筒型基礎在邊際油田的最新應用研究

孟 迪

（中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457）

筒型基礎在邊際油田的最新應用研究

孟 迪

（中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457）

筒型基礎作為一種新型錨泊和基礎形式，具有顯著的技術優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟性。文章介紹了筒型基礎在國內(nèi)外的發(fā)展和應用情況，并針對筒型基礎在人工島應用中承載力分析和氣浮拖航等關鍵問題進行了研究。模型試驗和計算分析的結(jié)果表明：筒型基礎的承載力滿足要求，拖航穩(wěn)性很好，各項指標滿足規(guī)范要求。

筒型基礎；邊際油田；人工島；應用

0 引言

一般來講，近海油田開發(fā)的地面工程投資占整個油田各種投資總和的1/3～1/2，甚至更多。對于邊際油氣田來講，雖然投資總量相對整裝油田要小，但邊際油氣田的效益對投資變化更敏感。從某種意義上可以說地面工程投資能否有效降低將很大程度上影響甚至決定邊際油氣田能否實現(xiàn)開發(fā)。因此，對近海邊際油氣田開發(fā)的地面工程關鍵技術進行研究，找到有針對性的降低投資的技術，其意義是十分重大的。

筒型基礎作為一種新型錨泊和基礎形式，具有顯著的技術優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟性。筒型基礎適用于各種非巖性土，作為平臺的基礎，其工作水深具有較大的范圍，從7m到目前現(xiàn)有平臺已達到近100m，我國渤海及南海北部灣的廣闊水域都處在這一范圍內(nèi)；作為錨泊基礎，適用水深范圍更加廣泛。因此，筒型基礎的研究直接關系到邊際油田的開發(fā)，對推動我國海洋石油工業(yè)的發(fā)展有著深遠的影響。

1 筒型基礎在國內(nèi)外的應用實例

1.1 筒型基礎在國外的應用情況

筒型基礎平臺的結(jié)構(gòu)形式雖然有些區(qū)別，但基礎設計原理是一樣的 （均靠形成筒內(nèi)外的壓力差而沉入土中），不同的是下沉工藝。目前已有的下沉工藝有三種：射水下沉法、導流下沉法和泵吸下沉法。其中第三種方法是現(xiàn)在國內(nèi)外筒型基礎普遍采用的方法。對采用泵吸下沉法的筒型基礎的研究起源于20世紀50年代，其最初被應用于系泊的吸力錨樁，在很多錨泊系統(tǒng)中得到成功運用，所以又稱為吸力錨。

1958年，Mackereth第一個成功使用了負壓，在英國某湖泊的軟泥湖床上采集土樣時使用吸力錨錨定取心器。上世紀60至70年代，各國學者對吸力錨進行了大量研究，對其各項性能的測試也逐步由試驗室發(fā)展到海上現(xiàn)場試驗[1-3]。

1980年，SBM公司在北海Gorm油田，將12個吸力錨用于油船的系泊，這是世界首例泵吸下沉筒型基礎工程的應用[4]。

采用壓力差下沉的筒型基礎海上平臺在20世紀90年代首先由挪威提出并建成。北海的Snorre油田在1991年6月應用大型混凝土吸力錨固定張力腿平臺，這也是筒型基礎第一次應用于鉆采平臺基礎[5]。

1994年7月，壓力差下沉式筒型基礎第一次被成功用作大型導管架生產(chǎn)平臺Europipe 16/11-E的基礎，此筒基平臺開創(chuàng)了平臺基礎工程技術的新時代，為海上油田的開發(fā)提供了一種全新的方式[6]。1996年，世界上第二座壓力差下沉式筒型基礎導管架平臺Sleipner Vest SLT投產(chǎn)[7]。

1.2 筒型基礎在國內(nèi)的應用情況

我國最早的筒型基礎平臺的概念出現(xiàn)于20世紀60年代，采用射水下沉法。中海油最早的筒型基礎平臺是1970年設計的，采用的也是射水下沉法，并于1972年投產(chǎn)，大約使用了兩年。在這期間，曾成功地移位兩次。這證明平臺的下沉和上浮設計是成功的。此后，由于某些原因，筒型基礎在我國的應用出現(xiàn)了一段時間的沉寂。直到20世紀90年代中期，歐洲北海又設計建造了兩座采用泵吸下沉法的筒型基礎平臺，迅速發(fā)展的筒型基礎技術也引起了國內(nèi)海洋工程界的重視。我國海洋工程技術人員在總結(jié)過去經(jīng)驗的基礎上，經(jīng)過認真研究現(xiàn)代技術，并與有關單位合作，使筒型基礎在我國現(xiàn)階段有了以下幾個方面的應用。

1.2.1 用于延長測試油輪的系泊或單點系泊系統(tǒng)的基礎

1994年7月我國首例吸力錨成功應用于曹妃甸1-6-1油田延長測試系統(tǒng)油輪系泊工程[8]。此后在渤海的錦州9-3油田、錦州20-2油田、秦皇島32-6-4油田相繼成功安裝了用于延長測試油輪系泊的吸力錨。在南海的陸豐22-1油田、文昌13-1/2油田、番禺4-2/5-1油田使用了用于STP單點系泊和FPSO系泊的吸力錨。

1.2.2 作為海上平臺結(jié)構(gòu)的基礎

1999年9月，在渤海錦州9-3油田，兩座三筒獨柱的筒型基礎系纜平臺成功安裝，實現(xiàn)了壓力差下沉式筒型基礎平臺在我國的首次應用[8]。此平臺采用了直徑6 m、高9 m的筒基，平臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量為239 t，在平臺安裝前成功地進行了海上平臺結(jié)構(gòu)自浮拖航試驗和沉放/回收試驗，為最終實現(xiàn)筒型基礎平臺海上自安裝提供了試驗數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。與20世紀70年代初我國的筒型基礎平臺相比，跨越30年的這兩次應用在技術上已有很大不同，最突出的就是下沉技術。早期的筒型基礎平臺采用沖排泥下沉技術，這種技術在下沉過程中破壞了筒周圍的土，使筒周圍的土在短時間內(nèi)的承載力不能達到設計要求，因而使平臺存在安全隱患。現(xiàn)在的筒型基礎平臺采用的是利用抽吸產(chǎn)生筒內(nèi)外壓力差來下沉的技術，這種技術在下沉中對土的干擾極小，因而在安裝后可以很快獲得設計要求的承載能力。

2007年，在曹妃甸18-1油田總體開發(fā)方案優(yōu)化設計中，鑒于該油田儲量規(guī)模較小，為降低工程投資，規(guī)避油藏風險，采用了一座單層甲板的三筒基簡易井口平臺。該平臺是我國第一座帶井口的筒型基礎平臺。

1.2.3 作為自升式平臺的沉墊阻滑樁

1995年 “自強號”沉墊自升式平臺的4根吸力式阻滑樁安裝成功；1996年，海王星公司完成了 “自立號”沉墊自升式平臺的4根阻滑樁改造設計，并完成安裝使用[9]。

2 筒型基礎在人工島的應用研究

海上邊際油田的開發(fā)研究是開發(fā)海上油田的三大技術難題之一。目前中海油邊際油田開發(fā)的模式主要有兩種：一是 “三一”開發(fā)模式，二是 “蜜蜂式”開發(fā)模式。但是 “三一”模式對所依附的已開發(fā)油田的距離不能超過20 km；而目前的 “蜜蜂式”開發(fā)裝置的儲量較小，增加了外輸成本。

針對上面的技術難題，采油公司提出了 “可搬遷人工島”方案。該人工島主要包括三部分：基礎、島體和上部模塊，見圖1。同時，人工島基礎是整個設計方案的重中之重。

圖1 人工島結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)人工島基礎設計要求：承載力滿足要求，可自安裝，可搬遷，本研究項目最終選取了筒型基礎，但我們進行了創(chuàng)新，設計成了基盤組合式筒型基礎。該筒型基礎包括6個吸力錨，其上部由6塊T形截面的弧形梁式裙板和數(shù)個加強構(gòu)件連接。吸力錨直徑12 m、高12.5 m，其水平截面圓的圓心均布于直徑51 m的圓上，如圖2所示。

圖2 基礎結(jié)構(gòu)示意

2.1 承載力分析

筒型基礎承載力的實質(zhì)是筒基與海底土質(zhì)相互作用的問題，主要包括水平承載力和垂直承載力兩部分。人工島經(jīng)常受到風、浪、流及冰荷載等水平力的作用，所以水平承載力的研究更具重要性。

本研究項目關于水平承載力和垂直承載力的計算采用塑性極限法，分別計算黏土和砂土中筒型基礎的承載力，然后把兩部分結(jié)果相加作為總的承載力。計算結(jié)果見表1。

表1 承載力計算結(jié)果

通過計算結(jié)果可以看出，安全系數(shù)均大于1.5，筒型基礎的承載力滿足強度要求。

另外，考慮到各吸力錨之間的相互影響，決定采用有限元軟件進行承載力校核，見圖3。

通過有限元模型計算分析，各層土的剪應力小于其屈服強度，因此該筒型基礎的承載力滿足強度要求。

圖3 基礎有限元模型

2.2 拖航分析

本研究項目中的筒型基礎采用氣浮拖航的方式拖至施工地點，拖航方案中設計了3條拖輪，分別是主拖輪、跟拖輪和護航拖輪，見圖4。

圖4 拖航方案

人工島的基礎是由六個吸力錨組成的基盤組合式筒型基礎結(jié)構(gòu)，拖航過程中吸力錨內(nèi)需要充氣以提供足夠的浮力，一旦漏氣，將造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)性不足甚至傾覆。因此，有必要對拖航過程中存在的風險進行分析。

2.2.1 水池試驗

筒型基礎由于充氣使其浮體運動性能十分復雜，其運動和阻力的估算目前還沒有統(tǒng)一的計算方法可以遵循。由于吸力錨內(nèi)存在自由液面，漏氣現(xiàn)象可能發(fā)生，所以基礎在拖航過程中存在很大的風險。本試驗研究的目的是驗證分析基礎氣浮拖航方案的可行性，并為最終施工方案的制訂提供依據(jù)和指導。該模型的尺度比為1∶20，見圖5。

圖5 水池試驗模型

2.2.2 穩(wěn)性分析

筒型基礎的筒體為倒杯體，充氣后駐留于筒內(nèi)的氣體可起浮體排水界面的作用，因此它可將排開水體的浮力傳遞給筒基結(jié)構(gòu)并托起筒基結(jié)構(gòu)漂浮于水面。筒基結(jié)構(gòu)的升沉狀態(tài)和高度可以通過調(diào)節(jié)筒內(nèi)的充氣量進行調(diào)整。然而，筒內(nèi)的氣—水界面不同于通常浮體的剛性界面，它是高柔性界面。因此，通常浮體相當于支撐于水彈簧上，而氣浮體相當于支撐于水彈簧和氣彈簧的串聯(lián)結(jié)構(gòu)上。由于水彈簧和氣彈簧串聯(lián)后的彈性剛度將小于獨立的水彈簧彈性剛度，說明在相同位移下氣浮浮體的抗力小于通常浮體的抗力，即穩(wěn)性差。并且從動穩(wěn)性方面分析可得出氣浮浮體升沉搖擺的固有頻率比通常浮體升沉搖擺的固有頻率低很多，由此可能產(chǎn)生大的動力效應。

2.2.3 分析結(jié)果

經(jīng)過模型試驗和計算分析，得出基礎氣浮拖航的主要結(jié)論如下：

（1）拖航穩(wěn)性很好，完全滿足規(guī)范要求，風引起的風傾角很小，六級以下的風引起的風傾角可忽略不計。

（2）當波長接近或等于裝置基礎直徑63 m時，引起的運動最為劇烈，運動幅值最大。

（3）吸力錨筒內(nèi)靜態(tài)壓力為126.5 kPa，動壓力最大值為4.5 kPa，最大動壓力占筒內(nèi)靜壓力3.5%左右，動壓力的變化對于拖航影響較小。

（4）在吃水分別為4、6、7 m，航速分別為2、3、4節(jié)時，其對應的搖擺角均小于臨界漏氣角，如表2所示，因此，該筒型基礎在氣浮拖航過程中是不會漏氣的。

表2 搖擺角與臨界漏氣角的比較

3 結(jié)束語

筒型基礎顯著的經(jīng)濟效益優(yōu)勢受到海洋工程界的廣泛關注。筒型基礎在我國渤海海域邊際油田的開發(fā)應用還處于起步階段，還沒有形成完備的設計規(guī)范。要將筒型基礎結(jié)構(gòu)作為渤海邊際油田開發(fā)的一種模式，進行批量建造，廣泛應用于邊際油田開發(fā)，還需要很多方面的研究工作。

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New Applied Research of Bucket Foundation Platform in Marginal Oilfield

MENG DiCNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Service Co.,Tianjin 300457， China）

Bucket foundation as a new kind of anchoring or foundation structure has the technical pre-ominance and perfect economic benefit.This paper introduces the status of developments and applications of bucket foundations at home and abroad,and studies the bearing capacity and air-floating towing of the bucket foundation used for artificial island.The results from the model test and computation show that the bearing capacity of the bucket foundation meets requirement and the towing stability is perfect,other specifications also meet relevant standard.

bucket foundation；marginal oilfield； artificial island;application

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.005

孟 迪 （1981-），男，山東滕縣人，工程師，2004年畢業(yè)于天津科技大學，現(xiàn)主要從事海上油氣田開發(fā)的相關工作。

2011-08-27；

2012-07-02