吸力桩式水下基盘结构优化研究与应用

顾纯巍 李 中 黄 熠 韦龙贵

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

吸力桩式水下基盘结构优化研究与应用

顾纯巍 李 中 黄 熠 韦龙贵

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

对常规吸力桩式水下基盘结构进行了系统的优化研究。通过将吸力桩立柱与导向柱设计为同轴,适当加大导向柱高低桩高差、外径及壁厚,以及缩小吸力筒长径比,提高了基盘的承载力和抗撞击能力,降低了基盘贯入风险,并提高了安装精度。

吸力桩;水下基盘;结构优化

受水深的影响,海上部分油气田不能采用自升式钻井平台实施钻完井作业,普遍采用的是水下基盘预钻井的方式实施开发。2003年以来吸力桩技术在单点系泊吸力锚安装中得到了广泛推广,进而引入到了水下基盘安装领域,2006年南海某海域通过吸力桩技术成功实施了5个水下基盘的安装,但由于受基盘本身结构的影响,安装过程中基盘承载力、抗撞击能力、贯入度等还是受到了一定的制约[1]。针对吸力桩水下基盘结构上的局限性进行了系统的结构优化研究,提高了基盘的承载力和抗撞击能力,降低了基盘贯入风险。优化后的吸力桩式水下基盘在南海某油田顺利安装,规避了安装风险,提高了安装精度。

1 常规吸力桩式水下基盘结构的局限性

常规吸力桩式水下基盘结构的局限性主要表现在以下几个方面:

1)基盘导向柱与吸力桩立柱不同轴(图1),承受荷载能力相对较小,基盘安装后容易下沉;

2)基盘导向柱高、低桩高差仅有1 m(图1),使得导管架导向坞与基盘导向柱对接困难,易出现导向坞被碰撞变形的问题;

3)常规基盘设计仅考虑导管架安装时对基盘的水平冲击力(取导管架湿重的3%),而未考虑垂向冲击力,容易在导管架安装时造成因垂直方向受力而使基盘被碰撞变形甚至倾斜;

4)基盘吸力桩直径较小且高度较大,安装过程中易倾斜,导致水平度不满足安装精度要求,甚至造成基盘安装不到位。

图1 常规吸力桩式水下基盘结构图

2 吸力桩式水下基盘结构优化研究

2.1 将吸力桩立柱与导向柱设计为同轴,提高基盘承载力

常规基盘导向柱与吸力桩立柱分离而置,基盘自身结构承担上部载荷后再将载荷传递给吸力桩。新型基盘将导向柱与吸力桩立柱合为一体(图2),承受上部载荷或受到撞击时可将载荷直接传递到吸力桩上,由结构和基础共同承担,从而提高了基盘承载能力(表1)。

图2 常规基盘与新型基盘导向柱结构

表1 新型基盘与常规基盘承载力数值模拟结果对比表

2.2 适当加大导向柱高低桩高差,提高导管架安装的安全性

2006年南海某油田导管架安装过程中,基盘的2根导向柱与导管架导向坞未能同时对中,出现偏移,造成导向坞变形,严重影响了后续回接作业。分析认为,导管架安装过程中工程船舶升沉为1.18 m,而常规基盘导向柱高低桩高差仅1 m,作业时2个导向柱必须同时对入导向坞,施工安全性低,这是导向坞受碰撞变形的主要原因。本次研究将导向柱高低桩高差分别按照1.8、2.0、2.3 m进行了模拟计算与评价,结果见表2。由表2可见,2.3 m高差不满足导向柱高桩抗碰撞的要求,为了进一步提高抗撞击能力,最终选择2.0 m作为高差设计,这样既便于对中观察和调整以避免导向坞与导向桩的碰撞,也可满足抗碰撞载荷要求。

表2 导向柱高低桩不同高差受力模拟计算与评价结果

2.3 加大导向柱高低桩外径和壁厚,提高基盘的抗撞击能力

常规基盘设计时按照导管架垂直对中安装设计,只考虑水平方向对基盘的冲击载荷。鉴于曾经出现过导向坞被撞击变形的问题,新型基盘设计时增加了导管架安装对基盘的垂直冲击力的考虑,垂向冲击载荷取导管架湿重的3%,受力施加在导向柱高桩顶端,水平方向冲击载荷也取导管架湿重的3%,从8个不同方向进行了模拟计算,模拟时考虑垂向冲击载荷和横向冲击载荷。常规基盘导向柱几何尺寸为φ870 mm(直径)×24 mm (壁厚),模拟计算结果表明不满足抗冲击载荷要求,遂决定加大管材外径和壁厚至φ1067mm (直径)×38 mm(壁厚),模拟计算结果见表3,结果显示最大应力发生在135°方向(正北为0°),为322 MPa,小于管材许可应力355 MPa,满足防碰撞要求。

表3 导向柱高桩受水平及垂向综合冲击载荷模拟计算结果

2.4 缩小吸力筒长径比,提高基盘的贯入度和贯入安全系数

基盘贯入安全系数与吸力筒的直径和高度有一定关系,常规作业该值须大于1,高风险作业该值须大于1.5。如果安全系数低,基盘在贯入过程中可能存在贯入不到位的风险,轻则更换井位重新贯入,重则基盘可能报废。常规基盘吸力筒尺寸为φ3.5 m× 8 m,贯入安全系数在1.60至2.1之间。为安全起见,新型基盘设计时考虑将贯入安全系数提高至2.0以上。贯入安全系数的提高可以通过增大吸力筒直径和减小吸力筒高度来实现,即缩小吸力筒长径比可以提高基盘贯入安全系数。设计时将吸力筒直径加大至4 m,而将高度减小到7.5 m,模拟计算结果(表4)表明贯入安全系数提高至2.65,不但可以降低贯入过程中倾斜的风险,基盘水平度也可以得到较好控制。

表4 新型基盘与常规基盘贯入安全系数模拟计算结果对比

3 应用效果

新型吸力桩式水下基盘于2012年6月在南海某油田成功安装。由于对基盘结构进行了优化调整,有效规避了安装风险,基盘安装精度也得到了提高,现场测量数据显示各项指标均高质量满足设计要求(表5)。

表5 新型基盘与常规基盘安装现场测量数据精度对比

4 结论

1)将基盘吸力桩立柱与导向柱设计为同轴,提高了基盘的承载力,能更好地满足后续钻完井作业要求。

2)适当加大基盘导向柱高低桩高差有利于导管架顺利安装到位,降低了导管架就位难度,提高了导管架就位精度和安全性。

3)加大导向柱高低桩外径和壁厚可提高基盘抗撞击能力,有效避免基盘水平及垂向受力变形的发生。

4)缩小吸力筒长径比,基盘更易贯入,贯入深度和水平度能得到更好地控制。

[1] 黄凯文,段泽辉,顾纯巍.吸力桩式水下钻井基盘安装技术研究[J].石油钻采工艺,2007,29(6):22-23.

(编辑:叶秋敏)

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

顾纯巍,男,中海油湛江分公司钻完井总监,现主要从事海洋石油钻完井工艺的管理和研究工作。电话:0759-3901962。E-mail:guchw@cnooc.com.cn。