一种紧凑型井口架的设计

尹彦坤

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司，湛江 524057）

0 引言

井口架是一种最小型化的井口平台，上部只有采油树、井口控制盘等设施，没有其他的油气处理设施。它的一种主要用途是现有平台打调整井的需要，生产中的平台经常需要打调整井以提高采收率、降低开发成本，而受平台结构强度和空间的限制，内挂井槽或者外挂井槽往往不可行，或者工程费用偏高。增加井口架可以增加井槽，并依托老平台原有设施进行生产，节约开发成本。井口架的另一种用途是开发小油田区块的需要，井口架加钻采平台形成蜜蜂式采油模式，从而降低开发成本。2010年1月，涠洲11-4北平台（图1）要进行增加井槽打调整井的方案设计，拟最多增加7口调整井。涠洲11-4北平台是两腿三桩简易平台，结构储备强度较少，投产后又经过了经过多次改造。经过结构核算，发现强度不足，桩基承载能力也趋近极限，无法直接加挂井槽。因此决定增加一个能自存的井口架。本文对该井口架的设计安装过程进行介绍。

图1 涠洲11-4北平台

1 结构方案的确定

考虑到涠洲11-4北平台的实际情况和节约钻井、工程等费用的要求，新型井口架的设计需要解决以下几个问题：一是新的井口架必须要有足够的刚度，不给老平台增加荷载负担；二是控制单吊重量在250吨以下，以便能适用小型的浮吊船，节约安装费用；三是新增加的井口要与老的井口布置紧凑。

1.1 井口区的布置

确定井口架的结构形式首先要确定井口区的布置。为了钻修井方便，新增加的井口要与老的井口布置紧凑，以便钻井船的悬臂式井架能够从左侧够得着老井，并且钻井船就位一次，就能修所有的新井和老井。井口区的布置如图2所示。

图2 井口架的井口区与老井口区的相对位置

1.2 确定腿柱的数量和布置

初步分析用一根腿柱来挂五个隔水套管的话，整体刚度不足，因此至少需要两根腿柱。把两个腿柱布置在井口区的左侧是一种常规的方法，但是这样布置会导致井口架的上部甲板面积太大，造成浪费，同时导管架的重量也会比较大。为了减轻整体重量，合理利用隔水套管（图3），经分析认为，把左侧的两根隔水套管和腿柱合并在一起（图4），利用隔水套管兼作主桩，这样既节约了两根主桩，又优化了井口架的整体布置，预计节约钢材用量100吨左右。

图3 隔水套管的布置

图4 桩的布置

1.3 确定桩的数量和布置

按照图4布置完两根主桩以后，还需要另外两根桩形成平面稳定结构。经过分析对比，采用42寸（1068mm）桩、12m跨距的三角形底盘形式，整体形式会比较优化，因此需要再增加2根跨距12m的桩与上述2根隔水套管形成三角形的导管架底盘。此外，为了减轻腿柱重量和波浪荷载，新增的两个桩采用水下桩形式。

经过上述分析，可以确定井口架的基本形式（图5）。整体由上部组块、导管架和隔水套管组成，有两根水下桩和两根主桩，主桩兼作隔水套管。上部组块包括上部组块甲板、上部组块腿柱；导管架包括导管架腿柱、导管架斜支撑、裙桩套筒和防沉板。兼作主桩的隔水套管为914mm,其他隔水套管610mm,水下桩1068mm。导管架吊装重量210吨，组块结构吊装重量90吨。

图5 整体结构形式

2 设计分析

井口架的设计及计算分析要包含从安装就位到生产的所有工况，安装工况包括装船分析、运输分析、吊装分析、坐底稳性分析、打桩分析等，在位工况包括在位静力分析（包括极端环境条件和操作条件）、地震分析和疲劳分析，这点与常规的平台设计类似，因此，以下将重点介绍该种结构的设计需要特别注意的问题。

2.1 群装效应

由于结构紧凑，主桩距离隔水套管太近，二者距离没有超过桩直径的8倍，在计算桩基承载能力和基础刚度时，要考虑群装效应。群装效应的计算要根据API RP 2A规范来进行，在海工结构计算程序SACS中，通过调整 P-Y,T-Z曲线的系数来实现。

2.2 桩端承载力的计算

井口架的主桩兼作隔水套管，主桩内会进行钻井作业和下套管，这样桩端就不会形成土塞，桩端承载能力也不存在。因此在计算桩基承载能力时，只考虑桩侧摩阻力的贡献，而不考虑桩端承载力的贡献。

2.3 安装过程中重心的变化

井口架是非对称结构，在空气中有一个重心位置，而在入水时，由于浮力的影响，在水中的重心位置可能存在较大变化。因此在配置索具时，要充分考虑到中心的变化，防止结构发生倾斜甚至倾覆。

2.4 坐底稳性

井口架的底盘较小，并且由于重量的限制不可能把防沉板设计的过大。因此坐底稳性不足可能导致安装时坐底倾斜。解决方法是在老平台的桩腿上增加一个安装导向，既能扶住井口架不致发生倾斜，又能精确定位安装位置。导向结构如图6所示。

图6 安装导向

3 安装过程

3.1 焊前准备

井口架的整个安装过程如图7所示，具体安装步骤如下：

1）井口架的导管架、上部组块和隔水套管在建造码头装船，运输至安装场地；

2）在老平台上焊接安装导向；

3）导管架用浮吊吊起，入水，在导向的辅助下就位；

4）插桩，打桩，调平，打入隔水套管；

5）安装上部组块，上部组块与老平台连接。

4 结构形式的特点和优点

4.1 结构利用率高

隔水套管从导管架腿柱中间打入，作为桩基础并兼作上部组块的腿柱，这种模式有效的节省了材料费用和建造安装费用，结构利用率高。

图7 安装过程

4.2 结构形式合理

本结构主要的承载能力形式为2根隔水套管+2根水下桩。导管架所承受的环境荷载（主要是波浪力）主要集中在水面和飞溅区附近，减少这一区域的构件数量和截面尺寸，可以有效地减少环境荷载，故2根水下桩的采用可以有效减少波浪力，从而减少了导管架重量。

4.3 刚度较大

经过核算，该井口架能够在百年一遇风浪下自存，整体刚度超过老平台。与老平台连成一个整体后，整个平台得到了加强。刚度对比数据如表1所示。

表1 100年环境条件下的甲板位移对比

4.4 重量较轻

本井口架的最大吊装重量是210吨，因此可以利用的浮吊资源比较丰富，从而可以采用小型浮吊进行安装，较大地节省安装费用。表2是与几个典型的常规建议平台的对比。

5 结束语

本文中的井口架形式是在常规的平台结构形式基础之上，为了适应油田增效的实际情况的一种大胆创新。这种新型结构应用受现有平台的实际情况的限制，也存在一些不足，需要在后期的油田开发实践中不断完善。但是，由于其结构简单合理、形式优化、重量较轻的特点，可作为后续的边际油田开发、油田调整井开发以及其他海工结构设计的重要参考范例。

表2 几个典型简易平台的重量对比

[1]API.API RP 2A Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress design, 21th edition[S].2004.

[2]AISC.Specification for Structural Steel Buildings, 13th edition[S].2005.

[3]周守为, 曾恒一.海洋石油工程平台结构设计[M].天津: 天津大学出版社, 2007.

[4]竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].1991.

[5]中国海洋石油（中国）有限公司.Study on metocean environmental parameters of Weizhou marginal oil fields[R].2005.