渤海导管架平台外挂井槽对桩基承载力的影响

吴景健， 庞洪林， 肖 辉， 万 军

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300452)

0 引 言

外挂井槽技术依托现有平台设施对平台进行改造，以达到增加平台井槽数量的目的。从2004年涠洲油田实现外挂井槽在调整井改造项目中的应用后，这项技术逐渐发展和成熟并先后应用于绥中、旅大等油田调整项目[1]。外挂井槽有外挂井口片和外挂桩腿两种形式[2](见图1)，可以较好地解决平台预留井槽不足的问题，与新建平台相比具有投资少、见效快的特点，符合降本增效的设计理念，具有良好的经济性和广泛适用性[3]。

图1 2种外挂井槽形式

影响外挂井槽实施可行性的因素较多，需综合考虑油藏的需求以及钻井、修井、总体布置的要求等[4]。从平台结构方面考虑，主要考虑桩基承载力[5]、结构强度[6]和甲板外延尺度等。外挂井槽方案结构设计思路如图2所示。

图2 外挂井槽方案结构设计思路

以4腿平台为例，分析外挂井槽对桩基承载力的影响，判断外挂井槽的可行性，在前期研究中作为外挂井槽是否需要增加桩腿的初步判断依据。

1 计算模型

选取渤海典型4腿导管架平台，平台工作点间距为18 m×20 m，平台位置处海图水深为20.1 m，共设置20个井槽，成4×5布置，组块上设置生活楼和HXJ180修井机，操作工况下组块整体质量约4 800 t。计算模型如图3所示。

图3 完整计算模型

平台钢桩桩径为1 829 mm，入泥76.6 m，轴向抗压承载力为54.56 MN，平台设计工况考虑8个环境力方向。平台桩基承载力初始状态如表1所示。平台4个桩腿桩基承载力的控制工况分别沿着平台斜向226°、314°、134°、46°。

表1 平台桩基承载力初始状态

2 研究基础

按照外挂井槽的布置原则，综合考虑老平台的总体布局、靠船、钻井和修井要求，选择平台北侧实施外挂井槽方案。外挂井槽需要对老平台进行改造，形成新老平台结构共同服役的状态，因此本次分析需要确定以下设计基础。

2.1 设计条件和校核标准确定

原平台操作工况按照一年一遇环境条件设计，极端工况按照五十年一遇环境条件设计，平台设计条件和标准虽与现行标准不符，但考虑到外挂井槽在老平台基础上进行改造，因此新结构设计依然采用原平台环境条件。新增结构校核规范与原平台保持一致。

2.2 新增井槽数量和甲板重量确定

调研渤海外挂井槽项目数据，如表2所示。外挂井口片形式最多新增8个井槽，操作工况下组块整体新增质量不超过600 t，甲板外延长度不超过工作点间距的1/2[7]，以此作为外挂井槽对桩基承载力影响分析的基础数据。

表2 外挂井口片统计数据

2.3 隔水导管防撞结构

在新增井口区外侧会设置防撞结构，避免意外撞击等偶然载荷引起的损伤[8]，该部分防撞结构会对平台环境载荷产生较大影响，在结构分析中须将这部分变化充分考虑在内。

3 受力分析

外挂井槽改造对平台结构受力的影响主要包括以下几方面[9]：

(1) 结构重量变化。包括新增甲板结构、新增下部结构。

(2) 设备载荷变化。包括平台原有设备的拆除、移位和新增设备载荷。

(3) 环境载荷变化。新增隔水导管、防撞结构引起的波浪、海流、海冰和浮力等载荷影响。

(4) 修井机载荷变化。修井机在新增井位进行钻修井作业的载荷。

由此可见，外挂井槽对平台桩基承载力的影响可分为3个方面：新增水平环境载荷的影响、新增垂向功能载荷的影响和修井机井位变化的影响。

4 计算结果分析

4.1 水平载荷对桩基承载力影响

新增隔水导管和防撞结构易引起平台水平载荷的变化，根据对原平台桩基现状分析，在位工况共考虑8个环境力方向，其中控制工况为沿着平台斜向的4个工况，对这4个方向的水平载荷进行计算统计，水平载荷增加15%～20%，具体变化如表3所示。

表3 外挂井槽改造引起的水平载荷变化

沿着4个斜向分别改变平台所受水平载荷大小，分析平台4个桩腿(A1、A2、B1、B2)桩头力的变化，如表4所示：当水平载荷增加15%～20%时，对应桩头力增加1%～3%。

表4 水平载荷变化引起的桩头力变化 %

4.2 垂向载荷对桩基承载力影响

垂向载荷对桩头力的影响，主要考虑3个因素：新增甲板重量、新增重量的x向和y向偏心(以B轴中点为原点，x轴正向指向平台东，y轴正向指向平台北，平台方位如图4所示)。控制其中2个因素不变，考虑单个因素对桩头力的影响：在不同新增重量条件下，假设x向偏心为0 m，y向偏心为5 m；在不同y向偏心的条件下，假设新增重量为400 t，x向偏心为0 m；在不同x向偏心的条件下，假设新增重量为400 t，y向偏心为5 m。计算结果如图5所示。

图4 平台方位示例

图5 垂向载荷对桩头力影响

由图5可知：

(1) 由于在平台B轴北侧实施外挂，因此B轴桩基受压，桩头力增加，A轴桩基受拉，桩头力减小。

(2) 桩头力随甲板新增重量线性变化，新增重量越大，B轴桩头力增加越大。同时可以观察到，A1、A2以及B1、B2桩头力变化量不同，这是由结构刚度不对称引起的差异。

(3) 桩头力随新增重量y向偏心线性变化，偏心越大，B轴桩头力增加越大。

(4) 设置新增重量x正向偏心，1轴桩基受拉，A1和B1桩腿桩头力减小，2轴桩基受压，A2和B2桩腿桩头力增大，桩头力随新增甲板重量x向偏心线性变化，偏心越大，2轴桩头力增加越大。

桩头力变化量可看作是工作点间距、新增重量以及新增重量的x、y向偏心的函数，即ΔF=f(dAB,d12,Δm,XC,YC)，其中：dAB为AB轴间距；d12为1、2轴间距；Δm为新增甲板重量；XC和YC为新增重量的x向和y向偏心。通过上述分析，可对垂向载荷对桩头力影响的函数关系进行总结。

B轴两桩腿桩头力变化量为

(1)

(2)

ΔFB1=ΔFB-ΔFB2

(3)

式(1)～式(3)中：ΔFB为B轴两腿桩头力增量之和；g为重力加速度；ΔFB2为B2桩腿桩头力增量；ΔFB1为B1桩腿桩头力增量；f1和f2为考虑结构刚度不对称的综合调整系数。

4.3 修井机井位变化对桩基承载力影响

对于修井工况组合，在结构分析中重点关注的是包含4个角井位在内的共12个工况，外挂井槽对平台进行改造后，修井工况中的危险井位也需相应转移至最外侧井位处，如图6所示。

图6 修井工况危险井位变化

分析修井工况危险井位发生变化的6个工况对桩头力产生的影响，如图7所示。根据计算结果，外挂2排井槽时， B1桩腿桩头力增加的百分比集中在2%～3%，B2桩腿桩头力增加的百分比集中在1%～2%。

图7 修井机井位变化对桩头力的影响

4.4 外挂井槽对桩基承载力影响评估

综上所述，将外挂井槽改造对平台桩基承载力的影响分解为3个方面，即水平载荷对桩头力的影响、新增甲板垂向载荷对桩头力的影响和修井机井位变化对桩头力的影响，需要在初始桩头力的基础上将这3个方面影响对应的计算工况进行组合，得到最危险的工况进行改造后的桩基承载力校核，组合工况不是简单的叠加，而是需根据桩腿实际受力进行计算分析。

根据计算结果(见表5)，综合考虑外挂井槽引起水平载荷、垂向载荷和修井机井位的变化所产生的桩头力变化，预估外挂井槽改造后的桩头力，并将4个桩腿控制工况下的最大桩头力与SACS软件计算结果进行对比，可以看出预估结果的误差不超过5%。

表5 预估桩头力与计算结果对比

5 结 论

以4腿平台为例，从外挂井槽方案的可行性入手，重点分析外挂井槽对桩基承载力的影响，研究外挂井槽改造引起的水平载荷变化、新增重量、修井机井位变化等关键参数对桩头载荷的影响，主要包括：

(1) 外挂井槽改造引起水平载荷增加最大约20%，引起桩头载荷增加最大约3%。

(2) 外挂井槽改造新增垂向载荷引起改造侧桩腿桩头力增加，桩头力变化与新增重量、重量偏心呈线性变化。

(3) 修井机井位变化引起桩头载荷增加最大约3%。

利用上述结论对外挂井槽改造引起平台桩头力的变化进行预估，预估结果误差较小，在前期研究项目中，可快速判断外挂井槽方案是否需要增加桩腿，并且为分析6腿和8腿平台外挂井槽改造对桩基承载力的影响提供研究思路。