孟 迪

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457）

筒型基礎(chǔ)在邊際油田的最新應(yīng)用研究

孟 迪

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457）

筒型基礎(chǔ)作為一種新型錨泊和基礎(chǔ)形式，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)性。文章介紹了筒型基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用情況，并針對(duì)筒型基礎(chǔ)在人工島應(yīng)用中承載力分析和氣浮拖航等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。模型試驗(yàn)和計(jì)算分析的結(jié)果表明：筒型基礎(chǔ)的承載力滿(mǎn)足要求，拖航穩(wěn)性很好，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

筒型基礎(chǔ)；邊際油田；人工島；應(yīng)用

0 引言

一般來(lái)講，近海油田開(kāi)發(fā)的地面工程投資占整個(gè)油田各種投資總和的1/3～1/2，甚至更多。對(duì)于邊際油氣田來(lái)講，雖然投資總量相對(duì)整裝油田要小，但邊際油氣田的效益對(duì)投資變化更敏感。從某種意義上可以說(shuō)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(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)。因此，對(duì)近海邊際油氣田開(kāi)發(fā)的地面工程關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，找到有針對(duì)性的降低投資的技術(shù)，其意義是十分重大的。

筒型基礎(chǔ)作為一種新型錨泊和基礎(chǔ)形式，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)性。筒型基礎(chǔ)適用于各種非巖性土，作為平臺(tái)的基礎(chǔ)，其工作水深具有較大的范圍，從7m到目前現(xiàn)有平臺(tái)已達(dá)到近100m，我國(guó)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(chǔ)，適用水深范圍更加廣泛。因此，筒型基礎(chǔ)的研究直接關(guān)系到邊際油田的開(kāi)發(fā)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海洋石油工業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。

1 筒型基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例

1.1 筒型基礎(chǔ)在國(guó)外的應(yīng)用情況

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式雖然有些區(qū)別，但基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(dǎo)流下沉法和泵吸下沉法。其中第三種方法是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外筒型基礎(chǔ)普遍采用的方法。對(duì)采用泵吸下沉法的筒型基礎(chǔ)的研究起源于20世紀(jì)50年代，其最初被應(yīng)用于系泊的吸力錨樁，在很多錨泊系統(tǒng)中得到成功運(yùn)用，所以又稱(chēng)為吸力錨。

1958年，Mackereth第一個(gè)成功使用了負(fù)壓，在英國(guó)某湖泊的軟泥湖床上采集土樣時(shí)使用吸力錨錨定取心器。上世紀(jì)60至70年代，各國(guó)學(xué)者對(duì)吸力錨進(jìn)行了大量研究，對(duì)其各項(xiàng)性能的測(cè)試也逐步由試驗(yàn)室發(fā)展到海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1-3]。

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

采用壓力差下沉的筒型基礎(chǔ)海上平臺(tái)在20世紀(jì)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(yīng)用大型混凝土吸力錨固定張力腿平臺(tái)，這也是筒型基礎(chǔ)第一次應(yīng)用于鉆采平臺(tái)基礎(chǔ)[5]。

1994年7月，壓力差下沉式筒型基礎(chǔ)第一次被成功用作大型導(dǎo)管架生產(chǎn)平臺(tái)Europipe 16/11-E的基礎(chǔ)，此筒基平臺(tái)開(kāi)創(chuàng)了平臺(tái)基礎(chǔ)工程技術(shù)的新時(shí)代，為海上油田的開(kāi)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(chǔ)導(dǎo)管架平臺(tái)Sleipner Vest SLT投產(chǎn)[7]。

1.2 筒型基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況

我國(guó)最早的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，采用射水下沉法。中海油最早的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)是1970年設(shè)計(jì)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(tái)的下沉和上浮設(shè)計(jì)是成功的。此后，由于某些原因，筒型基礎(chǔ)在我國(guó)的應(yīng)用出現(xiàn)了一段時(shí)間的沉寂。直到20世紀(jì)90年代中期，歐洲北海又設(shè)計(jì)建造了兩座采用泵吸下沉法的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)，迅速發(fā)展的筒型基礎(chǔ)技術(shù)也引起了國(guó)內(nèi)海洋工程界的重視。我國(guó)海洋工程技術(shù)人員在總結(jié)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究現(xiàn)代技術(shù)，并與有關(guān)單位合作，使筒型基礎(chǔ)在我國(guó)現(xiàn)階段有了以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。

1.2.1 用于延長(zhǎng)測(cè)試油輪的系泊或單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的基礎(chǔ)

1994年7月我國(guó)首例吸力錨成功應(yīng)用于曹妃甸1-6-1油田延長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)測(cè)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(diǎn)系泊和FPSO系泊的吸力錨。

1.2.2 作為海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

1999年9月，在渤海錦州9-3油田，兩座三筒獨(dú)柱的筒型基礎(chǔ)系纜平臺(tái)成功安裝，實(shí)現(xiàn)了壓力差下沉式筒型基礎(chǔ)平臺(tái)在我國(guó)的首次應(yīng)用[8]。此平臺(tái)采用了直徑6 m、高9 m的筒基，平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量為239 t，在平臺(tái)安裝前成功地進(jìn)行了海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)自浮拖航試驗(yàn)和沉放/回收試驗(yàn)，為最終實(shí)現(xiàn)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)海上自安裝提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。與20世紀(jì)70年代初我國(guó)的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)相比，跨越30年的這兩次應(yīng)用在技術(shù)上已有很大不同，最突出的就是下沉技術(shù)。早期的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)采用沖排泥下沉技術(shù)，這種技術(shù)在下沉過(guò)程中破壞了筒周?chē)耐?，使筒周?chē)耐猎诙虝r(shí)間內(nèi)的承載力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因而使平臺(tái)存在安全隱患?，F(xiàn)在的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)采用的是利用抽吸產(chǎn)生筒內(nèi)外壓力差來(lái)下沉的技術(shù)，這種技術(shù)在下沉中對(duì)土的干擾極小，因而在安裝后可以很快獲得設(shè)計(jì)要求的承載能力。

2007年，在曹妃甸18-1油田總體開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中，鑒于該油田儲(chǔ)量規(guī)模較小，為降低工程投資，規(guī)避油藏風(fēng)險(xiǎn)，采用了一座單層甲板的三筒基簡(jiǎn)易井口平臺(tái)。該平臺(tái)是我國(guó)第一座帶井口的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)。

1.2.3 作為自升式平臺(tái)的沉墊阻滑樁

1995年 “自強(qiáng)號(hào)”沉墊自升式平臺(tái)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(hào)”沉墊自升式平臺(tái)的4根阻滑樁改造設(shè)計(jì)，并完成安裝使用[9]。

2 筒型基礎(chǔ)在人工島的應(yīng)用研究

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

針對(duì)上面的技術(shù)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(chǔ)、島體和上部模塊，見(jiàn)圖1。同時(shí)，人工島基礎(chǔ)是整個(gè)設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)計(jì)要求：承載力滿(mǎn)足要求，可自安裝，可搬遷，本研究項(xiàng)目最終選取了筒型基礎(chǔ)，但我們進(jìn)行了創(chuàng)新，設(shè)計(jì)成了基盤(pán)組合式筒型基礎(chǔ)。該筒型基礎(chǔ)包括6個(gè)吸力錨，其上部由6塊T形截面的弧形梁式裙板和數(shù)個(gè)加強(qiáng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

2.1 承載力分析

筒型基礎(chǔ)承載力的實(shí)質(zhì)是筒基與海底土質(zhì)相互作用的問(wèn)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(fēng)、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(xiàng)目關(guān)于水平承載力和垂直承載力的計(jì)算采用塑性極限法，分別計(jì)算黏土和砂土中筒型基礎(chǔ)的承載力，然后把兩部分結(jié)果相加作為總的承載力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 承載力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，安全系數(shù)均大于1.5，筒型基礎(chǔ)的承載力滿(mǎn)足強(qiáng)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(jìn)行承載力校核，見(jiàn)圖3。

通過(guò)有限元模型計(jì)算分析，各層土的剪應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，因此該筒型基礎(chǔ)的承載力滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖3 基礎(chǔ)有限元模型

2.2 拖航分析

本研究項(xiàng)目中的筒型基礎(chǔ)采用氣浮拖航的方式拖至施工地點(diǎn)，拖航方案中設(shè)計(jì)了3條拖輪，分別是主拖輪、跟拖輪和護(hù)航拖輪，見(jiàn)圖4。

圖4 拖航方案

人工島的基礎(chǔ)是由六個(gè)吸力錨組成的基盤(pán)組合式筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，拖航過(guò)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(duì)拖航過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.2.1 水池試驗(yàn)

筒型基礎(chǔ)由于充氣使其浮體運(yùn)動(dòng)性能十分復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)和阻力的估算目前還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)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(chǔ)在拖航過(guò)程中存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)研究的目的是驗(yàn)證分析基礎(chǔ)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(dǎo)。該模型的尺度比為1∶20，見(jiàn)圖5。

圖5 水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2.2 穩(wěn)性分析

筒型基礎(chǔ)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(kāi)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(guò)調(diào)節(jié)筒內(nèi)的充氣量進(jìn)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(dāng)于支撐于水彈簧上，而氣浮體相當(dāng)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(dú)立的水彈簧彈性剛度，說(shuō)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(dòng)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(dòng)力效應(yīng)。

2.2.3 分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，得出基礎(chǔ)氣浮拖航的主要結(jié)論如下：

（1）拖航穩(wěn)性很好，完全滿(mǎn)足規(guī)范要求，風(fēng)引起的風(fēng)傾角很小，六級(jí)以下的風(fēng)引起的風(fēng)傾角可忽略不計(jì)。

（2）當(dāng)波長(zhǎng)接近或等于裝置基礎(chǔ)直徑63 m時(shí)，引起的運(yùn)動(dòng)最為劇烈，運(yùn)動(dòng)幅值最大。

（3）吸力錨筒內(nèi)靜態(tài)壓力為126.5 kPa，動(dòng)壓力最大值為4.5 kPa，最大動(dòng)壓力占筒內(nèi)靜壓力3.5%左右，動(dòng)壓力的變化對(duì)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(shí)，其對(duì)應(yīng)的搖擺角均小于臨界漏氣角，如表2所示，因此，該筒型基礎(chǔ)在氣浮拖航過(guò)程中是不會(huì)漏氣的。

表2 搖擺角與臨界漏氣角的比較

3 結(jié)束語(yǔ)

筒型基礎(chǔ)顯著的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)受到海洋工程界的廣泛關(guān)注。筒型基礎(chǔ)在我國(guó)渤海海域邊際油田的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還處于起步階段，還沒(méi)有形成完備的設(shè)計(jì)規(guī)范。要將筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為渤海邊際油田開(kāi)發(fā)的一種模式，進(jìn)行批量建造，廣泛應(yīng)用于邊際油田開(kāi)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(xué)，現(xiàn)主要從事海上油氣田開(kāi)發(fā)的相關(guān)工作。

2011-08-27；

2012-07-02