利用隔水導管提高平臺承載力的方法

吳景健,龐洪林,肖輝,萬軍,張夢玥

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300452)

渤海導管架平臺大多采用樁基式平臺結構形式,平臺主要通過樁基來支撐甲板荷載及抵抗環境荷載,樁基承載力大小直接影響海上生產的安全性[1]。根據API RP 2A規范規定,樁基承載力安全系數在操作工況下不小于2.0,極端工況下不小于1.5[2]。渤海油田經過多年的發展,上部組塊生產規模不斷增加,樁基承載力不足的問題日益凸顯。隔水導管作為連接井口與海底的通道,具有隔離海水形成鉆井液循環通道,承擔上部采油樹、防噴器等井口設備荷載的作用[3]。隔水導管入泥深度受井口荷載的影響,渤海常見的隔水導管入泥深度見圖1,主要集中在40～80 m之間[4]。常見的隔水導管尺寸包括為20″、24″、30″和36″,隔水導管通常采用鋼管結構,常見入泥深度(以50 m為例)下的隔水導管承載力如圖1所示,4種尺寸的隔水導管常見的承載力區間分別為4～6 MN,5～7 MN,7～9 MN,9～11 MN。因此隔水導管最小下入深度在保證正常鉆井液循環及井口支持情況下,仍具有一定的承載力余量。隔水導管數量較多,如能合理利用隔水導管的承載力余量,可以提高導管架平臺的承載能力[5],既可以實現海上的生產作業需求,又可以提高海上作業的安全性。

圖1 渤海常見隔水導管入泥深度及樁基承載力大小

以渤海某油田平臺修井機升級改造項目為例,通過改變導管架和組塊與隔水導管的連接方式,論證利用隔水導管作為平臺輔助持力結構增加平臺承載力的方法的可行性。

1 隔水導管承載方式

一般情況下隔水導管被認作非結構構件,不參與平臺剛度貢獻和承載,常見的導管架與隔水導管的相互作用方式見圖2。對于下部結構,隔水導管穿過導向孔并通過楔塊進行固定,楔塊與隔水導管之間不焊接,只起到限制隔水導管水平位移的作用,不存在垂向載荷的傳遞[6]。對于上部組塊來說,隔水導管與甲板梁不直接接觸,隔水導管頂部自由不受約束[7]。

圖2 平臺與隔水導管的典型連接形式

分析導管架平臺與隔水導管之間的相互作用,平臺與隔水導管之間進行載荷傳遞可以采用3種方法,見圖3。對于下部結構,可以將導向孔內楔塊與隔水導管進行焊接,使其承受垂向荷載;對于上部組塊,可以通過甲板梁與隔水導管直接焊接,或者通過設置斜撐與隔水導管連接,將上部組塊重量傳遞到隔水導管。

圖3 隔水導管承載方式

2 計算分析

2.1 計算模型

改造平臺為4腿井口平臺,見圖4。

圖4 平臺計算模型

工作點間距為16 m×11 m,共設置16個井槽, 4×4布置,井槽間距為2 m×2 m。導管架樁徑為1 219 mm,設計入泥深度88 m,單樁極限承載力為25.088 MN。隔水導管直徑610 mm,入泥50 m,單樁極限承載力為6.775 MN。上部組塊分為2層甲板,組塊與導管架之間是1個2層的導管架帽結構,包括1層結構框架和1層工作甲板,組塊操作重約為2 762 t。

2.2 計算參數

對平臺進行修井機升級改造,新增修井機與原修井機載荷對比見表1,平臺修井機載荷增加4 270 kN。

表1 修井機荷載對比

平臺位置處海圖水深31.8 m,設計環境條件沿用原平臺環境數據,極端工況選取50年一遇的風、浪、流、冰組合,操作工況選取1年一遇的風、波、流、冰組合,環境荷載作用于8個方向。修井機升級改造前后樁基承載力系數的變化見表2。

表2 修井機升級改造前后樁基承載力系數對比

改造后A1樁腿極端冰工況安全系數為1.39,不滿足規范要求,需要進一步提高平臺承載能力。

基于上述隔水導管承載模式分析,根據平臺與隔水導管不同的連接形式,將計算工況分為4種,連接形式見圖5。

圖5 平臺與隔水導管連接示意

1)初始工況(工況0),導管架與隔水導管不連接,隔水導管不承受平臺垂向荷載。

2)第一水平層連接工況(工況1),將EL.(+)4.3 m水平層導向孔與隔水導管焊接。

3)工作甲板連接工況(工況2),將井口區外側隔水導管通過斜撐與工作甲板甲板梁連接。

4)同時連接第一水平層和工作甲板(工況3)。

2.3 計算結果

2.3.1 荷載轉移分析

不同工況下導管架最大樁頭力見表3,樁頭力的變化見圖6。

表3 不同計算工況下的樁頭力 kN

圖6 不同工況下樁頭力的變化

可以看出通過改變導管架平臺與隔水導管的連接方式后,導管架樁頭力均有不同程度的降低。操作工況下,工況1～3的樁頭力平均減小8.89%、11.28%和16.43%;極端工況下,工況1～3的樁頭力平均減小6.53%、8.06%和11.86%。在工況3下,樁基操作工況最小安全系數為2.30,極端工況最小安全系數為1.51,可以滿足規范要求。

同時隔水導管樁頭力相應增加,承受的垂向荷載增大,最大樁頭力見表4。

表4 不同計算工況下隔水導管最大樁頭力 kN

可以看出,單根隔水導管樁頭力最大不超過1 375.7 kN,單根隔水導管承受平臺載荷不超過960 kN,隔水導管承載力安全系數最小為4.36,可以滿足規范要求,隔水導管在附加荷載作用下,可以保證隔水導管井口穩定不下沉。

以最危險工況為例,匯總不同連接形式下導管架樁基和隔水導管承受的垂向荷載見表5。

表5 不同計算工況下載荷轉移情況

可以看出,工況1～3傳遞的上部組塊垂向荷載的百分比分別為13.53%、18.30%和26.06%,相比于連接第一水平層導向孔,通過斜撐連接甲板與隔水導管的方式載荷傳遞效率更高。

2.3.2 結構強度分析

改變導管架與隔水導管的連接方式,直接影響的是樁基、導管架腿、隔水導管、第一水平層桿件和工作甲板梁的受力,對其他結構桿件幾乎沒有影響。計算分析這些部位的結構強度,見圖7。

圖7 樁基UC值分布

由圖7可見,組塊荷載部分轉移到隔水導管后,導管架樁基受力較小,UC值最大降低8.58%,導管架腿UC最大降低9.42%,隔水導管樁基和隔水導管受力增大,但仍在規范規定的范圍內。第一水平層井口區桿件和工作甲板梁由于桿件規格較小,與隔水導管連接后受力增大,部分桿件UC值大于1,不滿足規范要求,需要進行加強。第一水平層桿件通過焊接補板增加桿件壁厚方式進行加強,工作甲板桿件梁通過在工字鋼兩側增加腹板組成箱型梁進行加強,加強后結構強度見圖8,可以滿足規范要求。

圖8 平臺結構強度

2.3.3 位移分析

改變導管架和隔水導管的連接方式,對樁基和平臺位移的影響見圖9。圖9表明,荷載轉移使導管架主腿樁基垂向位移減小,最大可降低12.48%,隔水導管樁基垂向位移增大。由于考慮隔水導管的剛度貢獻,在一定程度上降低了樁基的側向位移以及導管架和隔水導管頂部水平位移[8],主腿樁基和隔水導管樁基側向位移最大降低7.54%和7.96%,導管架和隔水導管頂部水平位移最大降低9.56%和24.52%。

圖9 樁基垂向位移分布

2.4 上部組塊與隔水導管連接方式分析

以極端工況為例,分析不同組塊連接方式的荷載傳遞效率,按照組塊與隔水導管甲板梁連接、不同尺寸斜撐連接形式進行計算,結果見表6。

表6 組塊不同連接方式荷載傳遞效率

由表6可以看出,通過甲板梁連接或者斜撐連接均可以將組塊垂向荷載傳遞到隔水導管,并且荷載傳遞效率除了與上部組塊荷載分布、平臺與隔水導管相對剛度有關外,還與連接結構的剛度相關,隨著連接結構強度增大,荷載傳遞效率逐漸提高,通過平衡平臺強度與荷載傳遞效率選擇最優的組塊連接形式。

對于本平臺來說,406 mm×13 mm的斜撐尺寸既可以滿足自身強度要求,荷載傳遞結果又可以使平臺滿足承載力要求,因此組塊與隔水導管的連接方式采用406 mm×13 mm。

3 結論

1)隔水導管在常規入泥深度下,其承載力在滿足井口支持的前提下仍具有一定的余量,隔水導管具有作為平臺持力結構的基礎和能力;

2)改變平臺與隔水導管的連接方式后,組塊荷載進行了有效地傳遞,荷載傳遞效率最大達到26.06%,對平臺整體結構分析表明,樁基荷載和導管架腿部受力減小,UC值最大可降低8.58%和9.42%,樁基和導管架頂部水平位移均有減小,最大可降低7.54%和9.56%;

3)在不同組塊連接方式中,荷載傳遞效率與連接結構剛度有關,剛度越大荷載傳遞效率越高。

綜上,利用隔水導管的剩余承載力提高平臺的承載力方法是可行的,可以有效減輕平臺承載力不足的壓力,解決平臺承載力不足的問題。分析結論不僅適用于老平臺改造,對于新建平臺降低鋼材用量也具有一定的參考意義。