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卜海交通人学t 程硕卅究生毕业论文埕岛油开发”纽j i ：u 保护问题结构分析研究 埕岛油田开发井组井口保护问题 结构分析研究 摘要 ( 胜利油区埕岛油田自1 9 8 8 年发现以来，勘探开发范围已从5 米以 内水深逐渐加深至1 8 米。在进入开发阶段后，井口保护问题一直是 非常重要的。近几年来，每年钻开发井二十多口，选择经济、合理、 安全可靠的井口保护方案，是编制埕岛油田开发方案的重要环节。尤 其是1 9 9 8 年埕北6 a 挂组的倾覆，为井口保护方案的设计选择，提出 了更加严格的要求7 本文通过埕岛油田开发井组井口保护方案的应用 实例，介绍了在浅海边际油田井口保护的几种结构型式，并以埕北3 0 b 井口保护的设计过程为例，使用s a c s 软件，对井口隔水管与导管架 结构连接前后的受力进行了计算分析，对井口临时结构的处理方法、 结构设计中有关结构可靠度设计问题进行了探讨，认为先钻井后安装 导管架的设计方案是安全可靠的。 关键词：埕岛油田，井口保护，结构设计 海交通人学t 程坝j j 究生毕业论文埕岛油i 开发”组j 卜l 】保护问题结构分析酬究 a n a l y s i sa n dr e a s e a r c h0 ns t r u c t u r e f o rw e l l h e a dp r o t e c t i o np r o b l e m o fd e v e l o p m e n tw e l lg r o u pi nc h e n g d a 00 i l f i e l d a b s t r a c t s i n c ec h e n g d a oo i l f i e l di ns h e n g l io f f s h o r ea r e aw a sd i s c o v e r e di n19 8 8 ， t h er a n g eo f e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n th a sg o n ed e e pi n t ot h ed e p t ho f w a t e rf r o m5t o18m e t e r m o r et h a n2 0w e l l sa r ed r i l l e di nr e s e n ty e a r s d u r i n gt h ep e r i o do fd e v e l o p m e n t h o wt os e l e c ta ne c o n o m i c ，s a f ea n d r e l i a b l ew e l l h e a d p r o t e c t i o np l a n i so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t s i n d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h e n g d a oo i l f i e l d r e q u i r e m e n ti sa s k e ds t r i c t l y f o r d e s i g n i n gw e l l h e a dp r o t e c t i o np l a nb e c a u s ew e l lg r o u pc b6 aw a s u p s e ti n 1 9 9 8 t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m et y p e so fw e l l h e a dp r o t e c t i o n s t r u c t u r ef o r m a r g i n a l f i e l di ns h a l l o ww a t e r a r e a ，t a k i n g w e l l h e a d p r o t e c t i o np l a n o fd e v e l o p m e n tw e l l g r o u p i n c h e n g d a o o i l f i e l da sa n e x a m p l e u s i n gs a c ss o f t w a r e ，t h e s t r e s sb e f o r ea n da f t e rl i n k e dt h e w e l l h e a dt u b eo fw a t e ri n s u l a t i o nw i t hj a c k e ti sc a l c u l a t e da n da n a l y s e d ， a n dt h er e l i a b i l i t yf o rd e s i g n i n gt e m p o r a r ys t r u c t u r ei sd i s c u s s e d t h ep l a n t h a tj a c k e ti si n s t a l l e da f t e ro n ew e l li sd r i l l e di s t h o u g h tt o b es a f ea n d r e l i a h l e k e y w o r d s ：c h e n g d a oo i l f i e l d ，w e l l h e a dp r o t e c t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n 2 海交通人学t 程坝h 丹究牛毕业论丈埕岛油f i l 开发j 纽川l 】保护问题结构分析究 l 地理位置描述 第一章埕岛油田概况 埕岛油开1 位于渤海湾南部的浅海和极浅海海域，东经1 18 。44 ll 8 。56 北纬38 。08 38 。16 。油r | 南界距岸约3ki t i ，最北端 距岸约1 5km 。南面与陆上的桩明油m 相邻，两北面与海上的埕北油| 干1 相望。 东南向距龙口港屺姆岛码头约80 涅。距桩两海港码头约l0 涅。 1 2 气象条件 埕岛海域的实测资料较少，本报告主要依据中科院海洋所和青岛海洋人学在 坶岛海域及黄河海港堤头一年的风速、风向、阵风、气温及水温观测，结合邻近 的马山子气象站，湾湾沟气象站和黄河海港等气象资料，采取现场观察和普查历 史资料的研究方法，选取了可供设计使用的基本气象特征数据。 莱州湾西北部，渤海湾南部的浅海海域属温带海洋性季风气候，该海域冬季 主要受来自西伯利亚的冷字气影响。多偏北大风，气候干冷；夏季主要受太平洋 高i 匪边缘影响，多偏南风、另受气旋，锋面天气影响，多阴雨天气。主要降雨过 程集中扑：7 、8 月份。以下对各气象要素基本特点分别予以晓明。 1 2 1 风况 ( 1 ) 各月各风向频率分布 该海域全年平均以南风出现频率最高，为l8 8l ，以正北j x l 出现最少， 频率为3 94 。冬季多偏北风，西北风和东北风，而东南风出现频率较低， 夏季以南风和东南风出现频率最高，西i l ：j x l 出现频率最小。秋季风由夏季型转变 为冬季型，各风向出现频率相差不大，春季则是由冬季型向夏季型过渡，风向渐 以南风，东南风届多。 海交通人学t 程坝l j f j | 究生毕业论文埕岛油开发j ：铂i ：【j 保护问题结构分析研究 ( 2 ) 各月及全年甲均风速情况 该海域半均风速较大时段有三个：个是秋季11 月份( 6 1 0m s ) ， 一个是春季4 月份( 5 80m s ) ，一个是冬季2 月份( 5 70m s ) ，1 1 月份t 要大风方向为nne ( 平均风速9 24m s ) ，n nw ( 平均风速8 9 9m s ) 和ne ( 平均风速8 33m s ) 。其次在ene 和nw 方向上也 有较大风速( 平均风速分别为7 83m s 和7 32i t l s ) 。4 月份平均风速 虽然较大，但其某一方向上的j x l 速并1 i 很大，而是各方向上的风速值较为均匀， 相对以ene 向风较大，甲均风速为6 65m s ，sse 向次之，平均胍速 为6 1 2m s 。2 月份主要是ne 向平均风速最大为7 9m s ，nw 和n nw 向次之，分别为7 8m s 和7 62m s 。该海域全年平均风速为5 28m s 。 ( 3 ) 6 级以上大风( v 10 8m s ) 全年大1 - - 6 级以上的同数为95 1 天，发生频率为7 11 ，强方向为 n w nn w 和nne ene 两个方向范围，主要火j x l 月份依次为l1 月、2 月、l0 月、12 月，夏季6 、7 月份大风同数和大风频率都很小，各大风月份 的风向略有不同，11 月份主要为n n w 和n w 向，1 月份为n n w 、n w 、和 ne 向，2 月份主要风向依次为ne 、nnw 、nw 、wnw 和nwe ，10 月 份丰要风向为nne 、ne 和e ne 。 表1 3 1各月人风天数和大风频家 月 1234567891 0 l l1 2 全年 份 大于6 级 l o 1 0 6 8 9 28 83 24 2 06 06 6 08 2 01 ： 08 0 09 5 1 天数 5 06 0000oo00 大于8 级 2 01 00 40 40 4 0 4o o o0 4o 8 01 0 0o 6 0 0 5 0 7 9 0 天数 0oo0ooo 大于6 级 11 1 1 4 2 7 0 6 o 2 6o 5 73 95 6 6 9 8 71 4 57 4 47 1 1 频率 3 89 6o7ol28 大于8 级 o 9 0 3o 10 2 0 o o 00 o o0 20 1 8o 3 805 6o 2 6o 2 8 频晋夏 164o892 1 2 2 气温 由于气温受下挚面特征影响较人，小能把陆上测站所测温度值直接用于海上 凼此用分析风 况的同样方法，建立了海陆气温相关关系，其经验公式为： 海交通人学1 。程坝i 训究生毕业论艾埕岛汕l i 开发”纰川l | 保护问题结构分析川究 t s = 0 6 + 0 98t，02 时 tst08 时 t s =2 73 + 0 99t 1 4 时 t s = t ， 20 时 t s 为海上气温，t 为陆上气温 利用上面所列式子，叮将海港五年气温实测值，换算成海上气温，从而统计出海 上气温甲均特征，如下所述： ( 1 ) 平均气温值 埕岛海域午甲均气温为11 7 。c ，月平均最高气温以7 月份最高为28 8 ，月甲均最低气温以1 月份最低为一6 3 。 ( 2 ) 气温极值 该海域极端最高气温为396 ，极端最低气温为1 8 0 。 1 3 海况条件 1 3 1 波浪 依据埕岛海域89 90 年的观测资料，结合黄河海港历史资料分析，埕岛 海区波型以风浪为主。由于本海区位于半封闭型的渤海内部，使外海大浪不易传 入。观测表明奉区出现的海浪为当地风浪，具有成长快，消失快的特点。波浪 有明显的季节变化。春季是季风交替季节，浪向比较紊乱。ne 和se 的浪交替 出现，使本区盛行偏东浪。夏季由于盛行se 风，相应地se 向浪山优势，其次 是ne 向浪。秋冬季则由于蒙占高压迅速加强，偏= lj x l , 逐渐增多，所以本区以偏 北浪向为主，其中ene 向频率最高，ne 向次之。波高秋、冬季最大、春季次 之，夏季最小。强浪向是ne nne 向，其次是e ene 向。平均周期为8 6 秒。 1 3 2 海流 观测海i x 内潮流的运动形式为往复流流向，涨潮流向为ese ，落潮流向为 w nw ；流速近岸断面上( cb1 2 井所在断面) ，计算最大流速为1 12cm s ，实测最大流速为72c1 1 1 s ，在中问断面上( cb20 井所在断血) i l 算最大可能流速为1 58cm s ，实测最大流速为9ocm s ：外断面( 3 海变通人学1 ：程舰j j 训究生毕业论文埕岛汕开发j i ：纠【j ：lj f 果护问题结构分析叫宄 0 。15 n 断面上) ，计算最大流速为l81cm s ，实测最大流速为102 cm s 本海区的余流都小于10cm s ，流向多偏西。 1 3 3 海冰 埕岛海域海冰至今没有实测资料，目前建造平台设计用的冰荷载参数是根据 现有邻近海域的短期海冰物理力学性质研究结果，参考渤海其他海域的实测结果 以及经验，对咳海域设计冰强度进行分析，提出了埠岛油阳的设计冰强度。 ( 1 ) 累年平均初冰同12 月1 同，平均终冰h3 月1 1 r ，年平均冰期9 1 天，最长108 天，最短67 天。 ( 2 ) 根据埕岛油阳以北塘沽站( 30 年) 气温资料和以南羊角沟站( 2 5 年) 气温资料，统计分析出两站的修f 累计冻冰度同年极值概率分布，选取两 站不同重现期的修正累计冻冰度h 的平均值作为埕岛油州海域的修矿累计冻冰度 同值。然后根据渤海湾实测冰厚与修正累计冻冰度f 1 的相关关系，计算出埕岛油 r f l 海域不同重现期的设计重迭冰厚，并估算出设计平整冰厚。如表1 3 3 所 丌i ： 表13 3 设计平整冰厚和设计重迭冰厚 重现期1 0 年2 0 年5 0 年1 0 0 年 冰类型 重叠冰厚5 35 96 77 2 ( c m ) 平整冰厚2 73 03 33 6 ( c m ) ( 3 ) 埕岛油阳海域海水盐度较低，流冰速度大，冰温按t 一4 计，采用邻 近海域一5 水温的冰样，耿加载速率冰样的爪缩实验结果的平均值作为甲整冰 设计抗压强度，即： ocl = 1895 2kpa 该海域邻近区域存一5 冰温条件下的冰样最大抗压强度为 o cmax = 37 43k p a 而重迭冰的设计冰强度，根据西德hsva 公司在冰池模拟重迭冰采用设计冰强 海交通人学t 程坝 j 研究生毕业论文埕岛油i ij 开发川组j ：u 保护问题 斛勾分析研究 度的折减力法确定为 ocr = 1577 5kp a 根据埕岛油 f l 邻近海域冰样i 点弯曲试验结果选用的发计冰弯曲强度o f = 89 0kpa ，设计冰弹性模量e = 1 0gp a ，抗剪强度= 438kpa 。 同时根据埕岛海域工程建设冰荷载计算的需要，参照国内外有关文献和研究 成果，提出以下有关海冰的其他物理力学性质指标。 海冰的泊松比u 一0 33 冰脊的空隙率r = 0 3 冰脊的内摩擦力中一47 。 冰脊的内聚力c = 3 4n cm ( 4 ) 本海区地处渤海湾和莱州湾的突出部，流速大，故一u - 形成冰，很快便随 潮流向两边流动，不易在该地区停留，埕岛海域多为薄冰和饼冰，冰块大小一般 为5 20m ，最长则长达10 0m 以上。而流冰方向和速度j t 要取决丁潮流和 风的方向和速度，一般流冰方向为ese 一一w n w ，一般流冰速度为o 52 1031 3 3 s 。 1 3 4 海水特性 ( 1 ) 温度 根掘1 976 19 8 5 年10 年资料的统计分析，春季( 5 月) t - 均海水 温度为l1 34 ，表层一般高于底层1 ，夏季( 8 月) 半均海水温度为2 3 62 ，表层和底层水温相近：秋季( 10 月) 平均海水温度为19 77 ， 表层高于底层0 5 。c ，最低海水温度出现在2 ，j ，为一o 3 。c ；最高海水温度 f “现在8 月，为27 。 ( 2 ) 盐度 埕岛油r 开海域海水盐度有季节性差异。春季海水特度一般在29 32 ， 远岸高于近岸，底层高于表层，东部高于【珥部，差异在10 左右；夏季一般地 3o 32 ，地域差异与春季相似，而秋季一股在32 左右，地减差异很小， 近于一致。 1 4 海底工程地质 海堂通人，学t 程帧1 训究生毕业论文埕岛汕i i i 开发川组川l 】保护问题结构分析研究 近年来，胜利油阳在浅海海域共打工程地质孔30 多个，最深的70m 。从 这些资料基本上可搞清浅海区域的工程地质情况。 从现有的资料看来，埕岛海区的地层，由于沉积环境，沉积物结构特征以及 沉积上层所在部位和深度的不同，在纵向上和横向上工程地质特性都有较火的不 同的变化，尤其是20 米以上地层，硬中有软，软中央硬，是工程特性最不稳定 的区段。各钻孔资料都反映了这一趋向。 该海区表层有一层2 8 5 2 t i 的粉砂层，均含粘十团层，上质松散，其 天然孔隙比较小，相对密度较大，埕北20 一i孔，r = 2 0 it m3 ，埕 北i4 孔r = 1 94t m3 有较高的地基承载力，埕北1 2 孔可达9 2t m z ，埕北14 孔，埕北20 一i 孔为1 1 7t m2 ，凶此可作为座底式平台的持 力层，但该土层结构普遍较为松散，在波浪作用下容易遭受冲刷，造成平台的掏 空、滑移。座底式平台钻井过程巾，应预先加以防护。而本层不能作为插桩船的 持力层，因为粉砂层在震动影响下容易液化，承载力迅速降低，造成上程事故。 埕岛海区上部地层中可液化的上层较多，相当一部分地层是由易液化的粉 砂，细砂及微量粘粒组成，这些砂的平均粒径d 。介于0 02 0 05mm 之 问，不均匀系数cu 多介丁3 9 之间，这些砂层孔隙度比较大，适水性较小并 含有少量的粘土粒，易成悬浮状态，使液相容重加大，提高了液相的悬浮能力， 降低了砂粒之间的内摩擦力，震动时结构被破坏，产生液化。尤其各孔的第一层 和第二层是山粉砂和轻亚粘l ：组成，根据东省地震局和国家地震局地球物理所 作的埕岛海区各井位的砂土液化判别，证实了这一点。力：地震烈度为8 度时，各 孔的表层沉积物( 粉砂层) 均发生液化，其轻亚粉土层也发生不同程度的液化， 埕北20 1 孔、埕北i7 孔最为严重，其影响深度可达十几米。故在八度设防 叫，埕岛海区的工程建筑物应采取有效的加固措施。 海变通人学丁程倾f 研究生毕业论文埕岛油开发 纽”l i 保护问题结构分析研究 第二章埕岛油田开发井组井口保护的几种型式 2 1 直腿式导管架 井l i 卣腿式导管架是根据地质丌发方案所确定的j r 发井组井i z 数来决定井 口导管架腿的数量，同时还要考虑钻井平台的技术要求来设计井口问距，再经结 构计算后确定导管架的外型尺寸及钢管壁厚。使用时，隔水套管直接通过导管架 腿打入设计深度，具有隔水套管及桩腿的双重功能，因为施工方便，在埕岛油m 丌发井组中大量采用。( 本文不作详细描述) 井口直腿式导管架作为浅海井l j 导管架的一种结构型式，一直被广泛使用， 它具有结构简单，施工方便，特别是对钻井平台性能要求低的特点，但由于结构 刚度较小、变形火，应用范围受到 定限制。经过多年实践，埕岛海域井口直腿 式导管架适用于水深小于13 00i 1 ，地质条件较好的海区，但仍然存在结构位 移较大的缺点。 2 2 斜腿式导管架 随着水深的增加，井口直导管架已不能满足生产及安全的需要，而采用斜腿 式导管架也就是必然的。它解决了井口直导管架平台水平位移大的缺点，结构受 力也更趋合理安全，并且可根据平台的嘶e , f n 生产安排，灵活选择先打井还是先 上井 j 导管架。 如果说直腿式导管架是对井u 的直接保护，那么，斜腿式导管架就是对井l | 的一种阳j 接保护。斜腿式导管架对井口的保护是通过导管架与井口隔水管的结构 连接，达到对井l 的有效约束、从而起到保护井f _ 1 的作用。 根掘胜利油卜h 现有钻井平台的性能和钻井计划的安排，斜腿式导管架保护井 几有导管架先就位后钻井和先钻井后上导管架两种形式。 海交通人学t 程顺l j 州究生毕业论文埕岛油开发”组”u 保护题结构分析f l j 究 2 2 1 导管架先就位后钻井 导管架先就位后钻井是比较简译且容易施工的，根据丌发方案和钻井平台 的技术要求，经结构计算后确定导管架的外型尺寸及壁厚，同时将隔水套管的导 向装置与导管架整体预制安装，导管架就位后，钻井平台( 或钻井模块) 再靠平 台就位钻井。此方案在深海中广泛使用，它对钻井平台的性能要求较高，但主要 结构均存陆地预制完成，受力分析可靠真实，本文也不做详细描述。 2 2 2 先钻井后l 导管架 如于胜利油田钻井平台的性能限制，主要是钻井平台槽口尺寸小，没有悬臂 钻井的能力，( 目前只有5 3l9 # 有悬臂钻井能力) 如果采用导管架先就位后钻 井，要么等待高性能平台钻井，要么对导管架外型尺寸要求苛刻，造成导管架结 构的不合理，从而无法满足井口保护的要求，于是，先钻井后上导管架的方案就 f 然被考虑采纳。 先钻井后上导管架的方案，其实在国内外也是被广泛采用的，它们大多是 在钻井完成后，将井口在海底泥面处割掉留下泥面悬挂器，待井口导管架就位后 再将井口通过泥面悬挂器接e 平台。但胜利埕岛油r 属于边际油阳，无法承受泥 面悬挂器的高昂费用，故仍然采用井口隔水管的传统方法。此力法是钻井平台完 成钻井任务后，离丌井口，然后再将井u 保护的斜腿导管架就位，对井口进行结 构连接后，达到保护井口的同的。 h 于此方法涉及导管架就位前后( 井口隔水管 与导管架结构连接前后) 隔水管结构受力分析问题，并且存胜利油罔是初次使用， 倍受领导和专家的关注，本文将以c b 3 0 b 井口平台为例就此方法做重点描述和讨 论。 海交通人学t 程顺i 究生毕业论史埕岛油l 开发j 卜组j 卜u 保护问题结构分析i , j h t 第三章埕北3 0 b 井口隔水管与导管架 结构连接后受力分析 3 1 问题的提出 埕北30b 井区平均水深为14 20m ，地表约10i t i 的土壤属于淤泥质泥 土，承载力很低，日该海区海床极不稳定，冲刷较明显，( 最近的调查显示3o b 井组的平均水深比原海图的水深13 6m 深了0 6i t i ) ，如果采用直腿式导 管架( 考虑2i t i 的冲刷、主导管采用中li0 0mm 钢管，隔水套管采刖中85 0i l lm 钢管) ，用sacs 软件进行计算结果如下( 计算结果选之胜利设计院埕 北30b 方案汇报资料) ： ( 1 ) 结点最大位移：32cm ( 2 ) 最大应力比： 1 0 ( 3 ) 结点冲剪最大应力比： 1 0 由计算结果可知，平台结构的强度和刚度不符合规范要求凼此埕北30b 井口平台采用井l 】直腿式导管架是小适合的。必须采用斜腿式导管架。 根据油用现有钻井平台及钻井计划的安排，埕北30b 将利用sl6 # 钻井 平台打井，由于其槽口尺寸的限制，无法满足导管架先就位后打井的要求，必须 采取先打井后上导管架的方案，这样就必须对井几隔水管进行与导管架结构连接 前后的受力分析。 3 2 埕北3 0 b 井口平台概述 埕北3 0 b 井u 平台采用四腿斜导管架结构型式，导管架腿采用 中13 5 0x21 变壁厚钢管，在标高v 14 2 m 及标高v 4 0 m 处各设一层 中7 0 0 x l7 水平撑，在标高v 9 0 m 及标高v 一2 5 m 处各设一层巾8 0 0 x 19 水平撑，在标高v2 5 m 、v 一9 0 m 、v 一14 2 m 之间设巾6 0 0 x l5 峰向 海交通人：学丁程坝l j 究生毕业论文埕岛油l i r 发j r 组”u 保护问题结构分析研究 斜拉筋，桩采用巾l2 0 0 x 2 2 变壁厚钢管，入十深度为4 0 m 。采用0 3 0 ”抗冰隔水管，入土深度为5 0 m 以卜。主导管与桩之间的环形窄f u j 均严格按设计要求进行灌浆。 3 3 设计条件 3 3 1设计标准 结构设计采用了下列标准： 1 ) a p ll p2 a ( 18 版) 2 ) a p ir p2 n 3 ) z c ( 中华人民共和国 船舶检验局) 3 3 2坏境条件 3 3 2 1水深和潮位 平均水深( 黄海平均海平面) 校核高水位( 5 0 年重现期) 设计高水位 黄海平均海平面 设计低水何 校核低水位( 5 0 年重现期) 3 3 2 2波浪( 5 0 年重现期) 校核高水位最大可能波高 对应波浪周期 设计高水位最人可能波高 对应波浪周期 3 3 2 3海流 14 2 m ： 0 8 m j4 8 m o 0 0 m o 6 9 m 2 3 2 m 6 7 m 8 6 s 6 4 i n 8 6 s 海交通人学丁程坝h u f 究生毕业论文埕舶油开发”组rl 】f 粜护问题结构分析研究 最大流速( 5 0 年重现期) 最大流速( 2 0 年重现期) 3 3 2 4风速 5 0 年重现期 10 分钟平均风速 1 分钟平均风速 3 秒钟阵风风速 2 0 年重现期 10 分钟平均风速 1 分钟平均j x l 速 3 秒钟阵风风速 3 3 2 5海冰 设计冰厚 极限抗压强度 冰流速 3 3 3 地质资料 16 9 c m s 10 2c m s 2 8 0 m s 3 0 5 m s 2 6 8 m s 2 9 7 m s 45 c m 2 2 44 k p a 0 5 2 i l l s 1 0 3 1 1 1 s 工程地质资料采用 ( 菏岛海 洋大学海洋地球科学学院国家海洋局第一海洋研究所海洋测绘 中心一九九九年+ 月) 3 3 4 设计寿命 根据任务书，平台设计寿命为l5 年，设计时极端环境条件采用 的环境数据的重现期均为5 0 年。 34 设计方法 3 4 1 荷载计算 3 1 1 1 吲定荷载 山f 卫星平台的井口甲台仅有少量管线而无设备 母交通人节t 程坝卜f d f 究生毕业论文埕岛油歼发射组川l 】保护问题结构分析硼 宄 载仪包括结构自重，结构自重主要包括导管架、抗冰隔水管结构的自 重。水面以下结构构件的浮力也是固定荷载的一部分。c b 3 0 b 井f _ | 甲台的固定荷载见表4 4 1 。 表4 4 1 c b 3 0 b 井口平台的同定荷载 荷载名称荷载值( k n ) 结构白重 7 l31 浮力 43 5 3 设备荷载 113 4 3 4 1 2风荷载 作用在结构上的j x l 荷载采用a p tr p 2 a 中2 3 2c 节中的风力 计算公式： f - o 0 4 7 3 v 2 ca3 4 1 21 式中：f 一风力，r ： v j x l 速，k m f l h ：极端波浪工况采用5 0 年重现期的一分钟平 均风速；极端冰工况采用2 0 年重现期的一分钟平均风速。 c 。一形状系数：形状系数的取值按a p i r p2 a 中的规定确定： 梁1 5 建筑物的侧向 1 5 圆形截而 0 5 平台总投影面积 1 0 a 一结构物迎风面积，m 2 。 1 1 3波浪荷载 作用在构件上的波浪力采用m o r is 0 1 3 公式计算。水质点的速度 和加速度采用s t0 ke sj 阶波理论计算。 波浪力的计算公式如下： 海交通人学l 程坝i j i ( j 究生毕业论文埕岛油升发”组川u 保护问题结构分析究 f = f ? 1 + f ? 毛，别咖乜若旷等 式q ，：f 一垂直构件轴线力向上的单位k 度的水动力矢量，n m ： h垂直构件轴线方向上的，在构件轴线和u 平面内的单位 长度上的阻力矢量，n m ： f 。一垂卣构件轴线方向j _ 的，在构件轴线和d u d t 平面内的 单位k 度上的惯性力矢晕= ，n m ： c 。一阻力系数，对于圆柱体构件，c j0 7 ； c 。一惯性力系数；对于圆柱体构件，c o = 2 0 ； 一水的重度，n m 5 ： g 一重力加速度，m s 2 ： d 一构件的直径( 包括海生物附牛) ，m ： u 一垂直构件轴线的水质点的速度分矢量，m s ： u ；u 的绝对值 d u d t 一垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量，m s 2 。 3 4 1 4流衙载 当海流单独作用时，其作用在构件上的流荷载采用a p ir p2 a 中 2 ： 3 c 节中的计算公式： f = 0 5 c 1 、爿v ! g 34 1 4l 式中：f 作用于结构构件卜的流荷载，n ： c 。一阻力系数，取0 7 ； a 一结构构件投影面积，m 2 ： v 一流速，m s ： 一水的重度，n m ： g 一重力加速度，m s 2 。 3 4 1 5冰荷载 作用于导管架腿上的冰力采用a p ir t ，2 n 中的k o r zh av in 公式 缸交通人学i 程坝 i j f 咒牛毕业论文埕岛油开发川甜 j 卜l j 保护问题结构分析研究 计算 式中：f 一作用于导管架卜的冰力，k n i 一嵌入系数，设计取值1 2 ； f 。一接触系数，设计取值0 4 5 ： c 。一冰的无侧限抗膻强度，k n m 2 ： i ) 一冰接触区域结构的宽度或直径，m ： t 一冰的厚度，m 。 3 4 2 允许应力 极端波浪_ l 况和极端冰工况的结构构件强度设计时，基本允许 应力可增加l 3 。 导管架及抗冰隔水管的材质为d 3 2 ，其屈服强度为3 2 5 m p a ，根 据a ) lr p2 a 规范，其基本抗拉强度许用应力为0 6 x 3 2 5 m p a = l9 5 m p a ， 在极端工况下，其基奉抗拉强度许用应力为 0 6 x 1 3 3 x 3 2 5 m p a = 2 5 9 m p a 。 3 4 3荷载组合 荷载组合按a i ) i r p 2 a 中建议的做法进行，平台结构设计时应 按可能同时作用于平台上的最不利荷载组合进行设计。荷载设计条 件包括固定荷载和活荷载，按下向的形式与环境荷载组合： 与固定荷载和相应f 与r 作环境条件相组合的最大活荷载组 合的设计工作环境条件。 与固定荷载和相应于与极端环境条件棚组合的最人活荷载组 合的设计极端环境条件。 与i 士i 定荷载和相应于与极端环境条件相组合的最小活荷载组 合的设训极端环境条件。 按以 荷载组合的原则，分别考虑了工作波浪、极端波浪、极 端冰种组合条件。 海交通人学r 。程倾l 圳 究生轴i e 论文埕岛油开发”组外u 保护问题结构分析州究 3 4 4 钢结构设计 3 1 4 1 概述 平台所有结构构件的设计都遵循a p lr p2 a 第三章的规定，对 圆形杆件以及1 f 圆形截面杆件按规范要求对其全长范罔内各点都进 行了强度校核。 3 4 4 2 圆形截面杆件的应力校核 轴向i i 缩和弯曲的组合 对承受轴向压缩和弯曲联合作用的图形构件，存其全长的各点 上均应满足以下方面的要求： 上+ 巫n 。 0 6 f瓦 当f p 。0 1 5 时，可采用下式代替上述两式 厶+ 丛 1 0 c l 一轴向平均压应力，p a ： f 。，f 。沿x 轴及y 轴的弯曲应力，p a ： f 。一允许压应力，当d t 图4 c b 3 0 b 井口平台计算分析模型图 42 静力分析 静力分析包括设计工况、校核工况和冰工况。其中设计工况相应 海交通人学r 程坝卅究事毕业论殳埕岛油i 开发 2 1 1 川l 1 保护问题结构分析 宄 于设计高水位的波，加上2 0 年重现期的风、流；校核工况相对应于 校核高水位的波及5 0 年重现期的风、流；冰工况是冰力加上2 0 年 重现期的风、流，冰工况中考虑了冰的遮蔽效应。 相应于校核工况和冰工况时，构件的允许应力f u 以增大1 3 3 倍。 1 ) 朴件的组合应力 通过计算，所有杆件的组合应力比均小于0 8 0 。主要结果见表 4 2 一】。 表4 2 1 c b 3 0 b 井口平台杆件静力分析 中下件杆件应力( m p a )应力比 部位 轴向弯曲 导管架 31o l0 33 甲台甲板o 53 7 o 2 0 隔水套管 107 8o 2 9 详细结果见见附录b 。 2 ) 结构变形 经整体分析，2 0 年+ 遇波浪工况最大位移为2 0 3 9 厚米；5 0 年 。遇波浪工况最大位移为2 4 48 厘米；冰工况最大位移为4 4 0 0 厘米；变形图见附录c 。 3 )节点的冲剪应力 根据静力分析各杆什内力结果，采用a i ，l r p2 a 规范校核管节 点冲剪应力，所有节点冲剪应力均满足规范要求。主要结果见表 4 22 ，具体结果见附录d 。 海交通大学f 程彤! j 研究生毕业论文埕岛油f 开发w 纽， ：u 保护问题结构分析训 表4 2 2 c b 3 0 b 井口平台管节点冲剪应力分析 卡f 件名称及规格最大管节点冲剪应力比 l十13 6 6 x 2 9 0 43 【m 12 0 0 x 2 2 0 18 lm 9 0 0 x 2 2 0 3 5 m 8 0 0 x 190 44 m7 0 0 x 17o 3 2 m 5 0 0 x 150 3 7 4 3 桩基分析 4 3 1 桩基础的设计方法 4 3 1 1 桩的贯入深度 桩的贯入深度设计应使桩具有足够的承载能力，以承受最大的 设计眶力和卜拔力，并且应具有符合规范要求的安令系数。 4 3 1 2 桩的壁厚 桩的壁厚由平台设计荷载条件下桩的轴向荷载和弯矩的联合作 用束确定。 4 3 1 3桩的横向承载力 桩基础应能承受最大的横向荷载。上壤的横向荷载具有很强的 非线性，土壤的非线性特性由土壤的p y 曲线来描述，在设计中通 过迭代法确定桩的横向位移和土壤反力。 4 3 2 桩基础分析计算结果 冰工况条件下桩的强度校核采用了结构、桩和十壤一体的计算 模型，由s a c s 程序的p s i 模块进行结构土壤迭代求解以确定桩头 位移和桩的内力。 ( 1 ) t 、压桩承载力校核 各桩的最人拉、门i 桩荷载和承载力安全系数见表4 3 一l ，详细 结果见附录e ： 渐变通人学t 程坝i ：1 0 f 究生毕业论卫埕岛油【i l 开发”灿j ll 保护问题结构分析研究 表4 卜1c b 3 0 b 井口平台桩基承载力分析 桩基名称轴向拉力( k q ) 轴i 甸压力( k n ) 实际允许安全实际允许安全 拉力拉力系数压力压力系数 桩2 16 3 45 7 6 74 785 812 6 5 114 8 桩4 140 95 7 135 410 7 412 5 3 314 5 桩6 o5 7 6 7 3 0 0 5l2 6 5 156 桩8 o57 l3 3l0 5l253 35 6 隔水套管 0718 75 1013 9 3 03 6 2 计算表明拉、r 桩承载力均满足规范要求，且平台拉桩荷载均 较小。 ( 2 ) 名义应力校核 抗冰隔水管的名义应力校核按a p i 规范进行，基本允许应力 在极端风暴和极端冰条件下增加l 3 。计算结果表明，隔水管的最 人应力比仅为0 10 4 ，满足规范规定的强度要求。强度校核的详细 计算结果输见附录f 。 渤交通人学程坝l j 研究乍毕业论文埕岛油i i 开发j ：士儿j ll l 保护问题结构分析里堕 第五章埕北3 0 b 井口隔水管与导管架 结构连接前受力分析 胜利9 # 平台完成钻井任务后，为了保证l 缶时结构的安全，对井口隔水管进 行临日、j 加吲措施，在六口井井口隔水管标高8 0 米、3 0 米处加水平拉筋中5 0 0 铡管，将井 e l 隔水管连接成整体，尽快安装井r = 】保护的斜腿式导管架，并按设 计与主导管架进行结构连接。 5 1 结构分析计算模型 结构总体分析中按照空间三维结构进行模拟，平台结构杆件主 要为抗冰隔水管及连接抗冰隔水管的水平支撑杆件。由于该种方式 为存井_ 】保护导管架安装前的临时保护方式，故荷载情况只考虑临 时性的载荷，及短期的波浪、海流及风倚载。 结构计算模型见图5 11 ，共2 4 个节点，3 2 个单元。 图5 1 1c b 3 0 b 临时井f i 保护计算图 海交通人学l 程伽! l j 研 生牛业论文埕油【i i 玎发”组川l i 佩护问题结构分析 l j f 究 5 2 平台结构变形 经整体分析，平台在临时性荷载作用f 的最大变位为13 厘米。 5 3 杆件组合应力及应力比 根据以上建立的模犁及本文第四章所述的计算分析方法，c b 3 0 b 井口隔水管 与井l 】导管架未连接前的结构分析结果见表5 31 ， 表5 3 1c b 3 0 bf 临时井口平台朴件静力分析 杆件杆件应力( m p a )应力比 部位 轴向弯曲 水平连杆 o 1213 9 40 6 7 隔水套管 lo 95 370 3 4 详细计算见附录g 。杆件应力比满足规范要求。 5 4 管节点冲剪应力 根据静力分析各杆件内力结果，采用a p i r p 2 a 规范校 核管节点冲剪应力，管节点最大冲剪应力比为0 5 8 9 ，满足舰范要 求。具体结果见附录g 。 5 5 桩基分析 5 5 1 拉、压桩承载力校核 隔水管的最大拉、压桩荷载和承载力安全系数见表 细结果见附录g ： 海交通人学i 程坝卜 l j f 究生毕业论义_ 【芏岛油开发 绁j rl j 保护问题结构分析研究 表5 5 1 c b 3 0 b 井口隔水管桩基承载力分析 桩基名称轴向拉力( k n )轴向压力( k n ) 实际允许安全实际允许安全 拉力拉力系数压力压力系数 隔水套管l 6 0 43 6 9 26 1475 47 110 0 隔水套管24 2 43 6 9 28 76 2 95 47 18 7 隔水套管35 4 83 6 9 2 6 76 35 4718 6 隔水套管4 03 6 9 2l0 06 3 05 47 l8 7 隔水套管55 4 93 6 9 2 6 74875 47l1 1 隔水套管6 03 6 9 2lo o6 6 25 4 7 18 3 计算表明拉、压桩承载力均满足规范要求，且平台拉桩荷载均 较小。 5 5 2 隔水管桩基应力分析 抗冰隔水管的名义应力校核按a p i 规范进行，隔水管的最大 应力比为0 2 l3 ，满足规范规定的强度要求。强度校核的详细计算 结果输出见附录g 。 ! 垫孕人学t 程顺卅究生毕业论文埕岛油i i i 开发川组j ：lj 保护问题结构分析蚪究 第六章临时结构可靠度设计浅谈 对丁该临时结构，环境荷载重现期无法确定，也没有规范规定，但对丁短暂 状况的结构物有关规范推荐可进行可靠度设计分析。 6 1 基本概念 结构可靠度，足指结构在规定的时j 目j 内，在规定的条件下，具有预定功能的 概率。 所谓功能要求： 、能安全承受在使用和施工期间可能出现的各种作用； 二、在正常使用和维护下具有合适的工作性能； 三、存正常使用和维护下具有足够的耐久性： 四、在发牛偶然事件情况下，结构仍然能保持必须的整体稳定性。 结构极限状态，是指结构达到最大承载力或不适于继续承载的变形。结构出 现1 - 列状态之一时，即认为超过了承载能力的极限状态： 、结构或结构的一部分作为刚体失去平衡( 如倾覆、滑移等) ： _ - 、结构构件或连接部位因材料的强度极限被超过而破坏，或囚过度的塑性 变形而不适于继续承载； l 结构转变为机动体系； 四、结构或结构构件丧失稳定( 如压屈等) 。 结构设计时应考虑1 j 同的设计状况，对于临时结构宜采用短暂状况。所谓短 暂状况是指持续时间很短，出现的概率较高的设计状况。短暂状况按规范要求 般仪按承载力极限状态对结构或构件进行设计。 6 2 结构可靠指标 当仅有作用效应和结构抗力两个综合变量时，结构按极限状态设计应符合 海交通人学t 程舰t ：i o d t 生毕业论文埕岛油开发儿组j ll 】保护问题结构分析打外冗 下列要求： g ( s ，r ) = rs 0 式中s 结构上的作用效应； r 结构的抗力。 结构极限状况的设计条件为： p 。= p g ( s ，r ) o p ，= p g ( s ，r ) 0 显然p 。2 1p f 式中p ( ) 概率表达式； p 。结构的可靠度； p ，结构的失效概率。 结构的可靠度一般采用可靠指标1 3 表达。结构的可靠指标与可靠度关系如 下： 1 3 = 中。1 ( p 一) 式中中。1 ( ) 标准正念分和函数的反函数。 结构的可靠指标是根据结构安全和经济的最佳平衡选定，当有足够论证时， 也可通过j x l 险水平类比或最佳效益分析方法选定。对丁二持久状况承载能力极限状 态，t 程结构目标可靠指标b 。应根据结构的破坏类型和安全等级按下表确定。 表6 21 目标可靠指标b 。 安全等级 结构破坏类型 一级 一皇砖 三级 有预兆破坏4 0 3 53 0 无预兆破坏 454 03 5 对丁短暂状况承载能力极限状况的工程结构目标可靠指标，应根据结构特 性，环境和经济条件选定。 6 3 结构可靠指标的计算 算。 结构”，靠指标应根据基本变量的平均值、标准差及其概率分布类型进行计 海交通人学1 程坝i 州究生毕业论文埕岛油开发川组川u 保护问题结构分析州咒 当结构极限状态方程仪有相互独立且服从i f 态分布的作用效应和结构抗力两 个综合变量时，结构的川靠指标应按卜式计算： b = ( u r us ) ( or 2 + os 2 ) o 5 式中u ”or 作用