QHD32-6WHPH平臺外掛井槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工與維護(hù)

周健狀，穆 頃，張曉頻，安振武，王夢穎

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452

海上油田開發(fā)在創(chuàng)造了可觀財(cái)富的同時，也面臨著隨投產(chǎn)年限增加而逐年減產(chǎn)的問題[1]。為彌補(bǔ)產(chǎn)能不足，平臺外掛井槽技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。外掛井槽技術(shù)以其空間制約性小、改造量適中、平臺適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)[2]，在渤海海域得到了廣泛的應(yīng)用。

外掛井槽改造在渤海油田大范圍開展的同時，也面臨結(jié)構(gòu)改造難度越來越大的問題，主要體現(xiàn)為：為滿足鉆完井側(cè)鉆以及總體布置要求，新增井口距離原井口區(qū)距離大（常規(guī)外掛井槽最大跨距為8 m）；受水下管卡連接空間制約；對結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度要求高，上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)可通過新增樁腿加掛井槽解決。新增樁腿方案的缺點(diǎn)是建設(shè)周期長、建造成本高、施工量大。針對外掛井槽技術(shù)的以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)開展研究，以期改進(jìn)已有的外掛井槽技術(shù)，更好適應(yīng)大跨度和管卡空間受限問題，大幅降低建造成本，縮短建設(shè)周期。

1 工程實(shí)例

秦皇島油田QHD32-6WHPH平臺于2014年投產(chǎn)，為4腿4主樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。考慮平臺無剩余井槽可用以及現(xiàn)有井口側(cè)鉆無法滿足油田調(diào)整開發(fā)需求，計(jì)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(yīng)船靠船碰撞風(fēng)險(xiǎn)、管道改造工作量、安全通道合規(guī)性及海域使用限制等因素，經(jīng)方案比選，計(jì)劃在平臺南側(cè)外掛5個井槽（如圖1所示），采用鉆井船進(jìn)行鉆、修井。

圖1 平臺南側(cè)外掛井槽

關(guān)于鉆井船的就位方案，分別考慮了平臺東、南、西、北四個方位。其中：平臺北側(cè)與吊機(jī)存在干涉，平臺南側(cè)與已有棧橋存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，平臺西側(cè)與海管、海纜路由干涉，平臺東側(cè)鉆井船懸臂梁需外伸12.2 m。綜上，鉆井船在平臺東側(cè)就位最為有利，為推薦方位。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 井口片

一般情況下，外掛井槽置于導(dǎo)管架外部，需通過水上和水下井口片與原導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)連接；井口片的標(biāo)高與原導(dǎo)管架水平層標(biāo)高一致。井口片與原導(dǎo)管架的連接：水上一般為焊接連接，水下常采用管卡連接。井口片的作用是：為隔水套管提供水平方向的支撐，作為隔水套管安裝工況下的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)連接外側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。

2.1.1 水上井口片

常規(guī)水上井口片的結(jié)構(gòu)形式見圖2，一般為一根外側(cè)弦桿與若干垂直的撐桿通過焊接連接至原導(dǎo)管架水平層，垂直撐桿布置在隔水套管間隙和外側(cè)。

圖2 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水上井口片

QHD32-6WHPH平臺外掛井槽方案，新增井槽遠(yuǎn)離原井口區(qū)，跨距大（井口片跨距約11 m），新增井槽5個，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間布置和強(qiáng)度要求高。為提高水上井口片設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度，水上井口片的形式改進(jìn)如下：一方面，提高管材規(guī)格，采用610鋼與508鋼等；另一方面，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)形式（見圖3），在一根外側(cè)弦桿與若干垂直撐桿的傳統(tǒng)形式基礎(chǔ)上，增加兩根橫向撐桿，另設(shè)內(nèi)部斜撐連接新增橫撐與原導(dǎo)管架。此種結(jié)構(gòu)形式對于大跨距的井口片具有良好的適應(yīng)性。

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的水上井口片

2.1.2 水下井口片

常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水下井口片（見圖4）類似于水上井口片，一般由一根外側(cè)弦桿與若干垂直的撐桿組成，撐桿通過管卡連接至原導(dǎo)管架水平層，垂直桿件布置在隔水套管間隙和外側(cè)。

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圖4 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的水下井口片

QHD32-6WHPH平臺外掛井槽的方案中，水下井口片既面臨大跨距問題，還面臨水下管卡連接空間受限的問題，即管卡布置位置與垂直撐桿的布置位置不兼容。水下井口片結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)優(yōu)先考慮水下管卡的可用空間，以確定管卡位置。因?yàn)楣芸ㄟB接垂直撐桿會與新增隔水套管產(chǎn)生干涉，所以設(shè)計(jì)矩形框架結(jié)構(gòu)作為隔水套管的支撐框架，將隔水套管與水下井口片的連接轉(zhuǎn)化為與矩形框架的連接，從而擺脫管卡連接垂直撐桿的位置制約。此外，水下井口片也增加了若干撐桿，以提高強(qiáng)度與剛度，見圖5。

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的水下井口片

考慮到水下井口片與導(dǎo)管架為管卡連接，繞管卡軸心轉(zhuǎn)動的約束差，水上井口片設(shè)計(jì)了兩根分別連接至導(dǎo)管架主腿與組塊主結(jié)構(gòu)的斜撐，以彌補(bǔ)新增結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度不足。

2.2 連接螺栓

QHD32-6WHPH平臺，共計(jì)使用了三處螺栓連接：其一，水下井口片采用管卡與原導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)連接；其二，受限于運(yùn)輸空間，水下井口片采用法蘭連接，一分為二；其三，隔水套管防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片采用法蘭連接。上述三處的螺栓連接是本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一。提取計(jì)算得到的螺栓連接處的桿件內(nèi)力，將其轉(zhuǎn)化為單根螺栓受到的拉力、橫向剪力和扭轉(zhuǎn)剪力。校核結(jié)果表明，連接螺栓需采用10.9級承壓型高強(qiáng)螺栓，并施加355kN的預(yù)拉力。其中，螺栓連接最危險(xiǎn)處為防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片連接處。

水下螺栓長期承受波流的作用，螺桿的自由長度對于維持預(yù)緊力至關(guān)重要。QHD32-6WHPH水下主要結(jié)構(gòu)的螺栓連接見圖6。設(shè)計(jì)中采用雙頭螺栓，且螺栓外伸長度不小于5倍直徑，以保證足夠的連接強(qiáng)度。

圖6 螺栓設(shè)計(jì)

2.3 防撞結(jié)構(gòu)

外掛井槽方案使得新增隔水套管位于導(dǎo)管架外部。考慮隔水套管作為平臺重要結(jié)構(gòu)，遭受破壞后果嚴(yán)重，因此常在外掛隔水套管外部設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮防撞結(jié)構(gòu)承受風(fēng)、浪、流以及冰荷載條件下不被破壞。防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常使用508鋼或406鋼，且不考慮腐蝕余量。防撞結(jié)構(gòu)作為次要結(jié)構(gòu)，在損傷、腐蝕或破壞時應(yīng)及時修復(fù)更換。以上設(shè)計(jì)兼顧了保護(hù)隔水套管的需求和改造經(jīng)濟(jì)性。

2.4 隔水套管導(dǎo)向

外掛井槽的隔水套管多利用鉆修井機(jī)或鉆井船以鉆入的方式進(jìn)行安裝就位，較少采用樁錘打入的方式安裝隔水套管，以避免錘擊振動對平臺生產(chǎn)的不利影響[2]。為了滿足鉆頭下放和提升的需求，隔水套管導(dǎo)向多設(shè)計(jì)為雙喇叭口形式（見圖7），且導(dǎo)向筒的直徑略大于常規(guī)錘入方式的導(dǎo)向筒，具體尺寸要求需與鉆完井方協(xié)商確定。

圖7 導(dǎo)向雙喇叭口大直徑設(shè)計(jì)

2.5 平臺結(jié)構(gòu)影響

條件允許時，應(yīng)對老平臺進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)研，并查閱最新的檢測報(bào)告，力求在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中準(zhǔn)確模擬平臺當(dāng)前的荷載狀態(tài)、腐蝕情況和損傷程度[4]。平臺外掛井槽對結(jié)構(gòu)的影響因素包括：結(jié)構(gòu)重力和浮力改變、環(huán)境荷載改變（風(fēng)、浪、流、冰荷載）、結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度變化、拆除設(shè)備、新增設(shè)備或移位設(shè)備等[3]，可能導(dǎo)致樁基承載力、樁身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度裕量的變化甚至不足。

外掛井槽的規(guī)模改造，需要對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的靜力、地震、疲勞分析[5]，視情況需要進(jìn)行管卡校核、螺栓校核、非管節(jié)點(diǎn)等局部分析[6-7]。

QHD32-6WHPH平臺因海域受限，使用鉆井船鉆完井。對于使用平臺原修井機(jī)的情況，需重點(diǎn)關(guān)注新增井槽處修井工況，通常樁基承載力影響較大，且一般需要對原組塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。

3 外掛井槽施工

3.1 施工前準(zhǔn)備工作

外掛井槽施工前需對周邊海底細(xì)致探查，確認(rèn)鉆井船就位避讓區(qū)內(nèi)沒有海底電纜和海底管道。水下管卡與導(dǎo)管架連接處需提前清理，包括干涉的陽極以及海生物，并對連接處打磨。

3.2 施工方案

外掛井槽施工的一般順序?yàn)椋航M塊結(jié)構(gòu)改造→水下井口片連接→水上井口片連接→防碰撞結(jié)構(gòu)連接→組塊設(shè)備就位與管道連接。具體施工順序可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

QHD32-6WHPH外掛井槽的具體施工方案如下：改造組塊結(jié)構(gòu)，陸上預(yù)制單根梁段，海上焊接組對；水下井口片，在陸上分兩片預(yù)制，海上利用臨時工裝輔助安裝；水上井口片，在陸上預(yù)制單根管段，利用工裝吊裝，并在海上焊接；防撞結(jié)構(gòu)，先法蘭連接水下井口片，后焊接水上井口片。

4 平臺維護(hù)

在平臺運(yùn)行期間，外掛井槽結(jié)構(gòu)形式需要考慮4個方面維護(hù)措施。

（1）海生物清理。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮防撞結(jié)構(gòu)與平臺一致的海生物厚度，海生物的厚度越大，對平臺整體越不利，應(yīng)堅(jiān)持按照規(guī)定的最大海生物厚度及時清理。

（2）防撞結(jié)構(gòu)。在平臺服役期間，應(yīng)重點(diǎn)對防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，確保防撞結(jié)構(gòu)的完整性和有效性。在防撞結(jié)構(gòu)防腐油漆脫落后進(jìn)行補(bǔ)漆作業(yè)；當(dāng)油漆脫落無法按時修復(fù)且防撞結(jié)構(gòu)桿件壁厚腐蝕嚴(yán)重（可考慮原始壁厚一半）時，更換局部桿件或整個防撞結(jié)構(gòu)。

（3）水下管卡及螺栓。水下井口片的管卡形式連接、井口片之間的法蘭連接以及防撞結(jié)構(gòu)與水下井口片的法蘭連接，都是通過螺栓連接的。螺栓長期受到海洋環(huán)境荷載的作用，損耗大。在平臺服役期間應(yīng)對管卡進(jìn)行定期檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連接異常時（如橡膠破損等）及時修復(fù)和更換；同時，在水下檢測作業(yè)時密切監(jiān)控螺栓連接的情況，當(dāng)有螺栓或螺母脫落時，立即著手補(bǔ)齊。

（4）井口關(guān)斷保護(hù)。平臺運(yùn)行期間須嚴(yán)格控制船舶的靠船方向，避免靠近新增井口區(qū)域；在新增井口區(qū)域設(shè)置警示牌或警示燈，防止不可預(yù)料的意外碰撞；平臺宜采取相應(yīng)的關(guān)斷設(shè)計(jì)，當(dāng)新增井口遭受劇烈撞擊導(dǎo)致井口壓力突然變化時，平臺自動關(guān)斷井上、井下安全閥，防止油氣外泄。

5 結(jié)束語

在已建海洋平臺外側(cè)增加井槽的方案，能有效利用原平臺上部設(shè)施，彌補(bǔ)產(chǎn)能不足的問題。外掛井槽技術(shù)日漸成熟，目前在渤海海域多個平臺得到了成功應(yīng)用。本文以QHD32-6WHPH平臺為例，詳細(xì)梳理了外掛井槽方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工方案和后期維護(hù)事項(xiàng)。針對該平臺的自身特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了大跨度井口片的設(shè)計(jì)、矩形框架井口片的設(shè)計(jì)及連接螺栓的設(shè)計(jì)，可為類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供一定借鑒，也可推廣到土建鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)的大跨度解決方案、空間受限的結(jié)構(gòu)連接方案中，具有廣泛的實(shí)用性和參考價值。