导管架平台井口回接结构新技术研究

郭洪升

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京100028） ①

导管架平台井口回接结构新技术研究

郭洪升

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京100028） ①

在海洋石油开发工程实践中，为节约成本，缩短投产时间，需要利用原有的具有开采价值的勘探井。为了在施工过程中保证导管架的准确就位及保护原有井口，需要设计井口回接导向结构。针对国外某项目的具体情况，提出了一种利于井口保护、便于导管架安装的新型井口回接结构。详细说明了导向结构的各组成部分及整个安装过程的关键步骤。介绍了导管架与导向桩最大容许碰撞速度的确定方法，以及在碰撞载荷作用下结构强度的计算，为类似海洋工程结构设计提供参考。

海上平台；井口装置；连接；导向结构

为了缩短海上平台建设周期，节约工程及钻井成本，在海上油气田开发过程中可考虑保留有开采价值的勘探井，这就涉及到井口回接问题，从而对导管架的安装精度提出更高的要求。在结构设计阶段需要考虑导管架安装过程中对井口的保护，导管架上隔水套管导向与原有井口的精确对接，以及井口回接［1］操作空间要求等，并进行相应的结构设计。

本文结合某项目实例，介绍了一种新型井口回接防撞结构及其设计方法。这种结构型式在国外项目中有应用实例，而在我国海洋平台中还没有推广使用。因此，可为国内平台类似结构设计提供一定的参考。

1 井口回接方式

根据预钻井形式以及原有井口结构，在施工中常采用的井口回接方式有［2］：导向桩与套筒的对接、桩与缓冲框架的对接以及基盘与缓冲框架的对接。通常情况下，可考虑采用导向桩的方式，即在导管架底部设置与导向桩直径相适应的对接套筒或缓冲框架结构（设有缓冲装置如硬木、橡胶等），与已安装在预定海床位置的导向桩进行对接；导向桩顶部高程由原有井口及隔水套管导向结构确定。为便于安装及定位，套筒上部设计为锥形（如图1），桩可由套筒内打入。

图1 预钻井基盘

该项目中，井口平台所在海域水深为70m，导管架为4腿4桩结构，有15口井槽（如图2所示），隔水套管直径为660.4mm（26英寸），原有井口顶标高距离泥面3.92m。考虑到后续其他井的钻井操作，并避免水泥及岩屑返回对施工的影响，该平台中底层隔水套管导向结构（如图2b所示）距离海底约3.0m，且其高程应低于原有回接井口0.5～1.0m。

图2 隔水套管导向结构

2 井口回接结构设计

本文所研究的井口回接结构包括水下基盘、导向桩及缓冲导向结构3部分，作用是保护原有井口免受导管架安装时的碰撞破坏；能够准确进行导管架的安装定位。整套结构如图3所示。

图3 本文采用的井口回接结构

2.1 水下基盘

水下基盘（如图4所示）主要是由H型钢组成的框架结构，其底部有多个类似锚钉的靴板，起着一定的固定作用，同时为了保证结构吊装入水后在海床上的抗滑移及抗倾覆能力，在框架底部还设计了防沉板，并且在防沉板与底部型钢组成的0.6m高的空间内填充有水泥砂浆，以降低水下基盘的重心，提高结构的稳定性。

水下基盘在靠近导管架导向结构的一侧设计了桩套筒，用于定位导向桩。同时，为了便于插桩，在套筒的顶端设有圆锥导向，并喷涂有易于识别的油漆颜色，以利于安装时吊装人员的操作判断。为吊装方便，在基盘结构上还设置了4个吊点。

图4 水下基盘结构

2.2 导向桩

导向桩的直径、壁厚以及贯入深度可根据导管架安装时的碰撞载荷以及所在位置的土壤参数设计确定。由于导向桩的位置决定了导管架的最终安装位置，因此导向桩打入后，应测量导向桩在泥面处的实际坐标。同时，导管架导向结构上的缓冲装置（硬木）等应根据导向桩的实际位置在运输船上进行调整，以适应导向桩的间距。

为便于导管架安装，2个导向桩距离泥面的高度相差1.5m。当导管架靠近导向桩时，首先由高的导向桩定位，该项目中较高的导向桩距泥面高度8.957m，另一导向桩为7.457m，导向桩设计入泥深度25m，直径1 219.2mm（48英寸）。为便于插桩，导向桩用白色油漆涂装。

2.3 导管架上的缓冲导向结构

导管架上的缓冲导向结构与2个导向桩的设计相对应，如图5a和5b所示。为侧限导向结构，形状类似“牛角”（CORN HORN），2个“角”之间的内间距与导向桩外壁间距相对应，该结构支撑在导管架最底层的水平层。导管架在安装下放过程中，当靠近导向桩时首先由较高的导向桩定位，然后调整导管架安装角度，沿2个导向桩下放。为了缓冲导管架下放过程中与导向桩之间的碰撞，避免钢与钢之间的直接接触，在导向结构上设有硬木，用来吸收部分碰撞能量，如图5b和5c所示。在海上安装导管架之前，硬木的位置或尺寸可根据导向桩的实际安装位置在驳船上进行调整，以确保导管架的准确就位，在安装过程中允许其受到碰撞并发生变形。

图5 导管架上的缓冲导向结构

3 井口回接施工过程

在井口回接的施工过程中，为了控制水下基盘结构的就位位置和定位方向，在该结构的2个角点处分别装有水下罗经仪。水下罗经仪是海洋结构安装中常用的定位装置，为了减小安装误差，通常还采用DGPS罗经仪校验定位。水下基盘结构的安装位置决定了导向桩的位置，因此应根据导管架的导向结构和设计位置以及原有井口坐标确定水下基盘结构的坐标。同时，水下基盘结构的位置也决定了导管架的安装位置。为避免对导管架实际安装位置做较大调整，基盘结构的安装位置不得偏于目标位置50mm，不得偏离其标定的地理位置坐标0.20°或50mm。整个安装过程可简述如下：

1） 将水下基盘结构吊装入水并下放至海底，该过程需要水下罗经仪和数字全球定位系统（DGPS）进行辅助定位。

2） 检查确定水下基盘是否已安装在原定的目标位置。

3） 将较短导向桩打入。

4） 将较长导向桩打入。

5） 检查并测量导向桩的方向和位置。

6） 调整导向结构上的缓冲硬木间隙。

7） 将导管架吊装入水。

8） 对导管架充水扶正。

9） 调整导管架，使其最底端至少高于海床7 m，并且高出水下结构桩套筒顶端至少3m。

10） 利用ROV辅助导管架的安装，监测导管架的运动状态。

11） 继续调整导管架，使导向结构水平杆件位于导管架的竖直平面内。

12） 将牛角结构的一角靠向导向桩，并保证导管架的就位方向准确。

13） 下放导管架，使导管架的导向结构水平杆件同时紧靠较短的导向桩，并允许导向桩在安装过程中出现较小位移。

14） 导管架的位置由2个导向桩确定，并应注意防止其与桩套筒结构的碰撞。

15） 将导管架缓慢下放至泥面，导管架坐底。

16） 水下基盘结构不做拆除，将永久留在海底。

4 井口回接结构设计

导管架安装过程中，需要保证导管架结构、水下基盘及原有井口的安全性，即其结构强度校核应满足规范要求，各结构之间的相互影响可通过对接分析进行评估。为了便于安装，还应控制导管架在水中的运动状态，以及导管架对导向桩可能产生的碰撞。具体来说，可以考虑2种工况，如图6所示。第1种工况为静力工况，如果导管架的移动速度很小，导管架缓冲导向结构缓慢靠近导向桩，此时两者之间不存在冲击性的碰撞，可视为拟静态过程。这种工况需要对导管架在最不利的安装环境条件下（考虑一年一遇波浪和流）的结构强度进行校核。第2种工况中，导管架在向井口移动时可能会对某一导向桩产生碰撞，为保证结构安全，应减小碰撞能量，控制导管架的移动速度不得超过最大容许碰撞速度。

图6 井口回接结构校核计算工况

4.1 最大容许碰撞速度

在导管架安装过程中，需要注意结构在水中的运动状态，尤其是缓冲导向结构靠近导向桩之前导管架的移动速度。该参数是此类安装设计的重要研究内容，安装过程中施工操作人员应注意控制导管架的实际速度不得超过最大容许碰撞速度值，同时应进行监测、记录。确定最大容许碰撞速度的基本原则是保证此速度下产生的导管架动能不会引起导向桩及导管架本身结构的破坏，具体计算可按以下步骤确定。

1） 能量吸收 在导管架安装过程中，当导管架缓冲导向结构与导向桩之间产生碰撞时，假设产生的碰撞动能全部由桩－土系统来吸收，此时桩体强度UC值＜1.0且其在弹性变形范围内时可得到桩－土系统能够吸收的最大能量，也就是总的碰撞动能。可首先根据桩强度计算求得桩头最大水平载荷和桩的侧向位移，以及土体的侧向变形等，然后根据计算结果来计算桩－土系统吸收的总能量。能量的吸收分为2部分，即土体所吸收的能量及桩体本身变形吸收的能量。

2） 土体吸收的能量 由于导向桩主要是受到横向力的作用发生侧向位移，因此计算中没有考虑土体对结构轴向及端面的约束。根据土体本身的非线性、p－y曲线特性以及桩体强度计算结果，可将土体简化为提供侧向约束的弹簧，从而求得总的吸收能量E1。

3） 桩体吸收的能量 根据导向桩的受力情况，只考虑弯曲变形引起的桩体能量吸收；对于剪力引起的变形能量吸收，则忽略不计。桩体弯曲变形所吸收的能量E2可按下式求得，即

式中，M为弯矩；E为桩的弹性模量；I为桩的惯性矩。

4） 最大允许碰撞速度 在导管架与导向桩的碰撞过程中，假设导管架动能全部由桩－土系统来吸收。因此有

式中，m为导管架自重；v为最大容许碰撞速度。

根据式（2），可求得导向桩的最大容许碰撞速度。

4.2 计算模型

结构计算所采用的程序是SACS，其分析模型如图7所示。结构强度校核和管节点冲剪校核均按照API RP 2A－WSD 21th（2007）中的有关规定［3］进行。

图7 结构计算模型

4.3 设计载荷

导管架施工应选择在利于安装的气候窗进行，在井口回接过程中，结构会受到以下载荷的作用：

1） 结构自重力 包括导管架主结构及安装时导管架上的附属结构（例如登船平台、护舷、吊点、索具平台、防沉板、浮筒等）的总重力。

2） 浮力 作用在结构水面以下部分的浮力。

3） 环境载荷 主要是风、海流、波浪作用在导管架结构上的载荷。由于安装过程中风力较小，可忽略不计。

4） 碰撞力 碰撞力可按照导管架自重力的百分比估算得到，取值为

式中，W为导管架在水中的自重力。

水下基盘结构和导向桩强度计算的基本载荷工况如表1所示。

表1 基本载荷工况

结构计算应考虑对结构产生最恶劣影响的适当载荷条件。将上述基本载荷条件进行组合，静力工况及碰撞工况下组合载荷工况及相关组合系数如表2所示。

表2 组合荷载工况

续表2 组合载荷工况

4.4 计算结果

本项目中所采用的导向桩直径为1 219.2mm（48英寸），入泥25m；导管架结构吊装质量约为1 800t，经过计算分析，求得其最大容许碰撞速度为0.482m／s。水下结构和导向桩的强度均满足规范要求，导管架结构满足安装强度要求，杆件最大UC值分别如表3～4所示。

表3 水下结构和导向桩强度计算结果

表4 导管架结构强度计算结果

5 结论

1） 根据海洋工程实践中井口回接的需要设计了一种新型井口回接装置。该装置可以对导管架进行准确定位，并可以有效地保护原有井口不被破坏，满足井口回接的操作要求。

2） 新型井口回接装置结构简单，同时具备导向和缓冲功能，便于导管架的安装操作，因此在工程实践中有着广泛的应用前景。

3） 当回接井口数量较多时，需在结构上进行改进。在今后的工程实践中，可根据实际安装过程记录研究多井口回接的技术方案，以优化结构设计，并通过技术改进来适应多井口回接的工程需要。

［1］ 曹 川，冯 宇，王金宏，等，海洋油气井水下井口回接装置［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：88－90.

［2］ 杨晓刚.导管架与基盘导向桩的对接技术分析［J］.中国海洋平台，2001，16（3）：21－26.

［3］ API RP 2A－WSD 2007，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms－Working Stress Design［S］.

Study on New Technology of Well Tie－back for Jacket Platform

GUO Hong－sheng
（Engineering Design Institute，CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

In offshore oil and gas development project，the original exploring well is usually utilized for drilling purpose to save the cost and make the production ahead of time.Well tie－back guides should be designed to ensure the accurate positioning of the jacket and the protection of the original well simultaneously.This paper introduces one type of guides which can provide good protection for the well and facilitate the installation of the jacket.The components of the structure are illustrated and the procedure of the installation is dealt with in detail.In addition，the determination method of the maximum allowable impacting velocity of the jacket to the guides is explained and the structure has been checked to resist the impact from the jacket.This method can be referred to in the future similar project.

offshore platform；wellhead equipment；connection；guides

TE952

A

2012－01－29

郭洪升（1969－），山东寿光人，高级工程师，硕士，主要从事海洋工程设计研究及管理工作，E－mail：guohs.cpoe＠cnpc.com.cn。