渤海采油平臺(tái)新增樁腿技術(shù)研究

董振宇，田德鵬，黃小明，趙 威

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

目前渤海油田正處于高速發(fā)展的階段，在役采油平臺(tái)的井槽數(shù)量及甲板面積已經(jīng)難以適應(yīng)油田二次開發(fā)和規(guī)模擴(kuò)大的需求。由于新建平臺(tái)的周期長(zhǎng)且成本高，渤海油田依托現(xiàn)役平臺(tái)設(shè)計(jì)建造了多座新增樁腿，以便外掛井槽增打調(diào)整井或增加設(shè)備，最大限度發(fā)揮現(xiàn)役平臺(tái)能力的同時(shí)，緩解了鉆井平臺(tái)及浮吊資源的緊張。經(jīng)實(shí)踐證明，此開發(fā)模式具有投資少、見效快且適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 新增樁腿項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)原則

本文選取4 個(gè)具有代表性的渤海海域的新增樁腿項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，以得到此類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件和設(shè)計(jì)基本原則（圖1～圖4）。另外，還對(duì)各項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式、用鋼量和吊裝重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為經(jīng)濟(jì)概算的依據(jù)，對(duì)于未來(lái)類似項(xiàng)目的開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

圖1 SZ36-1 WHPJ 平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目

圖2 旅大10-1 WHPA 平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目

圖3 BZ26-2 WHPA 平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目

圖4 SZ36-1 WHPE/G 平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目

1.1 改造工程概況

渤海采油平臺(tái)主要的新增樁腿項(xiàng)目改造工程情況見表1。

表1 渤海采油平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目改造工程對(duì)比

1.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

渤海采油平臺(tái)主要的新增樁腿項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件見表2。

表2 渤海在役采油平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件對(duì)比

1.3 設(shè)計(jì)原則

1.3.1 總體布置設(shè)計(jì)基本原則

（1）總體設(shè)計(jì)的基本原則為依托現(xiàn)役平臺(tái)，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，盡量減少投資和海上施工工作量。在保證新增組塊與現(xiàn)役平臺(tái)間隙足夠的情況下，應(yīng)減小新增樁腿與現(xiàn)役平臺(tái)樁腿的距離。這不僅有利于保證新老平臺(tái)連接后的整體強(qiáng)度，而且節(jié)約用鋼量。如有必要，還應(yīng)考慮現(xiàn)役平臺(tái)的延壽評(píng)估問(wèn)題。

（2）對(duì)于有鉆井需求的新增樁腿項(xiàng)目，應(yīng)預(yù)留足夠數(shù)量的井槽，綜合考慮鉆修井方式、鉆井船二次就位、現(xiàn)役平臺(tái)吊機(jī)能力及是否有新增吊機(jī)的需求、靠船方向等因素，合理選擇新增樁腿的位置。在充分滿足新增樁腿與隔水套管安全距離的情況下，新增樁腿適宜設(shè)計(jì)為直樁以減少海上打樁的難度。

（3）對(duì)于鉆井小平臺(tái)以及接污平臺(tái)的設(shè)計(jì)可綜合考慮。既可以二者共存，也可以在鉆井小平臺(tái)上增設(shè)臨時(shí)構(gòu)件以滿足鉆井作業(yè)的需求，鉆井結(jié)束后將其改造為接污平臺(tái)。但在設(shè)計(jì)井口區(qū)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意避讓鉆井小平臺(tái)。

（4）新增平臺(tái)的隔水套管設(shè)計(jì)應(yīng)考慮冰堵塞的情況，隔水套管與新增樁腿之間的距離應(yīng)大于1.5 m，有利于隔水套管安裝及后期采油樹的作業(yè)。

（5）應(yīng)控制新增平臺(tái)懸臂甲板的跨度，控制甲板變形。在布置設(shè)備時(shí)應(yīng)使大型設(shè)備盡量遠(yuǎn)離懸伸甲板。

（6）在前期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)后期的改造情況考慮是否為平臺(tái)預(yù)留泵護(hù)管、電纜護(hù)管或立管。

（7）如果考慮利用現(xiàn)役平臺(tái)鉆修機(jī)作業(yè)，應(yīng)考慮鉆修機(jī)滑移到新增井口時(shí)是否有鉆修機(jī)改造需求，是否需要對(duì)相關(guān)設(shè)備（如泥漿泵、罐，柴油罐及管子堆場(chǎng)等上部設(shè)施）進(jìn)行移位，新增平臺(tái)是否有足夠空間擺放這些設(shè)備。

（8）如果利用鉆井船打井，需預(yù)先提供鉆井船的主尺度和樁靴間距等數(shù)據(jù)，并確認(rèn)隔水套管是由工程貫入導(dǎo)管或由鉆井設(shè)備下套管，同時(shí)應(yīng)確認(rèn)鉆井船的懸臂梁可以覆蓋的最大范圍。

1.3.2 新增樁腿設(shè)計(jì)基本原則

（1）在項(xiàng)目運(yùn)行之前應(yīng)盡可能地收集資料，如現(xiàn)役平臺(tái)的最新環(huán)境參數(shù)、地質(zhì)資料、陸地及海上施工完工報(bào)告、服役期內(nèi)歷次改造內(nèi)容及檢測(cè)評(píng)估報(bào)告、周邊現(xiàn)有海底管線完工報(bào)告及最新探摸結(jié)果等。

（2）應(yīng)考慮鉆井船樁靴腳印是否與新增樁腿周邊現(xiàn)有海底管線干涉，如果新增樁腿為單斜，則應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮樁靴是否與新增樁腿干涉。

（3）應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)役平臺(tái)的樁基承載力，避免在承載力余量不足的樁腿附近布置大型設(shè)備。

（4）新增樁腿在入泥深度的選擇方面，在滿足安全要求的前提下應(yīng)充分考慮海上打樁的難度，必要時(shí)可以考慮將持力層設(shè)計(jì)為硬的黏土層。

（5）新增樁腿應(yīng)合理進(jìn)行樁的分段，一般渤海區(qū)域?qū)斗譃? 段。泥面處和反彎點(diǎn)處不應(yīng)設(shè)計(jì)為接樁點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)使用厚壁段。

（6）根據(jù)樁腿有無(wú)斜度設(shè)計(jì)，組塊與導(dǎo)管架連接方式為過(guò)渡段或倒盲板：如果新增樁腿為直樁宜設(shè)計(jì)為倒盲板，以減少組塊安裝時(shí)就位的難度；如果新增樁腿為斜樁則宜設(shè)計(jì)為過(guò)渡段，實(shí)現(xiàn)樁腿由斜改直的過(guò)渡。

（7）根據(jù)最新的環(huán)境條件對(duì)新老平臺(tái)樁腿進(jìn)行校核，對(duì)平臺(tái)的重量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（8）核實(shí)新增樁腿與現(xiàn)役平臺(tái)的連接部分加厚段長(zhǎng)度，是否滿足規(guī)范要求。

1.3.3 海上安裝設(shè)計(jì)基本原則

（1）由于新增樁腿是完全依托于現(xiàn)役平臺(tái)，因此可能在新增樁腿的安裝過(guò)程中發(fā)生大量的干涉問(wèn)題，在項(xiàng)目初期就應(yīng)該充分評(píng)估可能出現(xiàn)的問(wèn)題并一一核實(shí)。主要干涉的內(nèi)容有：①新增樁腿是否與預(yù)定位置周邊現(xiàn)有海管干涉；②新增樁腿是否與平臺(tái)上部設(shè)備（如放空管、火炬臂、吊機(jī)等）干涉；③新增樁腿是否與原導(dǎo)管架干涉；④新增樁腿是否與周邊平臺(tái)干涉；⑤新增樁腿鋼樁入泥后是否與原平臺(tái)鋼樁干涉；⑥新增樁腿與現(xiàn)役平臺(tái)的連接部分是否與現(xiàn)役平臺(tái)原有的電纜護(hù)管、泵護(hù)管等存在干涉。

（2）項(xiàng)目初期需進(jìn)行海底探摸，明確新增樁腿是否與預(yù)定位置周邊現(xiàn)有海管干涉，如果考慮移動(dòng)海管路由，應(yīng)充分考慮施工時(shí)間及費(fèi)用。

（3）導(dǎo)管架陸地建造方案的影響，應(yīng)明確導(dǎo)管架陸地建造方案為立式或臥式。如果是臥式建造則需要進(jìn)行陸地翻身，則導(dǎo)管架吊點(diǎn)、翻身輔助吊點(diǎn)、吊機(jī)資源及碼頭承載力等需要核實(shí)。

（4）打樁對(duì)現(xiàn)役平臺(tái)的影響，由于新增樁腿打樁時(shí)已經(jīng)與現(xiàn)役平臺(tái)連接完畢，應(yīng)合理控制打樁能量和打入速度，避免對(duì)現(xiàn)役平臺(tái)作業(yè)產(chǎn)生影響。

為患者提供綜合的關(guān)懷和服務(wù)[17]：心理健康篩查；健康生活方式指導(dǎo)（如戒煙）；生育指導(dǎo)；疫苗接種指導(dǎo)；HIV相關(guān)的神經(jīng)認(rèn)知功能障礙的篩查；旅行健康指導(dǎo)；舒緩醫(yī)療服務(wù)。均應(yīng)按照相關(guān)指南或規(guī)范來(lái)進(jìn)行。

（5）組塊海上安裝時(shí)的生根點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際重心對(duì)平臺(tái)進(jìn)行安裝，為避免在吊裝中出現(xiàn)偏心的情況，應(yīng)詳細(xì)核實(shí)重心位置，組塊就位后再根據(jù)實(shí)際狀態(tài)對(duì)過(guò)渡段進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)控制海上安裝精度，避免采油樹與組塊下甲板發(fā)生碰撞。

（6）新增組塊海上安裝應(yīng)充分考慮施工誤差（包括安裝水平度和轉(zhuǎn)角誤差），對(duì)于新增井口的樁腿應(yīng)考慮增加滑道梁的翼緣寬度。

（7）提前調(diào)研上部組塊就位對(duì)接時(shí)可能存在的障礙物（如管線、電纜等），并注意避讓。

（8）選取該方案前先了解船舶資源，包括碼頭裝船、海上運(yùn)輸和海上安裝的相關(guān)船舶，需預(yù)先確認(rèn)吊裝船舶的吊重曲線、起重能力、鉤頭數(shù)量和鉤間距，以及運(yùn)輸駁船的主尺度、甲板布置圖等數(shù)據(jù)。

2 新增樁腿項(xiàng)目結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析

2.1 主要構(gòu)件桿系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比

采用SACS 軟件對(duì)各平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目的主要構(gòu)件進(jìn)行分析，為類似項(xiàng)目結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型提供參考。

渤海采油平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目的操作工況有限元強(qiáng)度分析結(jié)果見表3，其中UC為最大名義應(yīng)力比值。

表3 渤海采油平臺(tái)新增樁腿項(xiàng)目操作工況有限元強(qiáng)度分析結(jié)果

2.2 局部有限元強(qiáng)度分析結(jié)果

應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)各平臺(tái)隔水套管及主吊點(diǎn)進(jìn)行分析，作為今后新增樁腿項(xiàng)目結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型提供參考。

（1）隔水套管局部冰力（圖5）。通過(guò)對(duì)隔水套管局部冰力應(yīng)力云圖分析，可知流冰在隔水套管潮差區(qū)內(nèi)的壁厚選取25 mm能夠滿足規(guī)范要求。因此，考慮扣除腐蝕余量因素，此處的壁厚不應(yīng)小于19 mm。

（2）新增樁腿結(jié)構(gòu)主吊點(diǎn)（圖6～圖7）。通過(guò)新增樁腿結(jié)構(gòu)主吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力云圖分析，可知軸式吊點(diǎn)能良好地適應(yīng)于新增樁腿項(xiàng)目的海上安裝要求：一方面有利于避開新增樁腿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狹小空間，特別是有立管和電纜護(hù)管穿過(guò)的時(shí)候；另一方面將圓管作為吊點(diǎn)有利于導(dǎo)管架的翻身，因?yàn)槎迨降觞c(diǎn)無(wú)法承受翻身時(shí)的平面外側(cè)向力。

圖6 新增樁腿結(jié)構(gòu)主吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖7 新增樁腿結(jié)構(gòu)主吊點(diǎn)應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著新增樁腿外掛井槽項(xiàng)目的順利投產(chǎn)和良好運(yùn)行，不僅積累了大量經(jīng)驗(yàn)，新增樁腿外掛井槽或外擴(kuò)甲板的思路也成為一種成熟的增產(chǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式，此計(jì)模式還會(huì)在更多的平臺(tái)中得到應(yīng)用。新增樁腿的改造形式，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速增加甲板面積和井槽數(shù)量，這種投資少、見效快、制作工藝簡(jiǎn)單的改造模式，為海洋石油行業(yè)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造了良好的支持保障條件。通過(guò)不斷改良，此技術(shù)將會(huì)更多地出現(xiàn)在采油平臺(tái)改造設(shè)計(jì)領(lǐng)域。新增樁腿還有對(duì)安裝精度和海底狀態(tài)要求高、與現(xiàn)役平臺(tái)壽命不同步的特點(diǎn)，在安裝過(guò)程中需要船舶資源長(zhǎng)時(shí)間輔助，對(duì)現(xiàn)役平臺(tái)存在一定的影響，因此在未來(lái)的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中將做進(jìn)一步的完善。