劉金海,余焱群,王本升,王俊峰

(1.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580;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 300450)

0 引 言

世界海洋石油資源豐富，蘊(yùn)藏量約1×1011t，其中探明儲(chǔ)量約3.8×1010t，當(dāng)前石油產(chǎn)量的34%來自海洋，世界石油開采的重心將逐步從陸地石油開采轉(zhuǎn)向海洋石油開采[1]。渤海油田是我國最大的海上油田，已成為國家重要的能源基地[2]，其稠油儲(chǔ)量占已發(fā)現(xiàn)原油總儲(chǔ)量的85%左右[3]。大型油田(地質(zhì)儲(chǔ)量大于1億t)以稠油為主。陸地稠油采用三抽人工舉升方式，注采一體，成本低、效率高。海上采油大多采用潛油電泵舉升，潛油電泵的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)限制了該工藝的有效選擇。為解決上述問題，開發(fā)平臺(tái)有桿采油關(guān)鍵設(shè)備(平臺(tái)抽油機(jī)、井口設(shè)備等)，逐步形成適用于海上平臺(tái)稠油開采的“蒸汽吞吐+三抽人工舉升”有桿采油技術(shù)[4]。渤海油田以導(dǎo)管架式固定平臺(tái)為主要的生產(chǎn)平臺(tái)，已建成的固定式生產(chǎn)平臺(tái)占全國同類平臺(tái)總數(shù)的90%以上，因此針對(duì)導(dǎo)管架式固定平臺(tái)實(shí)施有桿采油技術(shù)，對(duì)在役平臺(tái)在增加附加載荷下的安全性進(jìn)行研究十分必要。

1 導(dǎo)管架平臺(tái)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立

結(jié)構(gòu)的安全性與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)的安全性常采用結(jié)構(gòu)的極限工作狀態(tài)進(jìn)行描述。對(duì)于循環(huán)載荷作用下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，基于疲勞損傷累積理論的剩余強(qiáng)度是最常見的構(gòu)件安全性衡量指標(biāo)之一。

1.1 導(dǎo)管架極限狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)受外載荷作用產(chǎn)生變形，當(dāng)外載荷增加到一定程度后，載荷不變而變形仍繼續(xù)增加，美國石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)范定義該載荷為結(jié)構(gòu)極限載荷。API RP 2A-LRFD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)管架平臺(tái)的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)為1.8～2.4[5]。本研究定義極限狀態(tài)安全因數(shù)ns來表征導(dǎo)管架平臺(tái)的極限載荷狀態(tài)：

(1)

式中：σs為導(dǎo)管架主體材料的屈服強(qiáng)度，MPa；σZi為有桿采油系統(tǒng)加載后增加的應(yīng)力，MPa；σ0i為有桿采油系統(tǒng)加載前的應(yīng)力，MPa。

因此，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，增加負(fù)載后，導(dǎo)管架的極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足：

(2)

式中：[σ]為導(dǎo)管架主體材料的許用應(yīng)力，MPa，《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》約定[σ]=0.6σs。

1.2 導(dǎo)管架累積損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于黑色金屬，當(dāng)試件經(jīng)歷107次循環(huán)后，疲勞曲線就已接近水平，再增加循環(huán)次數(shù)也不會(huì)斷裂，因此經(jīng)常將S-N曲線上107次循環(huán)位置處所對(duì)應(yīng)的σ作為對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限σ-1[6]。

在給定循環(huán)r下持久極限σr為

(3)

式中：σm為平均應(yīng)力，MPa；σa為應(yīng)力幅值；Kσ為有效應(yīng)力集中系數(shù)；εσ為尺寸系數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；ψσ為材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性的敏感系數(shù)。

定義構(gòu)件疲勞損傷下的工作安全因數(shù)為nσ，可表示為

(4)

式中：σmax為結(jié)構(gòu)件加載后的最大應(yīng)力，MPa。

試驗(yàn)表明臨界損傷值一般為 0.3～3.0，大量二級(jí)高低和二級(jí)程序載荷疲勞試驗(yàn)下臨界損傷值的平均值為 0.7[7]?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定，海上固定平臺(tái)的每個(gè)構(gòu)件和結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)疲勞壽命至少應(yīng)為結(jié)構(gòu)使用壽命的2倍。

基于Miner理論，結(jié)合式(4)，得到：

(5)

令σmin=σ0i、σmax=σZi+σ0i，則在役平臺(tái)導(dǎo)管架安全的累積損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為

(6)

2 有桿采油時(shí)導(dǎo)管架受力分析

一般定性地認(rèn)為固定式導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的導(dǎo)管腿和樁為1類構(gòu)件，因此可把導(dǎo)管腿和樁的失效作為主要失效模式進(jìn)行考慮。對(duì)于導(dǎo)管架式固定平臺(tái)，無論樁腿數(shù)量多少，平臺(tái)井口都集中分布在某區(qū)域內(nèi)，因此有桿采油系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的作用力主要分布在包含該區(qū)域的4根主樁腿之上。

導(dǎo)管架的受力分析可簡(jiǎn)化成4樁腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。有桿采油下導(dǎo)管架平臺(tái)的主要作用力簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 有桿采油下平臺(tái)主要受力

圖1中：FT為海洋平臺(tái)的自重，kN；FP為有桿采油系統(tǒng)的綜合載荷，kN；FW為海洋平臺(tái)承受的風(fēng)載荷，kN；FH為海洋平臺(tái)承受的波浪流載荷，kN。6～8倍樁徑之下的樁腿作為固定端考慮[8]，平臺(tái)風(fēng)載荷FW按照均布載荷作用于平臺(tái)的不同立面，平臺(tái)波浪流載荷FH按不同流向作用于樁腿。

2.1 海洋平臺(tái)受波浪流載荷分析

作用于任意高度z處，單位柱高上的水平波浪力為

(7)

整個(gè)樁腿對(duì)海底的總水平波浪力矩MH為

(8)

2.2 海洋平臺(tái)受風(fēng)載荷分析

渤海海域的海浪主要由大風(fēng)形成，涌浪和混合浪的比例較小，風(fēng)浪占其中的71%，因此對(duì)渤海海域來說，風(fēng)與浪之間存在著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]。波浪的大小取決于風(fēng)速的大小[12]，一般按照《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值如下：平均海平面以上10 m處，重現(xiàn)期為50 a，時(shí)距小于1 min的平均風(fēng)速。

作用在平臺(tái)上的風(fēng)載荷FW為

FW=KKzP0A

(9)

式中：K為風(fēng)載荷形狀系數(shù)，對(duì)平臺(tái)總投影面積取1.0；Kz為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù)，參見GB 50009—2012；P0為基本風(fēng)壓，Pa；A為受壓面積，m2。

作用于平臺(tái)上的基本風(fēng)壓為

(10)

式中：α為風(fēng)壓系數(shù)，取0.613 N·s2/m4；Vt為時(shí)距為t分鐘的設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

3 LD某導(dǎo)管架平臺(tái)評(píng)價(jià)實(shí)例

LD某導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，平臺(tái)設(shè)計(jì)水深為22.3 m，4根導(dǎo)管架主樁樁徑為1 829 mm，平臺(tái)甲板組塊吊裝重量為2 700 t，導(dǎo)管架吊裝重量為1 000 t。

圖2 LD某導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)

LD某導(dǎo)管架平臺(tái)有桿采油增加的附加載荷作用簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 LD某平臺(tái)有桿采油受力簡(jiǎn)圖

圖3中：E點(diǎn)為有桿采油系統(tǒng)等效集中力作用點(diǎn)，坐標(biāo)為(x，y)，坐標(biāo)原點(diǎn)選擇在A主支撐腿的上端面，作用力為Fe(kN)；A、B、C、D為導(dǎo)管架的4根主支撐腿，各主支撐腿上端面的作用反力分別為F1、F2、F3、F4(kN)；θi(i=1，2，3，4)為對(duì)應(yīng)的主樁腿的傾斜角(°)；設(shè)平臺(tái)區(qū)域長(zhǎng)度為lAB(m)、寬度為wAD(m)。

根據(jù)A、B、C、D各點(diǎn)的力和力矩的平衡有：

(11)

平臺(tái)在有桿采油系統(tǒng)作用下4根主樁腿的作用反力為

(12)

有桿采油增加的主樁腿應(yīng)力為

(13)

式中：d為平臺(tái)主樁腿的內(nèi)徑，mm；δZi為在役平臺(tái)主樁腿的壁厚，mm。

平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：長(zhǎng)度lAB=20 m；寬度wAD=18 m；等效作用點(diǎn)E坐標(biāo)為(5.5，5.1)；導(dǎo)管架主樁腿內(nèi)徑d=1 749 mm；壁厚δZi=40 mm；cosθ1=cosθ2=0.995，cosθ3=cosθ4=0.990。

將有桿舉升的作用力加入平臺(tái)系統(tǒng)，得到各樁腿附加應(yīng)力為

[σZ1σZ2σZ3σZ4]T=

(14)

考慮在役平臺(tái)在海洋環(huán)境下樁腿腐蝕減薄，強(qiáng)度下降，基于極限狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和累積損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到該導(dǎo)管架平臺(tái)允許有桿采油增加的附加載荷閾值如圖4所示。

圖4 目標(biāo)平臺(tái)允許增加附加載荷

由圖4可知，按照累積損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，LD某平臺(tái)的主樁腿在完好狀況下承受有桿舉升系統(tǒng)的附加載荷閾值小于按照極限工作狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的閾值，但壁厚減薄所致的承受附加載荷閾值下降速度明顯低于后者。在評(píng)價(jià)在役導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿承受有桿采油系統(tǒng)的附加載荷閾值時(shí)，應(yīng)按照極限工作狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的承載閾值和累積損傷標(biāo)準(zhǔn)的承載閾值中的小者選取。

LD某平臺(tái)在樁腿完好狀況下允許有桿采油系統(tǒng)增加的載荷為Fe≤3.446×103kN，該平臺(tái)導(dǎo)管架承受有桿采油系統(tǒng)的工作載荷閾值主要由A樁腿決定，設(shè)計(jì)有桿采油工藝總附加載荷為2.0×103kN，按照該平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸分配在A樁腿上的作用力為0.776×103kN，則先導(dǎo)目標(biāo)平臺(tái)樁腿的安全因數(shù)為4.44，平臺(tái)各樁腿安全因數(shù)降幅不超過3%，說明有桿舉升工藝對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的整體強(qiáng)度影響不大。

4 結(jié) 論

將陸地有桿采油技術(shù)移植到海上油田，是海上稠油高效開采的有效途徑之一，平臺(tái)安全是該技術(shù)實(shí)施的前提。建立結(jié)構(gòu)極限工作狀態(tài)與循環(huán)載荷作用下的累積損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的安全評(píng)價(jià)方法，該方法可作為導(dǎo)管架平臺(tái)增加附加載荷的安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

選用五十年一遇的極值波浪流載荷及風(fēng)載荷，基于安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到目標(biāo)試驗(yàn)平臺(tái)(LD某導(dǎo)管架平臺(tái))在施加有桿采油載荷后安全因數(shù)降低不超過3%的結(jié)果，說明導(dǎo)管架平臺(tái)具有足夠強(qiáng)度實(shí)施有桿采油工藝。