（固体力学专业论文）桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 桶型基础海洋平台被国际海洋工程界称为“导管架基础工程技术的新时代曙光”。 它以桶型桩基础代替了传统的钢质桩基础，在制造、安装、拆迁等方面具有很好的经济 效益价值。我国的渤海海域油田有很大一部分属于边际油田，受到开发经济效益的限制， 至今未能得到全面开发。桶型基础海洋平台的出现，正是适应了边际油田开发的需要， 但是，我国渤海具有自身独特的海洋环境条件，因此，本论文针对桶型基础海洋平台在 我国渤海边际油田开发应用的相关问题进行研究，研究内容包括： ( 1 ) 针对我国渤海具体海域的环境条件，围绕简易、抗冰、桶型基础海洋平台等概 念进行研究分析，提出我国渤海开发边际油田的桶型基础海洋平台应具有简易、抗冰性 能的独腿加锥( 固定锥或隔振锥) 结构。并且，进行了传统钢质桩基础导管架平台与桶 型基础导管架平台的综合比较分析，论证了桶型基础平台在渤海边际油田开发更具有经 济价值意义。 ( 2 ) 以j z 2 0 2 平台为例，通过有限元软件建模并进行了该平台在桶型桩基础与钢 质桩基础下的静力和动力比较分析，结果表明j z 2 0 2 n w 平台在桶型基础下的力学性能 与钢质桩基础时相当，满足平台安全生产要求。 ( 3 ) j z 9 3 e 立管桶型基础平台在0 7 一0 8 冬季监测发现存在强烈的冰激振动现象，对 该平台的冰激振动进行了分析，确定该平台冰激振动属于稳态振动，通过有限元分析， 比较了该平台安装固定锥与隔振锥的减振效果该平台安装隔振锥是有效的减小平台冰 激振动响应的措施。 ( 4 ) 分析桶型基础平台独特的海流桩基冲刷机理及影响桩基冲刷的因素，分析结果 表明桶型基础平台桩基础冲刷主要受到海床运动的影响，并提出解决桶型基础平台桩基 冲刷的有效措施方案。 最后，对全文进行了总结。 关键词：桶型基础；钢质桩基；比较分析；有限元分析；冰激振动；冲刷 柄型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 a p p l j c a 6 0 ns t u d yo fb u c k e ti b u n d a t j o n sp i a t f o 珊i nd e v e l o p i n g m a i 售i n a l0 i l n e l di nb o h a is e a a b s t ra c t b u c k e tf o u n d a t i o n sp l a t f o 衄i sh o w n 舔t h c ”j a c k e tf o u d a t i o ne n 画n e e r i n gd a w n0 fa n 朗，e r a ”b yt h ei r i t e m a t i o n a lm a i i l 他e n 酉n e e r i n gs e c t o r s ，n sb u c k c tf 孤n d a d o n sr 印l a c et h e t t a d j t i o n a lp i p ef o u n d a t j o n s ，w h i c hj nt h em 如u f a c t u r c ，i l l s t a l l a t i o n ，d e m 0 1 j t j 彻，如do t h c r 嬲p e d sa r cv e r y9 0 0 de c o n o m i cb e n e 石t s 王b h a is e ao i l f i e l d sh a v eal a r g cp 嘣o ft h em a 晒n a l o i l 丘e l d s ，s u 巧e dt ot h e - 鼯t r i c t i o 璐o nc c o n 删cd c v c l o p m e n t ，s oi t 加th 嬲b e e n 削l y d e v e l o p e d b u c k c tf o u n d a t i o n sp l a t 如皿i sa d a p t e dt ot h en e e d so ft h em 甜g i n a lo i i f j e l d d e v e l 叩m e m b u tb o h a is e ah a v eu n i q u ee n v 打o n m e n t 。0 岫d i t i o n s ，t h e r e f 凹e ，i i 】t h j sp a p e r t b e a p p l i c a t j o ni s s u e so fb u c k e ：t 蕾b u n d a t i o 璐p l a t f o n ni nb o h a is e aa r cs t u d i e 山s t u d yi n c l u d e ： ( 1 ) f b rs p f i ce n v i r o l l i e n t a 】c o n d i t j o n so fi 0 h a is e a 面n i i n u m ，i c e r e s j s t 卸lb u c k e t f b u n d a t i o n ，缸dt h c ：b 器i s0 0 皿c c p t so ft h ep i a t f b mt 0b es t u d i e d a s 也er e s u l t s ，t h cb u c k c t f o u n d a t i o 璐 p l a t f o ms h o u l d b es i n 画e p i l e ， a d d e d咖ew i t hm j n 抽u m ，i 一托s i s t 卸t p e d b 肿a n c ei i ib o h a is e a i na d d i t i o n ，c o m p r e h e n s i v cc o m p a r i s o nw i l lb e 卸a l y s i sb c m c c n p i p ep l a 曲m 皿db u c k c rf o l l l l d a t i o n sp l a t f o 皿b u c k e tf o u n d a t i sp l a t f 0 助i sm o r e s i 酗j f i 啪c ef o rm a r g i i l a lo i 呖e l dd 州e l o p m e n t ( 2 ) 舡j z 2 0 一烈wp l a t f c 脚f o re x 锄p l e ，a n s y ss o 帅啪w i l lb ea p p l i 甜t os t a 6 c 柚d d y n 枷i ca r i a l y s i su n d e rt h ep l a t f o 皿i nt h eb u c l 【e tf o u n d a t i o n sa n dp i p ef b u n d a t i o 嬲t h e r u l t ss h o wt h a tt h em c c h 柚i c a lp r o p e n i e sa f ce q u a n yu n d e rt h eb u c k c rf o u n d a t i o n s 柚dp j j p c f o u n 眦i o n so f j z 扯2 n wp l 施衄m t i n gt h cs a f e t y 嘲u i r e m e n t so fo i ld e v c l o p m e n l ( 3 ) j z 9 3 e s c rb u c k e tf o u n d a t j o sh a sb e e nf 0 帅ds 仃0 n gi c c i n d u c e dv i b 阻t j 彻 p h e n o m e n o ni nt h e0 7 0 8w h l t e rm o n i t o 血舀a n dt h ei o e i n d u c c dv i b r a t i o ni ss t e a d yv j b m t i o n 皿ev i b r a t i o ne 虢c ti sc o m p a r c db yf e af o f 血c dc o n e 卸di s o l a t e dc o n e0 fp l a l f o 】咖 i s o l a t e dc o n ei se 廿c c t i v em e t h o dt o 删u c ei c e - i n d u c e dv j b r a t i o n ( 4 ) u n i q u es u r i n gp i r i n c j p 】e 锄dt 1 1 ea 行e c t i n gf h d o r sw i l lb es t u d j e d ，t h em a i l li m 舻衙 f a c t o r sa f es e a b e dm o v e m c tf o rb u c k e tf o u n d a t i o n ss u 血g a ne f f b d i v em e m o db e s u g g e s t e d 沁i 蜘u c et h eb u c k e tf b u d d a “0 n ss c o u r i n g f i n a l l y ，t h es u n l 缸yo ff u l lt e x t 蛋r e yw o r d s ：b u c k e tf o 岫d a t i 衄s ；p i p ef o 岫d a t i o 璐；c 0 m p a r i n 蛆a l y s i s ；f 王 ak 玲一i n d u c c d v i b r a t i o ；s o o u f i i 喀 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 7 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：圣旦兰坠 瓤答名喜甬进 乙6 “f 算 导师签名：重，尘兰 哩芝年么月硌 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着科学技术的不断进步，陆地资源的日趋枯竭，开发海洋油气越来越具有重要的 意义。2 1 世纪是海洋的世纪。目前世界上已发现的海底石油储量约为2 5 0 0 亿吨，为陆 地石油储量的两倍。海洋油气产量已占油气总产量的3 0 以上并不断稳定地增长。 我国作为一个海洋大国，拥有1 8 0 0 0 多公里的大陆海岸线和3 0 0 多万平方公里的海 域。在近海海域蕴藏着丰富的石油天然气资源，海上油田已经成为我国石油开发的重要 组成部分。渤海湾是一个勘探前景非常乐观的海域。中国第二次资源评价结果认为，整 个渤海湾盆地的石油地质储量为3 0 0 亿吨。渤海湾盆地包括渤海海域周边的陆地油田( 胜 利、辽河、大港等) 7 大油区，总面积约2 0 万平方公里。我国自2 0 世纪6 0 年代起开始 在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已经建成1 0 0 余座海洋平台。资料显示，2 0 0 4 年渤海海域油气当量产量突破1 0 0 0 万立方米；渤海海域将在2 0 1 0 年实现年产2 5 0 0 一 3 0 0 0 万立方米油气当量的生产规模，届时渤海油田将成为中国的第二大油田【h 3 。目前 我国已经探明的油气储量主要在浅海，储量约1 3 亿吨，其中一半近5 亿吨属于边际油 田( 边际油田是指在现有的条件下，在规定的时间内，采用常规的技术与管理，进行油 田开发建设与生产，其经济效益的评价较差或达不到营利目标的油田) 。 我国渤海的油气资源主要是由边际油田组成，其所处的海洋环境十分复杂和恶劣， 承受着风、海浪、海流、潮汐、地震等载荷的威胁。渤海冬季处于结冰海域，海冰在潮 流与风的作用下发生漂移，会与海洋工程结构物发生相互作用，近些年的现场监测发现， 海冰对海洋工程结构物的作用要远比其它载荷的影响大得多，因此冰载荷是渤海海洋结 构设计的主要控制载荷。特别是围绕渤海石油开发的海洋工程建设中，抗冰结构设计是 重要的内容，保守与风险的设计都直接影响油田的开发口1 。 我国渤海海洋石油工业正在蓬勃发展，不断发现储量丰富的油气田，但是由于地质 条件等原因，海底石油的分布是不规则的，并不是所有油田的储量都很大，尤其在浅海 已探明有很大一部分小油田，如果按大油田的投资规模来开采这些小油田很可能得不偿 失。这些油田也就是被称为边际油田。与已经开发的油田相比，这些边际油田的总储量 相当可观。在石油消耗量日益增加而石油储藏量日趋减少的今天，如何经济的开发边际 油田，已经成为石油工业的热门话题。而怎样选择一个最优的边际油田开发方案，即采 用哪种类型的采油平台，则是一个急需解决的决策课题。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 1 2 桶型基础海洋平台的工程背景及其发展 渤海地区的浅海及极浅海油田中有很大一部分边际油田亟待开发。这一地区分布水 域较广，水深变化幅度较大。同时，该海区油层埋藏浅，地层胶结疏松易出砂，油层平 面连通性差，油水关系复杂，且天然能量较弱，这样开发后含水上升快，产量下降快。 受这两方面的影响，随着水深的加大，如果按照常规的开采模式，则很难有开采价值。 因此在这一中等水深、中丰度储量、开采难度高、风险大的边际油田，采用常规的开采 模式必将限制其可能达到的投资回报率，并使工程投资的经济收益下降，对开采的工程 方案形成制约，因此必须寻找新的工程开采方案，研制并建立具有适合实际情况的轻型 平台结构形式。 在我国渤海油田开发建设中，平台建设在总投资中占有重要比例。而在迄今已建成 的渤海钢质导管架型平台中，作为一种粗略的概念性估计，桩的用钢量几乎与导管架相 当。而平台的海上安装费用，也近占平台总造价的一半。之所以如此，所用桩基的型式 具有决定性的影响。为降低平台造价，加快渤海油田开发建设，探索和开发新的基础技 术已经成为当前的迫切需要哺1 。 桶型基础是由早期的吸力桩( 吸力锚) 发展而来的，近海吸力锚是2 0 世纪6 0 年代 提出的，8 0 年代初才开始在工程中获得实现，并得到很快的发展，此后，由此自然引申， 提出了吸力式基础平台，即桶型基础平台。桶型基础平台在实际工程应用虽然只有二十 几年的历史，但它的应用已经引起了海洋工程界的广泛重视。海洋结构的基础形式有桩 式和块体坐底式两种，5 0 年代钢质桩的使用解决了海洋工程大水平承载力问题，从而使 桩基导管架平台得到长足的发展；7 0 年代从油田开发的总体经济性考虑，研制开发了重 力式储油平台，使重力式平台在油田得以广泛应用。传统钢桩基础导管架结构的优点是 预制简易、适用土质条件广，缺点是海上安装时间长、结构不能重复使用。重力式基础 结构的优点是兼储油和可搬迁，缺点是预制场地要求高( 大水深，环境条件好的港湾) ， 适应土质条件窄( 地表土强度高) 。随着对油田开发经济性的日益提高，特别是边际油 田，安装迅速、简易并可重复使用的桶型基础便引起广泛重视哺1 。 世界上首次在工程中应用桶型基础是在经历了长期理论研究和室内实验、现场实验 之后，于1 9 8 0 年欧洲北海丹麦海域g o r m 油田4 0 米水深处的单点系泊储油装置上实现 的。为寻求更为有效和经济的导管架基础工程技术，挪威国家石油公司于1 9 8 9 年底， 开始了对钢质导管架桶型基础的技术开发，并于1 9 9 4 年7 月在7 0 米水深和百年一遇2 7 米浪高的北海安装了e u r o p i p e l 6 1 1 e 大型桶型基础导管架平台( 见图1 1 ) ， e u r o p i p e l 6 1 1 e 大型桶型基础导管架平台的成功就位和投入使用，标志着这一技术进入 大连理工大学硕士学位论文 了工业化实用阶段。这一导管架基础工程的重大进展，在海洋平台界引起了极大关注。 相继其后，桶型基础在更大的s l e i p n e rv e s t 平台上的再次采用桶型基础并于1 9 9 6 年 安装就位，从而使这一技术的工业应用更趋成熟和完善阳1 训。 图1 1e u m p i p e l 6 1 1 e 桶型基础平台 f 绝1 1h p i p c l 6 1 1 eb u c k c tf 0 岫d a t i o n sp l a 怕m 我国吸力锚和桶型基础平台在近海油田的首次工程应用，是天津海王星海上工程技 术有限公司同中国海洋石油总公司的研究中心、工程公司和渤海石油公司等部门密切合 作，自1 9 9 4 年以来，先后为曹妃甸卜6 、锦州9 3 、锦州2 0 一2 及秦皇岛3 2 6 等油气田 的两点系泊延长测试系统成功地设计并安装回收了吸力锚；为“自立“自强 2 座沉 垫基础自升式平台设计并多次安装回收了吸力阻滑桩；自1 9 9 6 年至2 0 0 0 年，先后设 计并成功安装了海军打靶平台( 葫芦岛海区) ，锦州9 3 油田系缆平台及靠船结构等6 座桶型基础平台。这些工程项目的设计和实施在保证满足生产需要的同时，也为桶型基 础平台今后的进一步发展积累了一定的经验n 。 1 9 9 4 年7 月在我国渤海c f d l 6 1 油田首次成功地安装了桶型基础作为延长测试油 轮系泊的两点系泊锚( 图1 2 ) 。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 图1 2 两点系泊锚 f i g 1 2 呐op o i n t sm o o r i n ga n c h o r 1 9 9 5 年6 月在我国渤海j z 9 3 油田的浅水海区成功安装了桶型基础作为延长测试油 轮系泊的两个双桶式桶型基础见图1 3 ，以及j z 9 3 系缆平台见图1 4 。 图1 3 双桶桶型基础 f i g 1 3 帆ob u c k e tf o u n d a t i o n s 图1 4 三桶桶型基础 f i g 1 4 t h r e eb u c k e tf o u n d a t i o n s 火连理一j ：人学硕士学位论文 锦州9 3 油只1 系泊平台在渤海的油田上第一次采用了桶型基础方案，并获得了成功， 显著节省了海上施工作业时间和费用，也为桶型基础平台的进一步发展积累了重要的经 验( 图1 5 ) 1 。 澜 ：! ：0 。! 嚣女落臻墅搿 髯一：样”；妻1 镰l 图1 5 锦州9 3 油田系泊平台完工全景 f i g 1 5 c o m p j e t e dp a n o r a m ao fj z 9 - 3o i i f i e l dm o o r i n gp i a t f o n t l 1 2 国内外研究概况及发展趋势 桶型基础的概念，最早见于国外2 0 世纪6 0 年代初的文献，7 0 年代丌始对其进行了 大量的试验研究，8 0 年代后期受到石油公司的重视，并为这种基础形式实际使用进行了 一系列的室内与现场试验，对桶型基础的下沉阻力、承载力与变形特性都进行了较为深 入的研究，提出了一些桶型基础设计计算方法，1 9 8 9 年设置了第一个应用桶型基础的混 凝土平台g u l l f a k s c ，1 9 9 1 年，设置了第一个应用桶型基础的张力腿平台s n o r r e ，1 9 9 5 年和1 9 9 6 年挪威国家石油公司分别在北海海域首次安装了两座桶型基础海洋平台 e u r o p i p e l 6 1 1 e 平台和s l e i p n e rv e s ts l t 平台。桶型基础海洋平台在北海油田的成功 安装和使用，引起了国际海洋工程界的极大关注，被称为“导管架基础工程技术的新时 代曙光”。 自2 0 世纪六七十年代以来，挪威的海洋工程技术进步很快，目前处于世界前列。 挪威是深水多功能混凝土重力式平台的故乡，也是世界上第一座桶型基础平台在工程中 付诸实施的地方。挪威人在海洋工程技术方面的高水平成果和执着创新精神给我们留下 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 深刻的印象，在双方相互了解、相互信任和相互尊重的基础上，我国同挪威、芬兰、美 国、加拿大等国的海洋专家或工程公司之间进行了较长时间的密切技术合作u 卜1 5 1 。 我国对桶型基础海洋平台的研究工作十分重视，这种新型平台刚问世就开始了这方 面的研究工作，并于1 9 9 8 年列入国家高新技术“8 6 3 ”研究项目，由胜利石油局、国家 海洋局第一研究所、天津大学和上海交通大学共同承担可移动桶型基础平台的研究项 目，并于1 9 9 9 年1 0 月2 5 日成功的在胜利石油管理局浅海海域建成了c b 2 0 b 桶型基础 采油平台。从设计、研究到结构制造和海上安装等各个环节，都能体现出当前世界先进 的技术思想和技术水平。 桶型基础海洋平台在我国渤海的海上油田已经得到了初步的应用，取得了一定的工 程经验做法。今后需要做的，一方面是巩固提高已经取得的经验，使桶型基础海洋平台 的设计和安装进一步做到规范化和标准化，并扩大其应用范围：另一方面是结合我国的， 首先是渤海的实际条件开发桶型基础海洋平台的潜在功能，进一步提高其技术经济性能 和与导管架平台之间的竞争力。 1 3 本文主要研究工作 桶型基础结构作为一种新型的基础形式，其结构整体的安全性和结构动力特性是工 程设计人员最为关心的问题。由于桶型基础的构造和安装的特殊性及土的本构关系，失 效机理的复杂性，使得桶型基础与土之间静，动力相互作用都较为复杂，目前对桶型基 础安装，计算都尚无规范可查。 对于桶型基础的研究，目前工程界主要关注于其土力学原理，包括下沉，抗沉，抗 拔，抗侧倾能力的研究。在平台的结构设计中应解决的主要问题包括：1 ) 根据平台作 业位置的地基特点和土壤分层情况及其性质，确定桶基础的总体尺寸和单个桶基础的直 径及入土深度：2 ) 根据平台作业处的土壤参数，优化桶径和桶高比，一般桶径大于入 土深度，力求达到平台合理的整体稳定性；3 ) 根据导管架受力情况，选择合理的局部 连接结构，保证平台整体结构安全：4 ) 根据平台作业处的地基情况和桶基础之间的效 应，合理确定桶基间距，提高平台整体稳定性；5 ) 根据平台作业处海底土壤情况，确 定桶基底端结构形式，保证平台顺利下沉。6 ) 综合考虑桶基础壳体壁厚和加强构件尺 寸，达到结构的合理搭配；7 ) 根据平台所处海域的海流情况，考虑海流的冲刷线，确 定冲刷深度，保证平台整体稳定性：8 ) 根据所选定的桶基础形式和结构尺寸，对桶基 础的整体和局部壳体进行强度和稳定性分析n 引。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 井组平台建立后，由于平台桩柱的影响，海流对平台底部基础的冲刷是必然的。在 平台桩基局部冲刷的动力机制问题上，诸多文献认为桩基局部冲刷由波浪和潮流共同作 用造成，实验室对水流和波浪作用作用下的桩基局部冲刷机理进行了研究，发现桩基冲 刷的原因在于底床附近水流或波动水流由于受到障碍物的阻挡，在桩基附近产生涡旋， 垂向上的压力差导致海底沉积物发生运动，桩基局部海底冲刷。在现场实际监测中发现， 海上建筑物的形态不同，波浪，海流等水动力条件对其周围的海底冲刷的机理也不同。 海底泥沙在均匀流作用下常能维持一平衡状态，但当建筑物建立海底后，会改变此区域 的原有流场，建筑物附近流速的增加破坏该地区的泥沙的平衡，于是出现局部冲刷，随 着冲刷的进行，冲刷坑逐渐发展，而近底处的流速逐渐减少，直到达到再次平衡，冲刷 停止，这时冲刷坑保持稳定的形状n 8 。2 。 本论文主要在前人研究成果的基础上针对我国海域的冰期具体情况，研究简易抗冰 桶型基础平台在水平冰载荷作用下的响应以及将会产生的力学问题进行研究，通过建立 模型并进行有限元分析该平台在水平冰载荷作用下的平台结构响应，为工程实际提供进 一步可靠的设计参考。并且，根据平台所处海域的海流情况，考虑海流的冲刷线，确定 冲刷规律和冲刷深度，并提出可用的防冲刷措施，保证平台整体稳定性。从而达到对桶 型基础海洋平台在以后的工程设计中提供一定的参考价值；最终使桶型基础海洋平台在 我国渤海边际油田开发中发挥其作用。 本论文主要解决以下几方面的问题： ( 1 ) 、针对我国渤海具体海域的环境条件，围绕边际油田、简易、抗冰、桶型基础海 洋平台等概念进行研究分析，并且，进行了传统钢质桩基础导管架平台与桶型基础导管 架平台的综合比较分析，论证桶型基础平台在渤海边际油田开发更具有经济价值意义， 提出适合我国渤海边际油田开发的桶型基础结构形式。 ( 2 ) 、以j z 2 0 2 n w 平台为例，通过有限元软件建模并进行了该平台在桶型桩基础与钢 质桩基础下的静力和动力比较分析，进行桶型基础平台结构的静力和动力性能评估。 ( 3 ) 、j z 9 3 e1 | l h p a 立管桶型基础平台是刚建成投产的平台，0 7 0 8 冬季监测发现存在 强烈的冰激振动现象，对该平台的冰激振动进行了分析，确定该平台冰激振动类型， 研究分析解决该平台冰激振动的安装锥体方案。 ( 4 ) 、分析桶型基础平台独特的海流桩基冲刷机理及影响桩基冲刷的因素，并提出解 决桶型基础平台桩基冲刷的有效措施方案。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 2简易抗冰桶型基础海洋平台概念分析 2 1简易抗冰海洋平台概念分析 2 1 1 简易海洋平台发展概况 简易平台又称轻型平台，是针对具体目标、有限的适应性及追求最佳经济效益，根 据水深等环境条件的变化以及井数、集输条件和设计厂家的不同，其结构形式多种多样， 并无固定的模式，简易平台起源于美国，数十年前一些石油公司在墨西哥湾安装了一些 低成本、临时性简易平台。墨西哥湾位于热带和亚热带，高温多雨，8 月份气温最高， 可达2 8 度以上：2 月份温度最低，北部约1 2 ，南部达2 2 ，因此，由于气候原因墨 西哥湾海域的简易海洋平台不具备抗冰的结构性能。以下是在墨西哥湾已经应用的诸多 类型中的一些具有代表性的结构： m o s s i i 型平台 美国c b s 工程公司从1 9 8 7 年开始开发m o s s 系列平台，m o s s 平台意为“近海边际油 田支持结构 ，至今已建成近1 0 0 座，m o s s 系列平台有m o s si 型、m o s s 型、m o s s i i i 型及m o s s 平台结构形式。根据统计资料，m o s si i 型应用最广，已经建成8 0 多座，它 用钻井隔水套管作支柱，并有两根斜撑在水面上加以支持，斜撑在泥面处用桩固定于海 床。2 个斜撑在平面内呈9 0 。夹角，并分别与海底为6 0 。夹角。这种结构的适用水深可 达4 5 m 。在支柱顶端，可设一层或两层甲板，其面积可达1 5 0 册2 。这种平台可用作井口 平台也可用作小型生产平台。还可设置直升飞机甲板及靠船结构( 图2 1 ) 。由于斜撑 的支撑点在水面以上，所以支柱的自由悬伸部分在正常海况下不受波浪载荷，并因而可 以使甲板的晃动小于一般单柱平台。这样就可以较好地保持甲板上油气处理设施内的液 面稳定，保持其工作效率，减少由于这方面原因而在海况恶劣时的停产。同样，这也有 利于直升飞机在大多数海况下的正常起降。这种平台可以选用自升式钻井平台安装，也 可用小型浮吊安装，安装的实际作业时间为2 4 天，工程实例见表2 1 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 m o 豁i i 单井井口平台造价及工期实例 t a b 2 1 e x 锄p l co fm o s si is i n 酎ew e l l h e a dp l a t f o 肌c o s ta n dp e r i o d 美国休斯顿大西洋能源公司设计的海马( s e a h o r s e ) 简易平台于1 9 8 4 年首次安装 在墨西哥湾，此后又用于北海南部海域及东南亚，迄今已有1 5 0 余座投入使用。其最大 的特点是采用金字塔形的水下结构和宽大的底座。前者保证了它在水面上对风力和波浪 载荷的抗力，大大减小了受力。而后者又使其抗倾覆能力大为提高。这样可减轻平台的 结构重量，减小桩的入泥深度和重量，不仅降低了材料和制造费用，还可以使安装费用 降低。该平台是由钻井隔水套管或桩管组成的4 桩腿金字塔式平台，其结构如图2 2 所 示。 图2 1m o s si i 平台 f 蟾2 1m o s s p l a t 6 d 衄 绎曩 立拄 船白 并嚣 童囊 图2 2s e a h o r s e 平台 f i g 2 2s e a j l o 嫩p l a 怕珊 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 s e a h o r s e 平台具有较大的灵活性，既可以作为井口平台，也可以用作小型生产平台。 其使用水深一般至4 5 m ，最大工作水深可达9 0 m ，此类平台按重现期1 0 0 年一遇的墨西哥 湾飓风风暴值设计。在北海环境下，其最薄弱构件的疲劳寿命可达4 2 年。 平台甲板可根据需要设计1 3 层，每天可生产8 5 万1 1 3 万小3 天然气；平台的建 造时间为4 6 周，海上安装时间为2 3 天。平台在设计上考虑了便于拆迁移地使用， 其拆迁工作一般只需1 天即可完成。 为开发丹麦近海油气田，1 9 9 0 年m a e r s 公司建成适用水深为3 0 5 0 m 的s t a r 井口 平台。此外，还有许多国家都在研究各种类型的简易平台乜2 。2 驯。 在各种类型的简易平台中，适合我国海上边际油田开发的简易平台有m o s s i i 平台、 m a n t i s 平台、g u a r d i a n 平台和s e a h o r s e 平台。在简易平台建设中，认真研究并积极贯 彻我国关于油田开发的“安全、简易、经济、可靠和注意环保 的原则，我们可以得到 如下决策目标：投资费用少；安装运行期间安全性好：建造安装工期短，当出现异常海 况如风暴地震时所受到的损失最小；停产后拆除及再利用性好。 我国对简易平台的研究开始于2 0 世纪8 0 年代末期，1 9 9 0 年中国海洋石油学会在深 圳举行了“海上简易平台技术研讨会”，会上提出了独腿井口平台、简易三角架平台、 腿一桩销锁定可迁移式导管架平台、轻型张力腿井口平台等结构方案，其中独腿井口平 台受到与会者的广泛关注和肯定。独腿井口平台包括独柱、无桩搬迁式固定平台、活节 式井口平台、单立柱井口平台、塔柱式简易平台等，这类平台受风、浪、流的作用载荷 较小，隔水管( 立管) 在立柱中可得到充分的保护，结构简单，施工方便，成本较低。 各种简易平台除了结构上的差异外，还有基础上的差异，简易平台基础类型有导流下沉 式、铰接式、桩基式、三脚架式等。 2 1 2 简易平台的概念及特征 简易平台又称轻型平台( m i n i m u ms t r u c t u r e ) ，简易平台没有一个明确的概念或定 义，一般来说如能符合下面所列的部分或全部特征的海洋平台，就应该是简易平台： 1 ) 结构简单、重量轻，可利用小型浮吊或自升式钻井船安装就位； 2 ) 波浪或海冰作用区载荷作用面积小； 3 ) 与传统4 桩基平台相比，刚度小，在环境载荷作用下动力响应较大，容易产生 疲劳损伤： 4 ) 冗余度小，在制造、安装和维修过程中更容易受人为错误影响： 5 ) 平台设计寿命较短，所在服役油田寿命一般不超过1 0 年； 大连理工大学硕士学位论文 6 ) 平台的桩基一般少于4 根，可用钻井隔水套管作为平台结构的支撑构件，现在 一般使用单腿平台较多； 7 ) 建造安装周期短，造价低： 8 ) 某些轻型平台随动性较好，可重复使用。 这些结构特征，同样也限制了简易平台的应用范围，所以在决策采用简易平台之前， 应对油田规模和总体开发方案进行充分论证，才能真正体现出简易平台的应用价值乜明。 轻型平台技术在我国起步较晚，在应用中还存在不少问题。轻型平台结构简单，不 可避免地存在一些缺点： 1 ) 结构载荷余量比较小； 2 ) 甲板的承载能力有限： 3 ) 自身不能安装钻井设备，需要用自升式钻井平台来钻井或修井； 4 ) 平台运营、维护和保养比较困难： 5 ) 平台的位移与振动较大。 2 1 3 抗冰海洋平台 目前，抗冰海洋平台主要以固定式平台为主，靠打桩或自身重量固定于海底这是由 于抗冰海洋平台要抵御巨大的冰力。对于抗冰导管架结构一般要求在冰作用区尽量简化 结构构件或安装锥体，以便减小冰荷载和冰激振动，同时防止冰堆积和阻塞。另一方面， 抗冰海洋平台都是以冰荷载为控制荷载。冰荷载与波浪、地震等海洋荷载相比不仅要大 很多，而且冰荷载对结构型式是非常敏感的，不同的结构型式，冰的破碎机理、冰力形 式和大小都是不一样的，因此，抗冰平台型式不一样，其承受的冰荷载也有很大的差异。 这些不同点决定了抗冰海洋平台有其独特的特点。我国渤海边际油田的开发一般单个油 藏不丰富，井口较少，采用独腿加锥平台既可满足生产开发需要，又能满足良好的抗冰 性能。 2 2 桶型基础海洋平台结构特点 桶型基础是用桶基代替原桩基导管架平台的桩基，有以下特点： 1 ) 在安装和移动作业中利用负压沉贯、加压起浮的原理； 2 ) 它属于短粗的刚性桩，为开口形的薄壁圆桶壳； 3 ) 其结构强度涉及桶壳直径和壁厚、各桶之间的距离、桶基内部加强构件的布置 和尺寸、桶基底端构造和顶端与导管架底部的连接结构形式； 4 ) 桶基结构尺寸还涉及海底浅层土壤参数等多种因素。 这些问题均与桩基不同，由此形成了桶基结构的显著特点。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 2 3 桶型基础海洋平台原理 海上桶型基础平台是2 0 世纪9 0 年代出现的海上新型采油平台，它依独特的优势适 用于储量少，开采周期短的边际油田的开发。它是利用渗流理论和负压沉贯原理。将传 统导管架的桩基础改变成一个短粗的桶型基础，上端封闭、下端开口的钢质桶型结构， 并在桶顶开有连接泵系统的出水孔。平台在陆地上建造好，将其装到驳船上，运到井位， 采用海上大型浮吊进行吊装施工，即将平台从驳船吊至井位，桶基础平放于海底并靠平 台自重使桶基础下缘嵌入土中，在形成桶基础内水体封闭状态后，借助设置在顶端桶盖 上的潜水泵抽吸桶内的水，并使同一时间内抽出的水量超过自底部渗入的水量，造成桶 内部压力降低，即形成负压。当由桶基础内、外压差造成的作用在桶盖上的垂直向下的 压力超过土对桶的阻力时，桶基础即可不断被压入土中，并同时进行平台姿态( 平台倾 角) 、下沉速度、下沉量的测量等，直至将桶体压入海底预定深度，此时，沉放就位， 泵系统停止工作，桶基础内外之间的压力差逐渐消失，最终恢复到周围环境的压力( 见 图2 3 所示) 。 图2 3 桶型基础负压沉贯原理图 f 蟾2 3 b u c k e tf 0 仰d a t i o np f i n c i p l eo fs u c t i o np c n e t r a t i 大连理工大学硕士学位论文 2 3桶型基础海洋平台经济性分析 桶型基础海洋平台是一种全新概念的平台，与广泛应用的钢质桩基础导管架平台相 比，其经济效益主要表现在： 1 ) 节省用钢量 桶型浅基础代替钢质长桩基础，在适用海区节省平台结构用钢量2 0 以上。作为一 种粗略的概念性估计，桩式基础的用钢量几乎与导管架相当，桶型基础的用钢量大概只 有桩的一半。例如：根据胜利石油管理局的资料，我国第一座桶型基础采油平台 c b 2 0 b 平台，该平台导管架和桶型基础共用钢量1 6 1 吨，而平行设计的普通导管架和钢 质桩基础共用钢量2 4 7 吨，节省钢材3 4 8 。 2 ) 节省海上施工时间 利用抽吸负压的方法进行平台海上整体安装，避免复杂的海上打桩和接桩施工，显 著节省海上施工时间，降低海上施工风险。通常可节省直接安装时间8 0 以上，节省海 上总施工时间5 0 以上。例如：根据胜利石油管理局的资料，我国第一座桶型基础采油 平台c b 2 0 b 平台，该平台海上就位施工时间仅3 天比普通导管架平台节省时效7 0 以上：而且该平台下沉顺利，仅4 小时完成负压下沉，达到预定深度。 3 ) 可移动性的效益相当可观 通过压气或充气可将桶型基础平台拔出并移走，克服了桩基平台不可迁移重复使用 的缺点，既可提高平台的利用率，又可在平台退役时将平台收回，符合海洋环境保护的 趋势和要求。平台的设计年限一般在1 5 年以上，边际油井的经济开采年限有时只有3 5 年，平台的可移动性效益相当可观。 4 ) 提高海上平台的施工质量 在桶型基础沉贯过程中，利用测控技术，可对平台的姿态进行控制，避免了桩基平 台施工时由于环境条件等原因造成的平台倾斜，可明显提高平台的海上施工质量。 5 ) 降低平台总造价，提高油田开发效益 由于用钢量减少，缩短海上施工时间和重复利用等因素，总投资比钢质桩基平台节 省。平台主体造价一般可节省2 0 以上。例如：根据胜利石油管理局的资料，我国第一 座桶型基础采油平台叫b 2 0 b 平台，该平台不计研究费用，平台直接投资节省1 3 ， 当年投产，当年收回成本；根据综合分析，采用桶型基础海洋平台比传统导管架平台总 造价降低3 0 左右，从而降低了海工建设成本，增加了边际油田开发的可行性。例如： 挪威建造8 0 米水深桶型基础海洋平台，平台造价费用仅为桩基础平台的1 3 。我国z j 9 3 油田的两座系缆平台，较三腿导管架平台结构形式，海上安装费节省了5 0 0 万元。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应用研究 因此，开采我国周期短的边际油田选用桶型基础海洋平台具有非常重要的经济价值 和工程实用价值。 2 5 桶型基础海洋平台的可移动性分析 2 5 1 海上移动式平台类型 海上平台按其是否可移动这一基本特征可分为海上固定式平台和海上移动式平台 两大类。海上移动式平台是高出海面的一种可移动的海上结构物，它为海洋资源勘探开 发和海上施工等提供海上作业和生活条件，它可根据需要从一个作业地点转移到另一个 作业地点。可移动性是它的最大特点。 而对于浮动型平台，例如浮船式和半潜式平台，它们在正常作业状态，其有升降、 摇摆、漂移运动，运动性是这一类平台的另一特点，所以也称海上活动式平台，它是相 对于固定式平台而言的，不仅平台位置可以转移，而且平台本身在工作中也在运动。 2 5 2 海上移动式平台特点 ( 1 ) 作业位置可移动性，工作水深和平台方位可变性。它可工作在不同海域、不 同作业地点、不同工作水深，而且平台的方向也是不确定的。这些因素给这类平台载荷 计算工作量增大，而且设计状态和载荷组合的工作量也增大。根据这一特点，设计中应 考虑平台移动方便、安全，合理选取海洋环境参数。 ( 2 ) 平台作业时的运动特性。由于浮动型平台作业中运动，设计中应考虑平台运 动加速度，计入惯性力，应做动力分析。 ( 3 ) 平台作业状态多，一般有四种状态。 1 ) 迂航状态。平台从一个地区迂航( 拖航或自航) 到另一地区，或从一个作业点 迂航到另一作业点，迂航状态分一般迂航和风暴迂航两种工况。 2 ) 就位和离位状态。平台迂航到作业点后，平台就位。例如自升式平台要进行降 桩，插桩，预压和升船等操作，使平台在预定井位就位。作业完成后，要进行降船，拔 桩，升桩等操作，使平台安全离开井位。对上述不同工况均应满足稳定性和结构强度等 要求。 3 ) 正常作业状态。在作业点上进行正常作业或进行其他操作，此状态下平台承受 设计限度内组合环境载荷和作业载荷。 4 ) 风暴自存状态。此状态下平台承受最恶劣的设计环境载荷，停止作业，处于自 存状态。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 综合性强。海上移动式平台是一项综合工程，它涉及多门专业知识，如船舶 工程、海洋环境、结构力学、流体力学、土力学、钢结构等方面知识。 ( 5 ) 事故发生率高。由于它的可移动性和运动性，在迂航、就位( 或离位) 、作 业和自存等状态中均可能发生事故，因此，在设计、建造和使用中均应将平台的安全性 放在首位口引。 2 5 3 桶型基础海洋平台可移动性 桶型基础海洋平台作为渤海边际油田开发的新型模式，由于桩基础不同于传统钢质 桩基础导管架平台，也因此形成了自身特殊的工作机理。桶型基础海洋平台在正常服役 状态时，具有与传统钢质桩基础导管架平台同样的功能，属于固定式海洋平台，不具备 移动式海洋平台的特点。桶型基础海洋平台在作业位置改变时，又与传统钢质桩基础导 管架平台拆迁不同，传统钢质桩基础导管架平台拆迁移动时，需要先割桩，把上部导管 架拖走，然后再拔桩，因此上部导管架与桩是分开拆迁移动的；而桶型基础平台搬迁移 动时，利用加压气浮原理使上部导管架与桶型基础是整体移动的，基于这个特点，桶型 基础海洋平台具有移动式海洋平台的特点。 因此，桶型基础海洋平台用于我国渤海边际油田的开发，既符合采油阶段导管架海 洋平台的固定式结构特征，充分发挥固定式海洋平台在石油开发中的诸多优点，同时， 转移作业位置时，又具有海洋移动式平台的特点，保持桶型基础海洋平台的整体完整性， 气浮拖航的特性大大节省了搬迁费用，使渤海边际油田的开发具有很好的经济收益和广 阔前景。 2 6 桶型基础简易抗冰平台在渤海边际油田的可行性分析 渤海是我国海洋石油开发的主要海域，渤海油藏丰富，但占总储量的4 7 都属于边 际油田。为了开发边际油田，并且能够获得一定的经济效益，就必须摆脱常规技术和管 理的束缚，从技术创新入手来赢得经济效益。因此，寻找能够降低开发费用、提高开发 经济效益、安全可靠的新技术、新工艺就成为必然的选择，简易平台正是顺应边际油田 开发的产物。 目前简易平台在波浪环境条件下的研究逐渐趋于成熟，并在美国墨西哥湾边际油田 开发中得到广泛的应用，在北海、印尼、马来西亚、泰国、墨西哥和意大利等地也随之 得到推广，并形成多形式、多系列的简易平台产品忉删。图2 4 是三种典型的简易平台 示意图。 桶型基础平台在渤海边际油田开发中的应