可移動鋼制桶型負壓基礎先導試驗平臺的研制與試驗

可移動鋼制桶型負壓基礎先導試驗平臺的研制與試驗

1桶型基礎在非織造平臺上的應用20世紀70年代末，荷蘭石油公司和挪威國家石油公司先后對海洋平臺的新基本形式進行了研究。1989年8月,由荷蘭殼牌石油公司開發(fā)的負壓樁首先由單點系泊公司應用于北海的GORM油田,作為3500t油船單點系泊的水下錨樁獲得成功。挪威國家石油公司經(jīng)過長期研究試驗,于1994年7月在北海的70m深處四腿樁Europipe16/11E平臺上成功地應用了桶型基礎,該桶型基礎靠泵抽吸桶內(nèi)海水產(chǎn)生負壓沉入泥中,取代了原來海上的樁基礎。節(jié)省了大量的鋼材,縮短了平臺施工周期,因此采用桶型負壓基礎大大地降低了平臺建造和施工作業(yè)費用。20世紀90年代初,國內(nèi)也開始了小型桶型負壓基礎的研究試驗工作,為解決渤海灣地區(qū)石油鉆采過程中運輸問題,采用吸力錨作為水平錨固裝置的灘海運載工具及運移方法研究,提出了桶型負壓基礎結(jié)構(gòu)的概念設計,并在實際中得到應用。國外負壓基礎技術(shù)的成功應用,為我國在灘海油田的開發(fā)中應用這一技術(shù)提供了依據(jù)。但是國外此類基礎形式的平臺一般應用于幾十米以上的較深海域,而且全部需要較大的施工作業(yè)船只進行施工作業(yè),如運輸平臺需要大型甲板駁船,平臺坐底必須用大型海上浮吊等,而這些船只在淺水域無法通行。另外,我國的灘海油田處于潮間帶和極淺海水域相當一部分為淤泥質(zhì)軟土地基,工程地質(zhì)情況復雜,開發(fā)難度大,水淺,缺少必要的海上作業(yè)船只,因此,完全照搬國外的技術(shù)和經(jīng)驗是不行的。2極海底或心理海域該類平臺的研制以解決在渤海灣海圖5m水深線以內(nèi)的極淺海海域或潮間帶地區(qū)應用鋼制桶型負壓基礎建造平臺的技術(shù)為目標。渤海灣西岸海圖5m水深線以內(nèi)的極淺海海域或潮間帶地區(qū)因其有多條河流的入?？?具有特殊的環(huán)境特點,水淺、潮差大、地基軟、淤積嚴重,一般的海上施工作業(yè)船只、浮吊無法進入該水域。使得這一區(qū)域成了海上石油勘探開發(fā)的困難地區(qū)。無論鉆井平臺(船)、還是采油平臺(船),要進入該海域均需要特殊的設計和設備,如淺吃水設計、坐灘作業(yè)等。尤其是在2m水深以內(nèi)的地區(qū),幾乎沒有可施工作業(yè)的船只可以進入,因此在該海域建造傳統(tǒng)海上樁基平臺困難重重。3桶型基礎平臺的基礎灘?？梢苿油靶拓搲夯A平臺既可以利用桶型負壓基礎自身的桶體在平臺拖航時作為平臺濕拖時的浮體,又能在平臺就位坐底后利用桶體作為平臺的基礎,可謂一舉兩得,充分利用了桶型基礎平臺中桶體的特性。為保持桶內(nèi)氣體的壓力,使桶內(nèi)保證一定量的空間,以便給平臺提供一定量的浮力,可在桶型基礎內(nèi)加設氣囊,通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的壓力,調(diào)節(jié)平臺的吃水深度和控制平臺拖航中的平衡穩(wěn)定,以適應不同水域的不同水深。桶內(nèi)氣囊另一個作用是可實現(xiàn)桶型負壓基礎坐底后的充氣起浮,脫離泥面,進入漂浮狀態(tài),進而實現(xiàn)平臺的移位和重復使用。4平臺拖航速度的提高桶型基礎平臺由于其自身的結(jié)構(gòu)特點,其支撐結(jié)構(gòu)的柱腿下部必然有一個剛度較大、幾何尺寸較大的倒扣的桶體,該桶體在平臺坐底后主要是作為平臺的基礎,同時,也可利用桶體作為浮體。當桶體容積足夠大,各個桶體排開水的總質(zhì)量大于平臺自身的質(zhì)量時,平臺將可以自己漂浮。通過調(diào)整桶內(nèi)氣體的壓力,控制桶內(nèi)的水位,可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)桶基平臺吃水。當桶內(nèi)氣體壓力大于桶內(nèi)外水壓壓力差和大氣壓的總和時,桶內(nèi)的氣體將從桶底冒出,桶內(nèi)氣體壓力將不會增加,此時處于平臺桶基最淺吃水狀態(tài)。由于平臺在海上拖航時,受波浪影響,桶外水面經(jīng)常上下變化,幾乎不可能維持平臺的最淺吃水狀態(tài)。而最小吃水狀態(tài)對于在灘海的極淺水域又十分有意義。為了解決這個問題,可以在桶型基礎的桶體內(nèi)設置與桶體直徑基本相同的氣囊。氣囊的高度可比桶型基礎的高度略低一些,這樣主要是為了保證在氣囊內(nèi)充氣時,氣囊不會突出桶體,從而避免海底的尖銳物體將氣囊刺破。氣囊應用橡膠布類較為柔軟且又具有一定抗拉強度的材料。在平臺坐底時,內(nèi)氣囊要完全壓縮,形成負壓,使桶體能夠進入海底泥中形成基礎。內(nèi)氣囊結(jié)構(gòu)可以大大地提高平臺漂浮狀態(tài)的抗風浪性能和提高拖航速度。在大港油田完成的先導性試驗平臺中,重100t的平臺,受四個直徑4m的桶型基礎的浮力,在桶型基礎密閉不用補充注氣情況下,漂浮時間達到72h以上,吃水深度最小可達到1.8m;拖航速度由原來室內(nèi)試驗的3kn提高到實際拖航的5.3kn,從建造港口塘沽港到大港油田張巨河人工島海域,拖航時間10余小時,安全到達。另外,氣囊還有一個用途,當平臺需要起浮移位時,向氣囊內(nèi)充氣,形成正壓,使桶型基礎克服與海底土壤間的摩擦力,達到平穩(wěn)起浮。5帶內(nèi)囊平臺的下沉和起升漂浮平臺坐底時,首先必須確定坐底海域當時的水深。平臺坐底是不借助其他的輔助設備,平臺在下沉至桶頂時由于浮力銳減,桶體裙邊又沒觸底,可能會失去平衡控制導致平臺傾覆,所以坐底時水深必須小于桶體高度。平臺在坐底過程中,首先抽氣囊和桶內(nèi)的氣體,由于桶內(nèi)和囊內(nèi)的氣壓的減小,桶內(nèi)外的水面差將逐漸減小,浮力也隨之逐漸減小,這時平臺將逐漸平穩(wěn)下沉。當平臺桶基觸底后,抽桶內(nèi)的水,桶內(nèi)形成負壓,桶基被壓入泥中,直至預定深度,此時平臺就位坐底完成。如果平臺下沉過程中出現(xiàn)傾斜,可以通過控制各個桶內(nèi)的抽水量及形成的負壓進行調(diào)節(jié)。當平臺需要移位時,可向平臺的桶型基礎內(nèi)的氣囊注氣使平臺桶基拔出泥面。但是在注氣上浮時也應注意水深不可大于桶基的桶體高度,其原因與下沉時的原因相同。在上拔過程中,氣囊內(nèi)的氣體對桶內(nèi)泥面的壓力和桶外水的浮力構(gòu)成平臺的上拔力,以克服桶基與泥土之間的摩擦力。通過大港油田研制的先導試驗平臺的實踐證明,在沒有任何海上施工作業(yè)船只和裝備輔助條件下,帶內(nèi)囊的桶型基礎平臺下沉坐底和起升漂浮均十分平穩(wěn)。在平臺坐底后,經(jīng)過豎向承載力實驗,其承載能力、沉降規(guī)律與常規(guī)桶型基礎完全一致。6平臺設計及結(jié)構(gòu)可移動桶型負壓基礎先導性試驗平臺由大港油田勘察設計研究院和中油工程技術(shù)研究院共同研究設計完成。該平臺1999年立項設計,1999年5月完成設計,2000年6月完成建造、下水、拖航及就位。平臺結(jié)構(gòu)采用有限元分析計算,平臺上部除了預留了工藝設備安裝位置外,還設有發(fā)電、配電設備,平臺自動起升、下沉控制裝置,微機監(jiān)控及舾裝部分等。該平臺性能參數(shù)如下:(1)基本組成甲板尺寸:9m×9.5m;平臺總高:13m;導管架高:9m;桶體:高4m,直徑4m;總重量:100t。(2)浮浮時實際使用工況下沉時實際水深小于3.5m,下沉時間120min;升浮時實際水深大于2.0m,升浮時間90min。工作工況:風速≤13.8m/s(6級);浪高≤2.0m。自存工況:風速≤32m/s(12級);浪高≤2.7m。(3)浪高/s5.8m/s適用水深:實際水深≥1.8m;適用風速≤13.8m/s(6級);適用浪高≤2.0m;拖航速度≤4kn;(實際達到5.3kn)拖曳力:4kn:45kN;2kn:15kN。(4)拖航自存漂浮狀態(tài)風速≤24.4m/s(9級);浪高≤2.7m。7型負壓基礎平臺