海對(duì)海定向鉆固定式操作平臺(tái)的應(yīng)用可行性分析

張 翼， 史 睿， 鐘文軍， 孫國(guó)民， 呂旭鵬

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司， 上海 200050； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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海對(duì)海定向鉆固定式操作平臺(tái)的應(yīng)用可行性分析

張 翼1， 史 睿2， 鐘文軍2， 孫國(guó)民2， 呂旭鵬1

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司， 上海 200050； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

基于潛在的海管定向鉆海對(duì)海穿越項(xiàng)目，使用SACS軟件對(duì)海對(duì)海定向鉆固定式操作平臺(tái)的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析。采用靜力分析方法，并使用API- RP- 2A規(guī)范對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)、樁強(qiáng)度、樁基承載力等進(jìn)行校核。結(jié)果表明，固定式操作平臺(tái)用于海對(duì)海定向鉆施工在技術(shù)上是可行的，在回拖力較大的情況下，較自升式操作平臺(tái)有一定優(yōu)勢(shì)。

海對(duì)海定向鉆；固定式操作平臺(tái)；SACS軟件；回拖力

0 引言

海底管道是海上油氣輸送的主要方式，其建設(shè)日益增多，管道的敷設(shè)環(huán)境也越來越復(fù)雜，需要經(jīng)過繁忙的航道、已建管道、光纜等無(wú)法直挖的施工地段。因此，水平定向鉆穿越技術(shù)正作為一種新穎的管道非開挖技術(shù)，并逐漸拓展到海洋工程領(lǐng)域。和傳統(tǒng)開挖鋪管法相比，水平定向鉆對(duì)環(huán)境影響小，并能節(jié)省大量施工費(fèi)用[1]。

目前，國(guó)內(nèi)還未有成功的海對(duì)海定向鉆穿越(指穿越的入土點(diǎn)和出土點(diǎn)均在海上，需借助海上施工資源來完成的穿越項(xiàng)目)施工案例，而國(guó)際上通常采用自升式平臺(tái)作為定向鉆機(jī)的錨固及施工平臺(tái)。自升式平臺(tái)相對(duì)于固定式平臺(tái)具有水深適應(yīng)性強(qiáng)、可移動(dòng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。但隨著穿越管道直徑的增大，穿越長(zhǎng)度的增加，回拖力也隨之增大，較小規(guī)模的自升式平臺(tái)在抗滑移和抗傾覆方面已不能滿足要求。這就需要使用較大規(guī)模的自升式平臺(tái)，或通過外部結(jié)構(gòu)輔助來提升其抗滑移和抗傾覆的能力，例如：雙自升式平臺(tái)串聯(lián)、推力架輔助等方案。在此類情況下，固定式平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)將顯現(xiàn)出來。

基于此種考慮，以潛在的定向鉆海對(duì)海穿越項(xiàng)目為依托，使用SACS軟件分析海對(duì)海定向鉆固定式操作平臺(tái)的應(yīng)用可行性。

1 穿越工程概述

1.1 水深與水位

平臺(tái)場(chǎng)址平均水深12.9 m(相對(duì)于海圖基準(zhǔn)面)，設(shè)計(jì)水位見表1。

表1 設(shè)計(jì)水位

1.2 海況設(shè)計(jì)條件

風(fēng)、浪、流設(shè)計(jì)主極值見表2。

表2 風(fēng)、波、流主極值

1.3 土壤地質(zhì)條件

穿越場(chǎng)址表層為沖填土，中部含大量腐殖質(zhì)，較深層土主要為粉砂或淤泥質(zhì)粘土，含少量腐殖質(zhì)。土壤承載力曲線如圖1所示。

圖1 土壤承載力曲線(樁徑1 372 mm)

2 固定式操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案確定

圖2 模型坐標(biāo)系統(tǒng)

圖3 SACS模型

采用SACS(Structural Analysis Computer System)軟件建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，它是一款用于海洋平臺(tái)及一般陸地結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。SACS軟件包含有多個(gè)模塊，能自動(dòng)生成環(huán)境荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)桿件及管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核，還能根據(jù)輸入的樁土文件對(duì)鋼樁強(qiáng)度、樁基承載力進(jìn)行分析。此外，這些校核均滿足規(guī)范API-RP-2A(21版包含補(bǔ)充條款)[2]和AISC-89[3]的要求。

2.1 建立模型

SACS模型的坐標(biāo)系統(tǒng)定義原則為：X軸指向平臺(tái)東，與導(dǎo)管架A、B軸平行；Y軸指向平臺(tái)北，與導(dǎo)管架1、2軸平行；Z軸豎直向上，且與重力方向相反； X、Y向0點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)工作點(diǎn)幾何中心，Z向0點(diǎn)位于高程零點(diǎn)，如圖2所示。

操作平臺(tái)擬使用操作甲板和下部支撐結(jié)構(gòu)一體式4腿樁基平臺(tái)方案。操作甲板尺寸(5.5+25.5) m×(3.75+12+3.75) m，標(biāo)高為+8.100 m，布置有定向鉆機(jī)、動(dòng)力源、控向室、發(fā)電機(jī)、工具箱、履帶吊等設(shè)備。下部支撐結(jié)構(gòu)采用4樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，工作點(diǎn)標(biāo)高為+7.795 m，尺寸為25.5 m×12 m，2軸主腿以1∶7沿正X向單斜，如圖3所示。結(jié)構(gòu)總高度約為22.295 m，軸A、B、1和2由一個(gè)“X”型支撐結(jié)構(gòu)組成。支撐結(jié)構(gòu)共有兩個(gè)水平層，標(biāo)高分別為：+1.0 m，-12.9 m。平臺(tái)上有吊裝吊點(diǎn)、防沉板、護(hù)欄、定向鉆機(jī)錨固結(jié)構(gòu)等附屬結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)支撐鋼樁直徑為1 372 mm，入泥50 m。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)模擬為三維空間剛架，所有對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有較大影響的構(gòu)件都進(jìn)行了模擬。結(jié)構(gòu)模型由256個(gè)節(jié)點(diǎn)、459個(gè)桿件和32塊板組成，所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均被模擬為線彈性單元，節(jié)點(diǎn)為剛性連接。鋼樁為腿內(nèi)樁，在標(biāo)高+8.795 m處通過皇冠板與主腿連接，且不灌漿。非線性基礎(chǔ)由SACS的PSI(Pile Structure Interaction Analysis)模塊進(jìn)行模擬，樁頭節(jié)點(diǎn)被定義為“PILEHD”。

結(jié)構(gòu)的主要桿件尺寸及材料屬性見表3。

表3 結(jié)構(gòu)桿件尺寸及材料屬性

2.2 基本荷載

基本荷載包括重力荷載、環(huán)境荷載、鉆機(jī)操作荷載等，荷載系數(shù)按API-RP-2A的規(guī)定選取。

2.2.1 重力荷載

重力荷載包含：主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)自重及相應(yīng)浮力、操作甲板上的設(shè)備重量、散貨堆載及其他活荷載等。模型中已模擬結(jié)構(gòu)的自重和浮力由SACS程序自動(dòng)計(jì)算，其他重力荷載通過點(diǎn)荷載或桿件荷載考慮。主結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)重量需要考慮10%的不確定系數(shù)，其中已模擬結(jié)構(gòu)的重量通過修正密度的方式考慮，未模擬結(jié)構(gòu)的重量通過荷載系數(shù)的方式考慮。模型中的重力荷載(含浮力)項(xiàng)目及重量見表4，甲板設(shè)備布置圖如圖4所示。

表4 重力荷載匯總

圖4 甲板設(shè)備布置圖

2.2.2 環(huán)境荷載

環(huán)境荷載包括風(fēng)、波浪和海流。平臺(tái)操作工況選取重現(xiàn)期為1年的全方向最大值的波、流和1 min平均風(fēng)速進(jìn)行組合，平臺(tái)極端工況選取重現(xiàn)期為10年的全方向最大值的波、流和1 min平均風(fēng)速進(jìn)行組合。環(huán)境荷載考慮了8個(gè)作用方向，即：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

環(huán)境荷載按API-RP-2A規(guī)定的方法，由SACS程序自動(dòng)計(jì)算，與環(huán)境荷載有關(guān)的系數(shù)均按API-RP-2A的規(guī)定取值。

2.2.3 鉆機(jī)操作荷載

定向鉆機(jī)分鉆進(jìn)和回拖兩種工作狀態(tài)。鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)反力與平臺(tái)A軸平行并指向負(fù)X向，與水平面呈-5°夾角，最大反力按50 t考慮；回拖時(shí)，鉆機(jī)反力與平臺(tái)A軸平行并指向正X向，與水平面呈-5°夾角。最大回拖力分別按200 t和400 t考慮并進(jìn)行方案對(duì)比。

2.3 荷載組合

平臺(tái)重力荷載以及鉆機(jī)操作荷載和8個(gè)方向的環(huán)境荷載分別進(jìn)行組合并用于SACS靜力分析，結(jié)構(gòu)重量和環(huán)境荷載還需考慮高低水位。計(jì)算中各工況最大的水平力和豎向力見表5。

表5 重力荷載匯總

由表5可以看出:回拖力200 t和400 t時(shí)，平臺(tái)設(shè)計(jì)均是由極端工況控制，且最大水平力和豎向力相差不大。因此，兩種方案采用的下部支撐結(jié)構(gòu)和樁基方案不會(huì)有差別。

再看操作工況，兩種方案下的水平力相差近170 t，這主要是由回拖力的不同造成的，而回拖力是作用于甲板梁上。因此，200 t方案的甲板可以適當(dāng)優(yōu)化。

2.4 結(jié)構(gòu)靜力分析

分析采用容許應(yīng)力方法，基本容許應(yīng)力按API-RP-2A的規(guī)定確定。對(duì)于極端風(fēng)暴條件，基本容許應(yīng)力將放大原來的1.33倍。采用靜力分析方法，對(duì)組合荷載作用下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)、樁強(qiáng)度、樁基承載力等進(jìn)行校核。

2.4.1 桿件強(qiáng)度校核結(jié)果

對(duì)結(jié)構(gòu)桿件(包含鋼樁)強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表6，校核結(jié)果顯示桿件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 桿件強(qiáng)度校核結(jié)果

2.4.2 節(jié)點(diǎn)校核結(jié)果

對(duì)管節(jié)點(diǎn)的校核分別考慮實(shí)際荷載需求和50%的撐桿強(qiáng)度需求，校核結(jié)果見表7。

表7 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核結(jié)果

注：(a) 為50%撐桿強(qiáng)度結(jié)果的對(duì)應(yīng)工況；(b) 與鉆機(jī)錨固結(jié)構(gòu)相連的節(jié)點(diǎn)需要增加節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)。

為評(píng)估固定式操作平臺(tái)在環(huán)境荷載和回拖力的影響下，能否滿足鉆機(jī)正常操作精度，將平臺(tái)最大節(jié)點(diǎn)位移匯總見表8。

表8 平臺(tái)節(jié)點(diǎn)最大位移

從表8中的結(jié)果可以看出，操作工況下平臺(tái)最大位移不到10 cm，可以滿足鉆井操作的精度要求。

2.4.3 樁基承載力校核結(jié)果

按API RP 2A的要求，樁的設(shè)計(jì)入泥深度應(yīng)具備足夠的能力，以承受最大的計(jì)算承載力和上拔力，且具有適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，安全系數(shù)不應(yīng)小于表9中的最小安全系數(shù)。

表9 承載力安全系數(shù)

2.5 施工方案

操作平臺(tái)豎直建造，并保持豎直吊裝裝船，使用“1 000 t級(jí)”駁船運(yùn)輸平臺(tái)和鋼樁到現(xiàn)場(chǎng)。海上采取吊裝就位，最大吊裝重量345.6 t，施工船舶采用“400 t級(jí)”浮吊，打入4根主樁并安裝各類附屬構(gòu)件。

3 平臺(tái)棄置

定向鉆施工結(jié)束后，平臺(tái)需拆除。使用“1 000 t級(jí)”駁船和“600 t級(jí)”浮吊進(jìn)行平臺(tái)拆除并運(yùn)回相應(yīng)場(chǎng)地棄置或回收。平臺(tái)拆除、棄置分以下幾步進(jìn)行：

(1) 鋼樁內(nèi)排泥作業(yè)

將內(nèi)排泥設(shè)備下放到鋼樁內(nèi)部泥面附近；使用高壓水泵注水；使用吸泥泵將泥漿抽出，直至泥面以下5 m時(shí)停止排泥；回收排泥設(shè)備。

(2) 鋼樁內(nèi)切割作業(yè)

將高壓水內(nèi)切割設(shè)備放到鋼樁內(nèi)部，直至設(shè)備到達(dá)預(yù)定切割位置；使用液壓設(shè)備固定內(nèi)切割設(shè)備；切割鋼樁；回收內(nèi)切割設(shè)備。

(3) 平臺(tái)起吊作業(yè)

對(duì)導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn);對(duì)皇冠板處樁腿連接進(jìn)行加固;使用“600 t級(jí)”浮吊將平臺(tái)連同鋼樁一同吊起并放置到“1 000 t級(jí)”駁船上。

(4) 平臺(tái)棄置

焊接裝船固定，將平臺(tái)運(yùn)輸至預(yù)定場(chǎng)地并棄置。

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)海對(duì)海定向鉆固定式操作平臺(tái)的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析，使用SACS軟件對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，并使用API-RP-2A規(guī)范對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)、樁強(qiáng)度、樁基承載力等進(jìn)行校核。同時(shí)，給出了固定式平臺(tái)的安裝及棄置方案。結(jié)果表明：

(1) 固定式操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、平臺(tái)位移、樁基承載力均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，用于海對(duì)海定向鉆施工是可行的。

(2) 海對(duì)海定向鉆施工周期短，一般為2～3個(gè)月，考慮到工程經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際的海上施工窗口應(yīng)選擇在海況環(huán)境較好的月份。

(3) 固定式操作平臺(tái)抵御惡劣海況能力較強(qiáng)，對(duì)回拖力的適應(yīng)性較好，當(dāng)回拖力有較大變化時(shí)(如回拖力由200 t提高到400 t)，結(jié)構(gòu)不需要做較大調(diào)整。

(4) 固定式操作平臺(tái)適用于大口徑管道、較長(zhǎng)穿越距離下的海對(duì)海定向鉆穿越。當(dāng)管道回拖力較小時(shí)，應(yīng)結(jié)合自升式平臺(tái)的特點(diǎn)，進(jìn)行工程技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮。

[1] 鄒星, 賈旭, 尹剛乾. 海對(duì)海定向鉆穿越技術(shù)研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2015，23(2):43-46，59.

[2] API-RP-2A.Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 21st Edition; Errata and Supplement 3[S]. 2007.

[3] AISC-89. Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S]. 1989.

Research on Applicable Feasibility of Fixed Operation Platform Used to Sea-to-sea Directional Drilling

(1. CNOOC Co., Ltd, Shanghai Branch, Shanghai 200050, China; 2. Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451, China)

The SACS software is used to the research on applicable feasibility of fixed operation platform used to offshore pipeline sea-to-sea directional drilling. This research is based on the potential project. The structure of platform is analyzed by the method of static analysis, and the API RP 2A code is used to check structure members, joints, piles, bearing capacity of piles and so on. The research results show that the technology of using fixed platform to sea-to-sea directional drilling is feasible. In the case of large dragging force, the fixed platform has certain advantages compared with the jack-up platform.

sea-to-sea directional drilling; fixed operation platform; SACS software; dragging force

2016-06-05

張 翼(1978-)，男，工程師。

1001-4500(2016)05-0067-06

P75

A