs Extension-Additional Well Slots on Jacket Platform

LIU Yang1,DUAN Meng-lan1,FAN Xiao1,KUANG Tao1,HAN Feng2
(1.Offshore Oil&Gas Research Center,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Dezhou 253034,China)

To increase the production in marginal field,more wells are going to be drilled,but there was not enough deck area on old jacket platforms.The application of legs extension-additional technology for old jacket platform solved this problem effectively.New legs are added for supporting the new structure which meets the demand of enlarging the wellhead area.A horn shape connections are designed to avoid underwater welding and reduce the accuracy requirements during the process of installation.The results of punching shear check for major member and joint,pile capacity check in seismic analysis and ice resistance analysis show that the platform meet the specification requirements.

drilling platform;well slot;technical reform;FEM

TE973.9

A

1001-3482(2014)02-0065-06

2013-09-12

劉 洋(1988-),男,河南人,碩士研究生,主要從事海洋工程結構力學方面的研究工作。E-mail:zozo0707@sina.com。