可移动钢制桶型负压基础先导试验平台的研制与试验

可移动钢制桶型负压基础先导试验平台的研制与试验

1桶型基础在非织造平台上的应用20世纪70年代末，荷兰石油公司和挪威国家石油公司先后对海洋平台的新基本形式进行了研究。1989年8月,由荷兰壳牌石油公司开发的负压桩首先由单点系泊公司应用于北海的GORM油田,作为3500t油船单点系泊的水下锚桩获得成功。挪威国家石油公司经过长期研究试验,于1994年7月在北海的70m深处四腿桩Europipe16/11E平台上成功地应用了桶型基础,该桶型基础靠泵抽吸桶内海水产生负压沉入泥中,取代了原来海上的桩基础。节省了大量的钢材,缩短了平台施工周期,因此采用桶型负压基础大大地降低了平台建造和施工作业费用。20世纪90年代初,国内也开始了小型桶型负压基础的研究试验工作,为解决渤海湾地区石油钻采过程中运输问题,采用吸力锚作为水平锚固装置的滩海运载工具及运移方法研究,提出了桶型负压基础结构的概念设计,并在实际中得到应用。国外负压基础技术的成功应用,为我国在滩海油田的开发中应用这一技术提供了依据。但是国外此类基础形式的平台一般应用于几十米以上的较深海域,而且全部需要较大的施工作业船只进行施工作业,如运输平台需要大型甲板驳船,平台坐底必须用大型海上浮吊等,而这些船只在浅水域无法通行。另外,我国的滩海油田处于潮间带和极浅海水域相当一部分为淤泥质软土地基,工程地质情况复杂,开发难度大,水浅,缺少必要的海上作业船只,因此,完全照搬国外的技术和经验是不行的。2极海底或心理海域该类平台的研制以解决在渤海湾海图5m水深线以内的极浅海海域或潮间带地区应用钢制桶型负压基础建造平台的技术为目标。渤海湾西岸海图5m水深线以内的极浅海海域或潮间带地区因其有多条河流的入海口,具有特殊的环境特点,水浅、潮差大、地基软、淤积严重,一般的海上施工作业船只、浮吊无法进入该水域。使得这一区域成了海上石油勘探开发的困难地区。无论钻井平台(船)、还是采油平台(船),要进入该海域均需要特殊的设计和设备,如浅吃水设计、坐滩作业等。尤其是在2m水深以内的地区,几乎没有可施工作业的船只可以进入,因此在该海域建造传统海上桩基平台困难重重。3桶型基础平台的基础滩海可移动桶型负压基础平台既可以利用桶型负压基础自身的桶体在平台拖航时作为平台湿拖时的浮体,又能在平台就位坐底后利用桶体作为平台的基础,可谓一举两得,充分利用了桶型基础平台中桶体的特性。为保持桶内气体的压力,使桶内保证一定量的空间,以便给平台提供一定量的浮力,可在桶型基础内加设气囊,通过调节气囊内的压力,调节平台的吃水深度和控制平台拖航中的平衡稳定,以适应不同水域的不同水深。桶内气囊另一个作用是可实现桶型负压基础坐底后的充气起浮,脱离泥面,进入漂浮状态,进而实现平台的移位和重复使用。4平台拖航速度的提高桶型基础平台由于其自身的结构特点,其支撑结构的柱腿下部必然有一个刚度较大、几何尺寸较大的倒扣的桶体,该桶体在平台坐底后主要是作为平台的基础,同时,也可利用桶体作为浮体。当桶体容积足够大,各个桶体排开水的总质量大于平台自身的质量时,平台将可以自己漂浮。通过调整桶内气体的压力,控制桶内的水位,可以实现调节桶基平台吃水。当桶内气体压力大于桶内外水压压力差和大气压的总和时,桶内的气体将从桶底冒出,桶内气体压力将不会增加,此时处于平台桶基最浅吃水状态。由于平台在海上拖航时,受波浪影响,桶外水面经常上下变化,几乎不可能维持平台的最浅吃水状态。而最小吃水状态对于在滩海的极浅水域又十分有意义。为了解决这个问题,可以在桶型基础的桶体内设置与桶体直径基本相同的气囊。气囊的高度可比桶型基础的高度略低一些,这样主要是为了保证在气囊内充气时,气囊不会突出桶体,从而避免海底的尖锐物体将气囊刺破。气囊应用橡胶布类较为柔软且又具有一定抗拉强度的材料。在平台坐底时,内气囊要完全压缩,形成负压,使桶体能够进入海底泥中形成基础。内气囊结构可以大大地提高平台漂浮状态的抗风浪性能和提高拖航速度。在大港油田完成的先导性试验平台中,重100t的平台,受四个直径4m的桶型基础的浮力,在桶型基础密闭不用补充注气情况下,漂浮时间达到72h以上,吃水深度最小可达到1.8m;拖航速度由原来室内试验的3kn提高到实际拖航的5.3kn,从建造港口塘沽港到大港油田张巨河人工岛海域,拖航时间10余小时,安全到达。另外,气囊还有一个用途,当平台需要起浮移位时,向气囊内充气,形成正压,使桶型基础克服与海底土壤间的摩擦力,达到平稳起浮。5带内囊平台的下沉和起升漂浮平台坐底时,首先必须确定坐底海域当时的水深。平台坐底是不借助其他的辅助设备,平台在下沉至桶顶时由于浮力锐减,桶体裙边又没触底,可能会失去平衡控制导致平台倾覆,所以坐底时水深必须小于桶体高度。平台在坐底过程中,首先抽气囊和桶内的气体,由于桶内和囊内的气压的减小,桶内外的水面差将逐渐减小,浮力也随之逐渐减小,这时平台将逐渐平稳下沉。当平台桶基触底后,抽桶内的水,桶内形成负压,桶基被压入泥中,直至预定深度,此时平台就位坐底完成。如果平台下沉过程中出现倾斜,可以通过控制各个桶内的抽水量及形成的负压进行调节。当平台需要移位时,可向平台的桶型基础内的气囊注气使平台桶基拔出泥面。但是在注气上浮时也应注意水深不可大于桶基的桶体高度,其原因与下沉时的原因相同。在上拔过程中,气囊内的气体对桶内泥面的压力和桶外水的浮力构成平台的上拔力,以克服桶基与泥土之间的摩擦力。通过大港油田研制的先导试验平台的实践证明,在没有任何海上施工作业船只和装备辅助条件下,带内囊的桶型基础平台下沉坐底和起升漂浮均十分平稳。在平台坐底后,经过竖向承载力实验,其承载能力、沉降规律与常规桶型基础完全一致。6平台设计及结构可移动桶型负压基础先导性试验平台由大港油田勘察设计研究院和中油工程技术研究院共同研究设计完成。该平台1999年立项设计,1999年5月完成设计,2000年6月完成建造、下水、拖航及就位。平台结构采用有限元分析计算,平台上部除了预留了工艺设备安装位置外,还设有发电、配电设备,平台自动起升、下沉控制装置,微机监控及舾装部分等。该平台性能参数如下:(1)基本组成甲板尺寸:9m×9.5m;平台总高:13m;导管架高:9m;桶体:高4m,直径4m;总重量:100t。(2)浮浮时实际使用工况下沉时实际水深小于3.5m,下沉时间120min;升浮时实际水深大于2.0m,升浮时间90min。工作工况:风速≤13.8m/s(6级);浪高≤2.0m。自存工况:风速≤32m/s(12级);浪高≤2.7m。(3)浪高/s5.8m/s适用水深:实际水深≥1.8m;适用风速≤13.8m/s(6级);适用浪高≤2.0m;拖航速度≤4kn;(实际达到5.3kn)拖曳力:4kn:45kN;2kn:15kN。(4)拖航自存漂浮状态风速≤24.4m/s(9级);浪高≤2.7m。7型负压基础平台