吳景健， 龐洪林， 肖 輝， 萬 軍

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300452)

0 引 言

外掛井槽技術(shù)依托現(xiàn)有平臺(tái)設(shè)施對(duì)平臺(tái)進(jìn)行改造，以達(dá)到增加平臺(tái)井槽數(shù)量的目的。從2004年潿洲油田實(shí)現(xiàn)外掛井槽在調(diào)整井改造項(xiàng)目中的應(yīng)用后，這項(xiàng)技術(shù)逐漸發(fā)展和成熟并先后應(yīng)用于綏中、旅大等油田調(diào)整項(xiàng)目[1]。外掛井槽有外掛井口片和外掛樁腿兩種形式[2](見圖1)，可以較好地解決平臺(tái)預(yù)留井槽不足的問題，與新建平臺(tái)相比具有投資少、見效快的特點(diǎn)，符合降本增效的設(shè)計(jì)理念，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和廣泛適用性[3]。

圖1 2種外掛井槽形式

影響外掛井槽實(shí)施可行性的因素較多，需綜合考慮油藏的需求以及鉆井、修井、總體布置的要求等[4]。從平臺(tái)結(jié)構(gòu)方面考慮，主要考慮樁基承載力[5]、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[6]和甲板外延尺度等。外掛井槽方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 外掛井槽方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

以4腿平臺(tái)為例，分析外掛井槽對(duì)樁基承載力的影響，判斷外掛井槽的可行性，在前期研究中作為外掛井槽是否需要增加樁腿的初步判斷依據(jù)。

1 計(jì)算模型

選取渤海典型4腿導(dǎo)管架平臺(tái)，平臺(tái)工作點(diǎn)間距為18 m×20 m，平臺(tái)位置處海圖水深為20.1 m，共設(shè)置20個(gè)井槽，成4×5布置，組塊上設(shè)置生活樓和HXJ180修井機(jī)，操作工況下組塊整體質(zhì)量約4 800 t。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 完整計(jì)算模型

平臺(tái)鋼樁樁徑為1 829 mm，入泥76.6 m，軸向抗壓承載力為54.56 MN，平臺(tái)設(shè)計(jì)工況考慮8個(gè)環(huán)境力方向。平臺(tái)樁基承載力初始狀態(tài)如表1所示。平臺(tái)4個(gè)樁腿樁基承載力的控制工況分別沿著平臺(tái)斜向226°、314°、134°、46°。

表1 平臺(tái)樁基承載力初始狀態(tài)

2 研究基礎(chǔ)

按照外掛井槽的布置原則，綜合考慮老平臺(tái)的總體布局、靠船、鉆井和修井要求，選擇平臺(tái)北側(cè)實(shí)施外掛井槽方案。外掛井槽需要對(duì)老平臺(tái)進(jìn)行改造，形成新老平臺(tái)結(jié)構(gòu)共同服役的狀態(tài)，因此本次分析需要確定以下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2.1 設(shè)計(jì)條件和校核標(biāo)準(zhǔn)確定

原平臺(tái)操作工況按照一年一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)，極端工況按照五十年一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)，平臺(tái)設(shè)計(jì)條件和標(biāo)準(zhǔn)雖與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不符，但考慮到外掛井槽在老平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，因此新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然采用原平臺(tái)環(huán)境條件。新增結(jié)構(gòu)校核規(guī)范與原平臺(tái)保持一致。

2.2 新增井槽數(shù)量和甲板重量確定

調(diào)研渤海外掛井槽項(xiàng)目數(shù)據(jù)，如表2所示。外掛井口片形式最多新增8個(gè)井槽，操作工況下組塊整體新增質(zhì)量不超過600 t，甲板外延長度不超過工作點(diǎn)間距的1/2[7]，以此作為外掛井槽對(duì)樁基承載力影響分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2 外掛井口片統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.3 隔水導(dǎo)管防撞結(jié)構(gòu)

在新增井口區(qū)外側(cè)會(huì)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，避免意外撞擊等偶然載荷引起的損傷[8]，該部分防撞結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)平臺(tái)環(huán)境載荷產(chǎn)生較大影響，在結(jié)構(gòu)分析中須將這部分變化充分考慮在內(nèi)。

3 受力分析

外掛井槽改造對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力的影響主要包括以下幾方面[9]：

(1) 結(jié)構(gòu)重量變化。包括新增甲板結(jié)構(gòu)、新增下部結(jié)構(gòu)。

(2) 設(shè)備載荷變化。包括平臺(tái)原有設(shè)備的拆除、移位和新增設(shè)備載荷。

(3) 環(huán)境載荷變化。新增隔水導(dǎo)管、防撞結(jié)構(gòu)引起的波浪、海流、海冰和浮力等載荷影響。

(4) 修井機(jī)載荷變化。修井機(jī)在新增井位進(jìn)行鉆修井作業(yè)的載荷。

由此可見，外掛井槽對(duì)平臺(tái)樁基承載力的影響可分為3個(gè)方面：新增水平環(huán)境載荷的影響、新增垂向功能載荷的影響和修井機(jī)井位變化的影響。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 水平載荷對(duì)樁基承載力影響

新增隔水導(dǎo)管和防撞結(jié)構(gòu)易引起平臺(tái)水平載荷的變化，根據(jù)對(duì)原平臺(tái)樁基現(xiàn)狀分析，在位工況共考慮8個(gè)環(huán)境力方向，其中控制工況為沿著平臺(tái)斜向的4個(gè)工況，對(duì)這4個(gè)方向的水平載荷進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，水平載荷增加15%～20%，具體變化如表3所示。

表3 外掛井槽改造引起的水平載荷變化

沿著4個(gè)斜向分別改變平臺(tái)所受水平載荷大小，分析平臺(tái)4個(gè)樁腿(A1、A2、B1、B2)樁頭力的變化，如表4所示：當(dāng)水平載荷增加15%～20%時(shí)，對(duì)應(yīng)樁頭力增加1%～3%。

表4 水平載荷變化引起的樁頭力變化 %

4.2 垂向載荷對(duì)樁基承載力影響

垂向載荷對(duì)樁頭力的影響，主要考慮3個(gè)因素：新增甲板重量、新增重量的x向和y向偏心(以B軸中點(diǎn)為原點(diǎn)，x軸正向指向平臺(tái)東，y軸正向指向平臺(tái)北，平臺(tái)方位如圖4所示)?？刂破渲?個(gè)因素不變，考慮單個(gè)因素對(duì)樁頭力的影響：在不同新增重量條件下，假設(shè)x向偏心為0 m，y向偏心為5 m；在不同y向偏心的條件下，假設(shè)新增重量為400 t，x向偏心為0 m；在不同x向偏心的條件下，假設(shè)新增重量為400 t，y向偏心為5 m。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 平臺(tái)方位示例

圖5 垂向載荷對(duì)樁頭力影響

由圖5可知：

(1) 由于在平臺(tái)B軸北側(cè)實(shí)施外掛，因此B軸樁基受壓，樁頭力增加，A軸樁基受拉，樁頭力減小。

(2) 樁頭力隨甲板新增重量線性變化，新增重量越大，B軸樁頭力增加越大。同時(shí)可以觀察到，A1、A2以及B1、B2樁頭力變化量不同，這是由結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱引起的差異。

(3) 樁頭力隨新增重量y向偏心線性變化，偏心越大，B軸樁頭力增加越大。

(4) 設(shè)置新增重量x正向偏心，1軸樁基受拉，A1和B1樁腿樁頭力減小，2軸樁基受壓，A2和B2樁腿樁頭力增大，樁頭力隨新增甲板重量x向偏心線性變化，偏心越大，2軸樁頭力增加越大。

樁頭力變化量可看作是工作點(diǎn)間距、新增重量以及新增重量的x、y向偏心的函數(shù)，即ΔF=f(dAB,d12,Δm,XC,YC)，其中：dAB為AB軸間距；d12為1、2軸間距；Δm為新增甲板重量；XC和YC為新增重量的x向和y向偏心。通過上述分析，可對(duì)垂向載荷對(duì)樁頭力影響的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。

B軸兩樁腿樁頭力變化量為

(1)

(2)

ΔFB1=ΔFB-ΔFB2

(3)

式(1)～式(3)中：ΔFB為B軸兩腿樁頭力增量之和；g為重力加速度；ΔFB2為B2樁腿樁頭力增量；ΔFB1為B1樁腿樁頭力增量；f1和f2為考慮結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱的綜合調(diào)整系數(shù)。

4.3 修井機(jī)井位變化對(duì)樁基承載力影響

對(duì)于修井工況組合，在結(jié)構(gòu)分析中重點(diǎn)關(guān)注的是包含4個(gè)角井位在內(nèi)的共12個(gè)工況，外掛井槽對(duì)平臺(tái)進(jìn)行改造后，修井工況中的危險(xiǎn)井位也需相應(yīng)轉(zhuǎn)移至最外側(cè)井位處，如圖6所示。

圖6 修井工況危險(xiǎn)井位變化

分析修井工況危險(xiǎn)井位發(fā)生變化的6個(gè)工況對(duì)樁頭力產(chǎn)生的影響，如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，外掛2排井槽時(shí)， B1樁腿樁頭力增加的百分比集中在2%～3%，B2樁腿樁頭力增加的百分比集中在1%～2%。

圖7 修井機(jī)井位變化對(duì)樁頭力的影響

4.4 外掛井槽對(duì)樁基承載力影響評(píng)估

綜上所述，將外掛井槽改造對(duì)平臺(tái)樁基承載力的影響分解為3個(gè)方面，即水平載荷對(duì)樁頭力的影響、新增甲板垂向載荷對(duì)樁頭力的影響和修井機(jī)井位變化對(duì)樁頭力的影響，需要在初始樁頭力的基礎(chǔ)上將這3個(gè)方面影響對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況進(jìn)行組合，得到最危險(xiǎn)的工況進(jìn)行改造后的樁基承載力校核，組合工況不是簡單的疊加，而是需根據(jù)樁腿實(shí)際受力進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表5)，綜合考慮外掛井槽引起水平載荷、垂向載荷和修井機(jī)井位的變化所產(chǎn)生的樁頭力變化，預(yù)估外掛井槽改造后的樁頭力，并將4個(gè)樁腿控制工況下的最大樁頭力與SACS軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出預(yù)估結(jié)果的誤差不超過5%。

表5 預(yù)估樁頭力與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

以4腿平臺(tái)為例，從外掛井槽方案的可行性入手，重點(diǎn)分析外掛井槽對(duì)樁基承載力的影響，研究外掛井槽改造引起的水平載荷變化、新增重量、修井機(jī)井位變化等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)樁頭載荷的影響，主要包括：

(1) 外掛井槽改造引起水平載荷增加最大約20%，引起樁頭載荷增加最大約3%。

(2) 外掛井槽改造新增垂向載荷引起改造側(cè)樁腿樁頭力增加，樁頭力變化與新增重量、重量偏心呈線性變化。

(3) 修井機(jī)井位變化引起樁頭載荷增加最大約3%。

利用上述結(jié)論對(duì)外掛井槽改造引起平臺(tái)樁頭力的變化進(jìn)行預(yù)估，預(yù)估結(jié)果誤差較小，在前期研究項(xiàng)目中，可快速判斷外掛井槽方案是否需要增加樁腿，并且為分析6腿和8腿平臺(tái)外掛井槽改造對(duì)樁基承載力的影響提供研究思路。