利用隔水导管提高平台承载力的方法

吴景健,庞洪林,肖辉,万军,张梦玥

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300452)

渤海导管架平台大多采用桩基式平台结构形式,平台主要通过桩基来支撑甲板荷载及抵抗环境荷载,桩基承载力大小直接影响海上生产的安全性[1]。根据API RP 2A规范规定,桩基承载力安全系数在操作工况下不小于2.0,极端工况下不小于1.5[2]。渤海油田经过多年的发展,上部组块生产规模不断增加,桩基承载力不足的问题日益凸显。隔水导管作为连接井口与海底的通道,具有隔离海水形成钻井液循环通道,承担上部采油树、防喷器等井口设备荷载的作用[3]。隔水导管入泥深度受井口荷载的影响,渤海常见的隔水导管入泥深度见图1,主要集中在40～80 m之间[4]。常见的隔水导管尺寸包括为20″、24″、30″和36″,隔水导管通常采用钢管结构,常见入泥深度(以50 m为例)下的隔水导管承载力如图1所示,4种尺寸的隔水导管常见的承载力区间分别为4～6 MN,5～7 MN,7～9 MN,9～11 MN。因此隔水导管最小下入深度在保证正常钻井液循环及井口支持情况下,仍具有一定的承载力余量。隔水导管数量较多,如能合理利用隔水导管的承载力余量,可以提高导管架平台的承载能力[5],既可以实现海上的生产作业需求,又可以提高海上作业的安全性。

图1 渤海常见隔水导管入泥深度及桩基承载力大小

以渤海某油田平台修井机升级改造项目为例,通过改变导管架和组块与隔水导管的连接方式,论证利用隔水导管作为平台辅助持力结构增加平台承载力的方法的可行性。

1 隔水导管承载方式

一般情况下隔水导管被认作非结构构件,不参与平台刚度贡献和承载,常见的导管架与隔水导管的相互作用方式见图2。对于下部结构,隔水导管穿过导向孔并通过楔块进行固定,楔块与隔水导管之间不焊接,只起到限制隔水导管水平位移的作用,不存在垂向载荷的传递[6]。对于上部组块来说,隔水导管与甲板梁不直接接触,隔水导管顶部自由不受约束[7]。

图2 平台与隔水导管的典型连接形式

分析导管架平台与隔水导管之间的相互作用,平台与隔水导管之间进行载荷传递可以采用3种方法,见图3。对于下部结构,可以将导向孔内楔块与隔水导管进行焊接,使其承受垂向荷载;对于上部组块,可以通过甲板梁与隔水导管直接焊接,或者通过设置斜撑与隔水导管连接,将上部组块重量传递到隔水导管。

图3 隔水导管承载方式

2 计算分析

2.1 计算模型

改造平台为4腿井口平台,见图4。

图4 平台计算模型

工作点间距为16 m×11 m,共设置16个井槽, 4×4布置,井槽间距为2 m×2 m。导管架桩径为1 219 mm,设计入泥深度88 m,单桩极限承载力为25.088 MN。隔水导管直径610 mm,入泥50 m,单桩极限承载力为6.775 MN。上部组块分为2层甲板,组块与导管架之间是1个2层的导管架帽结构,包括1层结构框架和1层工作甲板,组块操作重约为2 762 t。

2.2 计算参数

对平台进行修井机升级改造,新增修井机与原修井机载荷对比见表1,平台修井机载荷增加4 270 kN。

表1 修井机荷载对比

平台位置处海图水深31.8 m,设计环境条件沿用原平台环境数据,极端工况选取50年一遇的风、浪、流、冰组合,操作工况选取1年一遇的风、波、流、冰组合,环境荷载作用于8个方向。修井机升级改造前后桩基承载力系数的变化见表2。

表2 修井机升级改造前后桩基承载力系数对比

改造后A1桩腿极端冰工况安全系数为1.39,不满足规范要求,需要进一步提高平台承载能力。

基于上述隔水导管承载模式分析,根据平台与隔水导管不同的连接形式,将计算工况分为4种,连接形式见图5。

图5 平台与隔水导管连接示意

1)初始工况(工况0),导管架与隔水导管不连接,隔水导管不承受平台垂向荷载。

2)第一水平层连接工况(工况1),将EL.(+)4.3 m水平层导向孔与隔水导管焊接。

3)工作甲板连接工况(工况2),将井口区外侧隔水导管通过斜撑与工作甲板甲板梁连接。

4)同时连接第一水平层和工作甲板(工况3)。

2.3 计算结果

2.3.1 荷载转移分析

不同工况下导管架最大桩头力见表3,桩头力的变化见图6。

表3 不同计算工况下的桩头力 kN

图6 不同工况下桩头力的变化

可以看出通过改变导管架平台与隔水导管的连接方式后,导管架桩头力均有不同程度的降低。操作工况下,工况1～3的桩头力平均减小8.89%、11.28%和16.43%;极端工况下,工况1～3的桩头力平均减小6.53%、8.06%和11.86%。在工况3下,桩基操作工况最小安全系数为2.30,极端工况最小安全系数为1.51,可以满足规范要求。

同时隔水导管桩头力相应增加,承受的垂向荷载增大,最大桩头力见表4。

表4 不同计算工况下隔水导管最大桩头力 kN

可以看出,单根隔水导管桩头力最大不超过1 375.7 kN,单根隔水导管承受平台载荷不超过960 kN,隔水导管承载力安全系数最小为4.36,可以满足规范要求,隔水导管在附加荷载作用下,可以保证隔水导管井口稳定不下沉。

以最危险工况为例,汇总不同连接形式下导管架桩基和隔水导管承受的垂向荷载见表5。

表5 不同计算工况下载荷转移情况

可以看出,工况1～3传递的上部组块垂向荷载的百分比分别为13.53%、18.30%和26.06%,相比于连接第一水平层导向孔,通过斜撑连接甲板与隔水导管的方式载荷传递效率更高。

2.3.2 结构强度分析

改变导管架与隔水导管的连接方式,直接影响的是桩基、导管架腿、隔水导管、第一水平层杆件和工作甲板梁的受力,对其他结构杆件几乎没有影响。计算分析这些部位的结构强度,见图7。

图7 桩基UC值分布

由图7可见,组块荷载部分转移到隔水导管后,导管架桩基受力较小,UC值最大降低8.58%,导管架腿UC最大降低9.42%,隔水导管桩基和隔水导管受力增大,但仍在规范规定的范围内。第一水平层井口区杆件和工作甲板梁由于杆件规格较小,与隔水导管连接后受力增大,部分杆件UC值大于1,不满足规范要求,需要进行加强。第一水平层杆件通过焊接补板增加杆件壁厚方式进行加强,工作甲板杆件梁通过在工字钢两侧增加腹板组成箱型梁进行加强,加强后结构强度见图8,可以满足规范要求。

图8 平台结构强度

2.3.3 位移分析

改变导管架和隔水导管的连接方式,对桩基和平台位移的影响见图9。图9表明,荷载转移使导管架主腿桩基垂向位移减小,最大可降低12.48%,隔水导管桩基垂向位移增大。由于考虑隔水导管的刚度贡献,在一定程度上降低了桩基的侧向位移以及导管架和隔水导管顶部水平位移[8],主腿桩基和隔水导管桩基侧向位移最大降低7.54%和7.96%,导管架和隔水导管顶部水平位移最大降低9.56%和24.52%。

图9 桩基垂向位移分布

2.4 上部组块与隔水导管连接方式分析

以极端工况为例,分析不同组块连接方式的荷载传递效率,按照组块与隔水导管甲板梁连接、不同尺寸斜撑连接形式进行计算,结果见表6。

表6 组块不同连接方式荷载传递效率

由表6可以看出,通过甲板梁连接或者斜撑连接均可以将组块垂向荷载传递到隔水导管,并且荷载传递效率除了与上部组块荷载分布、平台与隔水导管相对刚度有关外,还与连接结构的刚度相关,随着连接结构强度增大,荷载传递效率逐渐提高,通过平衡平台强度与荷载传递效率选择最优的组块连接形式。

对于本平台来说,406 mm×13 mm的斜撑尺寸既可以满足自身强度要求,荷载传递结果又可以使平台满足承载力要求,因此组块与隔水导管的连接方式采用406 mm×13 mm。

3 结论

1)隔水导管在常规入泥深度下,其承载力在满足井口支持的前提下仍具有一定的余量,隔水导管具有作为平台持力结构的基础和能力;

2)改变平台与隔水导管的连接方式后,组块荷载进行了有效地传递,荷载传递效率最大达到26.06%,对平台整体结构分析表明,桩基荷载和导管架腿部受力减小,UC值最大可降低8.58%和9.42%,桩基和导管架顶部水平位移均有减小,最大可降低7.54%和9.56%;

3)在不同组块连接方式中,荷载传递效率与连接结构刚度有关,刚度越大荷载传递效率越高。

综上,利用隔水导管的剩余承载力提高平台的承载力方法是可行的,可以有效减轻平台承载力不足的压力,解决平台承载力不足的问题。分析结论不仅适用于老平台改造,对于新建平台降低钢材用量也具有一定的参考意义。