顧純巍 李 中 黃 熠 韋龍貴

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與應(yīng)用

顧純巍 李 中 黃 熠 韋龍貴

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

對常規(guī)吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化研究。通過將吸力樁立柱與導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)為同軸,適當(dāng)加大導(dǎo)向柱高低樁高差、外徑及壁厚,以及縮小吸力筒長徑比,提高了基盤的承載力和抗撞擊能力,降低了基盤貫入風(fēng)險(xiǎn),并提高了安裝精度。

吸力樁;水下基盤;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

受水深的影響,海上部分油氣田不能采用自升式鉆井平臺實(shí)施鉆完井作業(yè),普遍采用的是水下基盤預(yù)鉆井的方式實(shí)施開發(fā)。2003年以來吸力樁技術(shù)在單點(diǎn)系泊吸力錨安裝中得到了廣泛推廣,進(jìn)而引入到了水下基盤安裝領(lǐng)域,2006年南海某海域通過吸力樁技術(shù)成功實(shí)施了5個(gè)水下基盤的安裝,但由于受基盤本身結(jié)構(gòu)的影響,安裝過程中基盤承載力、抗撞擊能力、貫入度等還是受到了一定的制約[1]。針對吸力樁水下基盤結(jié)構(gòu)上的局限性進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,提高了基盤的承載力和抗撞擊能力,降低了基盤貫入風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后的吸力樁式水下基盤在南海某油田順利安裝,規(guī)避了安裝風(fēng)險(xiǎn),提高了安裝精度。

1 常規(guī)吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)的局限性

常規(guī)吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)基盤導(dǎo)向柱與吸力樁立柱不同軸(圖1),承受荷載能力相對較小,基盤安裝后容易下沉;

2)基盤導(dǎo)向柱高、低樁高差僅有1 m(圖1),使得導(dǎo)管架導(dǎo)向塢與基盤導(dǎo)向柱對接困難,易出現(xiàn)導(dǎo)向塢被碰撞變形的問題;

3)常規(guī)基盤設(shè)計(jì)僅考慮導(dǎo)管架安裝時(shí)對基盤的水平?jīng)_擊力(取導(dǎo)管架濕重的3%),而未考慮垂向沖擊力,容易在導(dǎo)管架安裝時(shí)造成因垂直方向受力而使基盤被碰撞變形甚至傾斜;

4)基盤吸力樁直徑較小且高度較大,安裝過程中易傾斜,導(dǎo)致水平度不滿足安裝精度要求,甚至造成基盤安裝不到位。

圖1 常規(guī)吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)圖

2 吸力樁式水下基盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

2.1 將吸力樁立柱與導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)為同軸,提高基盤承載力

常規(guī)基盤導(dǎo)向柱與吸力樁立柱分離而置,基盤自身結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部載荷后再將載荷傳遞給吸力樁。新型基盤將導(dǎo)向柱與吸力樁立柱合為一體(圖2),承受上部載荷或受到撞擊時(shí)可將載荷直接傳遞到吸力樁上,由結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同承擔(dān),從而提高了基盤承載能力(表1)。

圖2 常規(guī)基盤與新型基盤導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)

表1 新型基盤與常規(guī)基盤承載力數(shù)值模擬結(jié)果對比表

2.2 適當(dāng)加大導(dǎo)向柱高低樁高差,提高導(dǎo)管架安裝的安全性

2006年南海某油田導(dǎo)管架安裝過程中,基盤的2根導(dǎo)向柱與導(dǎo)管架導(dǎo)向塢未能同時(shí)對中,出現(xiàn)偏移,造成導(dǎo)向塢變形,嚴(yán)重影響了后續(xù)回接作業(yè)。分析認(rèn)為,導(dǎo)管架安裝過程中工程船舶升沉為1.18 m,而常規(guī)基盤導(dǎo)向柱高低樁高差僅1 m,作業(yè)時(shí)2個(gè)導(dǎo)向柱必須同時(shí)對入導(dǎo)向塢,施工安全性低,這是導(dǎo)向塢受碰撞變形的主要原因。本次研究將導(dǎo)向柱高低樁高差分別按照1.8、2.0、2.3 m進(jìn)行了模擬計(jì)算與評價(jià),結(jié)果見表2。由表2可見,2.3 m高差不滿足導(dǎo)向柱高樁抗碰撞的要求,為了進(jìn)一步提高抗撞擊能力,最終選擇2.0 m作為高差設(shè)計(jì),這樣既便于對中觀察和調(diào)整以避免導(dǎo)向塢與導(dǎo)向樁的碰撞,也可滿足抗碰撞載荷要求。

表2 導(dǎo)向柱高低樁不同高差受力模擬計(jì)算與評價(jià)結(jié)果

2.3 加大導(dǎo)向柱高低樁外徑和壁厚,提高基盤的抗撞擊能力

常規(guī)基盤設(shè)計(jì)時(shí)按照導(dǎo)管架垂直對中安裝設(shè)計(jì),只考慮水平方向?qū)P的沖擊載荷。鑒于曾經(jīng)出現(xiàn)過導(dǎo)向塢被撞擊變形的問題,新型基盤設(shè)計(jì)時(shí)增加了導(dǎo)管架安裝對基盤的垂直沖擊力的考慮,垂向沖擊載荷取導(dǎo)管架濕重的3%,受力施加在導(dǎo)向柱高樁頂端,水平方向沖擊載荷也取導(dǎo)管架濕重的3%,從8個(gè)不同方向進(jìn)行了模擬計(jì)算,模擬時(shí)考慮垂向沖擊載荷和橫向沖擊載荷。常規(guī)基盤導(dǎo)向柱幾何尺寸為φ870 mm(直徑)×24 mm (壁厚),模擬計(jì)算結(jié)果表明不滿足抗沖擊載荷要求,遂決定加大管材外徑和壁厚至φ1067mm (直徑)×38 mm(壁厚),模擬計(jì)算結(jié)果見表3,結(jié)果顯示最大應(yīng)力發(fā)生在135°方向(正北為0°),為322 MPa,小于管材許可應(yīng)力355 MPa,滿足防碰撞要求。

表3 導(dǎo)向柱高樁受水平及垂向綜合沖擊載荷模擬計(jì)算結(jié)果

2.4 縮小吸力筒長徑比,提高基盤的貫入度和貫入安全系數(shù)

基盤貫入安全系數(shù)與吸力筒的直徑和高度有一定關(guān)系,常規(guī)作業(yè)該值須大于1,高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)該值須大于1.5。如果安全系數(shù)低,基盤在貫入過程中可能存在貫入不到位的風(fēng)險(xiǎn),輕則更換井位重新貫入,重則基盤可能報(bào)廢。常規(guī)基盤吸力筒尺寸為φ3.5 m× 8 m,貫入安全系數(shù)在1.60至2.1之間。為安全起見,新型基盤設(shè)計(jì)時(shí)考慮將貫入安全系數(shù)提高至2.0以上。貫入安全系數(shù)的提高可以通過增大吸力筒直徑和減小吸力筒高度來實(shí)現(xiàn),即縮小吸力筒長徑比可以提高基盤貫入安全系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)將吸力筒直徑加大至4 m,而將高度減小到7.5 m,模擬計(jì)算結(jié)果(表4)表明貫入安全系數(shù)提高至2.65,不但可以降低貫入過程中傾斜的風(fēng)險(xiǎn),基盤水平度也可以得到較好控制。

表4 新型基盤與常規(guī)基盤貫入安全系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果對比

3 應(yīng)用效果

新型吸力樁式水下基盤于2012年6月在南海某油田成功安裝。由于對基盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整,有效規(guī)避了安裝風(fēng)險(xiǎn),基盤安裝精度也得到了提高,現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)指標(biāo)均高質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求(表5)。

表5 新型基盤與常規(guī)基盤安裝現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)精度對比

4 結(jié)論

1)將基盤吸力樁立柱與導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)為同軸,提高了基盤的承載力,能更好地滿足后續(xù)鉆完井作業(yè)要求。

2)適當(dāng)加大基盤導(dǎo)向柱高低樁高差有利于導(dǎo)管架順利安裝到位,降低了導(dǎo)管架就位難度,提高了導(dǎo)管架就位精度和安全性。

3)加大導(dǎo)向柱高低樁外徑和壁厚可提高基盤抗撞擊能力,有效避免基盤水平及垂向受力變形的發(fā)生。

4)縮小吸力筒長徑比,基盤更易貫入,貫入深度和水平度能得到更好地控制。

[1] 黃凱文,段澤輝,顧純巍.吸力樁式水下鉆井基盤安裝技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝,2007,29(6):22-23.

(編輯:葉秋敏)

The structure optimization research and application of subsea suction pile template

Gu Chunwei Li Zhong Huang Yi Wei Longgui

(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057)

The systemic structure optimization research was carried out on the conventional subsea suction pile template.The bearing capacity and impact resistance were enhanced,the template penetration risk was reduced and the installation accuracy was improved through coaxial design of the suction pile column and the guide column,increasing the guide column height,diameter and wall thickness,and decreasing the suction tube length to diameter ratio.

suction pile;subsea template;structure optimization

2013-09-09改回日期:2014-03-21

顧純巍,男,中海油湛江分公司鉆完井總監(jiān),現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井工藝的管理和研究工作。電話:0759-3901962。E-mail:guchw@cnooc.com.cn。