筒型基础在边际油田的最新应用研究

孟 迪

（中海油能源发展采油服务公司，天津 300457）

筒型基础在边际油田的最新应用研究

孟 迪

（中海油能源发展采油服务公司，天津 300457）

筒型基础作为一种新型锚泊和基础形式，具有显著的技术优势和良好的经济性。文章介绍了筒型基础在国内外的发展和应用情况，并针对筒型基础在人工岛应用中承载力分析和气浮拖航等关键问题进行了研究。模型试验和计算分析的结果表明：筒型基础的承载力满足要求，拖航稳性很好，各项指标满足规范要求。

筒型基础；边际油田；人工岛；应用

0 引言

一般来讲，近海油田开发的地面工程投资占整个油田各种投资总和的1/3～1/2，甚至更多。对于边际油气田来讲，虽然投资总量相对整装油田要小，但边际油气田的效益对投资变化更敏感。从某种意义上可以说地面工程投资能否有效降低将很大程度上影响甚至决定边际油气田能否实现开发。因此，对近海边际油气田开发的地面工程关键技术进行研究，找到有针对性的降低投资的技术，其意义是十分重大的。

筒型基础作为一种新型锚泊和基础形式，具有显著的技术优势和良好的经济性。筒型基础适用于各种非岩性土，作为平台的基础，其工作水深具有较大的范围，从7m到目前现有平台已达到近100m，我国渤海及南海北部湾的广阔水域都处在这一范围内；作为锚泊基础，适用水深范围更加广泛。因此，筒型基础的研究直接关系到边际油田的开发，对推动我国海洋石油工业的发展有着深远的影响。

1 筒型基础在国内外的应用实例

1.1 筒型基础在国外的应用情况

筒型基础平台的结构形式虽然有些区别，但基础设计原理是一样的 （均靠形成筒内外的压力差而沉入土中），不同的是下沉工艺。目前已有的下沉工艺有三种：射水下沉法、导流下沉法和泵吸下沉法。其中第三种方法是现在国内外筒型基础普遍采用的方法。对采用泵吸下沉法的筒型基础的研究起源于20世纪50年代，其最初被应用于系泊的吸力锚桩，在很多锚泊系统中得到成功运用，所以又称为吸力锚。

1958年，Mackereth第一个成功使用了负压，在英国某湖泊的软泥湖床上采集土样时使用吸力锚锚定取心器。上世纪60至70年代，各国学者对吸力锚进行了大量研究，对其各项性能的测试也逐步由试验室发展到海上现场试验[1-3]。

1980年，SBM公司在北海Gorm油田，将12个吸力锚用于油船的系泊，这是世界首例泵吸下沉筒型基础工程的应用[4]。

采用压力差下沉的筒型基础海上平台在20世纪90年代首先由挪威提出并建成。北海的Snorre油田在1991年6月应用大型混凝土吸力锚固定张力腿平台，这也是筒型基础第一次应用于钻采平台基础[5]。

1994年7月，压力差下沉式筒型基础第一次被成功用作大型导管架生产平台Europipe 16/11-E的基础，此筒基平台开创了平台基础工程技术的新时代，为海上油田的开发提供了一种全新的方式[6]。1996年，世界上第二座压力差下沉式筒型基础导管架平台Sleipner Vest SLT投产[7]。

1.2 筒型基础在国内的应用情况

我国最早的筒型基础平台的概念出现于20世纪60年代，采用射水下沉法。中海油最早的筒型基础平台是1970年设计的，采用的也是射水下沉法，并于1972年投产，大约使用了两年。在这期间，曾成功地移位两次。这证明平台的下沉和上浮设计是成功的。此后，由于某些原因，筒型基础在我国的应用出现了一段时间的沉寂。直到20世纪90年代中期，欧洲北海又设计建造了两座采用泵吸下沉法的筒型基础平台，迅速发展的筒型基础技术也引起了国内海洋工程界的重视。我国海洋工程技术人员在总结过去经验的基础上，经过认真研究现代技术，并与有关单位合作，使筒型基础在我国现阶段有了以下几个方面的应用。

1.2.1 用于延长测试油轮的系泊或单点系泊系统的基础

1994年7月我国首例吸力锚成功应用于曹妃甸1-6-1油田延长测试系统油轮系泊工程[8]。此后在渤海的锦州9-3油田、锦州20-2油田、秦皇岛32-6-4油田相继成功安装了用于延长测试油轮系泊的吸力锚。在南海的陆丰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单点系泊和FPSO系泊的吸力锚。

1.2.2 作为海上平台结构的基础

1999年9月，在渤海锦州9-3油田，两座三筒独柱的筒型基础系缆平台成功安装，实现了压力差下沉式筒型基础平台在我国的首次应用[8]。此平台采用了直径6 m、高9 m的筒基，平台结构质量为239 t，在平台安装前成功地进行了海上平台结构自浮拖航试验和沉放/回收试验，为最终实现筒型基础平台海上自安装提供了试验数据和实践经验。与20世纪70年代初我国的筒型基础平台相比，跨越30年的这两次应用在技术上已有很大不同，最突出的就是下沉技术。早期的筒型基础平台采用冲排泥下沉技术，这种技术在下沉过程中破坏了筒周围的土，使筒周围的土在短时间内的承载力不能达到设计要求，因而使平台存在安全隐患。现在的筒型基础平台采用的是利用抽吸产生筒内外压力差来下沉的技术，这种技术在下沉中对土的干扰极小，因而在安装后可以很快获得设计要求的承载能力。

2007年，在曹妃甸18-1油田总体开发方案优化设计中，鉴于该油田储量规模较小，为降低工程投资，规避油藏风险，采用了一座单层甲板的三筒基简易井口平台。该平台是我国第一座带井口的筒型基础平台。

1.2.3 作为自升式平台的沉垫阻滑桩

1995年 “自强号”沉垫自升式平台的4根吸力式阻滑桩安装成功；1996年，海王星公司完成了 “自立号”沉垫自升式平台的4根阻滑桩改造设计，并完成安装使用[9]。

2 筒型基础在人工岛的应用研究

海上边际油田的开发研究是开发海上油田的三大技术难题之一。目前中海油边际油田开发的模式主要有两种：一是 “三一”开发模式，二是 “蜜蜂式”开发模式。但是 “三一”模式对所依附的已开发油田的距离不能超过20 km；而目前的 “蜜蜂式”开发装置的储量较小，增加了外输成本。

针对上面的技术难题，采油公司提出了 “可搬迁人工岛”方案。该人工岛主要包括三部分：基础、岛体和上部模块，见图1。同时，人工岛基础是整个设计方案的重中之重。

图1 人工岛结构示意

根据人工岛基础设计要求：承载力满足要求，可自安装，可搬迁，本研究项目最终选取了筒型基础，但我们进行了创新，设计成了基盘组合式筒型基础。该筒型基础包括6个吸力锚，其上部由6块T形截面的弧形梁式裙板和数个加强构件连接。吸力锚直径12 m、高12.5 m，其水平截面圆的圆心均布于直径51 m的圆上，如图2所示。

图2 基础结构示意

2.1 承载力分析

筒型基础承载力的实质是筒基与海底土质相互作用的问题，主要包括水平承载力和垂直承载力两部分。人工岛经常受到风、浪、流及冰荷载等水平力的作用，所以水平承载力的研究更具重要性。

本研究项目关于水平承载力和垂直承载力的计算采用塑性极限法，分别计算黏土和砂土中筒型基础的承载力，然后把两部分结果相加作为总的承载力。计算结果见表1。

表1 承载力计算结果

通过计算结果可以看出，安全系数均大于1.5，筒型基础的承载力满足强度要求。

另外，考虑到各吸力锚之间的相互影响，决定采用有限元软件进行承载力校核，见图3。

通过有限元模型计算分析，各层土的剪应力小于其屈服强度，因此该筒型基础的承载力满足强度要求。

图3 基础有限元模型

2.2 拖航分析

本研究项目中的筒型基础采用气浮拖航的方式拖至施工地点，拖航方案中设计了3条拖轮，分别是主拖轮、跟拖轮和护航拖轮，见图4。

图4 拖航方案

人工岛的基础是由六个吸力锚组成的基盘组合式筒型基础结构，拖航过程中吸力锚内需要充气以提供足够的浮力，一旦漏气，将造成结构稳性不足甚至倾覆。因此，有必要对拖航过程中存在的风险进行分析。

2.2.1 水池试验

筒型基础由于充气使其浮体运动性能十分复杂，其运动和阻力的估算目前还没有统一的计算方法可以遵循。由于吸力锚内存在自由液面，漏气现象可能发生，所以基础在拖航过程中存在很大的风险。本试验研究的目的是验证分析基础气浮拖航方案的可行性，并为最终施工方案的制订提供依据和指导。该模型的尺度比为1∶20，见图5。

图5 水池试验模型

2.2.2 稳性分析

筒型基础的筒体为倒杯体，充气后驻留于筒内的气体可起浮体排水界面的作用，因此它可将排开水体的浮力传递给筒基结构并托起筒基结构漂浮于水面。筒基结构的升沉状态和高度可以通过调节筒内的充气量进行调整。然而，筒内的气—水界面不同于通常浮体的刚性界面，它是高柔性界面。因此，通常浮体相当于支撑于水弹簧上，而气浮体相当于支撑于水弹簧和气弹簧的串联结构上。由于水弹簧和气弹簧串联后的弹性刚度将小于独立的水弹簧弹性刚度，说明在相同位移下气浮浮体的抗力小于通常浮体的抗力，即稳性差。并且从动稳性方面分析可得出气浮浮体升沉摇摆的固有频率比通常浮体升沉摇摆的固有频率低很多，由此可能产生大的动力效应。

2.2.3 分析结果

经过模型试验和计算分析，得出基础气浮拖航的主要结论如下：

（1）拖航稳性很好，完全满足规范要求，风引起的风倾角很小，六级以下的风引起的风倾角可忽略不计。

（2）当波长接近或等于装置基础直径63 m时，引起的运动最为剧烈，运动幅值最大。

（3）吸力锚筒内静态压力为126.5 kPa，动压力最大值为4.5 kPa，最大动压力占筒内静压力3.5%左右，动压力的变化对于拖航影响较小。

（4）在吃水分别为4、6、7 m，航速分别为2、3、4节时，其对应的摇摆角均小于临界漏气角，如表2所示，因此，该筒型基础在气浮拖航过程中是不会漏气的。

表2 摇摆角与临界漏气角的比较

3 结束语

筒型基础显著的经济效益优势受到海洋工程界的广泛关注。筒型基础在我国渤海海域边际油田的开发应用还处于起步阶段，还没有形成完备的设计规范。要将筒型基础结构作为渤海边际油田开发的一种模式，进行批量建造，广泛应用于边际油田开发，还需要很多方面的研究工作。

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[2]Quentin Wilson，Baldev S Sahota.Pull-out Parameters for Buried Suction Anchors[A].The 12th Offshore Technology Conference[C].Houston∶OTC，1980.205-216.

[3]孙大鹏，袁中立，朱其敏.滩海平台桶型基础模型承载力试验研究[J].石油工程建设，1999，（2）：12-19.

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[5]StlfWe O J，Steinar Bysveen，Christophersen H P.New Foundation System for the Snorre Development[A].The 23th Offshore Technology Conference[C].Houston：OTC，1992.75-83.

[6]Tjelta T I.Geotechnical Experience from the Installation of the Europipe Jacket with Bucket Foundations[A].The 26th Offshore Technology Conference[C].Houston：OTC 1995.897-908.

[7]施晓春，徐日庆，龚晓南，等.桶形基础发展概况[J].土木工程学报，2000,33（4）：68-73.

[8]徐继祖，史庆增，宋安，等.吸力锚在国内近海工程中的首次应用与设计[J].中国海洋平台,1995,10（1）∶29-31.

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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，山东滕县人，工程师，2004年毕业于天津科技大学，现主要从事海上油气田开发的相关工作。

2011-08-27；

2012-07-02