導管架平臺大跨度外掛井槽結構設計方案

周健狀，穆頃，安振武，張曉頻

(中海油能源發展裝備技術有限公司 設計研發中心，天津 300452)

渤海油田在役平臺，隨著投產年限的增加，都面臨產量遞減的問題。為彌補產能不足，近年來，平臺加掛井槽技術應運而生。其中，外掛井槽技術以其空間制約性小、改造量適中、平臺適應性強，以及經濟效益好的特點，得到了廣泛應用。外掛井槽改造在渤海油田大范圍開展的同時，也面臨結構改造難度越來越大的問題，主要體現為：為滿足鉆完井側鉆及總體布置要求，新增井口距離原井口區距離大(大于常規井口片7 m的適用跨距)、水下管卡連接空間制約，以及對結構連接強度要求的提高。上述問題的成熟解決方案：采用平臺外掛樁腿方案，并使用浮吊安裝，該方案投資費用高，經濟評價效益差，直接導致項目無法進一步開展。如何突破當前技術條件制約，拓寬外掛井槽的適用跨度，同時控制項目投資的增幅，保證經濟效益，成為渤海油田穩產增產亟待解決的問題。

1 工程實例

QHD32-6 WHPH平臺于2014年投產，為4腿4主樁導管架結構。為挖掘油田剩余產量，同時考慮平臺無剩余井槽可用及現有井口側鉆無法滿足油田調整開發需求，計劃新增井口開采潛力井位，提高采油速度和采收率。

綜合考慮供應船靠船碰撞風險、管線改造工作量、安全通道合規性，以及海域使用限制的因素，經方案比選，計算在平臺南側外掛5個井槽，并采用鉆井船鉆修井。見圖1。

圖1 平臺南側外掛井槽

上述方案的最大問題是，新增井槽遠離原井口區，井口片的跨度大(約11 m×11 m)。現有技術條件下，井口片最大適用跨距為7 m。為規避技術風險，可采用外掛樁腿方案，同時浮吊配合施工。經工程評價，該技術方案不可行。

針對上述項目難點，開展大跨度外掛井槽結構技術設計研究，著重解決大跨度井口片方案設計、連接螺栓的選型與設計問題，并經過系列計算和驗證，論證了設計方案的可靠性。同時，針對工程項目關注經濟效益的特點，改進了設計方案，減小井口片的單片重量和尺寸，實現不動用浮吊、使用作業區的供應船來運輸，最大程度上降低工程投資。

2 關鍵技術

2.1 大跨度水上井口片優化設計與施工方案

2.1.1 大跨度水上井口片優化設計

常規形式的井口片(見圖2)，最大適用跨度7 m；本項目的井口片尺度達11 m×11 m，常規形式的井口片不適用。為此，改變井口片的結構，具體措施包括提高管材規格和合理新增橫撐和斜撐。優化設計的井口片，對于大跨度結構具有良好的適應性，見圖3。

圖2 常規形式的水上井口片

圖3 優化設計的大跨度井口片結構形式

2.1.2 大跨度水上井口片施工方案

突破常規的井口片整體建造和安裝模式，將井口片拆分預制，分為連接導管架的“網” 字形結構(見圖4)，及井口區的“口”字形結構，見圖5。

圖4 網字結構

圖5 口字結構

安裝流程：先安裝“網”字形結構，再焊接“網”字形結構與“口”字形結構，(此時水下井口片已完成安裝)最后安裝保護架。

水上井口片分片預制和安裝，減輕安裝重量，實現不動用浮吊實施安裝的技術要求。

水上井口片分片預制，尺度減小，解決了供應船運輸空間不足的問題(寬度小于8 m)，滿足運輸船舶要求。

2.2 水下井口片設計與施工方案

2.2.1 管卡空間受限的水下井口片設計

常規的管卡連接井口片要滿足兩個條件：①導管架水平桿有抱卡位置；②可用抱卡位置位于新增隔水套管間隙。對應本項目，常規井口片僅有2個中間位置可抱卡(見圖6)，連接強度明顯不足。不適用于本項目。

圖6 常規的管卡連接井口片

為此，改進設計管卡井口片的結構形式。改進措施包括設置井口片的矩形框架及合理新增橫撐和斜撐，見圖7。

圖7 創新設計管卡空間受限的井口片結構

通過設置水下井口片的矩形框架，克服了抱卡位置與隔水套管間隙必須兼容的關鍵技術制約，解決水下井口片的結構形式設計難題；通過計算校核，該結構形式能滿足平臺規范的設計要求。

2.2.2 管卡空間受限的水下井口片施工方案

突破常規的井口片整體建造和安裝模式，此次水下井口片分片設計、分片預制、分片安裝。水下井口片分片方案，減輕安裝重量，實現不動用浮吊實施安裝的技術要求；同時，安裝尺度減小，解決供應船運輸空間不足的問題(寬度小于8 m)，滿足運輸船舶要求，見圖8。

圖8 井口片分片安裝

2.3 連接螺栓的選型

使用3處螺栓連接：①水下井口片與原導管架結構管卡連接；②受限于運輸空間，水下井口片一分為二，采用法蘭連接；③防撞結構與水下井口片采用法蘭連接。

以往類似的設計項目，螺栓為經驗設計，未進行詳細的計算校核。此次井口片設計，由于井口片跨度大，連接處的受力大，螺栓作為關鍵傳力路徑上的承力部件，合理選型至關重要。針對性開展螺栓的工作性能分析；螺栓的失效模式分析；螺栓校核程序開發。

法蘭和管卡的連接螺栓同時承受軸向拉力、彎矩引起的拉力、水平剪切力、及扭轉剪切力。螺栓在組合應力狀態下，滿足規范要求。經計算校核，同時考慮保守余量，選用10.9級高強承壓型螺栓連接。螺栓校核程序，為大跨度結構連接強度提供了技術保障。

3 計算分析與驗證

3.1 靜力分析與校核

3.1.1 結構模型與約束條件

采用SACS模型，將大跨度井口片的水上、水下結構建模在平臺整體模型中。對于水上井口片，與導管架結構焊接連接，模型考慮剛性連接。對于水下井口片，與導管架結構為管卡連接，保守考慮，允許管卡做軸向的平動和轉動，結構模型中釋放相應的自由度，桿件在管卡端的約束為010010。見圖9～11。

圖9 水上井口片模型

圖10 水下井口片模型

圖11 平臺整體模型

在位計算中，導管架底部與泥面相交處考慮樁土約束，隔水套管底部固定約束。

3.1.2 荷載信息

考慮平臺自投產建成后的完整荷載，包括詳設階段荷載、歷年改造荷載及此次改造荷載。平臺主結構部分，通過建模軟件自動計算自重，附屬結構荷載及各專業的荷載，以加載的形式考慮。由于新增井口和防撞結構，平臺承受的環境荷載增加。尤其是由于改造導致額外的冰荷載，計算中重新加載。新增井口部分，考慮使用鉆井船鉆井完井，及后續修井，暫不考慮修井機荷載在新增井槽位置工作引起的荷載移位，以及相應的上部結構加強。

3.1.3 工況信息與校核結果

根據API RP 2A規范，考慮1年操作風暴條件、100年極端風暴條件、1年極端冰條件以及100年極端冰條件。對于新增井口片部分，桿件的最大UC值0.68，桿件位置是，水上水平層+6.0 m標高，隔水套管導向與井口片之間的直徑406 mm連接桿。

對平臺樁基承載力校核，操作工況安全系數2.55>2.00,計算工況安全系數2.07>1.50,樁基承載力滿足規范要求。

3.2 地震分析與校核

針對此次改造，考慮對平臺整體的質量和剛度影響較大，對平臺整體進行地震分析。

3.2.1 結構模型與荷載信息

地震計算的模型與靜力計算類似，相應修改譜計算的質量凝聚點。

荷載方面，根據文獻[6]要求，地震計算的荷載類似靜力極端工況的荷載，容器、儲罐中的存儲物取系數0.75，活荷載取系數0.75，鉆修井機取極端荷載，不考慮風浪流冰等的環境荷載。

強度地震水平的地震力為：方向6 980 kN，方向6 040 kN。

韌性水平地震力為：方向13 800 kN，方向11 800 kN。

3.2.2 工況與校核結果

強度水平地震，第一階模態自振周期為1.607 s。對所有的桿件進行校核，桿件的UC均小于1.0，滿足規范要求。新增井口片結構的最大桿件值0.39。井口片的強度余量較大。

韌性水平地震，第一階模態自振周期為1.658 s。根據規范要求，僅對平臺的門型框架進行強度校核，桿件的均小于1.0，滿足規范要求。

對平臺進行樁基校核，強度水平工況，承載力安全系數2.03>1.20；韌性水平工況，承載力安全系數1.62>1.00，滿足規范要求。

3.3 譜疲勞分析與校核

3.3.1 結構模型與荷載信息

譜疲勞計算的模型與靜力計算類似，相應修改譜計算的質量凝聚點即可。

荷載方面，譜疲勞計算的荷載類似靜力極端工況的荷載，容器、儲罐中的存儲物取系數0.75，活荷載取系數0.75，鉆修井機取極端荷載。環境荷載，僅考慮波浪的作用。

基于中心損傷海況條件生成等效剛度矩陣，計算平臺模態，選取相應的周期點生成傳遞函數，注意在平臺前三階周期附近加密周期點。

3.3.2 工況與校核結果

第一階模態自振周期為1.624 s。校核結果表明，考慮5倍系數，所有節點的疲勞壽命都大于26年，滿足規范要求。

3.4 管卡局部校核

新增的水下井口片結構采用管卡與導管架連接。對管卡采用ANSYS進行有限元模型校核。

3.4.1 模型與約束條件

采用板單元建模，建模范圍包括1/2管卡、筋板，以及連接圓管。約束條件為、在管卡與螺栓接觸位置固定約束。

荷載信息，從平臺整體校核的靜力計算中提取，作用點在圓管端部。

3.4.2 計算工況與校核結果

校核結果表明，最大Von Mises應力為211 MPa，根據工程經驗取80%倍安全系數，許用應力為355 MPa×0.8=284 MPa，表明管卡強度滿足規范要求，見圖12。

圖12 有限元應力云圖

3.5 螺栓連接校核

法蘭和管卡的連接螺栓同時承受軸向拉力、彎矩引起的拉力、水平剪切力、以及扭轉剪切力。

螺栓的受力，從平臺整體校核的靜力計算中提取。螺栓所處的位置不同，受力也不同。校核最不利的位置的螺栓強度。

保守考慮，選用10.9級高強承壓型螺栓連接，經校核，抱卡螺栓在組合應力狀態下，最大UC值為0.46，法蘭螺栓在組合應力狀態下最大UC值為0.91，滿足規范要求。

綜合以上計算分析與驗證，大跨度外掛井槽設計方案技術滿足規范要求。靜力計算表明，與隔水套管導向連接的局部桿件，UC值相對較大。管卡校核和螺栓校核，強度余量相對小，設計中應重點關注。

4 工程應用

目前，大跨度外掛井槽結構技術方案，歷經設計、施工、調試，現已成功應用于QHD32-6WHPH平臺，運行投產良好。

大跨度井口片的創新設計，克服了井槽遠離井口區的關鍵技術制約因素，使外掛井槽方案由不可行變為可行，工期大幅減少，生產效率和經濟效益大幅提高。

水下和水上井口片分片設計，應對浮吊資源緊張的行業現狀，并降本增效的號召，解決了工期緊張的項目制約難題，同時節約了成本，生產效率和經濟效益顯著。

空間受限的水下管卡井口片設計，作為大跨度井口片的關鍵技術方案，解決了水下井口片抱卡布置與連接問題，為大跨度井口片的實施提供了技術保證。

創新設計的井口片結構形式在國內首次研發并應用；井口片的分片方案也是國內首次應用在外掛井槽項目中。