導(dǎo)管架式鉆井平臺(tái)新增樁腿加掛井槽改造技術(shù)

劉 洋,段夢(mèng)蘭,范 曉,匡 濤,韓 峰

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

導(dǎo)管架式鉆井平臺(tái)新增樁腿加掛井槽改造技術(shù)

劉 洋1,段夢(mèng)蘭1,范 曉1,匡 濤1,韓 峰2

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

提出一種導(dǎo)管架式鉆井平臺(tái)井口擴(kuò)建方案。該方案可以有效解決老平臺(tái)由于預(yù)留井槽不足,導(dǎo)致無(wú)法在原平臺(tái)井口處加設(shè)生產(chǎn)井的問(wèn)題。新增結(jié)構(gòu)與平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)之間通過(guò)水上導(dǎo)向樁進(jìn)行連接,這樣做可以避免水下焊接施工,同時(shí)也降低了對(duì)安裝精度的要求。對(duì)改造后平臺(tái)進(jìn)行抗震、抗冰性能分析,結(jié)果表明改造后平臺(tái)各方面性能均滿足要求。

鉆井平臺(tái);井槽;技術(shù)改造;有限元法

我國(guó)海洋石油勘探和開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)60年代,早期平臺(tái)形式主要是固定式平臺(tái),其中鋼制導(dǎo)管架平臺(tái)是目前冰區(qū)普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式[1]。我國(guó)有許多導(dǎo)管架平臺(tái)已經(jīng)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)服役年限,但其中大部分平臺(tái)仍在服役。

為達(dá)到增產(chǎn)的目的,需要在這些老平臺(tái)上加設(shè)生產(chǎn)井,但由于老平臺(tái)預(yù)留井槽不足,無(wú)法滿足此要求。近年來(lái),通過(guò)新增井槽從而增加調(diào)整井的做法得到了關(guān)注和應(yīng)用。新增井槽的形式選取和方案設(shè)計(jì)都要依照平臺(tái)現(xiàn)狀和改造要求進(jìn)行詳細(xì)論證。改造方案的設(shè)計(jì)需綜合考慮避免水下施工,降低安裝施工難度,樁群效應(yīng)對(duì)樁基的影響等因素。另外,改造對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)改變較大,繼續(xù)服役面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。為確保改造后平臺(tái)能夠安全服役,并為平臺(tái)改造提供依據(jù),必須對(duì)改造后的平臺(tái)進(jìn)行全面的安全評(píng)估。

1 新增井槽擴(kuò)建方案

1.1 新增井槽的分類

新增井槽根據(jù)其所在位置的不同可分為井口區(qū)內(nèi)新增井槽和井口區(qū)外加掛井槽2種形式[2]。其中,井口區(qū)內(nèi)新增井槽方案由于受到原有井口區(qū)空間限制,只適用于新增井槽數(shù)目較小的情況,新增的井槽位于平臺(tái)甲板內(nèi)部。這種改造方案的優(yōu)點(diǎn)是平臺(tái)結(jié)構(gòu)新增載荷較小,對(duì)上部組塊結(jié)構(gòu)和井口區(qū)改造簡(jiǎn)單,鉆修井作業(yè)位置不變,海上施工簡(jiǎn)易快捷,投入成本低。SZ36-1WHPB平臺(tái)改造擴(kuò)建項(xiàng)目和文昌13-2項(xiàng)目都采用了在井口區(qū)內(nèi)新增井槽的方案[3](如圖1)。但是,此方案受井口區(qū)空間制約十分明顯,在井口區(qū)作業(yè)時(shí)設(shè)備布置十分困難,不便日常生產(chǎn)和維修,且新增井槽數(shù)量有限。

圖1 內(nèi)掛井槽示意

如果新增井槽數(shù)目過(guò)多,應(yīng)考慮在井口區(qū)外加掛井槽的方案。井口區(qū)外加掛井槽的優(yōu)點(diǎn)是井口區(qū)空間可以得到充分的擴(kuò)展,避免在井口區(qū)施工,不影響平臺(tái)正常生產(chǎn)。相比在井口區(qū)內(nèi)新增井槽,此方案對(duì)平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)影響較大,需對(duì)修井機(jī)滑軌等設(shè)施進(jìn)行改造。對(duì)平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)多的改造必然對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能造成影響。為保證改造后平臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能,需要通過(guò)新增2條樁腿來(lái)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu),該方案可以最大限度擴(kuò)展井口區(qū)空間。對(duì)處于冰區(qū)和地震活動(dòng)比較頻繁的渤海海域內(nèi)的導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行改造,應(yīng)充分考慮改造對(duì)平臺(tái)的樁基抗震性能和抗冰性能的影響。這一技術(shù)首先在渤海SZ36-1 WHPJ平臺(tái)得到應(yīng)用(如圖2),隨后得到了推廣,并成功應(yīng)用于南海北部灣的潿洲油田[4]。

圖2 SZ36-1 WHPJ平臺(tái)安裝新增樁腿結(jié)構(gòu)

1.2 新增結(jié)構(gòu)的水上連接方案

導(dǎo)管架新增結(jié)構(gòu)安裝位置的準(zhǔn)確性將直接關(guān)系到后期組塊的安裝能否順利進(jìn)行,因?yàn)樾吕辖M塊頂層的修井機(jī)滑道需要精密對(duì)接和井口設(shè)備安裝,這就給導(dǎo)管架安裝提出了更高的要求[5]。由于水下焊接技術(shù)難度大,該設(shè)計(jì)采用水上導(dǎo)向樁連接方案,只對(duì)水上結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行連接。水上導(dǎo)向樁結(jié)構(gòu)是在平臺(tái)外掛2條樁腿分別安裝2根外徑1.2 m的導(dǎo)向樁,并在平臺(tái)原有樁腿相同高度處焊接2個(gè)導(dǎo)向套筒。該導(dǎo)向套筒呈喇叭狀,與新增裝腿上所焊接的導(dǎo)向樁匹配,使該導(dǎo)向樁可以順利插入導(dǎo)向套筒內(nèi)(如圖3)。導(dǎo)向樁外徑比導(dǎo)向套筒的內(nèi)徑小,這樣在安裝時(shí)可以降低對(duì)水平安裝精度的要求。水上導(dǎo)向連接結(jié)構(gòu)在安裝后能夠作為新增結(jié)構(gòu)和平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)之間的受力構(gòu)件,而不必在導(dǎo)管架安裝后進(jìn)行切除。

圖3 安裝水上導(dǎo)向樁套筒

根據(jù)規(guī)范[6-7],當(dāng)平臺(tái)樁距小于8倍樁徑時(shí),樁、土間的相互作用會(huì)使樁側(cè)阻力、樁端阻力、沉降等性能發(fā)生變化,與單樁的情況明顯不同,平臺(tái)的承載力不等于各單樁承載力之和。該方案在設(shè)計(jì)過(guò)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(jié)構(gòu)和原有結(jié)構(gòu)沒(méi)有水下焊接且上部甲板新增許多設(shè)備,所以樁基的設(shè)計(jì)承載能力要高于通常情況。為避免樁群效應(yīng),新增樁腿與原樁腿的距離為10 m。

2 BZ34-1WHPB型平臺(tái)的井槽改造方案

BZ34-1WHPB型平臺(tái)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(qū)位于平臺(tái)北側(cè),共9個(gè)井槽。改造方案要求增加4個(gè)井口,根據(jù)該平臺(tái)的修井作業(yè)要求,新增井口與原有井口可共用修井機(jī),應(yīng)將井槽位置布置于修井軌道之間,外掛井槽位置定于平臺(tái)北側(cè),如圖4。

圖4 BZ34-1WHPB型平臺(tái)新增井口位置

2.1 環(huán)境載荷及工況組合原則

作用于平臺(tái)上的環(huán)境載荷主要有風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷以及冰載荷。其中風(fēng)、浪、流的評(píng)估條件如表1。

以50 a一遇海洋環(huán)境條件作為極端風(fēng)浪自存狀態(tài)校核平臺(tái)結(jié)構(gòu);以1 a一遇海洋環(huán)境條件作為作業(yè)狀態(tài)環(huán)境條件校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)。在工況組合時(shí),應(yīng)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(shí)出現(xiàn)在一種工況中。因?yàn)楹１哂邢说淖饔?通常采用波浪載荷和風(fēng)載荷組合,冰載荷和風(fēng)載荷組合[8]。

表1 環(huán)境條件

2.2 有限元分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括甲板及上部組塊、導(dǎo)管架和樁基礎(chǔ)3部分。整個(gè)結(jié)構(gòu)被模擬成1個(gè)三維空間框架結(jié)構(gòu),所有結(jié)點(diǎn)作為剛性節(jié)點(diǎn),每個(gè)結(jié)構(gòu)桿件的兩端模擬成剛性連接[9]。平臺(tái)結(jié)構(gòu)劃分為711個(gè)節(jié)點(diǎn),1 235個(gè)空間梁?jiǎn)卧?368個(gè)四邊形板單元,如圖5。

圖5 平臺(tái)整體三維模型

模型將導(dǎo)管架與樁基在泥面處分開(kāi),泥面以上的導(dǎo)管架作為空間鋼架,甲板結(jié)構(gòu)作為板梁結(jié)構(gòu)建立模型,泥面以下的樁作為空間梁?jiǎn)卧，F(xiàn)有的海洋工程專用計(jì)算軟件在處理樁與地層相互作用的有限元模擬時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取泥線以下6～8倍樁徑距離樁腿固支。這種經(jīng)驗(yàn)性的作法雖然簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)模型,但無(wú)法反映樁與地層的動(dòng)力相互作用。本文中考慮導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與樁基的相互作用以及土壤的非線性特性,采用樁土效應(yīng)(PSI)單元模擬樁土相互作用。

為使計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)盡量相似,以使計(jì)算結(jié)果反映平臺(tái)實(shí)際受力狀態(tài),將平臺(tái)結(jié)構(gòu)所有主要受力構(gòu)件都按照實(shí)際尺寸和布置情況輸入計(jì)算模型。

2.2.1 改造后平臺(tái)冰激動(dòng)力響應(yīng)

對(duì)平臺(tái)選取頂層甲板4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行加速度校核,如圖6所示。

圖6 平臺(tái)4個(gè)加速度考察節(jié)點(diǎn)位置

通過(guò)冰激計(jì)算分析,得到頂層甲板4個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度,如表2所示。

表2 平整冰作用下頂層甲板4個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大加速度m/s2

參考“船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(總體分冊(cè))2007版”第2篇第1章第168頁(yè)的船體運(yùn)動(dòng)對(duì)人員舒適度影響評(píng)價(jià)表,結(jié)果表明平臺(tái)的加速度響應(yīng)滿足重體力勞動(dòng)者的舒適度要求。

2.2.2 改造后平臺(tái)冰激疲勞強(qiáng)度

處于渤海重冰區(qū)的導(dǎo)管架平臺(tái)在靜冰力作用下,平臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形不大,所以在靜冰力作用下平臺(tái)的安全性能一般都可以得到保障。對(duì)處于循環(huán)動(dòng)冰力作用下的導(dǎo)管架平臺(tái)則面臨著冰激振動(dòng)的現(xiàn)象。此類受到動(dòng)冰力載荷作用的導(dǎo)管架平臺(tái)屬于柔性結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)上,除了要考慮靜力失效,即規(guī)范規(guī)定的極值靜冰力下結(jié)構(gòu)的安全失效;還要考慮動(dòng)力失效[1]。

冰載荷的計(jì)算按中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/Hsn 3000—2002:《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》中第5.4.1.1節(jié)的方法計(jì)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(shù)(圓形截面取值0.9);I為嵌入系數(shù);fc為接觸系數(shù);σc為冰無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度;D為冰擠壓結(jié)構(gòu)的寬度;h為冰厚。

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的總冰力按擠壓破壞模式計(jì)算,考慮到樁腿和隔水導(dǎo)管之間的相互影響,各樁腿和隔水導(dǎo)管上的力應(yīng)乘以相應(yīng)的遮蔽系數(shù),其總冰力為各樁腿和隔水導(dǎo)管的冰力之和。遮蔽系數(shù)選取參見(jiàn):《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》中5.4.1.2節(jié)。冰力計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)如表3。

表3 海冰設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)取定某一工況,即冰厚、方向一定時(shí),冰載隨時(shí)間而變化。根據(jù)樁腿上一點(diǎn)的冰載荷時(shí)間歷程可計(jì)算焊接點(diǎn)相對(duì)時(shí)間的主應(yīng)力時(shí)程曲線。隨之也可得其疲勞壽命。其計(jì)算步驟如下[10-11]:

1) 根據(jù)計(jì)算工況,將取定的第i工況的冰厚代入Ralston公式中,得到相應(yīng)的靜冰力值Fi。將動(dòng)冰力時(shí)程(歷時(shí)ti=35.4 s)用此工況下的靜冰力進(jìn)行調(diào)整,使得調(diào)整后的整個(gè)時(shí)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(shí)間歷程,作為外加激勵(lì)作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上,計(jì)算其振動(dòng)響應(yīng),算出第K個(gè)管節(jié)點(diǎn)的第L個(gè)焊接點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程。

3) 運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)得到的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù),得到第K個(gè)管節(jié)點(diǎn)的第L個(gè)熱點(diǎn)處熱點(diǎn)應(yīng)力幅為σij的循環(huán)次數(shù)為nij。

4) 根據(jù)計(jì)算工況表中該工況出現(xiàn)的概率以及環(huán)境條件中給出的歷史平均冰期的持續(xù)時(shí)間,得到該工況在1 a中的持續(xù)時(shí)間tc(秒)。也就可以得到第K個(gè)管節(jié)點(diǎn)的第L個(gè)熱點(diǎn)處熱點(diǎn)應(yīng)力幅為σij的循環(huán)次數(shù)為:

5) 如果管節(jié)點(diǎn)在水面以下,則選擇常溫的S-N曲線,如果管節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)則,得到在工況i,1 a中第K個(gè)管節(jié)點(diǎn)的第L個(gè)熱點(diǎn)處的損傷度。

6) 對(duì)所有管節(jié)點(diǎn)的所有熱點(diǎn)重復(fù)上述步驟(1)～(5),則可分別得到在工況i中,所有管節(jié)點(diǎn)的所有熱點(diǎn)處的損傷度。

7) 對(duì)所有工況重復(fù)步驟(1)～(6),則可以得到1 a中每個(gè)管節(jié)點(diǎn)的每個(gè)熱點(diǎn)的累積損傷,對(duì)所有的累積損傷分別取倒數(shù),得到各個(gè)管節(jié)點(diǎn)的各個(gè)熱點(diǎn)處的冰振疲勞壽命(年),作為設(shè)計(jì)要求,其中的最小值應(yīng)該大于平臺(tái)的疲勞壽命要求年限。

對(duì)選取的節(jié)點(diǎn)提取應(yīng)力響應(yīng)曲線,發(fā)現(xiàn)樁腿主要節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為73 MPa,如圖7所示。遠(yuǎn)未達(dá)到材料屈服極限,滿足設(shè)計(jì)要求。該節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命363.86 a(取安全系數(shù)2),滿足平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命的要求。

圖7 樁腿處應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間歷程響應(yīng)

2.2.3 改造后平臺(tái)地震工況下樁基承載能力校核

對(duì)改造后的平臺(tái)分別進(jìn)行強(qiáng)度水平地震分析和韌性地震分析。強(qiáng)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(qiáng)度水平的地面水平加速度來(lái)模擬,地面地震水平加速度為0.32 g。在韌性地震中進(jìn)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(shù)大于1.2。各樁腿最危險(xiǎn)工況下承載能力如表6。

地震工況下,最危險(xiǎn)樁為B035,如圖8。該樁位于平臺(tái)東南角,安全系數(shù)為2.31。結(jié)果表明:改造后平臺(tái)在地震工況下的樁基承載能力仍然可以滿足要求。

表5 強(qiáng)度水平和韌性水平地震力

表6 各樁腿承載的安全系數(shù)

圖8 地震工況下平臺(tái)最危險(xiǎn)的樁

3 結(jié)論

1) 新增樁腿式外掛井槽可以使井口區(qū)空間得到充分?jǐn)U展,有效解決老平臺(tái)由于預(yù)留井槽不足導(dǎo)致無(wú)法新增調(diào)整井的問(wèn)題。

2) 用水上導(dǎo)向樁作為新增結(jié)構(gòu)和平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)間的連接裝置,可避免水下焊接,喇叭狀連接套筒設(shè)計(jì)增大了連接區(qū)域,降低了安裝難度。

3) 計(jì)算結(jié)果表明:平臺(tái)最大加速度為0.55 m/s2,操作人員在平臺(tái)上的舒適度滿足正常作業(yè)的要求。平臺(tái)樁腿主要節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為73 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。冰力作用下改造后平臺(tái)的疲勞壽命為363.86 a(取安全系數(shù)2),滿足平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命的要求。地震工況下的樁基校核結(jié)果表明平臺(tái)能夠滿足結(jié)構(gòu)抗震的安全要求。

4) 目前該技術(shù)已在我國(guó)多個(gè)海上油田得到推廣應(yīng)用,為我國(guó)邊際油田的二次開(kāi)發(fā)提供了創(chuàng)造性的解決方案。

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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(jié)構(gòu)力學(xué)方面的研究工作。E-mail:zozo0707@sina.com。