超长隔水套管优化和管桩吊点的设计与应用

马晋雄 海洋石油工程股份有限公司

魏志德 天津海金德石油工程技术有限公司

刘 文 海洋石油工程股份有限公司

路健健 戎国强 天津海金德石油工程技术有限公司

随着海洋石油行业的逐步发展，海洋石油平台大型化，相应的井口数量在增加，受隔水套管自由站立强度影响，隔水套管的分段单节一般较短，因此分段较多，严重影响海上施工效率。另隔水套管吊点在打桩过程中为干涉结构，需要占用较多时间切除。本文以某项目为例，通过优化吊点设计形式和优化隔水套管分段的方式，提高海上施工效率。

1.项目介绍

某项目两座导管架共有100口井，详设基于常规吊装模式的强度计算要求，将隔水套管分成3节，需要对300节隔水套管进行吊装及安装。

面对巨大工作量，在设计阶段进行相关优化并得到显著效果。

2.隔水套管节数吊装的设计及应用

按照常规做法，隔水套管吊点一般位于套管底部外侧（详见图1），首节利用板式顶部吊耳形式进行起桩，现场驳船挂扣及起吊耗时长，且打套管至吊耳位置后需对吊耳后进行切割打磨，第二节套管利用板式底部吊耳形式进行锁桩后起桩，现场驳船挂扣及起吊耗时长。根据现场反馈，传统的板式吊耳形式不仅挂扣时操作繁琐，切割打磨过程耗时严重，且操作过程存在较大安全隐患。

图1 原方案隔水套管分段与吊点设计

图2 优化后隔水套管分段设计

该项目首先结合主作业船吊机和随船履带吊共同吊装，解决了隔水套管首节平吊强度问题；其次充分考虑隔水套管施工资源，使用振动打桩锤和柴油打桩锤替代传统液压打桩锤，解决了隔水套管自由站立强度问题。将3节隔水套管中的首节和二节合并为一节（详见图2）。

3.管桩吊点的设计及应用

隔水套管打桩作业是一个持续的过程。根据地质条件的不同，整个打桩过程套管端部会受到上千次的锤击。因此必须对应力集中位置进行疲劳分析，以保证高应力区域不会发生疲劳破坏。

针对管桩吊点优化，通过头脑风暴形式提出多种方案进行比选，并结合现场施工人员意见，提出多种隔水套管吊点形式。后经专家论证、评估和试验等，最终确定使用效率和安全性均较好的开孔形式。

设计阶段结合隔水套管的安装过程，应用ANSYS软件建立了套管新型吊孔的静力学分析模型。采用有限元计算利用镗孔技术在套管顶部钻出直径为46mm的吊孔，替代传统吊耳（详见图3）。由于镗孔破坏套管本身结构，降低局部打桩强度，通过计算掏孔顶部增加凹槽可以最大程度上减少打桩对隔水套管顶部掏孔吊点的影响，因此在顶部增加凹槽设计。

开槽前：IHC S200 18%锤效下，应力集中区域距离孔中心半径为60mm 的环形区域内。隔水套管最大应力339.5Mpa。超过18%锤效，隔水套管发生破坏。

开槽后：IHC S200 70%锤效下，应力被分散到开孔两侧桩体。隔水套管最大应力313.6Mpa。

图3 优化后隔水套管吊点设计

通过直接在隔水套管顶部开孔作为吊点，起吊强度满足要求。经过模拟锤击受力，发现开孔部位强度不足，最大只能承受18%的锤击能量。通过在开孔顶部设置减压开孔，将绝大多数锤击能量分散到完好桩体，保护了开孔部位。优化后最大锤击能量70%，满足使用要求。

针对单纯开孔不满足打桩计算强度要求的情况，单纯加强吊点周围结构效果不明显，且突出隔水套管外壁依然会对打桩造成干涉。采用开孔内外均增加13mm厚加强环，计算锤效可以达到62%，仍不及减压槽的效果。

管桩吊点优化技术延伸，大尺寸管桩吊装适用性校核，根据另一项目油田区域土壤进行打桩计算，并提取有土塞且长期停锤的最危险工况中打桩锤的最大应力，施加在ANSYS模型上，对套管模型进行有限元强度分析计算。

由于打桩过程是对套管切割段的长时间的有规律的锤击，因此我们依据DNV规范中要求的疲劳分析计算公式，对相应的套管模型在实际打桩过程中的情况进行模拟计算，保证套管在最危险工况下，不会因疲劳强度不足造成损坏，也可利用计算结果对管桩打桩分析进行指导控制。

4.结论

管桩新型吊点设计优化项目的成功应用，具体如下效益：

4.1 技术成果

（1）简易化的吊点设计理念；

（2）应用ANSYS软件建立了管桩新型吊孔的静力学分析模型，对管桩模型进行有限元强度分析计算。

4.2 经济成果

根据主作业船施工效率统计，隔水套管的海上安装时间将占总工期的60%左右。将3节套管优化为2节和管桩吊点优化设计，节省近30%的隔水套管安装时间。

管桩节数及吊点设计的新工艺，此方法对常规导管架钢桩和隔水套管的吊装安装方式进行优化和创新。从根本上解决钢桩和隔水套管海上无吊装器情况下的耗时费力的吊装现状，实现海上施工降本增效。

4.3 社会效益

该技术诞生在较为成熟的常规渤海湾浅水导管架隔水套管施工技术中，该技术设计成熟、可靠性强，通过模拟计算指导现场施工有利，已为后续多个项目参考并争相采纳使用。