渤海導管架平臺外掛井槽對樁基承載力的影響

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)有平臺設(shè)施對平臺進行改造，以達到增加平臺井槽數(shù)量的目的。從2004年潿洲油田實現(xiàn)外掛井槽在調(diào)整井改造項目中的應(yīng)用后，這項技術(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預留井槽不足的問題，與新建平臺相比具有投資少、見效快的特點，符合降本增效的設(shè)計理念，具有良好的經(jīng)濟性和廣泛適用性[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]。從平臺結(jié)構(gòu)方面考慮，主要考慮樁基承載力[5]、結(jié)構(gòu)強度[6]和甲板外延尺度等。外掛井槽方案結(jié)構(gòu)設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 外掛井槽方案結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

以4腿平臺為例，分析外掛井槽對樁基承載力的影響，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 計算模型

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

圖3 完整計算模型

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

表1 平臺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，綜合考慮老平臺的總體布局、靠船、鉆井和修井要求，選擇平臺北側(cè)實施外掛井槽方案。外掛井槽需要對老平臺進行改造，形成新老平臺結(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)計基礎(chǔ)。

2.1 設(shè)計條件和校核標準確定

原平臺操作工況按照一年一遇環(huán)境條件設(shè)計，極端工況按照五十年一遇環(huán)境條件設(shè)計，平臺設(shè)計條件和標準雖與現(xiàn)行標準不符，但考慮到外掛井槽在老平臺基礎(chǔ)上進行改造，因此新結(jié)構(gòu)設(shè)計依然采用原平臺環(huán)境條件。新增結(jié)構(gòu)校核規(guī)范與原平臺保持一致。

2.2 新增井槽數(shù)量和甲板重量確定

調(diào)研渤海外掛井槽項目數(shù)據(jù)，如表2所示。外掛井口片形式最多新增8個井槽，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間距的1/2[7]，以此作為外掛井槽對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)計數(shù)據(jù)

2.3 隔水導管防撞結(jié)構(gòu)

在新增井口區(qū)外側(cè)會設(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)會對平臺環(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

外掛井槽改造對平臺結(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) 修井機載荷變化。修井機在新增井位進行鉆修井作業(yè)的載荷。

由此可見，外掛井槽對平臺樁基承載力的影響可分為3個方面：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井位變化的影響。

4 計算結(jié)果分析

4.1 水平載荷對樁基承載力影響

新增隔水導管和防撞結(jié)構(gòu)易引起平臺水平載荷的變化，根據(jù)對原平臺樁基現(xiàn)狀分析，在位工況共考慮8個環(huán)境力方向，其中控制工況為沿著平臺斜向的4個工況，對這4個方向的水平載荷進行計算統(tǒng)計，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個斜向分別改變平臺所受水平載荷大小，分析平臺4個樁腿(A1、A2、B1、B2)樁頭力的變化，如表4所示：當水平載荷增加15%～20%時，對應(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 垂向載荷對樁基承載力影響

垂向載荷對樁頭力的影響，主要考慮3個因素：新增甲板重量、新增重量的x向和y向偏心(以B軸中點為原點，x軸正向指向平臺東，y軸正向指向平臺北，平臺方位如圖4所示)?？刂破渲?個因素不變，考慮單個因素對樁頭力的影響：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。計算結(jié)果如圖5所示。

圖4 平臺方位示例

圖5 垂向載荷對樁頭力影響

由圖5可知：

(1) 由于在平臺B軸北側(cè)實施外掛，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，可對垂向載荷對樁頭力影響的函數(shù)關(guān)系進行總結(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)剛度不對稱的綜合調(diào)整系數(shù)。

4.3 修井機井位變化對樁基承載力影響

對于修井工況組合，在結(jié)構(gòu)分析中重點關(guān)注的是包含4個角井位在內(nèi)的共12個工況，外掛井槽對平臺進行改造后，修井工況中的危險井位也需相應(yīng)轉(zhuǎn)移至最外側(cè)井位處，如圖6所示。

圖6 修井工況危險井位變化

分析修井工況危險井位發(fā)生變化的6個工況對樁頭力產(chǎn)生的影響，如圖7所示。根據(jù)計算結(jié)果，外掛2排井槽時， 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 修井機井位變化對樁頭力的影響

4.4 外掛井槽對樁基承載力影響評估

綜上所述，將外掛井槽改造對平臺樁基承載力的影響分解為3個方面，即水平載荷對樁頭力的影響、新增甲板垂向載荷對樁頭力的影響和修井機井位變化對樁頭力的影響，需要在初始樁頭力的基礎(chǔ)上將這3個方面影響對應(yīng)的計算工況進行組合，得到最危險的工況進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)樁腿實際受力進行計算分析。

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

表5 預估樁頭力與計算結(jié)果對比

5 結(jié) 論

以4腿平臺為例，從外掛井槽方案的可行性入手，重點分析外掛井槽對樁基承載力的影響，研究外掛井槽改造引起的水平載荷變化、新增重量、修井機井位變化等關(guān)鍵參數(shù)對樁頭載荷的影響，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) 修井機井位變化引起樁頭載荷增加最大約3%。

利用上述結(jié)論對外掛井槽改造引起平臺樁頭力的變化進行預估，預估結(jié)果誤差較小，在前期研究項目中，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腿平臺外掛井槽改造對樁基承載力的影響提供研究思路。