固定式海洋平台隔水套管安装中新型吊孔设计

梁学先，朱起东，赵博朋，王 敏

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隔水套管是从海上钻井平台打入到海底浅层的套管，主要功能是隔离海水，形成钻井液循环通道，同时也是海上井口的受力结构。在钻完井施工过程中，隔水套管的强度及安全性对于海上钻井作业安全至关重要。对于常规的固定式海洋平台，根据使用要求及钻井区域的水深情况，通常将分段的套管焊接起来，并使用液压打桩锤打至设计的入泥深度。所以，隔水套管的自身强度要满足打桩要求[1]。

根据隔水套管的长度、重量以及作业浮吊的能力，可将隔水套管海上安装作业分为单吊直接起桩和双吊合抬起桩两种方式，但无论哪种起桩方式都离不开吊点。常规的吊点采用在套管外壁焊接板式吊耳的形式，但由于隔水套管节数较多，在套管安装时需切割吊耳、打磨切口等，以方便打桩，但耗费了大量海上作业时间。图1 为常规带板式吊耳的套管起吊情况。

图1 常规带板式吊耳的套管起吊

本文针对目前固定式海洋平台隔水套管的安装工艺，结合某平台直径610 mm 隔水套管的安装需求，设计了新型的吊装形式，即在隔水套管顶部附近位置钻孔作为起桩、吊装作业使用的吊点。应用ANSYS 软件建立了新型套管吊孔的静力学分析模型，进行有限元的分析计算，并进行了打桩过程中孔周围应力集中的疲劳分析，提出了开孔+开槽的优化方案，所得计算分析结果对隔水套管的打桩施工进行了指导控制。

1 有限元分析

隔水套管外径610 mm，内径560 mm，壁厚25 mm，长度62 m，材质为D36 钢，屈服强度为355 MPa。根据海上安装作业的要求，在隔水套管顶部附近钻孔，孔径58 mm，孔中心距离套管的顶端100 mm，并做如下分析：

（1） 打桩作业时，套管在打桩锤压应力作用下的强度分析。

（2） 套管开孔处应力集中位置的疲劳分析。

计算软件采用大型通用的有限元分析软件ANSYS，使用Solid185 单元进行模拟计算分析，单元尺寸选取套管壁厚。新型钻孔式套管的有限元模型如图2 所示。

图2 新型钻孔式套管有限元模型

隔水套管屈服强度为355 MPa，将有限元分析结果考虑0.9 倍的安全系数[3]，则许用应力为319 MPa。经过计算，当套管顶部施加载荷达到148 MPa 时，套管在吊孔处产生的最大应力达到许用应力。新型钻孔式套管有限元分析结果见图3。

根据以往经验，610 mm 套管在打桩过程所需压应力均高于148 MPa，因此为提高套管可承受的压应力，在开孔上方开槽（如图4 所示），开槽宽度60 mm，开槽深度10 mm。使此部位不直接承受打桩锤的压应力，则可减少应力集中，进一步提高套管可承受的压应力。

经过计算，套管在端部开槽优化后，最大应力发生在开槽位置，开孔处最大应力由319 MPa 降至257 MPa，套管所能承受的最大压应力由148 MPa提高至270 MPa。套管总体应力分布见图5，吊孔局部应力分布见图6。

图3 新型钻孔式套管应力分布结果/MPa

图4 开槽优化后的钻孔式套管三维示意

图5 套管总体应力分布/MPa

2 疲劳分析

隔水套管打桩作业是一个持续的过程。根据地质条件的不同，整个打桩过程中套管的端部可能会受到上千次甚至几千次锤击，因此有必要对应力集中位置进行疲劳分析，以保证打桩过程中高应力区域不会发生疲劳破坏。

图6 吊孔局部应力分布/MPa

基本的设计S-N 曲线由下式给出[4]：

式中：N 为在应力幅值Δσ 下打桩的预期断裂次数；Δσ 为应力幅值，MPa；m 为S-N 曲线的反向负斜率，常数；lg为S-N 曲线在lg N 轴上的截距，常数。

S-N 曲线各参数由表1 给出。

表1 套管上部在空气中时的打桩S-N 曲线参数

根据表1 中的参数进行计算，得到开槽处和开孔处在打桩过程中的允许循环次数（见表2）。

表2 开孔及开槽处的允许循环次数

3 套管打桩的可行性分析

GRLWEAP 软件是美国桩基动力学公司开发的用于打桩分析的波动方程分析软件，可用于分析桩的打入可能性、预测单桩承载力和桩身受到的拉压应力等。利用GRLWEAP 软件，选取IHC S280 打桩锤，对某平台直径为610 mm、入泥深度为50 m的开孔+开槽和仅开孔两种不同形式的隔水套管进行打桩可行性分析。考虑在打桩期间，套管内有土塞、长时间停止锤击的最危险工况，得到打套管所需的最大压应力及锤击数如表3 所示。

表3 最大压应力及对应锤击数

对打桩过程进行计算分析表明，若套管仅开孔，开孔处产生较大的应力集中，为防止孔边应力超过许用值，打桩锤的锤效将降低至40%并增加锤击数，大量消耗海上施工工时，还存在拒锤停打风险[5]。若在开孔上方采用开槽优化，套管顶部承载力将得到大幅提高，锤效提高且锤击数减少，理论疲劳循环次数远大于可行性分析的锤击数，套管开槽及开孔位置均不会发生屈服破坏和疲劳破坏。

4 结束语

通过对隔水套管的有限元强度分析及打桩可行性分析，对常规隔水套管进行开孔及开槽的优化设计，可有效节省隔水套管海上施工船天数。目前，该设计方法已成功用于蓬莱19-3、渤中19-6、旅大21-2 等项目，为今后同类型的隔水套管安装项目提供了宝贵的经验和思路。