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豆丁保举-辽河浅海月东油田单井热采平台总体组

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  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。 辽河浅海月东油田单井热采平台 总体结构分析 武俊宪 (辽河油田分公司技术发展处) 摘要:本文主要针对辽河浅海月东3油田单井热采方案进行了平台结构分析工作。作用在海洋平台的荷载主要有使 用荷载、环境荷载和安装荷载,使用荷载和环境荷载是海洋平台设计时所要考虑的主要荷载。本文根据辽河油旧海上的 实际情况,选取比较台理的计算方法进行计算。单井热采方案井口平台结构强度分析选取50年重现期的极端风暴环境条 件,对结构进行了总体静力分析。分析结果表明,平台的总体强度满足规范要求。 关键词:导管架平台月东油田滩海结构优化 l概述 具彳j一定的产能.是辽河油田的接替产能区块。月东稠油油田开发方案总体思路是先进行试采,根据试 采情况,指导工业化实施。 月东3单井热采方案采用自升式采油修井平台+井口平台+注汽平台十储罐平台方式进行稠油试采。 移动式采油修井平台和井口平台之间、井口平台和注汽平台之间以及注汽平台和储罐平台之间采用栈桥 连接。 1.1设计条件 1.1.1 设计寿命及环境条件重现期 平台设计寿命10年.极端环境条件采用50年重现期。 1.1.2 设计水深及潮位 O.50m。 8-,11.9)o.80m,泥面高程(海南8井组) 1.10风速及风向 5.5~10.7m/s。 1.1.4波浪 别为7.5%和2.4%。 L1.5海流 表l海流设计参数 重现期 1年 50年 流速(m/s) l 0.94 l 38 1.1.6海冰 设计冰厚如下.设计中按单层冰考虑。 表2设计冰厚 一 重塑塑垃 ! i! 平整冰厚(cm) 35 f 50 371 极限抗压强度:2.2MPa 极限抗弯强度;222kPa 1.1.7气温 8 年平均气温9.8。C,月平均最低温度一7.4。C,极端最低气温(50年一遇).28.7℃,极端晟高气温35 C, 1.1.8水温 表3设计水温 1,1.9湿度 年平均相对湿度63%,最高80%(7月份),最低55%(3月份)。 1.i.10海生物及冲刷深度 讣≯不考虑海生物跗着。冲刷深度按0.5m考虑。 1 1.11土壤资料 勘探区位于辽河滩海海南构造带的北部,场区地貌属于辽东湾的大凌河和双台子河河口沉积韧的水 F延伸部分。工作区为水下浅滩。本区海底40rn以内沉积物属于第四纪冲海积,因沉积环境的变化.使 得知:积层序较为复杂。 1.1.12地震 程5场址地震工程基础研究报告》复核.确定该区地震基本烈度为7度。根据《港口工程技术规范 (JJ201—87)》(1987)规定场地土类型为III型。 1.:设计方法 1.2.1 设计荷载 1.2.1.1设计固定荷载 作用在平台上不变的荷载,主要包括:(I)结构自重;(2)作用于平台水下部分的浮力;(3)崮定 在1 7台上的设各重量。 1,2.I。2使用荷载 平台甲板的均布荷载应裉据实际情况确定,且不宜小于下列数值:(I)住所或走道:2.5kPa;(2) kPa。 一[纷区域:4.0kPa;(3)生产储存区的荷载按实际情况储存物质的重力设计,但应不小于14 1.2.1.3环境荷载 (1)风荷载 怍用于结构物上表面上的风荷载w根据《滩海环境条件与荷载技术规范》的有关公式计算: 黔函{r砭H,。(kPa) 式中鼠r结构物风载体型系数,可按《建筑结构荷载规范》GB50009-2002中的数据: 匿,——风压高度变化系数,按《滩海环境条件与荷载技术规范》表8,2.3采用; %——基本风压,kPa,按《滩海环境条件与荷载技术规范》8.2.2条确定。 结构计算分析时,风荷载具体值的计算由SACS程序中的SEA.STATE模块完成。 c2)波浪荷载 平台构件属于小直径构件,可采用Morison公式计算作用于平台上的波浪力。 计算水质点韵速度及加速度,可选用合适的波浪理论确定,本计算分析时应忍流函数理论。波浪荷 载具体值计算由SACS程序中的SEASTATE模块完成。 ‘3、流荷载 作用在结构物上的流荷载根据《滩海环境条件与荷载技术规范》中的公式计算。 372 流水质点速度矢量和波浪水质点速度矢量之和进行叠加。 (4)冰荷载 大面积平整冰作用在桩基上的冰力根据《滩海环境条件与荷载技术规范》中的公式计算.其中接触 系数取O.45,局部挤压系数取1.2,当前后腿连线平行于冰运动方向时,后腿上的冰力为前腿的10%。 (51地震荷载 本次设计根据CCS规范(1992)单质点体系水平向地震作用力公式计算。 地震响应分析使用地震响应谱。地震作用对平台结构最不利的主轴方向取荷载的100%,对与此主 轴垂葭的水平方向取70%,对与水平垂直面垂直的方向取50%。用这三个方向的地震引起的惯性力与静 荷栽相结合,同时作用在结构上,作为静力问题对平台进行分析。 1.2.2荷载组合 《浅海滩海环境条件与荷载技术规范》规定的荷载组合原则,根据所选定的设计环境条件、使用条 件、施工条件等,对实际有可能作用于平台上的各种荷载,应按其对结构产生最不利的情况组台考虑, 地震作用不应参与环境荷载组合。 1.2.3许用应力值的提高 在极端环境条件下符种荷载组合后的构件许用应力可提高1,3。但计算所得截面,不得小于按照工 作环境条件所得截面。 1.2.4结构计算程序 应用从美国EDI公司引进的海洋工程专用结构分析计算程序SACS进行分析计算。结构强度校核采 脂APIRP 冲亨f校核由JCN模块完成。进行结构强度校核时,对极端环境条件组合工况和极端冰组合工况以及地震 作Hj许用应力提高1/3。 RP 桩基础按API2A,仿麂皮绒和鹿皮绒哪一个面料好。WSD规范方法进行计算。 2单并热采方案井口平台结构分析 2.1结构计算模型 2.1.1结构模型说明 结构分析时按照空间结构进行有限元模拟,附属构件只模拟其重量影响,同时考虑桩一土的非线性 竹“;。结构总体分析用SACS程序完成。 平台结构的总体计算模型由三部分组成:导管架结构、组块结构和桩基础(见图1)。 伍。 图1计算模型总图 373 导管架、组块梁格及桩帽用三维粱单元模拟;组块甲板用SACS程序的板单元剖分简化:节点类型 按刚性处理;桩与导管架之间灌注水泥浆,其模拟采用灌浆腿模型。 平台结构采用钢桩基础,桩一土之间的相互作用具有非线性特征。在总体结构静力分析中,桩~± 之间的非线性相互作用分析用P—Y,卜z和Q—z曲线模拟。 结构静力分析采用美国EDI公司海工结构分析程序SACS进行结构分析,强度校核和管节点冲剪分 结点冲剪校核由JCN模块完成。进行结构强度校核时,对极端环境条件组合工况和极端冰组合工况以及 地震作用许用应力提高1/3。 RP 桩基础按API 2A.WSD规范方法进行计算。 桩贯入深度的设计应使桩具有足够的承载能力,以承受最大的设计压力和上拔力,同时具有符合规 范要求的安全系数。 桩的壁厚由平台设计荷载条件下桩的轴向荷载和弯曲荷载的联合作用来确定。 桩基础应能承受最大设计横向荷载。在计算土壤作用反力时,土壤非线性特征用土壤反力与变位(P —Y)曲线描述。该曲线求解时由SACS程序自动完成。 模型主要立面、平面单元标识及节点号见图2~图10。 —— 7.5 ....—— 6.7 ....一6.o —— 一0 5 ——一45 LABEL_GROUP 图2ROWA立面单元标识及节点号 374 ROW B O o 5 一7 —67 — 6.o 一一35 5 .一-4 L姬EL二GRouP 图3ROWB立面单元标识及节点号 60ll——iO0 7 5 6.7 6.0 —~一136 ~~35 —~~45 LABEL:GRoUP 图4 ROW 1立面单元标识及节点号 375 ROW2 100 7.5 6.7 6O -06 ≈ 5 q5 LABEL=GR00P 图5 ROW2立面单元标识及节点号 XZPIANEVIEW舡一7.50 莹 Z 鬟 Lx LABEL=GROUP 图6Y叫.5m处立面单元标识及节点号 376 PLANVIEWAT10.00 6013 j6011. 6012 ROWB J._世一 岫l 699L f68lL 6010 里 1 她1 犯1 J60。7 6008 复 MBl619L ROWA }MBI茸 除≯ 602L 26004品 . 鱼 Y sBl∞SBl X L LABEL=GROUP 图7 Z=lOm处平面单元标识及节点号 PLANVIEwAT6oo 381L 3001 399L ROWB 3003 319L ROWA Y LX L船EL=G删P 图8 Z=6.Om处平面单元标识及节点号 377 PL^NVIEWAT一0.60 R0唧B) 三坠LBRI— 20lK TH日 12()2K BR] 203K 201L ROWA IH耳 Y 202L x LABEL=GROUP L 图9 z一0.6m处平面单元标识及节点号 VI删AT一3.50 PLAN ROWB ROWA 102L Y x LABEL=GROUP L 图10z=.3.5m处平面单元标识及节点号 2.1.2模型单元 各构件模型单元的截面尺寸、等级及屈服强度见表4。 378 表4模型单元参数 屈服强度 构件名称 单元标识 截面尺寸 等级 NJmm2 自E腿(泥面上) 中800×20+中690×18 D32 315 ,PLl PL2 巾914×38 E32 315 LG2 巾800×20+由690×18 D32 315 LG3 巾800×20+中690×18 D32 315 LG4 中800×20+巾690x18 D40 3】5 LG5 巾690×18 D40 390 LG6 中690X18 D40 390 LGB 巾914×38 E32 315 LGC 中914×22 D32 315 LGD 中914×22 D32 315 LGE 由914×22 D32 315 LGF 中914×22 D32 315 芑撑 BRl 中500×18 D32 315 BR2 巾325×16 D32 315 BR3 巾219×14 B级 235 F台粱 MBl HN500×200×10×16 D32 315 ,F台粱 SBl HN400×200x8×13 B级 235 桃【泥面下) PLl +690×22(5.Oml D40 390 士690×18 PLl D40 390 PL2 中914×56(11.0m) E32 315 PL2 中914×38(20m) E32 315 PL2 中914×22(6.0m) D32 315 2.2组合工况及荷载 2.2.1计算荷载说明 作用平台上的荷载主要可分为3种;固定荷载、使用荷载和海洋环境荷载,下面予以说明。 2.2.1.1 固定荷载 该部分荷载:①主体结构重量由自动由程序生成;②水面以下构件由程序自动减去浮力;③固定设 备重,如抽油机荷载,垂直荷载350kN。 2.2.1.2使用荷载 平台甲板除抽机基础外,其它位置均布荷载8kN/m2。 2.2.1.3环境荷载 除冰荷载外,其它均由计算程序自动完成。 丈面积平整冰作用于单桩上冰力 桩径R914时, 作用点位置:冬季设计高水位7.71m。 桩径R800时, 0.8×0,5=428kN F平整球R800;=mkllkl2Rcblh=0.9×1.2x0.45X2200X 作用点位置:冬季设计高水位7.71m。 379 2.2.2荷载组合工况 根据荷载组合原则,同时考虑到平台的实际荷载情况,基本工况及组合工况如下(见表5)。 表5井口平台的基本荷载工况 基本工况 荷载标识 方向 荷载描述 l D1 设计高水位结构自重(含浮力) 2 D2 校核高水位结构自重(古浮力) 3 Pump 抽油机荷载 4 L1 使用荷载,8KN/m2 5 W100 .90。 6 W10l -45 7 W102 0。 操作风暴条件风荷载 8 W103 45。 9 W104 90。 IO 、Ⅳ110 .90。 ll Wlll .45 12 WIl2 0。 极端风暴条件风荷载 13 WIl3 45。 14 、^,114 909 15 WC00 .90’ 16 WCOI -45。 17 WC02 O。 操作风暴条件波、流荷载 18 WC03 45。 】9 WC04 90。 20 WCl0 .90。 21 WCll .45。 22 WCl2 0。 极端风暴条件波、流荷载 23 WCl3 45。 24 WCZ4 90。 25 ICl0 .90 26 ICll -45。 o 27 ICl2 0 极端冰条件冰、流荷载 28 ICl3 45 29 配14 90。 2.3结构分析结果 结构计算模型、节点标识见图,应力比等详细结果见计算程序输出文件。 2.3.I结构总强度 表6列出组合工况中泥面以上部分平台结构构件的的最大应力比。 表6泥面以上部分平台结构构件的的最大应力比 BEND-Y BEND.Z 构件名称 标识 AXIAL(N/mm2) 应力比 (NJmm。) fN/mm2) 44 038 桩腿 PLl -23.66 .110.“ 54 LG2 3.37 /485 -33.39 O27 LG3 3.8I .7910 27.14 0.28 LG4 .2.88 894 79l 0.05 【如5 .8.78 18.46 15.28 0.09 LG6 .9.0l 一54.37 .24.81 0.19 支捧 BRl .1.43 .B6.92 -4.65 028 BR2 —101.46 .25.64 .5.84 0.57 BR3 5.27 .24.98 0.43 0.13 甲板梁 m1 .21.26 .11381 _o-35 064 甲板粱 SBl 34.74 4420 .1.52 043 2.3.2桩基强度 2.3.2.1桩承载力 380 校核各桩在极限工况下的安全承载系数如表7。 表7极限工况下的安全承载系数 柑顶节 极限承载力 最大轴向力 安全系数 抗压 抗拉 工况 受压 工况 受拉(KN) 受压 受拉 OOlP 4 E13 l56 一6337 2968.2 EIO -1823.0 1899.9 3.48 5 E14 7 019P .6337.4 2968.2 E11 .2103 3729 301 96 081P 一6337.4 2968.2 E14 —16235 EIl 775.7 3.90 3.83 099P -6337.4 29682 E13 .2815.9 EIO 198.8 2.25 14.93 002P -6925.5 1524.6 E13 .10872 E10 00 637 10000 汁算最大承载力及上拔力均分别小于规范规定的允许承载力及允许抗拔力。 2.3.2.2桩应力比校核 泥面以下的桩最大应力比及发生位置、对应的内力值如下表。桩各段的最大应力比见表8。 表8泥面以下桩的最大应力参数 弯曲应力 柑埔节点 距泥面位置 轴向应力 剪应力 桩标识 应力比 (m) Fy Fz (N/ram2) (101P PLl 0.0 41.1S 264.7l 0.02 18.53 0823 n19P PLl 0.0 2.88 261.00 .1 56 17.85 0,691 (j81P PLl 00 .3312 I.266.940.92 17.80 0803 99P PLl 00 .6099 .26327 267 1723 0883 .12 59.48 994 0.245 002P PL2 13.I 73 f f一0.37f 2.4平台节点位移 选取平台泥面处的甲板处具有代表性的若干节点.在操作风暴条件、极端风暴条件、极端冰条件下 组台=r=况节点位移如表9所示。 表9操作风暴条件、极端风暴条件、极端冰条件下组合工况位移 泥面(节点IOIP) 平台甲板(节点201L) x方向 Y方向 z方向 X方向 Y方向 z方向 0.1141168 oPO .0.0044491.0.1617843.0.1245541 oPl 0.i901382.0.1109789.0.t3711420i76637i .0.0601977.0.1772086 撺.作风 .1 OP2 00412177 暴 0.1906930.1963459 oP3 0.2007294O.2109399.0.1568208 000163940.3333513.O1913431 OP4 02731653 -0.1510282.0.1535743 EX0 .0.0115659.O.1824158_0.1158555 一O1660308 Exl 0.2238552.0.1105153.O239485l-0.0672409 丰婪端风 .0 1420180 0.1137851.0.1804594 E)(2 0.3431044 0.0512622 0.3704598 暴 EX3 02160189.026426760.2926632 01833075 .EX4 0010814 0.0104406 —P—— 13764.51049282’0.0273145、565671350.0873280 E10 .0.01 EIl 3.3895695.3.5472293.0.J】955443.3117018.3.7272365.0.1425688 —0.4886912 救端冰 E12 6.2577457.1.Oll2566.0..0.8193409 .0.8993647 E13 38913021.O70539199.6980381 5.3146834.0.0.5507361 E14 O.0105298 2.5管结点强度校核 管节点是钢管结构关键部位,管节点强度除要满足结构总体强度外,还应满足局部强度。管节点的 RP 破坏~般为冲剪破坏。平台管节点应力冲剪校核采用API 2A-WSD给出的冲剪应力公式,校核冲剪 荷载引起的冲剪应办黾否超过钢管的极限剪切强度。当管节点冲剪强度不满足时,应调整管节点部位管 壁厚度及材质,使满足规范要求。在可研阶段,管节点校核省略。 38l 3结论 单井热采方案井口平台结构强度分析选取50年重现期的极端风暴环境条件,对结构进行了总体静 力分析。分析结果表明,平台的总体强度满足规范要求。 参考文献: 【1]金尚柱辽河油田浅海油气区海洋环境.辽宁:大连海事大学出版社 【2】陆文发、李林普、高明道.近海导管架平台.海洋出版社1992 【3】何生厚、洪学福.浅海固定式平台设计与研究冲国石化出版社.2003 【41是辉碇、杨国金.渤海海冰设计作业条件.海洋出版社.1992 [5】欧进萍、段忠东.肖仪清.海洋平台结构安全评定一理论、方法与应用.科学出版社2003 [61马汝建、贾忠红、邢惠利.浅海结构物波浪力计算及实验研究.中国海上油气1999.11(6):23~30 『7I沈先荣.近岸波浪浅水变形的非线}E兴国、翟刚军等.单腿导管架平台的设计与结构内力分析2003.18(3):20423 f91t弓红艳、刘书田等.考虑设计规范的海洋平台结构选型优化.2004 作者简介:武俊宪,男,1966年生,1989年毕业于大庆石油学院采油专业,高级工程师。通信地址:辽宁省盘锦市中油 辽河油田公司技术发展处,124010,联系电线

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