梁學(xué)先，朱起東，趙博朋，王 敏

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隔水套管是從海上鉆井平臺(tái)打入到海底淺層的套管，主要功能是隔離海水，形成鉆井液循環(huán)通道，同時(shí)也是海上井口的受力結(jié)構(gòu)。在鉆完井施工過(guò)程中，隔水套管的強(qiáng)度及安全性對(duì)于海上鉆井作業(yè)安全至關(guān)重要。對(duì)于常規(guī)的固定式海洋平臺(tái)，根據(jù)使用要求及鉆井區(qū)域的水深情況，通常將分段的套管焊接起來(lái)，并使用液壓打樁錘打至設(shè)計(jì)的入泥深度。所以，隔水套管的自身強(qiáng)度要滿(mǎn)足打樁要求[1]。

根據(jù)隔水套管的長(zhǎng)度、重量以及作業(yè)浮吊的能力，可將隔水套管海上安裝作業(yè)分為單吊直接起樁和雙吊合抬起樁兩種方式，但無(wú)論哪種起樁方式都離不開(kāi)吊點(diǎn)。常規(guī)的吊點(diǎn)采用在套管外壁焊接板式吊耳的形式，但由于隔水套管節(jié)數(shù)較多，在套管安裝時(shí)需切割吊耳、打磨切口等，以方便打樁，但耗費(fèi)了大量海上作業(yè)時(shí)間。圖1 為常規(guī)帶板式吊耳的套管起吊情況。

圖1 常規(guī)帶板式吊耳的套管起吊

本文針對(duì)目前固定式海洋平臺(tái)隔水套管的安裝工藝，結(jié)合某平臺(tái)直徑610 mm 隔水套管的安裝需求，設(shè)計(jì)了新型的吊裝形式，即在隔水套管頂部附近位置鉆孔作為起樁、吊裝作業(yè)使用的吊點(diǎn)。應(yīng)用ANSYS 軟件建立了新型套管吊孔的靜力學(xué)分析模型，進(jìn)行有限元的分析計(jì)算，并進(jìn)行了打樁過(guò)程中孔周?chē)鷳?yīng)力集中的疲勞分析，提出了開(kāi)孔+開(kāi)槽的優(yōu)化方案，所得計(jì)算分析結(jié)果對(duì)隔水套管的打樁施工進(jìn)行了指導(dǎo)控制。

1 有限元分析

隔水套管外徑610 mm，內(nèi)徑560 mm，壁厚25 mm，長(zhǎng)度62 m，材質(zhì)為D36 鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa。根據(jù)海上安裝作業(yè)的要求，在隔水套管頂部附近鉆孔，孔徑58 mm，孔中心距離套管的頂端100 mm，并做如下分析：

（1） 打樁作業(yè)時(shí)，套管在打樁錘壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度分析。

（2） 套管開(kāi)孔處應(yīng)力集中位置的疲勞分析。

計(jì)算軟件采用大型通用的有限元分析軟件ANSYS，使用Solid185 單元進(jìn)行模擬計(jì)算分析，單元尺寸選取套管壁厚。新型鉆孔式套管的有限元模型如圖2 所示。

圖2 新型鉆孔式套管有限元模型

隔水套管屈服強(qiáng)度為355 MPa，將有限元分析結(jié)果考慮0.9 倍的安全系數(shù)[3]，則許用應(yīng)力為319 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)套管頂部施加載荷達(dá)到148 MPa 時(shí)，套管在吊孔處產(chǎn)生的最大應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力。新型鉆孔式套管有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，610 mm 套管在打樁過(guò)程所需壓應(yīng)力均高于148 MPa，因此為提高套管可承受的壓應(yīng)力，在開(kāi)孔上方開(kāi)槽（如圖4 所示），開(kāi)槽寬度60 mm，開(kāi)槽深度10 mm。使此部位不直接承受打樁錘的壓應(yīng)力，則可減少應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高套管可承受的壓應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，套管在端部開(kāi)槽優(yōu)化后，最大應(yīng)力發(fā)生在開(kāi)槽位置，開(kāi)孔處最大應(yīng)力由319 MPa 降至257 MPa，套管所能承受的最大壓應(yīng)力由148 MPa提高至270 MPa。套管總體應(yīng)力分布見(jiàn)圖5，吊孔局部應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。

圖3 新型鉆孔式套管應(yīng)力分布結(jié)果/MPa

圖4 開(kāi)槽優(yōu)化后的鉆孔式套管三維示意

圖5 套管總體應(yīng)力分布/MPa

2 疲勞分析

隔水套管打樁作業(yè)是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，整個(gè)打樁過(guò)程中套管的端部可能會(huì)受到上千次甚至幾千次錘擊，因此有必要對(duì)應(yīng)力集中位置進(jìn)行疲勞分析，以保證打樁過(guò)程中高應(yīng)力區(qū)域不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

圖6 吊孔局部應(yīng)力分布/MPa

基本的設(shè)計(jì)S-N 曲線(xiàn)由下式給出[4]：

式中：N 為在應(yīng)力幅值Δσ 下打樁的預(yù)期斷裂次數(shù)；Δσ 為應(yīng)力幅值，MPa；m 為S-N 曲線(xiàn)的反向負(fù)斜率，常數(shù)；lg為S-N 曲線(xiàn)在lg N 軸上的截距，常數(shù)。

S-N 曲線(xiàn)各參數(shù)由表1 給出。

表1 套管上部在空氣中時(shí)的打樁S-N 曲線(xiàn)參數(shù)

根據(jù)表1 中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到開(kāi)槽處和開(kāi)孔處在打樁過(guò)程中的允許循環(huán)次數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 開(kāi)孔及開(kāi)槽處的允許循環(huán)次數(shù)

3 套管打樁的可行性分析

GRLWEAP 軟件是美國(guó)樁基動(dòng)力學(xué)公司開(kāi)發(fā)的用于打樁分析的波動(dòng)方程分析軟件，可用于分析樁的打入可能性、預(yù)測(cè)單樁承載力和樁身受到的拉壓應(yīng)力等。利用GRLWEAP 軟件，選取IHC S280 打樁錘，對(duì)某平臺(tái)直徑為610 mm、入泥深度為50 m的開(kāi)孔+開(kāi)槽和僅開(kāi)孔兩種不同形式的隔水套管進(jìn)行打樁可行性分析?？紤]在打樁期間，套管內(nèi)有土塞、長(zhǎng)時(shí)間停止錘擊的最危險(xiǎn)工況，得到打套管所需的最大壓應(yīng)力及錘擊數(shù)如表3 所示。

表3 最大壓應(yīng)力及對(duì)應(yīng)錘擊數(shù)

對(duì)打樁過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析表明，若套管僅開(kāi)孔，開(kāi)孔處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，為防止孔邊應(yīng)力超過(guò)許用值，打樁錘的錘效將降低至40%并增加錘擊數(shù)，大量消耗海上施工工時(shí)，還存在拒錘停打風(fēng)險(xiǎn)[5]。若在開(kāi)孔上方采用開(kāi)槽優(yōu)化，套管頂部承載力將得到大幅提高，錘效提高且錘擊數(shù)減少，理論疲勞循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于可行性分析的錘擊數(shù)，套管開(kāi)槽及開(kāi)孔位置均不會(huì)發(fā)生屈服破壞和疲勞破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隔水套管的有限元強(qiáng)度分析及打樁可行性分析，對(duì)常規(guī)隔水套管進(jìn)行開(kāi)孔及開(kāi)槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效節(jié)省隔水套管海上施工船天數(shù)。目前，該設(shè)計(jì)方法已成功用于蓬萊19-3、渤中19-6、旅大21-2 等項(xiàng)目，為今后同類(lèi)型的隔水套管安裝項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和思路。