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灘海油田采油平臺防淘空措施探索

文檔作者：初新杰1’2 文檔來源： 1．中國海洋大學(xué) 2．勝利石油管理局鉆井工藝研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月26日
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第40卷第2期
2011年04月
船海工程
SHIP＆0CEAN ENGINEERING
V01．40 No．2
Apr．2011
D【)I：10．3963／j．issn 1671—7953．2011．02．029
灘海油田采油平臺防淘空措施探索
初新杰1’2
(1．中國海洋大學(xué)，山東青島266003；2．勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017)
摘要：通過室內(nèi)試驗(yàn)，討論了采油平臺的沖淘機(jī)理和防護(hù)措施，針對仿生海底、仿生林、拋石塊、拋石子
袋等防沖淘措施進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，完成了導(dǎo)管架式、桶形基礎(chǔ)式、沉墊式三種采油平臺的沖淘及防護(hù)試
驗(yàn)，提出和完善了多層次拋石防護(hù)技術(shù)，并將研究成果成功地應(yīng)用于海上防護(hù)工程。
關(guān)鍵詞：灘海油田；采油平臺；防淘空；措施
中圖分類號：TE58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671—7953(2011)02一O104一04
勝利石油管理局自1975年在渤海灣海域進(jìn)行
勘探以來，經(jīng)過20多年的不懈努力，已建成幾十座
各類大小的固定平臺，鋪設(shè)了海底管道，由于海上
風(fēng)浪和潮流的長期沖淘作用，導(dǎo)致諸多采油平臺和
海底管線的基礎(chǔ)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的沖淘[1]。如果不
采取有效的防沖淘保護(hù)措施，時(shí)間長了，管線有可
能岡疲勞而發(fā)生斷裂，影響平臺的正常生產(chǎn)并造成
嚴(yán)重的海洋污染。如果平臺基礎(chǔ)繼續(xù)被淘空，導(dǎo)管
架會完全離開海底的支撐，整個(gè)導(dǎo)管架懸掛在樁頂
“U”形板上，在波浪的反復(fù)沖擊下，有可能發(fā)生焊
縫開裂，造成導(dǎo)管滑動，嚴(yán)重地威脅灘海油田平臺
安全和作業(yè)工人的人身安全。為此通過室內(nèi)試驗(yàn)，
提出灘海油田采油平臺防淘空的措施和建議。
1試驗(yàn)理論基礎(chǔ)及基本思路
1)海底地基經(jīng)過長期的自然條件作用，在各
種水動力因素作用下，基本上達(dá)到了沖淤動態(tài)平
衡。海T構(gòu)筑物的建設(shè)改變了其周圍原有動力條
件，也就破壞了原有的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致局部泥
沙遷移，亦即在建筑物周圍發(fā)生了淘空[2]。構(gòu)筑
物的尺度及形狀對其周圍流場改變有重要影響，
研究淘空首先應(yīng)盡可能滿足模型周嗣動力要素變
化情況與原型相似。在變態(tài)試驗(yàn)理論基礎(chǔ)尚不成
熟的情況下，為丁程目的而進(jìn)行的試驗(yàn)，采用正態(tài)
收稿日期：2011一01一07
修回日期：2011-01—19
資助項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目(8201001)。
作者簡介：初新杰(1968一)，男，高級工程師。
研究方向：海洋工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究
E-mail：zjyhyscxj@126．com
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模型試驗(yàn)更準(zhǔn)確可靠。
2)動力因素中，風(fēng)、浪、流、潮等均對淘空有
影響。浪、流是泥沙運(yùn)移的主要動力因素，其他因
素只是間接因素或次要因素。在本次試驗(yàn)中只考
慮浪、流作用。
3)動力因素的模擬試驗(yàn)，首先保證動力相似
原則睜4|，即原型和模型傅勞德數(shù)相同。這同時(shí)使
得遵從同一相似律的浪、流這兩大動力因素聯(lián)合
模擬成為可能。在試驗(yàn)中，浪、流及作用時(shí)間比尺
均按該相似原則確定。
4)根據(jù)泥沙試驗(yàn)理論，沖淘試驗(yàn)要求起動流
速相似和摩阻相似，還要求試驗(yàn)用沙粒徑及其級配
曲線與原型沙相似睜6I。合理選擇試驗(yàn)用沙成為此
類試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素之一，對此作如下考慮。
①勝利淺海地基表層主要由黃河泥沙沉積而
成，通常為粉土或細(xì)粉沙，中值粒徑D50約在
O．03～o．10 mm之間。據(jù)測算，原型沙特征粒經(jīng)
大于5 mm時(shí)，可采用縮尺比為1：20的正態(tài)模型
試驗(yàn)。勝利淺海這樣細(xì)的基質(zhì)，滿足此要求幾無
可能。
②勝利淺海區(qū)，表層粉土中粘粒成分含量很
少，啟動(揚(yáng)動)流速較小，采用原型沙在實(shí)驗(yàn)室中
可以滿足泥沙起動這一基本要求。當(dāng)然這也要求
模型比尺不能太小，即模型應(yīng)比較大一些。這就
要求正式試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，找出合適的起
動流速、波高，從而確定模型比尺。
③平臺周圍淘空范圍和深度是有上限的。采
用原型泥沙，由于其天然坡角為定值，可以設(shè)想，
由于周圍動力場相似，經(jīng)過足夠長的試驗(yàn)過程，模
型周圍淘空達(dá)到極限，淘空造成的成坑形狀和坡
度與原型基本相同。這樣，采用原型沙和正態(tài)縮
萬方數(shù)據(jù)
灘海油田采油平臺防淘空措施探索——初新杰
尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)對平臺及管線周圍淘
空情況的模擬。當(dāng)然，沖淘過程時(shí)間比尺相似性
僅作參考，而不具體分析多長時(shí)間的試驗(yàn)過程代
表多長的原型實(shí)際作用時(shí)間。
④采用原型沙解決工程防護(hù)問題，在經(jīng)濟(jì)上
具有顯著的效益。它不僅節(jié)省了材料費(fèi)、加工費(fèi)，
亦避免了試驗(yàn)過程及試驗(yàn)完成后的大量清理和分
選工作量，同時(shí)亦為以后繼續(xù)利用原型沙試驗(yàn)積
累經(jīng)驗(yàn)[7。。
2 室內(nèi)試驗(yàn)
2．1平臺原型、模型情況
1)樁基式平臺。樁基式平臺原型及模型參
數(shù)見表1。
表l樁基式平臺參數(shù)
對比樁數(shù)量／根樁間距／m樁外徑／m導(dǎo)樁管外徑／m
2)桶基式單桶平臺。桶基式單桶平臺原／模
型參數(shù)見表2。
表2桶基式單桶平臺原型及模型參數(shù)
對比桶外徑／m桶擘厚／m桶高度／m防護(hù)錐體的錐度
3)沉墊式平臺。沉墊原型主尺度為60 m×
30 m×3．6 m。
沉墊模型主尺度為2 000 mm×1 ooO mm×
120 mm。
2．2試驗(yàn)采用的主要參數(shù)
根據(jù)試驗(yàn)原型參數(shù)的率定試驗(yàn)情況，結(jié)合灘
海工程模擬實(shí)驗(yàn)室的能力，試驗(yàn)過程采用的參數(shù)
見表3。
表3試驗(yàn)過程采用的主要參數(shù)
2．3試驗(yàn)地基配置
選用原型沙作為模型沙，進(jìn)行試驗(yàn)地基配置。
試驗(yàn)前，測定試驗(yàn)土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，
見表4。
表4試驗(yàn)土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
2．4泥沙起動試驗(yàn)
為確保原型沙試驗(yàn)方案的執(zhí)行，進(jìn)行預(yù)演試
驗(yàn)。在水深25 cm時(shí)，開1臺泵，流速12 c叫s，可
以看到水中土粒起動，但池水不全變渾；在水深60
cm時(shí)，把一塊500 mm×500 mm×60 mm的混凝
土塊置于水中，開三臺泵造流，流速為O．14 m／s，此
時(shí)看不清水下情況，經(jīng)過2 h沖刷后排水觀察，發(fā)
現(xiàn)混凝土塊四角及迎流面均出現(xiàn)淘空，深度為O．5
鋤，表明該流速已達(dá)到起動流速。浪流合成試驗(yàn)
發(fā)現(xiàn)，沖淘更明顯，表明原型沙試驗(yàn)方案可行。
2．5沖淘、防護(hù)試驗(yàn)
1)樁基式平臺沖淘、防護(hù)試驗(yàn)。將樁基式平
臺模型埋設(shè)布置于模型區(qū)，在平臺模型相鄰的兩
角處各布設(shè)一條外輸管線，管線從平臺頂部向下
至泥面后沿平臺平面角的對角線外伸，水平管線
位于泥面下5～20 mm。
開展流單獨(dú)作用下的沖淘試驗(yàn)，此時(shí)沖淘不
明顯；開展常規(guī)浪+流合成作用下的沖淘試驗(yàn)，導(dǎo)
管架及管線處出現(xiàn)明顯的沖淘。
逐漸增加波高(o．15～o．25 m)，開展波浪、
流合成作用下的沖淘試驗(yàn)，導(dǎo)管架及管線處的沖
淘量明顯隨波高加劇。沖淘機(jī)理主要表現(xiàn)為：波
浪作用揚(yáng)動海底泥沙，潮流作用帶走揚(yáng)動的泥沙，
二者共同作用使得沖淘加劇。
在其中一段懸空海管的下部及周圍投沙填埋
海管，表層放置大量類似海草的物體，用50根帶
勾鋼筋固定于地基上，形成仿生海底保護(hù)層；在另
一段懸空海管的下部及周圍投沙填埋海管，表層
放置石子(低層放置小石子，上層放置大石子)，形
成海底保護(hù)層；在導(dǎo)管架處地基表層直接放置自
制的叢林式仿生塊進(jìn)行防護(hù)。然后，開展浪流合
成作用下的沖淘防護(hù)試驗(yàn)。防護(hù)后導(dǎo)管架及管線
處基本無沖淘，三種防護(hù)效果都不錯，無明顯差
別。在浪流作用下石子堆出現(xiàn)了自然平衡性坍
105
萬方數(shù)據(jù)
第2期船海工程第40卷
塌，變得更加密實(shí)；導(dǎo)管架中心區(qū)域的叢林式仿生
塊未能造成泥沙的明顯淤積。
2)桶形基礎(chǔ)平臺沖淘、防護(hù)試驗(yàn)。預(yù)先將桶
形基礎(chǔ)單桶模型沉貫入泥，桶頂高出泥面10咖。
開展浪、流合成作用下的桶形基礎(chǔ)無防護(hù)錐
模型、防護(hù)錐模型沖淘試驗(yàn)。
桶形基礎(chǔ)無防護(hù)錐模型的迎流面和背流面發(fā)
生輕微淤積，兩側(cè)發(fā)生比較嚴(yán)重淘空。兩側(cè)淘空
區(qū)寬度不超過20 cm，沖刷深度7～8咖；推測原
型淘空范圍不超過4 m，深度不超過1．2 m。
桶形基礎(chǔ)防護(hù)錐模型，迎流面和背流面均發(fā)
生輕微淤積，兩側(cè)發(fā)生淘空。淘空寬度不超過
15 cm，深度約為2 cm；推測原型淘空范圍不超過
3 m，深度不超過0．4 m。試驗(yàn)時(shí)防護(hù)錐根部全部
入泥，但現(xiàn)場施工時(shí)不可能做到根部全部入泥，效
果會打折扣。
模仿海上拋石子袋的方式隨意向模型基礎(chǔ)的
沖淘坑及周圍拋下泥袋，然后，開展浪流合成作用
下的沖淘防護(hù)試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，基礎(chǔ)和泥袋的
周圍有明顯的泥沙移動。最后，將泥袋拿走，基礎(chǔ)
周圍平均下降O．03 m。
模型已經(jīng)出現(xiàn)淘空的現(xiàn)象以后，按照理想的
狀態(tài)，在模型周圍擺放泥袋，完全填補(bǔ)淘坑，使泥
袋之間沒有空隙。然后，開展浪流合成作用下的
沖淘防護(hù)試驗(yàn)。泥袋堆積沒有明顯變化，但泥袋
外緣出現(xiàn)淘坑，其深度是泥袋厚度的l／4或1／3，
防護(hù)效果明顯好于隨意投拋式。
將泥袋取出，在淘坑內(nèi)拋撒石子，石子的粒徑
是1．2～2．O cm，施加浪流作用。拋撒石子基本
把前泥袋壓的坑填平，桶的頂部也有部分石子，自
然堆放。桶頂上的石子隨著波浪的沖擊，慢慢向
桶邊移動，被沖到桶的邊緣；整個(gè)石子堆頂部下降
2．5 cm，石子堆積更加密實(shí)、坡度變緩。石子堆邊
緣的外側(cè)，有明顯的淘空痕跡，深度是石子直徑的
1／3或l／2。
3)沉墊式平臺沖淘、防護(hù)試驗(yàn)。將沉墊式平
臺模型放置于試驗(yàn)區(qū)，沉墊入泥5 cm。
進(jìn)行定床、動床沖淘試驗(yàn)，測量模型周圍地基
的壓力場，測試波浪對模型周圍地基作用情況，分
析波浪沖淘機(jī)理。
在模型迎流面至其后70 cm范圍內(nèi)，其流速
值均方差比其他位置明顯較大，為其他位置的
2．5～5．O倍。這是由于模型拐角渦漩和水流分
】06
離造成的，這種辦法可判別模型周圍渦流區(qū)。這
種脈動可視為一種泥沙起動的激振力。通過改變
構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)(如改用圓角)減少這種脈動或在這一
脈動區(qū)增加防護(hù)是減少水流引起的淘空可行辦
法。
開展浪流聯(lián)合作用下的拋石防護(hù)試驗(yàn)，其試
驗(yàn)過程、現(xiàn)象與桶形基礎(chǔ)平臺拋石防護(hù)試驗(yàn)過程、
現(xiàn)象基本一致。
3 結(jié)論與建議
3．1試驗(yàn)結(jié)論
1)在無防護(hù)情況下，采油平臺及海底管線的
基礎(chǔ)在浪流作用下會出現(xiàn)沖淘現(xiàn)象，離導(dǎo)管架越
近的區(qū)域沖淘越嚴(yán)重。
2)沖淘主要表現(xiàn)為：波浪作用起動海底泥
沙，潮流作用帶走起動的泥沙，二者共同作用使得
沖淘加劇。
3)從技術(shù)的角度分析：在保證施工質(zhì)量的情
況下，投沙+仿生防二次淘空方案、投沙+拋石防
二次淘空方案均能達(dá)到明顯的防護(hù)效果，因此兩
種方案均可行。
4)從施工、投資的角度分析：與投沙+拋石
防二次淘空方案相比，投沙+仿生防二次淘空方
案在勝利海上混水區(qū)水下施工困難，施工質(zhì)量難
以保證，投資相對較高。
3．2建議
建議在勝利混水區(qū)采用多層次拋石防護(hù)，防
護(hù)施工時(shí)分多層次鋪設(shè)，這樣既能防止淘空，又能
使得石子不被波浪沖走。為了減少工作量，可分
為三層鋪設(shè)：底層拋撒鵝卵石，可以從沖淘坑的底
部填至距海底面下o．7～o．8 m；上層鋪設(shè)塊石
(塊石重量根據(jù)環(huán)境載荷計(jì)算確定)；塊石上面鋪
撒一層直徑約2．5 cm的石子，從坑的邊緣外
O．5 m開始覆蓋到桶(或樁)的周圍。
4 工程應(yīng)用
將多層次拋石防護(hù)技術(shù)研究成果成功地應(yīng)用
于勝利海區(qū)。在勝利海區(qū)對CB20B桶形基礎(chǔ)采
油平臺、開發(fā)一號和開發(fā)二號沉墊式采油平臺進(jìn)
行了多層次拋石防護(hù)。底層拋直徑6～7 cm的鵝
卵石，上層為重30 kg左右的塊石，表層為小石
子，以開發(fā)一號平臺為例，典型的防護(hù)布置見圖
1、2。
萬方數(shù)據(jù)
灘癬油口采油平臺∞淘巷咕施探索——初新舞
目l典■$目女拋5∞#$置}i目
[毒洶L——!塑竺型旦—一
目2典型多屢次拋石*#布I立面目
i座采油平臺在實(shí)施多層次拋石防護(hù)后，經(jīng)
歷了多次海上風(fēng)浪的考驗(yàn)，防護(hù)效果顯著。
該技術(shù)還可推廣應(yīng)用于其他海區(qū)類似地基條
件下的沖淘防護(hù)工程。
參考女t
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(上接第103頁
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