初新杰

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266003;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017)

海上桶形基礎(chǔ)平臺(tái)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的海上新型采油平臺(tái)[1],利用平臺(tái)自重將桶體插入海底一定深度,形成封閉的空間,利用負(fù)壓技術(shù)將桶體貫入海底預(yù)定深度,使其承受水壓力,并且可以通過向桶內(nèi)加壓使桶體從地基中拔出,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)移位和重復(fù)使用[2-3]。

桶形基礎(chǔ)平臺(tái)用桶形淺基礎(chǔ)代替了傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基深基礎(chǔ),利用負(fù)壓方法進(jìn)行海上沉貫安裝,降低了鋼材用量,避免了打樁、接樁等繁重的海上作業(yè),縮短了施工時(shí)間,從而降低了施工費(fèi)用,節(jié)省了平臺(tái)投資[4-5]。

在渤海遼東灣海域應(yīng)用桶形基礎(chǔ)平臺(tái),需要克服水淺、可用負(fù)壓小、地基表層軟弱、海底沖淘等影響,保證平臺(tái)能夠“下得去”和“穩(wěn)得住”。在平臺(tái)沉貫安裝過程中,桶內(nèi)土體隆起升高,桶頂高出泥面,海底地基沖淘嚴(yán)重,需要采取措施提高平臺(tái)的站立穩(wěn)定性。同時(shí),在沉貫安裝過程中,桶形基礎(chǔ)入泥一定深度后僅依靠浮吊已無法調(diào)整平臺(tái)的傾斜角,傾斜控制困難,必須在沉貫的整個(gè)過程中設(shè)法控制平臺(tái)的整體傾斜角,保證桶形基礎(chǔ)平臺(tái)能夠平穩(wěn)、順利地沉貫至預(yù)定深度[3]。平臺(tái)整體沉貫傾斜控制和平臺(tái)基礎(chǔ)防沖淘成為制約桶形基礎(chǔ)平臺(tái)在渤海遼東灣海域應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

為了確保桶形淺基礎(chǔ)平臺(tái)能在渤海遼東灣順利安裝,開展了負(fù)壓安裝技術(shù)研究,制定了預(yù)挖坑方案,設(shè)計(jì)了負(fù)壓沉貫施工泵組模塊,并應(yīng)用于JZ9-3W桶形基礎(chǔ)平臺(tái)的海上安裝。

1 JZ 9-3W平臺(tái)項(xiàng)目概況

1.1 遼東灣北部海域水文地質(zhì)概況

遼東灣北部海域沿岸有四大河流垂岸分布,區(qū)域海流是遼東灣海流系統(tǒng)的一部分,主要由潮流、沖淡水流和風(fēng)海流組成[6]。其中潮流占絕對優(yōu)勢,屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)。全年平均風(fēng)速為4.3m/s,平均風(fēng)速5月份最大(為5.3m/s),7月和9月最小(為3.4m/s),常風(fēng)向?yàn)镾SW,頻率為22%。波浪以風(fēng)浪為主,主要出現(xiàn)在春秋兩季,春季為WS向,秋季為NNE向。大、小潮漲潮平均流速分別為0.815m/s和0.62 m/s,落潮平均流速分別為 0.789 m/s和0.677m/s。

遼東灣北部現(xiàn)代沉積主要受遼河三角洲的發(fā)育過程影響,淺部地層的分布和性質(zhì)隨沉積環(huán)境的不同有顯著變化。近年來的調(diào)查資料表明,潮道和淺海表層沉積物為流態(tài)-流塑狀態(tài)的淤泥、淤泥質(zhì)土。潮灘沉積物為新形成的覆蓋于淺海-潮道淤泥質(zhì)土上的粉土、粉砂、砂質(zhì)粉土;新近潮灘沉積物的力學(xué)強(qiáng)度比蓋州灘(經(jīng)過波浪簸選)的強(qiáng)度低。遼東灣北部海域主要的災(zāi)害性地質(zhì)因素為埋藏潮道、淺層氣、潮道潮灘的快速蝕淤變化,表層軟弱淤泥質(zhì)土、構(gòu)筑物在波浪潮流作用下的沖刷淘蝕,以及循環(huán)荷載作用下構(gòu)筑物振動(dòng)造成的粉土液化等[7]。

1.2 擬建JZ9-3W平臺(tái)概況

JZ9-3西油田位于渤海遼東灣北部海域,東經(jīng)121°24'～ 121°37',北緯 40°38' ～ 40°42' 。油田西距遼寧省葫蘆島市約53km,東北距遼河平原海岸最短距離約15km。擬建JZ9-3W平臺(tái)井位區(qū)域水深為8m,淺層土設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 JZ9-3W平臺(tái)淺層土設(shè)計(jì)參數(shù)

JZ9-3W擬建平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)為桶形基礎(chǔ)的導(dǎo)管架,設(shè)有桶基3個(gè)(成等邊三角形分布),桶基中心距離為22.8m,桶基之間由箱型梁連接。平臺(tái)上部組塊與下部結(jié)構(gòu)之間采用1根直徑為1.829m的主立柱連接,主立柱周圍設(shè)置4根直徑為0.61mm的護(hù)管,形成復(fù)合柱結(jié)構(gòu)。桶體高9m,復(fù)合柱下方的大桶直徑為7.0m,其余2個(gè)小桶的直徑為6.0m。在復(fù)合柱的水線區(qū)設(shè)有正倒錐組合體抗冰。下部結(jié)構(gòu)和復(fù)合柱構(gòu)成平臺(tái)的下部模塊。JZ9-3W平臺(tái)總高度為25.72m,總質(zhì)量約為37.8t。平臺(tái)3D模擬見圖1。

2 沉貫技術(shù)思路

2.1 自重正壓沉貫

圖1 JZ9-3W平臺(tái)3D模擬圖

平臺(tái)陸地建造完成后吊裝至駁船,由拖輪將駁船拖至預(yù)定井位,用浮吊定位,將平臺(tái)整體吊起放入水中,開始自重沉貫過程。此時(shí),平臺(tái)沉貫動(dòng)力T來源于平臺(tái)在水中受地心的引力G′,沉貫阻力R為桶端阻力Q與桶壁側(cè)摩阻力F之和。

當(dāng)T＞R時(shí),平臺(tái)依靠自重沉貫入泥一定深度;當(dāng)T=R時(shí),平臺(tái)處于等速沉貫狀態(tài)。隨著入泥深度的增加,沉貫阻力逐漸增加,但沉貫動(dòng)力基本不變,T＜R時(shí)平臺(tái)不能繼續(xù)沉貫,自重正壓沉貫結(jié)束。

2.2 負(fù)壓沉貫

為了使桶形基礎(chǔ)沉貫到預(yù)定深度,可采取2種措施:一是增大沉貫動(dòng)力,二是減小沉貫阻力。

2.2.1 負(fù)壓作用下的沉貫動(dòng)力分析

桶體在重力作用下入泥一定深度時(shí),如果利用抽吸泵從桶體內(nèi)向桶體外抽水,使桶體內(nèi)壓力降低,導(dǎo)致桶頂蓋的上下存在壓差,從而產(chǎn)生平臺(tái)附加沉貫動(dòng)力:

式中:P為負(fù)壓產(chǎn)生的附加沉貫動(dòng)力;Ai蓋為第i個(gè)桶的桶頂有效面積;Δpi為第i個(gè)桶的內(nèi)外壓差,主要指桶頂蓋上下壓差;pi頂蓋上部為第i個(gè)桶的桶頂蓋上部壓力,即桶頂處的海水壓力;pi頂蓋下部為第i個(gè)桶的桶頂蓋下部壓力,即桶體內(nèi)壓力。

維持pi頂蓋下部不變時(shí),Δpi和P隨水深的增加而增加;桶頂與水面的距離不變時(shí),增加抽吸能力,使pi頂蓋下部減小 ,Δpi和P隨pi頂蓋下部的減小而增大。

因此,利用抽吸泵從桶體內(nèi)向桶體外抽水可以增大T。

2.2.2 負(fù)壓作用下沉貫阻力分析

平臺(tái)的沉貫阻力包括土體對桶體的側(cè)摩阻力和端阻力兩部分。負(fù)壓作用下,桶體外的壓力大于桶體內(nèi)的壓力,使土壤地基中的孔隙水由桶體外向桶體內(nèi)滲流。由于桶壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生向上的滲流,使桶體裙端處的孔隙水滲流梯度最大,并使桶內(nèi)土體的有效應(yīng)力減小[8]。因此,作用于桶體的單位面積側(cè)摩阻力減小、單位面積裙端阻力顯著減小。

沉貫阻力計(jì)算公式如下:

式中:Ai側(cè),Ai端分別為第i個(gè)桶的側(cè)壁入泥面積和裙端面積;fi,qi分別為第i個(gè)桶的單位面積側(cè)摩阻力和單位面積裙端阻力。

在桶內(nèi)負(fù)壓作用下,孔隙水的滲流造成fi和qi減小,Ai端為不變值,即 ∑(qiAi端)減小;如果入泥深度相等,∑(fiAi側(cè))減小。因此,利用抽吸泵從桶體內(nèi)向桶體外抽水可以減小R。

2.2.3 負(fù)壓作用下的沉貫綜合分析

桶形淺基礎(chǔ)平臺(tái)在負(fù)壓沉貫安裝過程中桶體的沉貫速度一般不大,忽略加速度的影響,因此沉貫阻力約等于沉貫動(dòng)力[9]。即

將式(2)(4)代入式(5)得

表層為軟粉質(zhì)黏土地基淺水區(qū)的G′隨桶基入泥深度變化較小,可假定G′為定值。在桶內(nèi)負(fù)壓作用下,Ai端和G′為定值,隨著 Δpi的增大,式(6)等號左邊的值增大;孔隙水的流動(dòng)造成fi和qi減小,Ai蓋和Ai端為不變值,∑qiAi端減小,因此式(6)等號右邊的項(xiàng) ∑(fiAi側(cè))隨著 Δpi的增大而增大;又因?yàn)閒i在減小,所以Ai側(cè)隨著 Δpi的增大而增大。以上分析表明:隨著Δpi的增大,桶基的入泥深度必然增加。所以,通過選擇合適的抽吸泵,提供平臺(tái)沉貫所需要的桶體內(nèi)外壓差,可以使桶形基礎(chǔ)沉貫到預(yù)定的深度。

在淺水區(qū)由于水深較小,能利用的pi頂蓋上部最大值約為海底的海水壓力;如果在海底預(yù)挖坑深度為h1,則能利用的pi頂蓋上部最大值約增加h1高度海水產(chǎn)生的水壓力。因此,在泵組一定的情況下,預(yù)挖坑方案能夠增加平臺(tái)的沉貫動(dòng)力,從而使平臺(tái)沉貫深度明顯增加。

2.3 平臺(tái)整體傾斜調(diào)整

平臺(tái)各桶入泥深度不等會(huì)造成平臺(tái)整體傾斜,傾斜角超過允許值時(shí)需及時(shí)調(diào)整。在自重沉貫階段,依靠浮吊的扶正作用可保證平臺(tái)整體傾斜控制在允許范圍內(nèi);在負(fù)壓沉貫階段,通過調(diào)整抽吸泵的出水速度,改變各桶的內(nèi)外壓差,可以改變各桶的沉貫速度,從而調(diào)節(jié)各桶的入泥深度,達(dá)到調(diào)整平臺(tái)整體傾斜角的目的。

2.4 平臺(tái)基礎(chǔ)防沖淘

潮流流經(jīng)平臺(tái)時(shí)原始流態(tài)將會(huì)改變,這種改變會(huì)引起泥沙的劇烈運(yùn)動(dòng),海床隨之發(fā)生變化,形成沖刷坑,降低平臺(tái)作業(yè)的穩(wěn)定性。同時(shí),在平臺(tái)沉貫安裝過程中,桶壁、內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)外壓差都會(huì)引起桶內(nèi)土體隆起升高,導(dǎo)致桶頂高出海底泥面,加劇局部海底地基的沖淘。因此,必須采取措施使桶形基礎(chǔ)的頂部貫入到海底泥面以下一定深度,提高平臺(tái)站立的穩(wěn)定性。如果在平臺(tái)沉貫區(qū)域預(yù)挖基槽,使平臺(tái)的桶形基礎(chǔ)全部埋入海底泥面以下,由于泥面以上立柱的直徑比較小,對于上部立柱沖刷范圍在0.75倍直徑范圍左右,該范圍處于桶基頂部半徑以內(nèi),不會(huì)影響到桶基的穩(wěn)定性,可以從根本上避免海底地基沖淘對桶形基礎(chǔ)平臺(tái)的影響。

3 室內(nèi)物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

加工制作了1個(gè)鋼質(zhì)桶形基礎(chǔ)單桶模型,桶高為0.45m,桶直徑為0.3m,桶側(cè)壁厚為0.005m,桶頂蓋厚度為0.01m,總質(zhì)量為220kg。

根據(jù)遼東灣北部海域淺層典型工程地質(zhì)條件配置了試驗(yàn)地基。地基參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)地基參數(shù)

3.2 靜力壓貫/負(fù)壓沉貫對比試驗(yàn)

3.2.1 靜力壓貫試驗(yàn)

在試驗(yàn)地基中進(jìn)行靜力壓貫試驗(yàn),試驗(yàn)水深為0.5m。首先,單桶模型在自身所受重力的作用下沉貫入泥,記錄桶體裙端的初始入泥量;然后,在桶頂部分級增加壓載塊,記錄桶體裙端的入泥量和壓載塊的質(zhì)量,直至壓載塊的總質(zhì)量達(dá)到800kg為止。

3.2.2 負(fù)壓沉貫試驗(yàn)

在桶頂板上開2個(gè)螺紋孔,分別連接負(fù)壓表和抽吸泵;在單桶模型上部附加質(zhì)量為280kg的配重塊,然后在試驗(yàn)地基中進(jìn)行負(fù)壓沉貫試驗(yàn),試驗(yàn)水深為0.5m。首先,在自重和配重作用下桶體裙端沉貫入泥,記錄桶體裙端入泥量;然后,保持配重塊質(zhì)量不變,通過抽吸泵從桶體內(nèi)部向外抽水,記錄桶體裙端入泥量和負(fù)壓值(即桶體內(nèi)外壓差)。最終,桶內(nèi)壓力達(dá)到-65.65kPa,桶體入泥深度為0.405m,此時(shí)土體充滿桶體內(nèi)部。

3.2.3 沉貫阻力對比分析

根據(jù)靜力壓貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制單桶靜力壓貫下的阻力與沉深關(guān)系曲線,根據(jù)負(fù)壓沉貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制單桶負(fù)壓沉貫下的阻力與沉深關(guān)系曲線,然后進(jìn)行沉貫阻力～沉深曲線的比較。單桶模型靜壓/負(fù)壓沉貫阻力對比曲線見圖2。

圖2 單桶模型靜壓/負(fù)壓沉貫阻力對比曲線

靜力壓貫的沉貫阻力由桶體自重和壓載塊質(zhì)量相加得到,負(fù)壓沉貫的沉貫阻力由桶體自重、壓載塊質(zhì)量和桶頂蓋上下壓差力三者相加得到(其中桶頂蓋上下壓差力由壓差與頂蓋面積相乘得到)。

從圖2可以看出,負(fù)壓作用下沉貫阻力大幅度減小,證明負(fù)壓作用具有顯著的減阻效果,利用負(fù)壓原理可以實(shí)現(xiàn)桶形基礎(chǔ)的入泥沉貫。

4 負(fù)壓沉貫技術(shù)在JZ9-3W桶基礎(chǔ)平臺(tái)的應(yīng)用

負(fù)壓沉貫技術(shù)應(yīng)用于JZ9-3W桶形基礎(chǔ)平臺(tái)的海上安裝。

4.1 抽吸泵組模塊

加工制作了3套螺桿抽吸泵組模塊(配潛海水電機(jī)),分別獨(dú)立安裝在3個(gè)鋼桶的桶頂;泵組模塊與平臺(tái)桶基之間通過橡膠軟管連接,可快速安裝和拆卸。啟動(dòng)3套抽吸泵,可分別抽吸3個(gè)桶基內(nèi)的水。為提高平臺(tái)負(fù)壓下沉施工的成功率,以防萬一,抽吸泵組在僅改變電源相位的情況下能夠反轉(zhuǎn)倒流,從而向桶內(nèi)加水,將平臺(tái)拔起。

4.2 JZ 9-3W桶基平臺(tái)沉貫設(shè)計(jì)

4.2.1 負(fù)壓沉貫技術(shù)參數(shù)

根據(jù)負(fù)壓沉貫理論分析和試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)沉貫控制負(fù)壓(即桶頂上下壓差),預(yù)測了沉貫阻力。負(fù)壓與沉深關(guān)系設(shè)計(jì)曲線見圖3,沉貫阻力～沉深關(guān)系預(yù)測曲線見圖4。

圖3、圖4中,系列1為主桶設(shè)計(jì)沉貫控制負(fù)壓和預(yù)測的沉貫阻力,系列2為輔桶設(shè)計(jì)沉貫控制負(fù)壓和預(yù)測的沉貫阻力。根據(jù)沉貫動(dòng)力略大于沉貫阻力的原則確定控制負(fù)壓參數(shù)?？刂曝?fù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算中,考慮粉質(zhì)黏土中桶裙端阻力降低30%～40%,桶壁側(cè)摩阻力降低20%～30%;粉土中桶裙端阻力降低60%～70%,桶壁側(cè)摩阻力降低30%～40%。

圖3 桶內(nèi)負(fù)壓與沉深關(guān)系設(shè)計(jì)曲線

圖4 沉貫阻力～沉深關(guān)系預(yù)測曲線

主桶最大設(shè)計(jì)負(fù)壓為110kPa,最大沉貫阻力為3998kN;輔桶最大設(shè)計(jì)負(fù)壓為55kPa,最大沉貫阻力為1705kN。

4.2.2 傾斜調(diào)整

當(dāng)平臺(tái)整體傾斜超過1°時(shí)需調(diào)整控制負(fù)壓,降低沉深較大桶的負(fù)壓,并同時(shí)提高沉深較小桶的負(fù)壓,使3個(gè)鋼桶平衡沉貫。

抽吸泵組能夠產(chǎn)生的最大桶頂上下壓差(負(fù)壓)大于160 kPa,有足夠余量實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整體傾斜調(diào)整。

4.3 陸地建造與傳感器安裝

陸地建造與傳感器安裝步驟如下:①下部模塊陸地建造完成后,吊裝到駁船上固定;②將抽吸泵組固定于平臺(tái)桶形基礎(chǔ)頂蓋上,連接好管線和電纜;③固定傾斜度儀、壓力傳感器等并進(jìn)行測試。

每個(gè)桶頂蓋的下面和上面各安裝1個(gè)壓力傳感器,兩者測得的結(jié)果相減得到各桶的內(nèi)外壓差(即負(fù)壓);傾斜度儀安裝在導(dǎo)管架的小平臺(tái)上。

4.4 基槽預(yù)開挖與自重沉貫

在桶形基礎(chǔ)平臺(tái)施工處的海底預(yù)挖基槽,基槽東西寬40m、南北長60m,槽深2.5m。采用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行挖坑施工控制,隨時(shí)跟蹤水深測量,控制挖深和坑底平整度。

由拖輪將駁船拖至預(yù)定井位,到達(dá)安裝地點(diǎn)后等待。在基槽開挖作業(yè)完成后將下部模塊從甲板駁解脫,用浮吊吊起平臺(tái)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行定位。浮吊將導(dǎo)管架從駁船上吊起后緩慢下放入水,浮吊做垂直牽拉。

桶體密封艙開閥進(jìn)水,使結(jié)構(gòu)緩慢下沉至泥面,待完全進(jìn)水后靠其自重初始入泥。箱形梁內(nèi)進(jìn)行充水壓載,導(dǎo)管架的桶體逐漸入泥3.6m以上,形成了負(fù)壓下沉的樁土密封條件。

在海底放置1個(gè)壓力傳感器,測試海底原始的水壓力;將海底水壓力值分別與各桶頂部壓力傳感器測得的壓力值相減,然后再根據(jù)該差值推算出桶體裙端的入泥深度。

4.5 負(fù)壓沉貫

通過抽吸泵從桶內(nèi)向桶外抽水,平臺(tái)在負(fù)壓作用下沉貫。記錄各桶體頂蓋的上部壓力、下部壓力以及平臺(tái)的傾斜角度等,通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示各桶體裙端入泥量、負(fù)壓值(即桶體內(nèi)外壓差)等。

通過調(diào)整抽吸泵的排量,改變各桶的下沉速度,保證平臺(tái)始終在傾斜角度1°以內(nèi)沉貫。平臺(tái)最終達(dá)到設(shè)計(jì)沉貫深度,桶頂沉至原始海底泥面之下11.2m,箱型梁頂部與自然泥面基本平齊,平臺(tái)整體傾斜小于0.6°。

分別計(jì)算不同深度處各桶的負(fù)壓沉貫阻力和靜壓沉貫阻力(即無負(fù)壓沉貫阻力),得到有、無負(fù)壓作用下各桶入泥量與沉貫阻力關(guān)系曲線(圖5)。

圖5 有、無負(fù)壓作用下各桶入泥量與沉貫阻力關(guān)系曲線

平臺(tái)沉貫的速度很小,視為等速沉貫,因此沉貫阻力約等于沉貫動(dòng)力;沉貫動(dòng)力為平臺(tái)自重在各桶的重力分量與各桶頂蓋上下壓差產(chǎn)生的附加動(dòng)力之和,由此計(jì)算得到各桶的負(fù)壓沉貫阻力。根據(jù)平臺(tái)的桶基結(jié)構(gòu)和地基資料計(jì)算靜力壓貫條件下的沉貫阻力,各桶的沉貫阻力為不同深度處各桶體的裙端阻力與側(cè)摩阻力之和,由此計(jì)算得到各桶的靜壓沉貫阻力。

由圖5得出:無負(fù)壓作用時(shí),主桶最大沉貫阻力為4903kN,輔桶最大沉貫阻力為2531kN;有負(fù)壓作用時(shí),主桶最大沉貫阻力為3591kN,輔桶最大沉貫阻力為1456kN;各桶的負(fù)壓沉貫阻力明顯小于無負(fù)壓時(shí)的沉貫阻力?？梢?負(fù)壓具有顯著的減阻效果。

5 結(jié) 語

針對遼東灣北部海域的水文地質(zhì)狀況,在負(fù)壓安裝機(jī)理研究的基礎(chǔ)上制定了桶形基礎(chǔ)防沖淘、平臺(tái)沉貫整體傾斜調(diào)整的施工方案,開展了室內(nèi)負(fù)壓沉貫與靜力壓貫試驗(yàn),設(shè)計(jì)了負(fù)壓沉貫抽吸泵組模塊,并應(yīng)用于JZ9-3W桶形基礎(chǔ)平臺(tái)的海上安裝,為在表層地基軟弱、海底沖淘嚴(yán)重的淺水區(qū)安裝桶形基礎(chǔ)平臺(tái)提供了一套可重復(fù)利用的抽吸泵組模塊和負(fù)壓安裝技術(shù)。

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