渤海導(dǎo)管架平臺(tái)下沉式防沉板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳景健，龐洪林，蔣烜，楊小樂，張夢(mèng)玥

(中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津，300452）

1 引言

防沉板是導(dǎo)管架平臺(tái)的一個(gè)附屬結(jié)構(gòu)，主要作用是在導(dǎo)管架初始坐底時(shí)提供支撐，防止導(dǎo)管架安裝時(shí)發(fā)生下沉或者產(chǎn)生不均勻沉降，以保證導(dǎo)管架打樁完成前海上安裝的安全性，這是導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，正確選取防沉板的結(jié)構(gòu)形式和合理的設(shè)計(jì)方法具有重要的工程意義[1]。

目前，渤海油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)壓力大，一方面需要持續(xù)挖潛老油田的開發(fā)潛力，另一方面還要進(jìn)一步增加新油田開發(fā)的可行性。渤海油田開發(fā)已進(jìn)入攻堅(jiān)階段，新油田開發(fā)受到渤海海域海底的不良地質(zhì)條件的制約，例如，渤海海域海底淺層土質(zhì)軟弱，廣泛分布粉砂及軟粘土，如表1所示，且渤海海域海底易出現(xiàn)沖刷、波浪液化和沙波沙脊移動(dòng)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，造成海床不平。這些地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)和安裝造成不良影響，成為制約新油田開發(fā)的不利因素。

表1 渤海海底典型表層土土質(zhì)類型

防沉板提供支撐要求海床土壤需要有一定的承載力儲(chǔ)備，而渤海海域海底表層軟弱土質(zhì)導(dǎo)致淺層土承載力非常有限，有時(shí)僅由表層土承載，防沉板很難滿足承載力設(shè)計(jì)的要求，平臺(tái)安裝可能會(huì)引起大的沉降，從而產(chǎn)生垂向問題。

基于以上考慮，防沉板作為一種功能性結(jié)構(gòu)，在渤海特殊環(huán)境條件和特殊設(shè)計(jì)要求的前提下，需要對(duì)常規(guī)防沉板進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新為下沉式防沉板，可以適當(dāng)增加防沉板的承載能力，充分發(fā)揮防沉板在導(dǎo)管架設(shè)計(jì)和安裝中的作用。

2 下沉式防沉板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)防沉板一般布置在導(dǎo)管架的底部，防沉板與泥面平齊并與最下水平層主結(jié)構(gòu)焊接，成矩形或三角形布置。下沉式防沉板是在常規(guī)防沉板的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)和創(chuàng)新，區(qū)別于常規(guī)防沉板，下沉式防沉板中心線與泥面平齊，但防沉板脫離導(dǎo)管架底層框架，不與導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)直接焊接，而是通過立柱與主結(jié)構(gòu)相連[2]，如圖1所示。

圖1 防沉板類型

兩種布置形式的防沉板的基本特點(diǎn)如表2所示[3]。

表2 兩種防沉板布置形式對(duì)比

在分析了下沉式防沉板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)渤海某油田地質(zhì)條件的特點(diǎn)，以渤海某平臺(tái)導(dǎo)管架海上安裝為例，介紹了下沉式防沉板設(shè)計(jì)思路和方法，為今后下沉式防沉板設(shè)計(jì)提供參考。

3 下沉式防沉板設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目背景

渤海某油田開發(fā)新建一座4腿導(dǎo)管架平臺(tái)，結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。導(dǎo)管架工作點(diǎn)間距為20mX18m，組塊操作重約為7100t，樁徑設(shè)計(jì)為1829mm，導(dǎo)管架安裝重量約為1230t。導(dǎo)管架平臺(tái)范圍內(nèi)海圖水深32m，防沉板設(shè)計(jì)用環(huán)境條件為，波高3.1m，周期6.0s，海流表層流速0.7m/s，中間流速0.65m/s，底層流速0.6m/s。

圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)本油田工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，防沉板設(shè)計(jì)所使用的海底表層土質(zhì)類型及參數(shù)表3如下：

表3 某海域防沉板設(shè)計(jì)土壤參數(shù)

防沉板的承載力主要依據(jù)API規(guī)范中對(duì)淺基礎(chǔ)推薦的方法分析計(jì)算，主要針對(duì)防沉板坐落在均質(zhì)海底上，對(duì)于表層土的強(qiáng)度和特征有顯著變化的情況，可考慮其他一些替代的承載力計(jì)算模式。當(dāng)防沉板放置在海底泥面處時(shí)，防沉板承載力可由下列公式表示：式中：qu為海底單位面積土壤的極限承載力，B為防沉板寬度，L為防沉板長(zhǎng)度。

3.2 下沉式防沉板設(shè)計(jì)原理

下沉式防沉板與常規(guī)防沉板設(shè)計(jì)內(nèi)容相似，根據(jù)API規(guī)范規(guī)定[4]，防沉板設(shè)計(jì)包括導(dǎo)管架安裝過程中的穩(wěn)定性校核、土壤承載力校核、防沉板和下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，其中防沉板穩(wěn)性校核又包括抗傾覆和抗滑移兩部分。防沉板設(shè)計(jì)要考慮兩種設(shè)計(jì)工況，一是靜水工況，導(dǎo)管架底部剛坐底時(shí)僅受自重的影響，安全系數(shù)不小于2.0；二是環(huán)境+自重工況，需考慮風(fēng)、浪、流和自重的聯(lián)合作用，安全系數(shù)不小于1.5[3]。

3.2.1 承載力計(jì)算

防沉板的承載力是根據(jù)土壤許用承載力與導(dǎo)管架組合應(yīng)力的比值界定，組合應(yīng)力綜合考慮軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，不能超過防沉板的極限承載力。

式中：σm為導(dǎo)管架在自重和環(huán)境荷載作用下的壓彎組合應(yīng)力，F(xiàn)z為導(dǎo)管架自重等垂向荷載，A為防沉板面積，Mx、My分別為導(dǎo)管架所受x向和y向的彎矩，Mx、My分別為防沉板x向和y向的截面模量。其中土壤單位許用承載力計(jì)算方法來自于工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，是防沉板的寬度和長(zhǎng)寬比的函數(shù)，而組合應(yīng)力在導(dǎo)管架和環(huán)境條件確定的情況下，和防沉板面積、防沉板抗彎截面模量有關(guān)，因此影響承載力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素就是防沉板的面積和幾何尺寸。要增加承載力的安全系數(shù)，可以增加防沉板面積或者增加防沉板最小截面模量。

3.2.2 抗傾覆計(jì)算

抗傾覆能力是用回復(fù)力矩和傾覆力矩的比值界定，回復(fù)力矩為導(dǎo)管架垂向荷載與垂向荷載到防沉板邊界的距離的乘積，保證導(dǎo)管架在安裝時(shí)不會(huì)因?yàn)榉€(wěn)性不足而發(fā)生傾覆。

式中：Ms為導(dǎo)管架在設(shè)計(jì)條件下的回復(fù)力矩，M0為導(dǎo)管架環(huán)境荷載引起的傾覆力矩，Hmin為導(dǎo)管架垂向荷載中心到防沉板邊緣的最小距離，即導(dǎo)管架的最小回復(fù)力臂。影響導(dǎo)管架抗傾覆能力的關(guān)鍵因素是導(dǎo)管架的重心位置到防沉板邊緣的距離，因此要提高防沉板的抗傾覆能力，可以增加防沉板的邊界尺寸，使防沉板盡量布置在導(dǎo)管架底部的外側(cè)。

3.2.3 抗滑移計(jì)算

抗滑移能力使用防沉板底部抗力和最大基底剪力的比值界定，確保導(dǎo)管架在安裝時(shí)不會(huì)發(fā)生橫向滑動(dòng)。

式中：H為失效時(shí)的水平荷載，即導(dǎo)管架的水平抗滑移力，F(xiàn)H為導(dǎo)管架在設(shè)計(jì)條件下的水平荷載，c為土壤的不排水抗剪強(qiáng)度，F(xiàn)x、Fy分別為導(dǎo)管架所受x向和y向的水平力。影響導(dǎo)管架的抗滑移能力的關(guān)鍵因素是防沉板的面積，要增加防沉板抗滑移能力，可以增加防沉板面積。

3.2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是指防沉板及下部結(jié)構(gòu)在安裝過程中滿足穩(wěn)性要求的前提下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。防沉板的承載力能力和抗傾覆、抗滑移能力，主要是和防沉板的幾何尺寸以及土壤參數(shù)相關(guān)，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是和防沉板受力大小、桿件規(guī)格、節(jié)點(diǎn)形式等有關(guān)，防沉板受力又和導(dǎo)管架自重、環(huán)境荷載以及海床基礎(chǔ)反力相關(guān)。

常規(guī)防沉板設(shè)計(jì)的控制工況通常為承載力分析工況，防沉板設(shè)計(jì)受表層土承載力的影響較大。而下沉式防沉板由于與主體框架分離，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能成為防沉板設(shè)計(jì)的控制工況，特別是導(dǎo)管架安裝重量較大的情況下，連接防沉板和主結(jié)構(gòu)的立柱的強(qiáng)度成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，增加桿件規(guī)格會(huì)導(dǎo)致用鋼量增加，又會(huì)反過來影響穩(wěn)性計(jì)算和承載力計(jì)算，因此下沉式防沉板設(shè)計(jì)是一個(gè)多因素影響的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程，強(qiáng)度與穩(wěn)性這對(duì)矛盾統(tǒng)一體指導(dǎo)著整個(gè)防沉板的設(shè)計(jì)[5]。

3.3 設(shè)計(jì)與分析結(jié)果

防沉板設(shè)計(jì)首先要考慮的是海上安裝的安全性，在安全可靠的基礎(chǔ)上盡量降低建造和施工的費(fèi)用，保證安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。根據(jù)上述對(duì)影響防沉板穩(wěn)性和承載力的關(guān)鍵因素的分析結(jié)果，確定防沉板的設(shè)計(jì)原則為要保證防沉板具有足夠大的面積，并且盡量按照對(duì)稱鋪設(shè)以及靠外鋪設(shè)[6]，以此來提高防沉板的承載力和抗傾覆、抗滑移的能力。

針對(duì)本油田的地質(zhì)資料以及平臺(tái)參數(shù)，按照常規(guī)防沉板和下沉式防沉板分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)管架計(jì)算模型

由于本平臺(tái)導(dǎo)管架重量較大，并且海底表層土質(zhì)較差，承載力較弱，常規(guī)防沉板方案為了滿足設(shè)計(jì)要求，需要設(shè)計(jì)較大的防沉板面積，中間布滿防沉板，并且在除了靠船側(cè)，均有一定的外延長(zhǎng)度，彌補(bǔ)井口區(qū)承載力較弱的問題。而下沉式防沉板可以使用泥面以下土壤進(jìn)行支撐，土壤承載力有所提高，可以通過調(diào)節(jié)立柱長(zhǎng)度選擇合適的土壤持力層，本次計(jì)算按照泥面以下0.6m深度處土壤承載力計(jì)算，按照設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出所需最小的防沉板面積，兩種方案的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 兩種防沉板形式校核結(jié)果

一般情況下，強(qiáng)度計(jì)算的是將穩(wěn)性計(jì)算中得到的各環(huán)境工況下最大載荷施加到防沉板上，跟實(shí)際相比受力過大，偏于保守，特別是對(duì)于下沉式防沉板相對(duì)獨(dú)立，脫離了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)框架導(dǎo)致剛度相對(duì)較弱，連接節(jié)點(diǎn)較多，受力較復(fù)雜。因此，下沉式防沉板強(qiáng)度計(jì)算改變以往的反力加載模式，可以按照抵消設(shè)計(jì)環(huán)境力的實(shí)際受力加載，通過約束導(dǎo)管架底部水平位移，在防沉板底部施加彈簧，模擬海底泥面的剛度，使防沉板在環(huán)境和導(dǎo)管架自重的作用下真實(shí)受力，這種方法可以極大減小防沉板受力。

將平臺(tái)所受最大載荷用反力均布加載到防沉板上，如表5所示。經(jīng)計(jì)算可以看出結(jié)構(gòu)最大UC值1.1，位于連接防沉板和主結(jié)構(gòu)的立柱處，結(jié)構(gòu)需進(jìn)行加強(qiáng)，增加連接立柱壁厚后結(jié)構(gòu)最大UC值0.955，可以滿足強(qiáng)度要求。按照實(shí)際荷載施加校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)最大UC值0.755，結(jié)構(gòu)受力明顯降低，可以滿足規(guī)范要求，二者計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

表5 防沉板組合工況及自重工況受力計(jì)算結(jié)果

圖4 兩種加載模式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論及建議

以渤海某油田開發(fā)為例，針對(duì)渤海海底表層土壤承載力較弱的海域，從設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法上對(duì)下沉式防沉板進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，并與常規(guī)防沉板方案進(jìn)行了對(duì)比，可以看出：

（1）土質(zhì)較差的海域常規(guī)防沉板適用性較差。如果一味增大防沉板面積不僅會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)，而且會(huì)增加導(dǎo)管架的安裝重量，限制施工資源選型，較大的外延長(zhǎng)度還會(huì)影響鉆井船的就位等等；

（2）采用下沉式防沉板可以很好地解決表層土承載力差的問題。通過防沉板下沉來增加防沉板的承載能力，既可以增加防沉板的安全余量，保證對(duì)導(dǎo)管架的坐底安全，又可以減小防沉板面積，實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一；

（3）下沉式防沉板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要特別關(guān)注，并且采用近似實(shí)際受力的載荷模擬方法可以減小防沉板受力。

綜上所述，下沉式防沉板能夠更好地適應(yīng)渤海特殊的地質(zhì)條件，滿足特殊的設(shè)計(jì)要求，在新油田開發(fā)中可以更充分發(fā)揮防沉板在導(dǎo)管架設(shè)計(jì)和安裝中的作用。