水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)分析

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(中海石油研究中心，北京 100027)

世界上已經(jīng)投產(chǎn)的深水和超深水氣田，其主要開發(fā)工程模式是通過水下井口回接的方式進(jìn)行開采。使用水下生產(chǎn)技術(shù)可以避免建造昂貴的海上采油平臺(tái)，從而節(jié)省大量建設(shè)投資，并且水下生產(chǎn)系統(tǒng)受災(zāi)害天氣影響較小，可靠性強(qiáng)，費(fèi)用基本上不隨水深變化而變化，因此成為開采深水油氣田的關(guān)鍵設(shè)施之一。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢、可觀的經(jīng)濟(jì)效益得到各大石油公司的廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-2]。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下井口設(shè)備、采油樹、管匯、基盤、控制系統(tǒng)、臍帶管、管線、增壓系統(tǒng)和水下處理系統(tǒng)等。目前發(fā)達(dá)國家水下生產(chǎn)技術(shù)已較為成熟，從北海、墨西哥灣到巴西的深海油氣田、乃至我國南海東部海域都有一定的應(yīng)用。我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和安裝尚處于起步階段，工程經(jīng)驗(yàn)缺乏，技術(shù)儲(chǔ)備較少，同國外相比差距很大，這一現(xiàn)狀影響了我國深海油氣資源的開發(fā)，開展水下生產(chǎn)技術(shù)的研究對(duì)我國未來深水油氣田的開發(fā)十分及時(shí)和必要[3-5]。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)

1)防沉板。防沉板具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，尺寸由土質(zhì)條件決定。對(duì)于較軟的土壤，防沉板必須很大，但過大的防沉板會(huì)影響安裝。為增大防沉板的穩(wěn)定性，減小外形尺寸，通常為防沉板增加裙板，見圖1。

圖1 防沉板基礎(chǔ)示意

2)吸力樁。吸力樁與常規(guī)樁相比，直徑大，長度小，最大長度直徑比一般不大于6.0。通過頂部吸力泵抽出樁內(nèi)的水，使用樁外部的靜水壓力和樁內(nèi)部的吸力安裝在海床上。吸力樁具有能夠提供較大的水平與垂直合成荷載的能力，對(duì)于軟粘土海底最為適合。最近幾年，對(duì)于大型的管匯結(jié)構(gòu)吸力樁的可靠性已經(jīng)得到了證明，并且有了有效的安裝方法。隨著吸力樁技術(shù)的日趨成熟，越來越多的水下生產(chǎn)系統(tǒng)使用此種基礎(chǔ)固定于海底[6]，見圖2。

圖2 吸力樁基礎(chǔ)示意

3)樁。傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式，但作為深水管匯的基礎(chǔ)，安裝工期長，費(fèi)用大。對(duì)于深水水下結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)由于安裝的費(fèi)用和施工難度等問題存在著很多局限性，因此深水水下設(shè)施基礎(chǔ)的未來發(fā)展趨勢將是吸力式和防沉板式。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)具體采用的方式取決于荷載性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和海床土壤條件，同時(shí)也依賴于不同設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)計(jì)，此外安裝方法也可能影響某些基礎(chǔ)類型的可行性。表1列出了選擇基礎(chǔ)類型的影響因素，但具體選擇并不僅限于這些因素。防沉板是結(jié)構(gòu)最簡單、重量最輕、安裝最方便、投資也最少的一種形式。在荷載及土質(zhì)條件適合的情況下，防沉板是水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的首選[7]。當(dāng)水平荷載較大，尺寸合理、帶裙板的防沉板不能提供所需的阻力和穩(wěn)定性時(shí)，可能必須選用吸力樁。

表1 水下基礎(chǔ)選擇

2 防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)時(shí)要求土體能夠支撐坐落在它上面的結(jié)構(gòu)及荷載而不發(fā)生剪切破壞，由此引起的沉降對(duì)結(jié)構(gòu)也應(yīng)是允許的。防沉板屬于淺基礎(chǔ)，將載荷分布到海床上，以減小結(jié)構(gòu)的沉降，海底條件會(huì)影響管匯結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。防沉板是永久性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一般設(shè)有裙板，用于穿透海底，提供橫向抗剪強(qiáng)度并防止沖刷。而整體滑移的管道終端，即結(jié)構(gòu)框架隨防沉板一起滑動(dòng)，其基礎(chǔ)則不設(shè)置裙板。

2.1 設(shè)計(jì)原則

防沉板的設(shè)計(jì)要考慮穩(wěn)定性、沉降以及與相鄰結(jié)構(gòu)的相互作用等因素，所遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)為API RP 2A和ISO 13628-1。根據(jù)所在海域的環(huán)境條件、土壤數(shù)據(jù)、外部荷載及結(jié)構(gòu)自身重力等，獲得相關(guān)荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其尺寸的確定主要基于上部的水下生產(chǎn)設(shè)備特性和土的強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2 承載力

根據(jù)操作工況分析得出的結(jié)構(gòu)荷載校核土壤的承載能力，計(jì)算結(jié)果需滿足API RP 2A中承載力破壞模式下2倍安全系數(shù)的規(guī)定，基礎(chǔ)所能承受的最大垂向荷載Qu為

Qu=(c·Nc·Fcs·Fcd·Fci+q·Nq·Fqs·Fqd·

Fqi+0.5·γ·B1·Nγ·Fγs·Fγd·Fγi)·Ae

(1)

式中：c——摩爾包絡(luò)線的有效凝聚力截距；

Nq=tan2(45o+φ/2)·eπ·tan φ；

Nc=(Nq-1)cotφ；

Nc=2(Nq+1)tanφ；

Fcs,Fqs,Fγs——形狀系數(shù)；

Fcd,Fqd,Fγd——深度系數(shù)；

Fci,Fqi,Fγi——傾斜系數(shù)；

γ——土壤重度；

Ae——基礎(chǔ)有效面積。

載荷偏心減少了防沉板能夠承受的極限垂直荷載，在承載力分析中需考慮影響，即需要減小基礎(chǔ)的有效面積。

2.3 滑移

對(duì)于滑移分析，需滿足API RP 2A中水平兩個(gè)方向安全系數(shù)均大于1.5的規(guī)定。

(2)

式中：FHF——水平破壞荷載；

F——結(jié)構(gòu)水平方向的外載荷。

2.4 沉降

基礎(chǔ)沉降由彈性沉降和固結(jié)沉降兩部分組成。其中彈性沉降是基礎(chǔ)沉降的主要部分，是由于土壤被加載但保持原含水率發(fā)生的形變，記為Si[8]。

(3)

式中：Q0——基底接觸壓力；

α——對(duì)沉降產(chǎn)生影響的角點(diǎn)數(shù)目；

ν——土體泊松比；

Fγd——深度系數(shù)；

Fγs——形狀系數(shù)；

Es——土體彈性模量。

固結(jié)沉降是土體排水產(chǎn)生的結(jié)果，地基是由不同的土層組成，因此利用“分層法”，即將總沉降量取為每層土的沉降量之和[9]，記為Sc。

(4)

式中：Cc——壓縮指數(shù)；

Hc——土層厚度；

e0——土體的原位孔隙比；

σ0——有效上覆土層壓力；

Δσ——平均壓力增量。

2.5 扭轉(zhuǎn)

對(duì)基礎(chǔ)的抗扭分析要求其水平兩個(gè)方向安全系數(shù)FOS均大于2.0，見公式(5)。表明基礎(chǔ)即裙板有足夠的能力保持結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此是決定裙板入泥深度的重要因素。此外，海床坡度也是影響裙板尺度的主要因素。

(5)

式中：p——被動(dòng)土壓力；

Ae，Le,Be——有效抗扭面積、長度及寬度；

M——扭轉(zhuǎn)力矩。

2.6 裙板的貫入深度

計(jì)算裙板貫入阻力Qd，以確定裙板到達(dá)泥面下貫入深度。

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(6)

式中：Qf——側(cè)摩阻力；

Qp——端部阻力；

F——單位側(cè)摩阻力；

Ae——裙板側(cè)表面積；

q——裙板端部單位阻力；

Ae——裙板端部面積。

某些情況下可使用壓力差來增加貫入力，但要確保不會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的損壞。

3 防沉板設(shè)計(jì)實(shí)例

我國南海某水深300 m油田開發(fā)，采用中心管匯+叢式井的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。水下管匯結(jié)構(gòu)主要由管匯模塊支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。在裝卸、運(yùn)輸、安裝、回收及其它操作期間，框架結(jié)構(gòu)為管匯提供支撐和防護(hù)，其操作期間外部荷載主要為海管和跨接管的膨脹力，環(huán)境荷載僅占很小的比例。

根據(jù)土質(zhì)條件，基礎(chǔ)選擇帶裙板的防沉板形式，并將管匯支撐結(jié)構(gòu)與防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為一體，整個(gè)結(jié)構(gòu)主尺度為13 m×7 m×3.715 m，裙板高為1.1 m，安裝重量為93.1 t。采用API RP 2A和ISO 13628-1規(guī)范，考慮了底流的影響，對(duì)防沉板基礎(chǔ)的承載力、沉降、滑移，抗扭等情況進(jìn)行計(jì)算分析，見表2～6。

表2 基礎(chǔ)承載力計(jì)算結(jié)果

表3 基礎(chǔ)X方向滑移計(jì)算結(jié)果

表4 基礎(chǔ)Y方向滑移計(jì)算結(jié)果

表5 基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果 mm

表6 基礎(chǔ)抗扭計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，防沉板基礎(chǔ)滿足力學(xué)性能和土質(zhì)要求。

4 結(jié)論

防沉板是結(jié)構(gòu)最簡單、重量最輕、安裝最方便、投資也最少的一種型式，在荷載及土質(zhì)條件適合的情況下，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)的首選。

一般而言，防沉板應(yīng)滿足以下條件：①能夠支撐結(jié)構(gòu)且不會(huì)導(dǎo)致過度的直接變形或長期沉降；②能夠插入裙板至預(yù)定深度；③上拔和滑動(dòng)阻力必須足夠大，以克服垂直和水平外部荷載。

API RP 2A和ISO 13628-1沒有具體討論帶裙板的防沉板基礎(chǔ)。在實(shí)際工程中，還需要考慮

環(huán)境荷載和地震等作用在防沉板-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上引起的動(dòng)力荷載；并預(yù)防沖刷引起的基礎(chǔ)及附近土壤的沖蝕和淘空；在防沉板的安裝前對(duì)海底應(yīng)予以平整，并確保不對(duì)周圍土壤產(chǎn)生過大的擾動(dòng)。

[1] 牟永春,李志彪，袁玉堂，等.關(guān)于深海工程技術(shù)研究幾個(gè)問題的探討[J].石油工程建設(shè)，2008(12)：26-29.

[2] 喻西崇,謝 彬,金曉劍,等.國外深水氣田開發(fā)工程模式探討[J].中國海洋平臺(tái)，2009，24(3)：52-56.

[3] 王定亞，王進(jìn)全.淺談我國海洋石油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].石油機(jī)械，2009，37(9)：136-139.

[4] 王 瑋.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J].中國海洋平臺(tái)，2009，24(6)：41-45.

[5] 陳家慶.海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)(一)[J].石油機(jī)械，2007,35(5)：130-133．

[6] 顧永維,周美珍,王長濤.深水水下管匯主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法研究[J].機(jī)械工程師，2011(2)：54-58.

[7] 中海石油研究中心.水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)手冊[M].北京：中海石油研究中心，2011．

[8] 中海石油研究中心.水下生產(chǎn)技術(shù)研究報(bào)告[R].北京：中海石油研究中心，2011．

[9] 國家發(fā)展和改革委員會(huì).海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004．