QHD32-6WHPH平台外挂井槽结构设计施工与维护

周健状，穆 顷，张晓频，安振武，王梦颖

中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452

海上油田开发在创造了可观财富的同时，也面临着随投产年限增加而逐年减产的问题[1]。为弥补产能不足，平台外挂井槽技术应运而生。外挂井槽技术以其空间制约性小、改造量适中、平台适应性强、经济效益好等特点[2]，在渤海海域得到了广泛的应用。

外挂井槽改造在渤海油田大范围开展的同时，也面临结构改造难度越来越大的问题，主要体现为：为满足钻完井侧钻以及总体布置要求，新增井口距离原井口区距离大（常规外挂井槽最大跨距为8 m）；受水下管卡连接空间制约；对结构连接强度要求高，上述设计难点可通过新增桩腿加挂井槽解决。新增桩腿方案的缺点是建设周期长、建造成本高、施工量大。针对外挂井槽技术的以上设计难点开展研究，以期改进已有的外挂井槽技术，更好适应大跨度和管卡空间受限问题，大幅降低建造成本，缩短建设周期。

1 工程实例

秦皇岛油田QHD32-6WHPH平台于2014年投产，为4腿4主桩导管架结构。考虑平台无剩余井槽可用以及现有井口侧钻无法满足油田调整开发需求，计划新增井口开采潜力井位，提高采油速度和采收率。

综合考虑供应船靠船碰撞风险、管道改造工作量、安全通道合规性及海域使用限制等因素，经方案比选，计划在平台南侧外挂5个井槽（如图1所示），采用钻井船进行钻、修井。

图1 平台南侧外挂井槽

关于钻井船的就位方案，分别考虑了平台东、南、西、北四个方位。其中：平台北侧与吊机存在干涉，平台南侧与已有栈桥存在碰撞风险，平台西侧与海管、海缆路由干涉，平台东侧钻井船悬臂梁需外伸12.2 m。综上，钻井船在平台东侧就位最为有利，为推荐方位。

2 结构设计

2.1 井口片

一般情况下，外挂井槽置于导管架外部，需通过水上和水下井口片与原导管架结构连接；井口片的标高与原导管架水平层标高一致。井口片与原导管架的连接：水上一般为焊接连接，水下常采用管卡连接。井口片的作用是：为隔水套管提供水平方向的支撑，作为隔水套管安装工况下的导向结构连接外侧防撞结构。

2.1.1 水上井口片

常规水上井口片的结构形式见图2，一般为一根外侧弦杆与若干垂直的撑杆通过焊接连接至原导管架水平层，垂直撑杆布置在隔水套管间隙和外侧。

图2 常规结构形式的水上井口片

QHD32-6WHPH平台外挂井槽方案，新增井槽远离原井口区，跨距大（井口片跨距约11 m），新增井槽5个，对结构设计的空间布置和强度要求高。为提高水上井口片设计强度和刚度，水上井口片的形式改进如下：一方面，提高管材规格，采用610钢与508钢等；另一方面，改进其结构形式（见图3），在一根外侧弦杆与若干垂直撑杆的传统形式基础上，增加两根横向撑杆，另设内部斜撑连接新增横撑与原导管架。此种结构形式对于大跨距的井口片具有良好的适应性。

图3 改进结构形式的水上井口片

2.1.2 水下井口片

常规结构形式的水下井口片（见图4）类似于水上井口片，一般由一根外侧弦杆与若干垂直的撑杆组成，撑杆通过管卡连接至原导管架水平层，垂直杆件布置在隔水套管间隙和外侧。

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图4 常规结构形式的水下井口片

QHD32-6WHPH平台外挂井槽的方案中，水下井口片既面临大跨距问题，还面临水下管卡连接空间受限的问题，即管卡布置位置与垂直撑杆的布置位置不兼容。水下井口片结构形式的改进优先考虑水下管卡的可用空间，以确定管卡位置。因为管卡连接垂直撑杆会与新增隔水套管产生干涉，所以设计矩形框架结构作为隔水套管的支撑框架，将隔水套管与水下井口片的连接转化为与矩形框架的连接，从而摆脱管卡连接垂直撑杆的位置制约。此外，水下井口片也增加了若干撑杆，以提高强度与刚度，见图5。

图5 改进结构形式的水下井口片

考虑到水下井口片与导管架为管卡连接，绕管卡轴心转动的约束差，水上井口片设计了两根分别连接至导管架主腿与组块主结构的斜撑，以弥补新增结构的转动刚度不足。

2.2 连接螺栓

QHD32-6WHPH平台，共计使用了三处螺栓连接：其一，水下井口片采用管卡与原导管架结构连接；其二，受限于运输空间，水下井口片采用法兰连接，一分为二；其三，隔水套管防撞结构与水下井口片采用法兰连接。上述三处的螺栓连接是本项目的设计要点之一。提取计算得到的螺栓连接处的杆件内力，将其转化为单根螺栓受到的拉力、横向剪力和扭转剪力。校核结果表明，连接螺栓需采用10.9级承压型高强螺栓，并施加355kN的预拉力。其中，螺栓连接最危险处为防撞结构与水下井口片连接处。

水下螺栓长期承受波流的作用，螺杆的自由长度对于维持预紧力至关重要。QHD32-6WHPH水下主要结构的螺栓连接见图6。设计中采用双头螺栓，且螺栓外伸长度不小于5倍直径，以保证足够的连接强度。

图6 螺栓设计

2.3 防撞结构

外挂井槽方案使得新增隔水套管位于导管架外部。考虑隔水套管作为平台重要结构，遭受破坏后果严重，因此常在外挂隔水套管外部设置防撞结构[3]。结构设计中，考虑防撞结构承受风、浪、流以及冰荷载条件下不被破坏。防撞结构设计常使用508钢或406钢，且不考虑腐蚀余量。防撞结构作为次要结构，在损伤、腐蚀或破坏时应及时修复更换。以上设计兼顾了保护隔水套管的需求和改造经济性。

2.4 隔水套管导向

外挂井槽的隔水套管多利用钻修井机或钻井船以钻入的方式进行安装就位，较少采用桩锤打入的方式安装隔水套管，以避免锤击振动对平台生产的不利影响[2]。为了满足钻头下放和提升的需求，隔水套管导向多设计为双喇叭口形式（见图7），且导向筒的直径略大于常规锤入方式的导向筒，具体尺寸要求需与钻完井方协商确定。

图7 导向双喇叭口大直径设计

2.5 平台结构影响

条件允许时，应对老平台进行现状调研，并查阅最新的检测报告，力求在结构计算模型中准确模拟平台当前的荷载状态、腐蚀情况和损伤程度[4]。平台外挂井槽对结构的影响因素包括：结构重力和浮力改变、环境荷载改变（风、浪、流、冰荷载）、结构整体强度和刚度变化、拆除设备、新增设备或移位设备等[3]，可能导致桩基承载力、桩身强度、结构杆件、节点强度裕量的变化甚至不足。

外挂井槽的规模改造，需要对平台结构进行整体的静力、地震、疲劳分析[5]，视情况需要进行管卡校核、螺栓校核、非管节点等局部分析[6-7]。

QHD32-6WHPH平台因海域受限，使用钻井船钻完井。对于使用平台原修井机的情况，需重点关注新增井槽处修井工况，通常桩基承载力影响较大，且一般需要对原组块结构进行局部加强。

3 外挂井槽施工

3.1 施工前准备工作

外挂井槽施工前需对周边海底细致探查，确认钻井船就位避让区内没有海底电缆和海底管道。水下管卡与导管架连接处需提前清理，包括干涉的阳极以及海生物，并对连接处打磨。

3.2 施工方案

外挂井槽施工的一般顺序为：组块结构改造→水下井口片连接→水上井口片连接→防碰撞结构连接→组块设备就位与管道连接。具体施工顺序可根据项目实际情况适当调整。

QHD32-6WHPH外挂井槽的具体施工方案如下：改造组块结构，陆上预制单根梁段，海上焊接组对；水下井口片，在陆上分两片预制，海上利用临时工装辅助安装；水上井口片，在陆上预制单根管段，利用工装吊装，并在海上焊接；防撞结构，先法兰连接水下井口片，后焊接水上井口片。

4 平台维护

在平台运行期间，外挂井槽结构形式需要考虑4个方面维护措施。

（1）海生物清理。结构设计中，考虑防撞结构与平台一致的海生物厚度，海生物的厚度越大，对平台整体越不利，应坚持按照规定的最大海生物厚度及时清理。

（2）防撞结构。在平台服役期间，应重点对防撞结构进行检测，确保防撞结构的完整性和有效性。在防撞结构防腐油漆脱落后进行补漆作业；当油漆脱落无法按时修复且防撞结构杆件壁厚腐蚀严重（可考虑原始壁厚一半）时，更换局部杆件或整个防撞结构。

（3）水下管卡及螺栓。水下井口片的管卡形式连接、井口片之间的法兰连接以及防撞结构与水下井口片的法兰连接，都是通过螺栓连接的。螺栓长期受到海洋环境荷载的作用，损耗大。在平台服役期间应对管卡进行定期检测，当发现连接异常时（如橡胶破损等）及时修复和更换；同时，在水下检测作业时密切监控螺栓连接的情况，当有螺栓或螺母脱落时，立即着手补齐。

（4）井口关断保护。平台运行期间须严格控制船舶的靠船方向，避免靠近新增井口区域；在新增井口区域设置警示牌或警示灯，防止不可预料的意外碰撞；平台宜采取相应的关断设计，当新增井口遭受剧烈撞击导致井口压力突然变化时，平台自动关断井上、井下安全阀，防止油气外泄。

5 结束语

在已建海洋平台外侧增加井槽的方案，能有效利用原平台上部设施，弥补产能不足的问题。外挂井槽技术日渐成熟，目前在渤海海域多个平台得到了成功应用。本文以QHD32-6WHPH平台为例，详细梳理了外挂井槽方案的结构设计要点、施工方案和后期维护事项。针对该平台的自身特点，重点介绍了大跨度井口片的设计、矩形框架井口片的设计及连接螺栓的设计，可为类似工程项目的设计、施工和维护提供一定借鉴，也可推广到土建钢结构等行业的大跨度解决方案、空间受限的结构连接方案中，具有广泛的实用性和参考价值。