水下生產設施基礎沖刷模型試驗與數值模擬分析

于春潔 吳 非 王麗勤

(中海油研究總院 北京 100028)

水下生產設施基礎沖刷模型試驗與數值模擬分析

于春潔 吳 非 王麗勤

(中海油研究總院 北京 100028)

于春潔,吳非,王麗勤.水下生產設施基礎沖刷模型試驗與數值模擬分析[J].中國海上油氣，2017,29(4)：145-151.

YU Chunjie,WU Fei,WANG Liqin.Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):145-151.

以南海某油田水下生產設施防沉板基礎為例，采用模型試驗方法預測了水下生產設施防沉板基礎最大沖刷出現的部位與深度，并采用CFD軟件對水下生產系統的泥砂沖淤演變過程進行了模擬分析，提出了沖刷防護措施。水下生產設施基礎實際沖刷深度介于模型試驗和數值模擬折減結果之間，設計時推薦使用模型試驗值或者數值模擬與模型試驗結果的均值。本文研究結果對水下生產設施基礎的設計提供了依據。

水下生產設施基礎；沖刷；模型試驗；數值模擬；南海

沖刷是海流、波浪作用下引起的海底結構物附近搬運與挾帶泥砂的過程。不同的床質具有不同的沖刷特性，一般可分為床面自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷3種情況[1]。海洋平臺基礎、橋墩等結構物的沖刷主要是局部沖刷，因為結構物的存在會對水流產生局部阻礙與干擾，從而迫使水流在結構物前緣雍水、繞流，流速與流向的劇烈變化引起渦流和較大的床面剪應力，造成床面局部沖刷和高程的下降。

海底結構物基礎沖刷的問題最早是在20世紀60年代末由Palmer提出[2]，他現場監測了波浪與水流聯合作用下單樁周圍海底沖刷坑的形成過程與沖刷速率，得出沖刷深度遵循對數規律的結論。20世紀70年代以后，隨著基礎沖刷問題越來越引起人們的關注，國內外學者在樁基、海洋重力式基礎沖刷動力機制、沖刷過程、沖刷坑形態、沖刷深度計算以及不同底質類型對沖刷過程的影響等方面研究取得了一定的進展[3-6]。

在海洋工程中，放置在海底的水下結構物如重力錨、沉箱[7-9]、平臺基礎、水下生產設施基礎以及海底管線等對海底的流場產生了影響，復雜變化的流場對海底結構物周圍的泥砂沉積物產生擾動，導致結構物基礎周圍沖淤變化[10-11]。如果基礎周圍產生的沖刷坑過深，使基礎產生不均勻沉降，將影響結構的正常使用，甚至會引起結構安全問題并導致一系列的生產與環境問題。相關部門對USGC (U.S.Geological survey)記錄的1958—1965年和1967—1975年之間發生在墨西哥灣的管線事故進行了統計，發現管線周圍海床面的沖刷是造成事故的主要原因。因此，開展水下結構物基礎沖刷問題研究十分必要，其研究成果將為海上油氣工程開發和海底結構物安全運營提供依據。本文主要針對南海某油田水下生產設施基礎進行沖刷模型試驗，研究水下生產設施基礎的沖刷問題，并采用CFD軟件數值模擬水下生產系統的泥砂沖淤演變過程，以期對項目所在區域的施工和運營安全提供理論支持。

1 沖刷模型試驗的建立

1.1 水下生產設施基礎及環境土壤條件

南海某油田將新建1套水下生產系統，其防沉板基礎結構如圖1所示。基礎框架尺度(長×寬×高)為17.5 m ×18.0 m ×2.7 m，管匯質量25 t，裙板入泥深度0.75 m，結構總用鋼量230 t，所在海域水深140 m，浪、流主極值參數見表1，土壤參數見表2。

圖1 南海某油田水下生產設施基礎結構示意圖[12-13]Fig .1 Subsea production system foundation structure in- place figure in an oilfield of South China Sea[12-13]表1 南海某油田浪、流主極值Table 1 Main extreme of wave and current in an oilfield of South China Sea

參數數值重現期一年重現期百年最大波高/m14.220.0最大波周期/s11.413.6海床面上1m海流流速/(cm·s-1)63.780.0

表2 南海某油田土壤參數Table 2 Soil parameter in an oilfield of South China Sea

1.2 試驗場地及設備

本次試驗在長60 m、寬3 m、最大水深1.5 m的波流水槽中進行，配有不規則造波機和造流設備。試驗設計系統主要由試驗區域、儀器布置、數據測量與采集等3部分構成。為了測量在特定的工況下水下生產基礎模型結構物周圍的流場以及沖刷地形的變化，采用了多普勒流速儀采集流速數據，波高儀采集波高的變化，全站儀測量沖淤地形的變化，并經過流速采集軟件和波高采集軟件進行數據的處理。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗類型選擇

模型試驗類型包括定床模型試驗、動床模型試驗以及系列模型延伸法。定床模型試驗只能用來了解泥砂運動的現象和發展趨勢，不可能給出定量的結果。由可動的模型砂制成底床的模型為動床模型，由于模型砂的運動很難與原型砂完全相似，因此動床模型試驗結果常有一定偏差，這種偏差與模型的大小有一定的聯系，當模型大到與原型一樣時，則偏差為零。依據這一概念，可以同時制作比尺不同的系列模型，同時將原型看成是比尺為1的模型，這樣把由各種模型得出的結果順其趨勢延伸到原型，從而正確地得出沒有偏差的原型值來，這就是系列模型延伸法，這種方法被認為是一種獲得定量結果的可靠方法。因此，本次試驗采用系列模型延伸法作為模型試驗方法。1.3.2 試驗比尺設計

在海流和波浪運動中，慣性力和重力起著主導作用，所以波浪模型應遵循重力相似或弗勞德相似準則。在安裝水下生產設施基礎后，周圍的流場及波浪場由于結構物的存在將發生變化，需要對結構物周圍流場的變化進行數值計算。圖2為結構物周圍流場變化范圍數值模擬結果，可以看出，流場的變化范圍不超過0.5～1.0倍結構物橫向尺寸。試驗模擬的范圍應盡可能包括流場和波浪場的變化，模型的邊界應在波流場發生變化的范圍之外，因此模型規模就是根據上述原則確定的。

受試驗室水槽尺寸的限制，同時試驗室的硬件條件難以實現過大的模型對應的工況，所以本次沖刷物理模型試驗采用的比尺為1∶20和1∶12。基礎所在海床的表層土為松散粉砂質細砂，其中值粒徑與實際海域的最大中值粒徑0.18 mm相接近。

圖2 結構物周圍流場變化范圍數值模擬結果Fig .2 Numerical simulation result of variation range of current flow around foundation

1.3.3 試驗波浪參數設計

本次試驗采用規則波。波浪作用下的泥砂運動是一個復雜的動力過程，波浪和泥砂運動的各自相似條件很難同時滿足，試驗中的主要作用力為重力，因而相似準則遵循重力相似準則。按照斯托克斯三階波的理論進行編程，分別計算1∶20和1∶12 兩種模型比尺對應的試驗室波浪與海流環境要素，計算結果如表3所示。

表3 南海某油田海底波浪水質點最大水平運動速度Table 3 Maximum sea bottom wave water particle horizontal velocity in an oilfield of South China Sea

1.4 調試試驗

為了達到表3所列的波浪在海床附近水質點的最大水平速度，在水槽進行濾波-調流試驗。試驗中采用多普勒流速儀測量近底水流流速與沖刷試驗區域近底波浪水質點軌跡速度，從而確定試驗所需的波流要素。在原始的水位、流速、波要素全部調整完畢后，再安置基礎模型。模型砂要經水浸泡數日，直至模型砂達到自然密實狀態，再對模型砂床面進行整平，使之與模型底面齊平。上述工作完成以后，即開始進行試驗。1.5 試驗工況組合

每種模型試驗工況分別為操作工況(即一年波一年流)和極端工況(即百年波百年流)，對于極端工況進行了模型長邊與水流流向為0°、45°兩種情況沖刷試驗，共計6種試驗組合工況，如表4所示。

表4 南海某油田水下生產設施基礎沖刷試驗組合工況Table 4 Experimental combination condition in an oilfield of South China Sea

2 沖刷模型試驗

2.1 試驗步驟

1) 將制備好的砂樣抹平，加水至試驗水深。

2) 將試驗設計波要素輸入計算機，啟動造波和造流裝置，開始進行沖刷試驗。

3) 沖刷試驗過程中采用水下攝像機觀測沖刷過程的發展，并且通過攝像機觀測沖刷坑是否達到沖刷平衡狀態。沖刷平衡是一種動態平衡，是指落入沖刷坑內的泥砂與坑內被水流帶走的泥砂相等的一種狀態。參考其他試驗達到沖刷平衡時間，并且根據項目的實際情況，得出沖刷進行4～5 h便能達到沖刷平衡狀態；達到沖刷平衡后，沖刷深度將不會隨著時間的增加而增大。

4) 待沖刷達到沖刷平衡狀態以后，為避免對沖刷的地形造成影響，將水緩緩地放掉。

5) 將基礎模型取出，用全站儀對沖刷后的地形進行測量。測量地形采用的是斷面法，根據所測量管匯的具體尺寸布置地形測量斷面，并得到沖刷試驗的最終地形資料。

2.2 試驗結果與分析

根據全站儀測量得到的結構物周圍局部沖刷深度數據，繪制A1、A2、A3工況下基礎結構物周圍高程變化示意圖(圖3)。

圖3 A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產設施基礎周圍高程變化示意圖Fig .3 Subsea production system foundation structure elevation variation figure on condition A1,A2,A3 in an oilfield of South China Sea

對于工況A1和A2,沖刷首先從結構迎流面的2個尖角處發生，然后逐步向內側發展。基礎結構的迎流面出現嚴重的沖刷，2個尖角處沖刷坑最深，最大深度分別為3.5、4.9 cm。在基礎結構迎流面兩側，與迎流面約成45°角出現2條很明顯的沖刷坑，沖刷坑的寬度與結構的高度相當，沖刷深度范圍為2～4 cm。在形成的2條沖刷坑的內側，基礎結構的兩側形成淤積區域，淤積厚度最高分別為3.6、5.2 cm。背流面開口處出現1個沖刷坑，沖刷深度分別約為1.6、2.7 cm。工況A2開口處以外范圍出現淤積，淤積厚度最高為1.7 cm，基礎結構后部背流面的2個尖角略有沖刷產生，沖刷深度為0.3～2.8 cm。床面出現明顯的砂紋，波高約為2～3 cm，波長約為7～12 cm。形成原因是水流流過基礎保護結構時，在開口處流速較大，開口處以外范圍略有淤積。

對于工況A3，迎流面尖角與側面的2個尖角處為沖刷最嚴重的區域，沖刷坑深度最深為3.3 cm，側面前角沖刷坑深度最深為4.2 cm，側面后角沖刷坑最深為2.7 cm。基礎結構迎流面的2個側邊周圍有明顯的沖刷，沖刷坑范圍為2～3 cm。在基礎結構背流面長邊開口處區域有沖刷坑產生，沖刷區域順流向發展，開口處沖刷坑最深為2.7 cm。背流面短邊開口處有沖刷坑，最深為2.3 cm，范圍為開口范圍的大小。基礎結構長邊背流側有明顯的淤積現象，淤積最厚為3.1 cm。基礎結構短邊背流面有淤積現象，順水流方向發展，淤積厚度最高為3 cm。

對于沖刷模型試驗，地形高程的測量點是根據基礎結構物周圍的沖淤形態進行了加密，6個工況的最大沖刷深度試驗結果見表5，最大沖刷深度均發生在迎流面尖角處。

表5 南海某油田水下生產設施基礎6組試驗的最大沖刷深度Table 5 Maximum scour depth of 6 groups of experiments of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

2.3 沖刷深度預測

根據文獻[3]得知沖刷深度符合對數規律，將A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產設施基礎的物理模型沖刷試驗數據繪制成曲線(圖4)，進行對數延伸得到水下生產設施基礎原型的沖刷深度數據。

圖4 A1、A2、A3工況下南海某油田水下生產設施基礎模型沖刷試驗結果Fig .4 Model test results of scour on condition A1,A2,A3 of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

根據1∶20和1∶12兩個比尺模型的物理模型沖刷數據，用延伸法將數據延長至模型比尺為1的原型工況，可以得出： 一年波一年流水下生產設施基礎與水流平行即0°的工況下，實際結構沖刷最大深度約為0.35 m，預測最大沖刷深度出現在迎流面的2個尖角部位；百年波百年流水下生產設施基礎與水流平行即0°的工況下，實際結構沖刷最大深度約為0.43 m，預測最大沖刷深度出現在迎流面的2個尖角部位；百年波百年流水下生產設施基礎與水流成45°角的工況下，實際結構沖刷最大深度約為0.38 m，預測最大沖刷深度出現在側面的尖角部位。

通過以上各工況的比較得出百年波百年流工況條件下最大沖刷深度約為0.43 m。根據物理模型沖刷試驗的結果以及系列模型延伸法的結論，通過水下生產設施基礎與水流成45°角的工況和基礎與水流平行(即0°)工況比較，可以看出基礎與水流成45°角的沖刷區域相對較小，沖刷深度也相對較小。因此，基礎側面放置的方向可以與潮流流向成一定的角度，能夠減小沖刷對結構的影響，從而提高結構的穩定性。

3 沖刷數值模擬分析

為了建立數值模擬的合理流程，得到CFD軟件相關模塊中重要參數的合適取值，選取水下生產設施基礎結構在一年波一年流工況下采用1∶20比尺所進行的模型試驗結果進行驗證。

3.1 不同工況下的數值模擬

計算表明，風與海流、波浪引起的水質點速度相比較小，可以忽略不計。操作工況選取一年波和一年流組合，極端工況選取百年波和百年流組合。計算結果表明，在一年波一年流工況下，海底水質點的流速與海流流速相比非常小(<5%)，該工況下的波浪可以忽略。但在百年波百年流工況下，海底水質點的速度不能忽略，需要考慮波浪的影響，因此簡化后的計算參數見表6。

表6 南海某油田簡化后的計算參數Table 6 Simplified calculation condition in an oilfield of South China Sea

3.2 不同工況下的基礎沖刷

通過模擬計算，一年波一年流工況下基礎沖刷發展情況如圖5所示。從圖5可以看出，一年波一年流工況下，背流面的初始沖坑在大流速作用下范圍不斷擴大，沖刷非常嚴重，最大沖深甚至達到0.490 m，迎流面的預留口位置沖深約為0.475 m，尖角位置沖深約為0.470 m。

通過模擬計算，百年波百年流工況下基礎沖刷的發展情況如圖6所示，圖中T為百年一遇波浪周期。從圖6可以看出，百年波百年流的極端工況下，相對于重現期為一年的工況底部邊界層變薄，剪應力增大，最終整個砂面被刮掉了5cm，而基礎預留口前后分別形成了深度為0.55、0.69 m的沖坑，在迎流面尖角處形成深度為0.60 m的沖坑。

圖5 南海某油田水下生產設施基礎沖刷數值模擬結果(一年波一年流)Fig .5 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one year return period)

圖6 南海某油田水下生產設施基礎沖刷數值模擬結果(百年波百年流)Fig .6 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one hundred year return period)

4 模型試驗和數值模擬結果對比分析

南海某油田水下生產設施基礎模型試驗與數值模擬結果對比見表7，可以看出，模型試驗結果整體性偏小，分析認為有2個方面的原因：①數值模擬在整體流速選擇上偏大，整體性偏大近20%；②模型試驗選取的模型砂中值粒徑0.16 mm相對較小，理論沖刷量更大，結果也更趨于保守。

表7 南海某油田水下生產設施基礎模型試驗與數值模擬 最大沖刷深度結果對比Table 7 Comparison results between model test and numerical simulation of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

南海某油田水下生產設施基礎在操作工況、極端工況下的數模計算結果表明，由于基礎的高度相對水深較小，外形也并未垂直于水流方向，且順水方向還存在預留口，致使預留口位置的沖坑發展顯著，需要注意預留口附近以及迎流面尖角處沖刷。考慮到上述的2個原因，認為實際沖刷深度介于模型試驗和數值模擬折減結果之間，可以考慮取二者均值或者選取較保守值。

通過以上分析，建議采取必要的沖刷防護措施：①在基礎周圍的4個尖角拋石防護，防止或減小尖角部位的沖刷，從而減少沖刷坑的發展；②優化基礎保護結構的外形，將4個尖角設計為圓形或流線形，增大圓角的彎曲半徑，從而減小4個尖角處的流速，降低沖刷深度。

5 結論與建議

通過對南海某油田水下生產設施基礎沖刷進行模型試驗和數值模擬， 研究了防沉板式水下生產設施基礎的沖刷分布和沖刷深度，并提出了沖刷防護措施。結果表明，水下生產設施基礎實際沖刷深度介于模型試驗和數值模擬折減結果之間，設計時推薦使用模型試驗值或者數值模擬與模型試驗結果的均值。由于目前模型試驗中使用的砂子中值粒徑與實際海域中的最大中值粒徑0.18 mm相接近，而波浪和結構物按照相似原理進行了模型比尺的縮小，因此模型試驗具有一定的近似性，建議今后進行進一步的研究。

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(編輯：葉秋敏)

Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems

YU Chunjie WU Fei WANG Liqin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking the mudmat foundation of the subsea production systems in an oilfield in South China Sea for an example, the location and depth of maximum scour on the mudmat foundation were predicted using model test method.Numerical simulation of the sediment transport and deposition evolution was performed with the CFD software, and the scour protection measures were proposed.The actual scour depth of the mudmat foundation is between the two values of the model test result and numerical simulation discount result; and the model test result or the average of the two values is recommended for project design.The results of this study will provide a basis for the design of the mudmat foundation of subsea production systems.

subsea production system foundation; scour; model test; numerical simulation; South China Sea

于春潔，女，碩士，高級工程師,主要從事海上平臺結構設計及海上油氣田設計項目管理工作。地址：北京市朝陽區太陽宮南街6號院海油大廈B座(郵編：100028)。E-mail：yuchj@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0145-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.019

TU47

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