固定式海洋平臺隔水套管安裝中新型吊孔設計

梁學先，朱起東，趙博朋，王 敏

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隔水套管是從海上鉆井平臺打入到海底淺層的套管，主要功能是隔離海水，形成鉆井液循環通道，同時也是海上井口的受力結構。在鉆完井施工過程中，隔水套管的強度及安全性對于海上鉆井作業安全至關重要。對于常規的固定式海洋平臺，根據使用要求及鉆井區域的水深情況，通常將分段的套管焊接起來，并使用液壓打樁錘打至設計的入泥深度。所以，隔水套管的自身強度要滿足打樁要求[1]。

根據隔水套管的長度、重量以及作業浮吊的能力，可將隔水套管海上安裝作業分為單吊直接起樁和雙吊合抬起樁兩種方式，但無論哪種起樁方式都離不開吊點。常規的吊點采用在套管外壁焊接板式吊耳的形式，但由于隔水套管節數較多，在套管安裝時需切割吊耳、打磨切口等，以方便打樁，但耗費了大量海上作業時間。圖1 為常規帶板式吊耳的套管起吊情況。

圖1 常規帶板式吊耳的套管起吊

本文針對目前固定式海洋平臺隔水套管的安裝工藝，結合某平臺直徑610 mm 隔水套管的安裝需求，設計了新型的吊裝形式，即在隔水套管頂部附近位置鉆孔作為起樁、吊裝作業使用的吊點。應用ANSYS 軟件建立了新型套管吊孔的靜力學分析模型，進行有限元的分析計算，并進行了打樁過程中孔周圍應力集中的疲勞分析，提出了開孔+開槽的優化方案，所得計算分析結果對隔水套管的打樁施工進行了指導控制。

1 有限元分析

隔水套管外徑610 mm，內徑560 mm，壁厚25 mm，長度62 m，材質為D36 鋼，屈服強度為355 MPa。根據海上安裝作業的要求，在隔水套管頂部附近鉆孔，孔徑58 mm，孔中心距離套管的頂端100 mm，并做如下分析：

（1） 打樁作業時，套管在打樁錘壓應力作用下的強度分析。

（2） 套管開孔處應力集中位置的疲勞分析。

計算軟件采用大型通用的有限元分析軟件ANSYS，使用Solid185 單元進行模擬計算分析，單元尺寸選取套管壁厚。新型鉆孔式套管的有限元模型如圖2 所示。

圖2 新型鉆孔式套管有限元模型

隔水套管屈服強度為355 MPa，將有限元分析結果考慮0.9 倍的安全系數[3]，則許用應力為319 MPa。經過計算，當套管頂部施加載荷達到148 MPa 時，套管在吊孔處產生的最大應力達到許用應力。新型鉆孔式套管有限元分析結果見圖3。

根據以往經驗，610 mm 套管在打樁過程所需壓應力均高于148 MPa，因此為提高套管可承受的壓應力，在開孔上方開槽（如圖4 所示），開槽寬度60 mm，開槽深度10 mm。使此部位不直接承受打樁錘的壓應力，則可減少應力集中，進一步提高套管可承受的壓應力。

經過計算，套管在端部開槽優化后，最大應力發生在開槽位置，開孔處最大應力由319 MPa 降至257 MPa，套管所能承受的最大壓應力由148 MPa提高至270 MPa。套管總體應力分布見圖5，吊孔局部應力分布見圖6。

圖3 新型鉆孔式套管應力分布結果/MPa

圖4 開槽優化后的鉆孔式套管三維示意

圖5 套管總體應力分布/MPa

2 疲勞分析

隔水套管打樁作業是一個持續的過程。根據地質條件的不同，整個打樁過程中套管的端部可能會受到上千次甚至幾千次錘擊，因此有必要對應力集中位置進行疲勞分析，以保證打樁過程中高應力區域不會發生疲勞破壞。

圖6 吊孔局部應力分布/MPa

基本的設計S-N 曲線由下式給出[4]：

式中：N 為在應力幅值Δσ 下打樁的預期斷裂次數；Δσ 為應力幅值，MPa；m 為S-N 曲線的反向負斜率，常數；lg為S-N 曲線在lg N 軸上的截距，常數。

S-N 曲線各參數由表1 給出。

表1 套管上部在空氣中時的打樁S-N 曲線參數

根據表1 中的參數進行計算，得到開槽處和開孔處在打樁過程中的允許循環次數（見表2）。

表2 開孔及開槽處的允許循環次數

3 套管打樁的可行性分析

GRLWEAP 軟件是美國樁基動力學公司開發的用于打樁分析的波動方程分析軟件，可用于分析樁的打入可能性、預測單樁承載力和樁身受到的拉壓應力等。利用GRLWEAP 軟件，選取IHC S280 打樁錘，對某平臺直徑為610 mm、入泥深度為50 m的開孔+開槽和僅開孔兩種不同形式的隔水套管進行打樁可行性分析。考慮在打樁期間，套管內有土塞、長時間停止錘擊的最危險工況，得到打套管所需的最大壓應力及錘擊數如表3 所示。

表3 最大壓應力及對應錘擊數

對打樁過程進行計算分析表明，若套管僅開孔，開孔處產生較大的應力集中，為防止孔邊應力超過許用值，打樁錘的錘效將降低至40%并增加錘擊數，大量消耗海上施工工時，還存在拒錘停打風險[5]。若在開孔上方采用開槽優化，套管頂部承載力將得到大幅提高，錘效提高且錘擊數減少，理論疲勞循環次數遠大于可行性分析的錘擊數，套管開槽及開孔位置均不會發生屈服破壞和疲勞破壞。

4 結束語

通過對隔水套管的有限元強度分析及打樁可行性分析，對常規隔水套管進行開孔及開槽的優化設計，可有效節省隔水套管海上施工船天數。目前，該設計方法已成功用于蓬萊19-3、渤中19-6、旅大21-2 等項目，為今后同類型的隔水套管安裝項目提供了寶貴的經驗和思路。