超長隔水套管優化和管樁吊點的設計與應用

馬晉雄 海洋石油工程股份有限公司

魏志德 天津海金德石油工程技術有限公司

劉 文 海洋石油工程股份有限公司

路健健 戎國強 天津海金德石油工程技術有限公司

隨著海洋石油行業的逐步發展，海洋石油平臺大型化，相應的井口數量在增加，受隔水套管自由站立強度影響，隔水套管的分段單節一般較短，因此分段較多，嚴重影響海上施工效率。另隔水套管吊點在打樁過程中為干涉結構，需要占用較多時間切除。本文以某項目為例，通過優化吊點設計形式和優化隔水套管分段的方式，提高海上施工效率。

1.項目介紹

某項目兩座導管架共有100口井，詳設基于常規吊裝模式的強度計算要求，將隔水套管分成3節，需要對300節隔水套管進行吊裝及安裝。

面對巨大工作量，在設計階段進行相關優化并得到顯著效果。

2.隔水套管節數吊裝的設計及應用

按照常規做法，隔水套管吊點一般位于套管底部外側（詳見圖1），首節利用板式頂部吊耳形式進行起樁，現場駁船掛扣及起吊耗時長，且打套管至吊耳位置后需對吊耳后進行切割打磨，第二節套管利用板式底部吊耳形式進行鎖樁后起樁，現場駁船掛扣及起吊耗時長。根據現場反饋，傳統的板式吊耳形式不僅掛扣時操作繁瑣，切割打磨過程耗時嚴重，且操作過程存在較大安全隱患。

圖1 原方案隔水套管分段與吊點設計

圖2 優化后隔水套管分段設計

該項目首先結合主作業船吊機和隨船履帶吊共同吊裝，解決了隔水套管首節平吊強度問題；其次充分考慮隔水套管施工資源，使用振動打樁錘和柴油打樁錘替代傳統液壓打樁錘，解決了隔水套管自由站立強度問題。將3節隔水套管中的首節和二節合并為一節（詳見圖2）。

3.管樁吊點的設計及應用

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，整個打樁過程套管端部會受到上千次的錘擊。因此必須對應力集中位置進行疲勞分析，以保證高應力區域不會發生疲勞破壞。

針對管樁吊點優化，通過頭腦風暴形式提出多種方案進行比選，并結合現場施工人員意見，提出多種隔水套管吊點形式。后經專家論證、評估和試驗等，最終確定使用效率和安全性均較好的開孔形式。

設計階段結合隔水套管的安裝過程，應用ANSYS軟件建立了套管新型吊孔的靜力學分析模型。采用有限元計算利用鏜孔技術在套管頂部鉆出直徑為46mm的吊孔，替代傳統吊耳（詳見圖3）。由于鏜孔破壞套管本身結構，降低局部打樁強度，通過計算掏孔頂部增加凹槽可以最大程度上減少打樁對隔水套管頂部掏孔吊點的影響，因此在頂部增加凹槽設計。

開槽前：IHC S200 18%錘效下，應力集中區域距離孔中心半徑為60mm 的環形區域內。隔水套管最大應力339.5Mpa。超過18%錘效，隔水套管發生破壞。

開槽后：IHC S200 70%錘效下，應力被分散到開孔兩側樁體。隔水套管最大應力313.6Mpa。

圖3 優化后隔水套管吊點設計

通過直接在隔水套管頂部開孔作為吊點，起吊強度滿足要求。經過模擬錘擊受力，發現開孔部位強度不足，最大只能承受18%的錘擊能量。通過在開孔頂部設置減壓開孔，將絕大多數錘擊能量分散到完好樁體，保護了開孔部位。優化后最大錘擊能量70%，滿足使用要求。

針對單純開孔不滿足打樁計算強度要求的情況，單純加強吊點周圍結構效果不明顯，且突出隔水套管外壁依然會對打樁造成干涉。采用開孔內外均增加13mm厚加強環，計算錘效可以達到62%，仍不及減壓槽的效果。

管樁吊點優化技術延伸，大尺寸管樁吊裝適用性校核，根據另一項目油田區域土壤進行打樁計算，并提取有土塞且長期停錘的最危險工況中打樁錘的最大應力，施加在ANSYS模型上，對套管模型進行有限元強度分析計算。

由于打樁過程是對套管切割段的長時間的有規律的錘擊，因此我們依據DNV規范中要求的疲勞分析計算公式，對相應的套管模型在實際打樁過程中的情況進行模擬計算，保證套管在最危險工況下，不會因疲勞強度不足造成損壞，也可利用計算結果對管樁打樁分析進行指導控制。

4.結論

管樁新型吊點設計優化項目的成功應用，具體如下效益：

4.1 技術成果

（1）簡易化的吊點設計理念；

（2）應用ANSYS軟件建立了管樁新型吊孔的靜力學分析模型，對管樁模型進行有限元強度分析計算。

4.2 經濟成果

根據主作業船施工效率統計，隔水套管的海上安裝時間將占總工期的60%左右。將3節套管優化為2節和管樁吊點優化設計，節省近30%的隔水套管安裝時間。

管樁節數及吊點設計的新工藝，此方法對常規導管架鋼樁和隔水套管的吊裝安裝方式進行優化和創新。從根本上解決鋼樁和隔水套管海上無吊裝器情況下的耗時費力的吊裝現狀，實現海上施工降本增效。

4.3 社會效益

該技術誕生在較為成熟的常規渤海灣淺水導管架隔水套管施工技術中，該技術設計成熟、可靠性強，通過模擬計算指導現場施工有利，已為后續多個項目參考并爭相采納使用。