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1、适应于浅海边际油田开发的新型独桩海洋平台研究 适应于浅海边际油田开发的新型独桩海洋平台研究 孙宝江李昊 中国石油大学( 华东) 石油工程学院海工系，2 5 7 0 6 1 ，山东，东营 【摘要】目前我国浅海油田开发中，固定平台大部分采用导管架式结构，它成熟、安全可靠，但因造 价原因，使其在开发边际油田方面受到制约。8 0 年代以来，国外已在海洋边际油田的开发中使用轻型简易 平台技术。由于国外海洋石油开发的传统习惯，其采用的独立桩桩径较大，结构较复杂，造价偏高，不适 合我国国情。套管加强桩基是一种新型平台结构形式，本文在结合国内外独桩平台研制状况的基础上，考 虑独桩与土相互作用，对独桩平台的结构
2、进行优化设计，提出一种适应于浅海边际油田开发的新型独桩海 洋平台，提出了进一步需要研究的内容。这种新型桩基平台的提出，为我国边际油田的开发提供了新的结 构形式，对于平台节约造价、提高平台抗力、延长寿命等具有十分重要的意义。 1 项目的提出 海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施。随着海上油气资源的开发不断向深 海进军的同时，浅海边际油气资源的开发利用也引起了人们的日益关注，研究和开发适合浅 海边际油气资源开发的固定式轻型平台得到了广泛的重视。 “新型独桩海洋平台研究”主要针对我国浅海及极浅海油田开发条件，研制适用于边际 油田开发的轻型简易海洋平台。随着我国浅海勘探开发工作的不断深入，有很
3、大一部分边际 油区亟待开发，现阶段在主力区块大部分开发的前提下，开发周围边远小区块是油田稳产、 增产的重要保障。对于一般的井组平台，在投资组成中，平台结构部分的投资占总投资的 6 0 以上，如果对这些边际小油区采用常规的平台结构方式必将制约其可能达到的投资回报 率，因此必须寻找新的平台结构形式，以减少结构部分的投资，从而有效的降低工程总投资， 使开发边际油区成为可能。在我国油田开发正在由过去的地质储量管理转变为经济可采储量 管理的形势下，引入轻型平台的概念并结合我国的实际情况积极开展轻型平台结构的研究、 开发和应用，并把这种技术应用于浅海和滩海地区，对于加快我国油田的开发，使更多边际 性油田能
4、够达到开发经济界限，将具有十分重要的意义。 2 国内外研究现状 目前我国浅海及极浅海油田开发中，海洋固定平台大部分采用导管架式结构，导管架固 定平台为海上油田的开发建设起了重大作用。导管架平台技术成熟、安全可靠，但因造价及 用钢量两方面原因，使其在开发边远小油区方面受到制约。鉴于此，为寻求更大的投入产出 比，国内外科研机构及工程技术人员都在积极开发研究适用于这一领域的、有较好经济效益 的轻型、小型、新型平台，如简易浮式生产装置、桶型基础平台、独桩平台等。为了滚动开 一3 “一 我国近海油气勘探开发高技术发展研讨会文集 发，许多平台为了满足原油外输和配电注水的需要，在平台周围设立了独立桩结构，普
5、通独 立桩平台在较大的风、浪、流和冰荷载作用下，往往产生较大的水平位移，使其上面依托的 输油管线的立管、注水管线和电缆线造成损坏，甚至渗漏油，造成海洋环境的污染，给油 田经济造成严重的损失。因此，国内海洋石油开发工程对于水深大于1 5 m 的采油平台的栈桥 支撑桩多采用组合群桩、小导管架等结构形式，以减少栈桥在波浪荷载作用下的水平位移， 对于依托的输油立管、注水管线和电缆立管的支撑桩也都采用刚性很大的结构，以保证输油 立管、注水管和电缆的工作安全。 自8 0 年代以来，国外已在海洋边际油田的开发中提出并开始使用轻型平台技术，在适 宜的条件下可取代传统的四腿导管架平台。其中较为有代表性独桩平台有
6、A T L A N T I A O F F S H O R E R 公司、A T L A S 公司、E X C E L 工程公司的C a i s s o n 型及G E N I U SV O SB V 公司的 独桩平台。独桩平台其上部甲板结构由单一钢管桩支撑，隔水套管则置于钢管桩内。其具有 结构简单，制造、安装方便，造价低等特点，而且单支柱结构形式还能较大程度地降低环境 荷载的作用。该技术在墨西哥湾及北海一些海区都得到了成功的应用，其适用水深为3 3 5 米。另外，由于采用了圆筒形的立柱结构，避免了一般网格结构的节点问题，既改善了结构 的疲劳特性，也简化了制造过程。尤其在浅水区采用这种结构后，
7、不仅可以节省平台用钢量， 而且可以缩短海上施工周期，这一优势在海上施工受到气候影响大的油田显得尤为明显。由 于国外海洋石油开发的传统习惯，其采用的独立桩结构桩径较大，结构较复杂，造价偏高， 不适合我国浅海石油开发的生产实际。 3 研究内容及技术难点 本文在结合国内外独桩平台研制发展现状，并考虑独桩与土相互作用机理的理论基础 上，对独桩平台的结构进行优化设计。通过对水平荷载作用下单桩受力响应分析知，桩基承 受的最大弯矩和剪力发生浅层土中，浅层土和桩间的相互作用决定了桩基水平承载力和水平 挠度响应。要提高独立桩平台的水平承载力，减小其幅值响应，就是想办法提高浅层土中桩 土间的相互作用力，为此我们提
8、出了一种新的桩型一套管加强桩，这种桩基有以下优点： ( 1 ) 桩身上套管的布置，增加了桩的抗弯刚度和剪切刚度，减小平台响应幅值； ( 2 ) 桩身上套管的布置，充分发挥了桩土间的相互作用，提高了平台的水平承载力； ( 3 ) 桩身上套管的布置，增大的平台的抗倾覆弯矩，增强了平台的稳定性； ( 4 ) 桩身上套管的布置，扩大了桩身的侧面积，提高了桩与土体间的摩擦力，因而提高 了桩基竖向承载力，减小了桩长； ( 5 ) 这对于平台的合理设计、节约平台造价、提高平台抗力和延长使用寿命都具有十分 重要的理论价值和工程实际意义。 通过文献查新知，套管加强桩基是一种新型平台结构形式，因此，对加强桩基独桩
9、平台 响应的分析按照一般桩基理论分析方法进行。近四十年来，基于桩周土的模拟而将水平承载 3 6 5 适应于浅海边际油田开发的新型独桩海洋平台研究 桩基响应的分析已建立了许多方法，其中有弹性地基反力法、W i n k l e r 地基梁模型、弹性连 续体模型和有限元法等。其中W i n k l e r 地基梁模型，用线性或非线性桩土弹簧( p y 曲线) 来考虑桩土间的非线性相互作用，是美国石油协会( A P I ，1 9 9 3 ) 建议的导管架桩基设计方法， 并在工程实践中得到广泛的应用。 本项目用p y 曲线法对加强桩进行非线性响应分析，并结合物理模型试验，研究加强 桩与土体间的相互作用机
10、理，分析套管的结构形式、土性质以及荷载循环对桩基响应的影响， 并与普通桩基进行比较分析以验证加强桩基在提高桩基承载力、减少响应幅值等方面的有效 性。 研究内容： 1 、建立加强桩基的p y 曲线。建立加强桩基考虑桩土间弹性、塑性、摩阻及间隙闭合 作用的p y 曲线模型及各组成单元的关系表达式。并与A P I 建议的p y 曲线比较分析。 2 、对加强桩基进行非线性响应分析。分析加强套管与土体问的相互作用机理，研究套 管的埋置深度和宽度、土性质对桩身弯矩和位移的分布的影响，进行加强桩基结构的优化设 计，以充分发挥桩土间相互作用，减小桩顶响应幅值。 3 、加强桩基及普通桩的对比物理模型试验研究。独
11、桩平台的设计主要以控制位移为主， 模型试验以位移控制方式在悬臂桩顶施加水平荷载，研究不同位移水平下，桩土间隙的发展 情况以及桩侧阻力、桩正面土抗力的组成及变化规律。同时进行循环荷载试验，研究土抗力 的退化及间隙扩展。在试验过程中，测试桩身分布点的应变，用土压力器测度桩正面及侧面 土压力的分布。 4 、根据试验结果，修正加强桩基的p y 曲线及各组成单元的数学模型，分析在水平荷 载作用下加强桩与土体的作用机理。 拟解决的关健问题： 套管加强桩基与土体相互作用机理分析，求得加强桩基的p y 魄线。 4 预期指标和主要创新点 1 套管加强桩基能充分发挥桩土间的相互作用，预计减小海洋平台响应幅值2 0
12、 ，提 高平台水平承载力2 0 ； 2 与传统的导管架平台相比，预计至少可节约费用4 0 ； 3 这一桩型的提出为海洋平台桩基的设计提供了新的结构形式，有着广阔的应用前景。 5 技术研究对产业发展意义 “浅海新型独桩海洋平台研究”是在充分了解国内外海洋平台桩基的发展现状、 海上油田施工技术装备的设备性能、海上平台安全要求的基础上提出来的，所以这种 新型桩基的施工是可行的。 一3 6 6 我国近海油气勘探开发高技术发展研讨会文集 这种新型桩基平台的提出，为我国边际油田的开发提供了新的结构形式，对于平台的合 理设计、节约平台造价、提高平台抗力和延长使用寿命具有十分重要的工程实际意义。另 外，这种新
13、型平台对于加快我国油田的开发，使更多边际性油田能够达到开发经济界限，将 具有十分重要的意义。 参考文献 1 A P I ( 1 9 9 3 ) R e c o m m e n d e dP r a c t i c ef o rP l a n n i n g ，D e s i g n i n ga n dC o n s t r u c t i n gF i x e dO f f s h o r eP l a t f o r m s ，A P I R P2 A - W S D 。2 0 t he d ，A m e r i c a nP e t r o l e u mI n s t i t u t
14、e 2 李广军( 1 9 9 8 ) ，独桩固定式采油平台的研究设计中国海洋平台，1 ( 2 ) 3 E K u r ta l b a u g h 。P E T i l l i eN u t t e r 。2 0 0 1w o r l dw i d es u r v e yo fm i n i m a lo f f s h o r e 缸e dp l a t f o r m s & d e c k sf o r m a r g i n a lf i e l d s ，O f f s h o r em a g a z i n e ，2 0 0 1 1 4 P r a k a s h 。S ，a
15、n dP u f f ，V K ( 1 9 9 2 ) A n a l y s i sa n dd e s i g no fp i l e sf o rm a r i n ee n v i r o n m e n t P r o c2 s tI n t e r n a t i o n a l O f f s h o r ea n dP o l a rE n g i n e e r i n gC o n f e r e n c e ，S a nF r a n c i s c o ，U S A ，1 ，3 3 9 - 3 6 1 5 孙树民( 2 0 0 0 ) ，独桩平台振动控制，中国海上油气( 工程) ，1 2 ( 6 ) 。1 2 1 6 一3 6 7
