葉茂盛，黃懷州，趙佳寧

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

1 導(dǎo)管架平臺了隔水套管結(jié)構(gòu)

隔水套管從采油平臺上部模塊某標(biāo)高位置(水面以上)到海底淺層，具有隔絕海水海流對鉆井套管和鉆井循環(huán)液的作用[1]。隔水套管一般在導(dǎo)管架坐底鋼樁打入完成后開始隔水套管的安裝。隔水套管通常分為 2～3節(jié)，分別由浮吊從駁船起吊至預(yù)定位置，通過打樁錘錘入到設(shè)計深度。圖1為渤海海域某平臺隔水套管結(jié)構(gòu)。

圖1 隔水套管吊裝系統(tǒng)Fig.1 Conductor lifting system

隔水套管海上施工階段，吊繩、卡環(huán)以及設(shè)置在隔水套管上的吊耳結(jié)構(gòu)形成了隔水套管吊裝系統(tǒng)，通過浮吊的吊鉤將隔水套管順利起吊至預(yù)定位置。圖2為隔水套管吊裝系統(tǒng)。

隔水套管吊裝完成后，由施工人員焊接、解扣、切割吊點，由打樁錘錘入到設(shè)計位置，最終切除調(diào)整段。但對于擁有較多隔水套管(往往 60根以上)的海洋固定平臺，海上隔水套管施工時間較長，其中隔水套管吊耳的切割工作占據(jù)了一定的時間。本文針對隔水套管吊耳結(jié)構(gòu)形式如何減少海上施工環(huán)節(jié)、提高施工效率進(jìn)行了研究和探討。

2 隔水套管吊耳結(jié)構(gòu)形式研究

隔水套管需要進(jìn)入到海底淺層，因此隔水套管通常分為 2～3節(jié)，其中第二節(jié)隔水套管由 3部分組成，分別為：吊耳結(jié)構(gòu)、隔水套管設(shè)計長度部分以及調(diào)整段(圖2)。

本文著重討論吊點結(jié)構(gòu)在調(diào)整段上的方案，對吊點方案進(jìn)行了對比和優(yōu)選，通過對比確定施工效率高、風(fēng)險較低的方案，并對優(yōu)選方案進(jìn)行可行性分析?，F(xiàn)提供以下 4個隔水套管吊點方案供分析和對比使用，如表1所示(其中4個方案具體對比見表2)。

圖2 隔水套管分節(jié)設(shè)計示意圖Fig.2 Design for conductor segment

表1 隔水套管吊點方案Tab.1 Conductor padeye schemes

表2 方案優(yōu)點和風(fēng)險對比Tab.2 Advantages and risks of schemes

經(jīng)對比可知(表2)，各方案均存在一定風(fēng)險，只有方案4可通過對隔水套管加強(qiáng)的手段降低風(fēng)險。

3 隔水套管應(yīng)力分析與核算

隔水套管設(shè)計一般包括2個方面的核算：

①隔水套管可打入性核算。核算隔水套管的灌入性是否滿足要求，同時核算隔水套管打入過程中的動應(yīng)力是否滿足要求。

②隔水套管自由站立核算。核算隔水套管在掛錘狀態(tài)下的截面應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求。

方案4在隔水套管調(diào)整段內(nèi)鉆孔，那么隔水套管鉆孔位置附近存在疲勞問題，還需考慮循環(huán)錘擊對隔水套管疲勞的影響。

本文以渤海某項目隔水套管設(shè)計為基礎(chǔ)開展隔水套管鉆孔方案的研究。隔水套管在 GRLWEAP模擬見圖3。

圖3 隔水套管在GRLWEAP中的模擬Fig.3 Conductor simulation in GRLWEAP

通過ANSYS軟件建立隔水套管鉆孔模型，在隔水套管模型頂部位置施加動應(yīng)力核算鉆孔位置附近的應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力大小查詢相應(yīng)疲勞曲線獲取疲勞循環(huán)次數(shù)，與預(yù)測錘擊對比，確定是否滿足要求。渤海某項目隔水套管設(shè)計數(shù)據(jù)如表3所示。

在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展隔水套管開孔方案設(shè)計，在隔水套管調(diào)增段內(nèi)開孔后需要進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞核算。

表3 隔水套管設(shè)計數(shù)據(jù)Tab.3 Conductor design data

3.1 隔水套管開孔方案強(qiáng)度核算

在ANSYS軟件中建立隔水套管開孔模型，采用體單元(solid45)建模，隔水套管開孔模型見圖4、圖5。

圖4 隔水套管開孔方案有限元模型：體單元Fig.4 FEM for conductor drilling hole: solid

圖5 隔水套管開孔方案有限元模型：單元格Fig.5 FEM for conductor drilling hole: element

隔水套管開孔有限元模型邊界條件如圖6所示。

圖6 隔水套管開孔方案有限元模型：邊界條件Fig.6 FEM for conductor drilling hole: boundary condition

隔水套管開孔有限元分析結(jié)果圖7、表4所示。

3.2 隔水套管開孔方案疲勞核算

根據(jù)中海油企標(biāo)Q/HS 3005—2003[2]第二節(jié)給出的疲勞分析內(nèi)容，對于空氣中開孔結(jié)構(gòu)的疲勞分析要求如下：

疲勞應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)(S-N)曲線按下式給出：

其中：N—相對于應(yīng)力幅值Δσ的預(yù)期斷裂循環(huán)次數(shù)；a—與平均S-N曲線有關(guān)的常數(shù)；Δσ—應(yīng)力幅值；m—S-N曲線的反向負(fù)斜率。S-N曲線相關(guān)參數(shù)選取見表5。

圖7 隔水套管開孔部位應(yīng)力圖Fig.7 Vons Mise stress at conductor drilling hole

表4 隔水套管開孔方案有限元分析結(jié)果Tab.4 FEA for conductor drilling hole

表5 S-N曲線相關(guān)參數(shù)選取[2]Tab.5 S-N design data

依據(jù)上述公式及相關(guān)參數(shù)計算隔水套管開孔方案的疲勞循環(huán)次數(shù)見表6。

表6 隔水套管開孔處疲勞循環(huán)次數(shù)計算Tab.6 Fatigue cycle calculation at conductor drilling hole

通過計算得到允許循環(huán)次數(shù) 88460次，遠(yuǎn)大于隔水套管打入預(yù)測錘擊次數(shù) 1607次，滿足項目使用需求。

4 結(jié) 論

本文從合理簡化隔水套管海上施工環(huán)節(jié)，提高施工效率角度優(yōu)化隔水套管吊點結(jié)構(gòu)，通過對優(yōu)化方案進(jìn)行比選確定最優(yōu)方案(方案4)，并利用GWEAP軟件、ANSYS軟件以及相關(guān)規(guī)范對最優(yōu)方案的可行性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

在ANSYS軟件中建立隔水套管開孔模型，在隔水套管頂部施加動應(yīng)力進(jìn)行計算，計算顯示隔水套管應(yīng)力最大值發(fā)生在開孔處，開孔處應(yīng)力為313.6MPa，小于規(guī)范允許值(0.9Fy＝319MPa)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，計算得到隔水套管開孔處疲勞破壞循環(huán)次數(shù)為 88460次，遠(yuǎn)大于 GWEAP軟件計算的隔水套管打入預(yù)測錘擊次數(shù)1607次。

分析結(jié)果顯示隔水套管調(diào)整段內(nèi)開孔方案可行，滿足項目使用需求。

目前該方案僅為理論研究，由于錘效設(shè)計較低(僅為 70%)，錘效下降預(yù)測錘擊數(shù)增加，錘的檢修時間間隔將會縮短，在一定程度上會增加海上施工時間。同時由于隔水套管打入?yún)^(qū)域與計算使用的鉆孔之間尚有一定距離，而土壤存在一定的不確定性，若遇到較硬的土層需要提高錘效才能打入到設(shè)計深度，有可能會出現(xiàn)隔水套管鉆孔附近的應(yīng)力過大而不滿足要求導(dǎo)致發(fā)生破壞的情況。因此，該方案還需經(jīng)過實際項目檢驗，并在實際項目運(yùn)行過程中不斷改進(jìn)和完善。