水下生產系統防沉板基礎分析

2012-01-22 10:29:24,

船海工程 2012年4期

(中海石油研究中心，北京 100027)

世界上已經投產的深水和超深水氣田，其主要開發工程模式是通過水下井口回接的方式進行開采。使用水下生產技術可以避免建造昂貴的海上采油平臺，從而節省大量建設投資，并且水下生產系統受災害天氣影響較小，可靠性強，費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鍵設施之一。水下生產系統以其顯著的技術優勢、可觀的經濟效益得到各大石油公司的廣泛關注和應用[1-2]。

水下生產系統包括水下井口設備、采油樹、管匯、基盤、控制系統、臍帶管、管線、增壓系統和水下處理系統等。目前發達國家水下生產技術已較為成熟，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用。我國水下生產系統的設計、建造和安裝尚處于起步階段，工程經驗缺乏，技術儲備較少，同國外相比差距很大，這一現狀影響了我國深海油氣資源的開發，開展水下生產技術的研究對我國未來深水油氣田的開發十分及時和必要[3-5]。

1 水下生產系統基礎

1)防沉板。防沉板具有結構簡單、安裝方便、重量輕等優點，尺寸由土質條件決定。對于較軟的土壤，防沉板必須很大，但過大的防沉板會影響安裝。為增大防沉板的穩定性，減小外形尺寸，通常為防沉板增加裙板，見圖1。

圖1 防沉板基礎示意

2)吸力樁。吸力樁與常規樁相比，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的水，使用樁外部的靜水壓力和樁內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，對于軟粘土海底最為適合。最近幾年，對于大型的管匯結構吸力樁的可靠性已經得到了證明，并且有了有效的安裝方法。隨著吸力樁技術的日趨成熟，越來越多的水下生產系統使用此種基礎固定于海底[6]，見圖2。

圖2 吸力樁基礎示意

3)樁。傳統基礎形式，但作為深水管匯的基礎，安裝工期長，費用大。對于深水水下結構，樁基礎由于安裝的費用和施工難度等問題存在著很多局限性，因此深水水下設施基礎的未來發展趨勢將是吸力式和防沉板式。

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

表1 水下基礎選擇

2 防沉板基礎設計

設計水下生產系統基礎時要求土體能夠支撐坐落在它上面的結構及荷載而不發生剪切破壞，由此引起的沉降對結構也應是允許的。防沉板屬于淺基礎，將載荷分布到海床上，以減小結構的沉降，海底條件會影響管匯結構及基礎的設計。防沉板是永久性基礎結構，一般設有裙板，用于穿透海底，提供橫向抗剪強度并防止沖刷。而整體滑移的管道終端，即結構框架隨防沉板一起滑動，其基礎則不設置裙板。

2.1 設計原則

防沉板的設計要考慮穩定性、沉降以及與相鄰結構的相互作用等因素，所遵循的主要標準為API RP 2A和ISO 13628-1。根據所在海域的環境條件、土壤數據、外部荷載及結構自身重力等，獲得相關荷載，進行結構設計。其尺寸的確定主要基于上部的水下生產設備特性和土的強度指標。

2.2 承載力

根據操作工況分析得出的結構荷載校核土壤的承載能力，計算結果需滿足API RP 2A中承載力破壞模式下2倍安全系數的規定，基礎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；

Fcd,Fqd,Fγd——深度系數；

Fci,Fqi,Fγi——傾斜系數；

γ——土壤重度；

Ae——基礎有效面積。

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，即需要減小基礎的有效面積。

2.3 滑移

對于滑移分析，需滿足API RP 2A中水平兩個方向安全系數均大于1.5的規定。

(2)

式中：FHF——水平破壞荷載；

F——結構水平方向的外載荷。

2.4 沉降

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

(3)

式中：Q0——基底接觸壓力；

α——對沉降產生影響的角點數目；

ν——土體泊松比；

Fγd——深度系數；

Fγs——形狀系數；

Es——土體彈性模量。

固結沉降是土體排水產生的結果，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；

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

對基礎的抗扭分析要求其水平兩個方向安全系數FOS均大于2.0，見公式(5)。表明基礎即裙板有足夠的能力保持結構不會發生轉動，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——被動土壓力；

Ae，Le,Be——有效抗扭面積、長度及寬度；

M——扭轉力矩。

2.6 裙板的貫入深度

計算裙板貫入阻力Qd，以確定裙板到達泥面下貫入深度。

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(6)

式中：Qf——側摩阻力；

Qp——端部阻力；

F——單位側摩阻力；

Ae——裙板側表面積；

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，但要確保不會導致基礎的損壞。

3 防沉板設計實例

我國南海某水深300 m油田開發，采用中心管匯+叢式井的水下生產系統。水下管匯結構主要由管匯模塊支撐結構和基礎組成。在裝卸、運輸、安裝、回收及其它操作期間，框架結構為管匯提供支撐和防護，其操作期間外部荷載主要為海管和跨接管的膨脹力，環境荷載僅占很小的比例。

根據土質條件，基礎選擇帶裙板的防沉板形式，并將管匯支撐結構與防沉板基礎設計為一體，整個結構主尺度為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規范，考慮了底流的影響，對防沉板基礎的承載力、沉降、滑移，抗扭等情況進行計算分析，見表2～6。