周健狀，穆頃，安振武，張曉頻

(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 設計研發(fā)中心，天津 300452)

渤海油田在役平臺，隨著投產(chǎn)年限的增加，都面臨產(chǎn)量遞減的問題。為彌補產(chǎn)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(jīng)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(xiàn)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(qū)距離大(大于常規(guī)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(jīng)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(jīng)濟效益，成為渤海油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)亟待解決的問題。

1 工程實例

QHD32-6 WHPH平臺于2014年投產(chǎn)，為4腿4主樁導管架結構。為挖掘油田剩余產(chǎn)量，同時考慮平臺無剩余井槽可用及現(xiàn)有井口側鉆無法滿足油田調整開發(fā)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(guī)性，以及海域使用限制的因素，經(jīng)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(qū)，井口片的跨度大(約11 m×11 m)?，F(xiàn)有技術條件下，井口片最大適用跨距為7 m。為規(guī)避技術風險，可采用外掛樁腿方案，同時浮吊配合施工。經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)不動用浮吊、使用作業(yè)區(qū)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(yōu)化設計與施工方案

2.1.1 大跨度水上井口片優(yōu)化設計

常規(guī)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(guī)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(guī)格和合理新增橫撐和斜撐。優(yōu)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(guī)形式的水上井口片

圖3 優(yōu)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(guī)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(wǎng)” 字形結構(見圖4)，及井口區(qū)的“口”字形結構，見圖5。

圖4 網(wǎng)字結構

圖5 口字結構

安裝流程：先安裝“網(wǎng)”字形結構，再焊接“網(wǎng)”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(xiàn)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(guī)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(guī)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(guī)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(chuàng)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(guī)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(guī)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(xiàn)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(jīng)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(fā)。

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(tài)下，滿足規(guī)范要求。經(jīng)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(chǎn)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(yè)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(huán)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(xù)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(jù)API RP 2A規(guī)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(shù)2.55>2.00,計算工況安全系數(shù)2.07>1.50,樁基承載力滿足規(guī)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(jù)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(shù)0.75，活荷載取系數(shù)0.75，鉆修井機取極端荷載，不考慮風浪流冰等的環(huán)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(tài)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(guī)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(tài)自振周期為1.658 s。根據(jù)規(guī)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(guī)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(shù)2.03>1.20；韌性水平工況，承載力安全系數(shù)1.62>1.00，滿足規(guī)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(shù)0.75，活荷載取系數(shù)0.75，鉆修井機取極端荷載。環(huán)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(tài)，選取相應的周期點生成傳遞函數(shù)，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(tài)自振周期為1.624 s。校核結果表明，考慮5倍系數(shù)，所有節(jié)點的疲勞壽命都大于26年，滿足規(guī)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(jù)工程經(jīng)驗取80%倍安全系數(shù)，許用應力為355 MPa×0.8=284 MPa，表明管卡強度滿足規(guī)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(jīng)校核，抱卡螺栓在組合應力狀態(tài)下，最大UC值為0.46，法蘭螺栓在組合應力狀態(tài)下最大UC值為0.91，滿足規(guī)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(guī)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(jīng)設計、施工、調試，現(xiàn)已成功應用于QHD32-6WHPH平臺，運行投產(chǎn)良好。

大跨度井口片的創(chuàng)新設計，克服了井槽遠離井口區(qū)的關鍵技術制約因素，使外掛井槽方案由不可行變?yōu)榭尚?，工期大幅減少，生產(chǎn)效率和經(jīng)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(yè)現(xiàn)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(jié)約了成本，生產(chǎn)效率和經(jīng)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(chuàng)新設計的井口片結構形式在國內(nèi)首次研發(fā)并應用；井口片的分片方案也是國內(nèi)首次應用在外掛井槽項目中。