渤海導管架平臺下沉式防沉板結構設計

吳景健，龐洪林，蔣烜，楊小樂，張夢玥

(中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津，300452）

1 引言

防沉板是導管架平臺的一個附屬結構，主要作用是在導管架初始坐底時提供支撐，防止導管架安裝時發生下沉或者產生不均勻沉降，以保證導管架打樁完成前海上安裝的安全性，這是導管架平臺設計中的重要環節，正確選取防沉板的結構形式和合理的設計方法具有重要的工程意義[1]。

目前，渤海油田穩產上產壓力大，一方面需要持續挖潛老油田的開發潛力，另一方面還要進一步增加新油田開發的可行性。渤海油田開發已進入攻堅階段，新油田開發受到渤海海域海底的不良地質條件的制約，例如，渤海海域海底淺層土質軟弱，廣泛分布粉砂及軟粘土，如表1所示，且渤海海域海底易出現沖刷、波浪液化和沙波沙脊移動等不良地質現象，造成海床不平。這些地質現象會對海洋結構物的設計和安裝造成不良影響，成為制約新油田開發的不利因素。

表1 渤海海底典型表層土土質類型

防沉板提供支撐要求海床土壤需要有一定的承載力儲備，而渤海海域海底表層軟弱土質導致淺層土承載力非常有限，有時僅由表層土承載，防沉板很難滿足承載力設計的要求，平臺安裝可能會引起大的沉降，從而產生垂向問題。

基于以上考慮，防沉板作為一種功能性結構，在渤海特殊環境條件和特殊設計要求的前提下，需要對常規防沉板進行改進和創新為下沉式防沉板，可以適當增加防沉板的承載能力，充分發揮防沉板在導管架設計和安裝中的作用。

2 下沉式防沉板結構特點

常規防沉板一般布置在導管架的底部，防沉板與泥面平齊并與最下水平層主結構焊接，成矩形或三角形布置。下沉式防沉板是在常規防沉板的基礎上進行的改進和創新，區別于常規防沉板，下沉式防沉板中心線與泥面平齊，但防沉板脫離導管架底層框架，不與導管架主結構直接焊接，而是通過立柱與主結構相連[2]，如圖1所示。

圖1 防沉板類型

兩種布置形式的防沉板的基本特點如表2所示[3]。

表2 兩種防沉板布置形式對比

在分析了下沉式防沉板結構特點的基礎上，根據渤海某油田地質條件的特點，以渤海某平臺導管架海上安裝為例，介紹了下沉式防沉板設計思路和方法，為今后下沉式防沉板設計提供參考。

3 下沉式防沉板設計

3.1 項目背景

渤海某油田開發新建一座4腿導管架平臺，結構模型如圖2 所示。導管架工作點間距為20mX18m，組塊操作重約為7100t，樁徑設計為1829mm，導管架安裝重量約為1230t。導管架平臺范圍內海圖水深32m，防沉板設計用環境條件為，波高3.1m，周期6.0s，海流表層流速0.7m/s，中間流速0.65m/s，底層流速0.6m/s。

圖2 平臺結構示意圖

根據本油田工程地質調查報告，防沉板設計所使用的海底表層土質類型及參數表3如下：

表3 某海域防沉板設計土壤參數

防沉板的承載力主要依據API規范中對淺基礎推薦的方法分析計算，主要針對防沉板坐落在均質海底上，對于表層土的強度和特征有顯著變化的情況，可考慮其他一些替代的承載力計算模式。當防沉板放置在海底泥面處時，防沉板承載力可由下列公式表示：式中：qu為海底單位面積土壤的極限承載力，B為防沉板寬度，L為防沉板長度。

3.2 下沉式防沉板設計原理

下沉式防沉板與常規防沉板設計內容相似，根據API規范規定[4]，防沉板設計包括導管架安裝過程中的穩定性校核、土壤承載力校核、防沉板和下部結構強度校核，其中防沉板穩性校核又包括抗傾覆和抗滑移兩部分。防沉板設計要考慮兩種設計工況，一是靜水工況，導管架底部剛坐底時僅受自重的影響，安全系數不小于2.0；二是環境+自重工況，需考慮風、浪、流和自重的聯合作用，安全系數不小于1.5[3]。

3.2.1 承載力計算

防沉板的承載力是根據土壤許用承載力與導管架組合應力的比值界定，組合應力綜合考慮軸向應力和彎曲應力，不能超過防沉板的極限承載力。

式中：σm為導管架在自重和環境荷載作用下的壓彎組合應力，Fz為導管架自重等垂向荷載，A為防沉板面積，Mx、My分別為導管架所受x向和y向的彎矩，Mx、My分別為防沉板x向和y向的截面模量。其中土壤單位許用承載力計算方法來自于工程地質調查報告，是防沉板的寬度和長寬比的函數，而組合應力在導管架和環境條件確定的情況下，和防沉板面積、防沉板抗彎截面模量有關，因此影響承載力設計的關鍵因素就是防沉板的面積和幾何尺寸。要增加承載力的安全系數，可以增加防沉板面積或者增加防沉板最小截面模量。

3.2.2 抗傾覆計算

抗傾覆能力是用回復力矩和傾覆力矩的比值界定，回復力矩為導管架垂向荷載與垂向荷載到防沉板邊界的距離的乘積，保證導管架在安裝時不會因為穩性不足而發生傾覆。

式中：Ms為導管架在設計條件下的回復力矩，M0為導管架環境荷載引起的傾覆力矩，Hmin為導管架垂向荷載中心到防沉板邊緣的最小距離，即導管架的最小回復力臂。影響導管架抗傾覆能力的關鍵因素是導管架的重心位置到防沉板邊緣的距離，因此要提高防沉板的抗傾覆能力，可以增加防沉板的邊界尺寸，使防沉板盡量布置在導管架底部的外側。

3.2.3 抗滑移計算

抗滑移能力使用防沉板底部抗力和最大基底剪力的比值界定，確保導管架在安裝時不會發生橫向滑動。

式中：H為失效時的水平荷載，即導管架的水平抗滑移力，FH為導管架在設計條件下的水平荷載，c為土壤的不排水抗剪強度，Fx、Fy分別為導管架所受x向和y向的水平力。影響導管架的抗滑移能力的關鍵因素是防沉板的面積，要增加防沉板抗滑移能力，可以增加防沉板面積。

3.2.4 結構強度計算

結構強度校核是指防沉板及下部結構在安裝過程中滿足穩性要求的前提下，結構強度是否滿足規范要求。防沉板的承載力能力和抗傾覆、抗滑移能力，主要是和防沉板的幾何尺寸以及土壤參數相關，而結構強度主要是和防沉板受力大小、桿件規格、節點形式等有關，防沉板受力又和導管架自重、環境荷載以及海床基礎反力相關。

常規防沉板設計的控制工況通常為承載力分析工況，防沉板設計受表層土承載力的影響較大。而下沉式防沉板由于與主體框架分離，結構強度可能成為防沉板設計的控制工況，特別是導管架安裝重量較大的情況下，連接防沉板和主結構的立柱的強度成為設計的關鍵，增加桿件規格會導致用鋼量增加，又會反過來影響穩性計算和承載力計算，因此下沉式防沉板設計是一個多因素影響的動態設計過程，強度與穩性這對矛盾統一體指導著整個防沉板的設計[5]。

3.3 設計與分析結果

防沉板設計首先要考慮的是海上安裝的安全性，在安全可靠的基礎上盡量降低建造和施工的費用，保證安全性與經濟性的統一。根據上述對影響防沉板穩性和承載力的關鍵因素的分析結果，確定防沉板的設計原則為要保證防沉板具有足夠大的面積，并且盡量按照對稱鋪設以及靠外鋪設[6]，以此來提高防沉板的承載力和抗傾覆、抗滑移的能力。

針對本油田的地質資料以及平臺參數，按照常規防沉板和下沉式防沉板分別進行了設計，計算模型如圖3所示。

圖3 導管架計算模型

由于本平臺導管架重量較大，并且海底表層土質較差，承載力較弱，常規防沉板方案為了滿足設計要求，需要設計較大的防沉板面積，中間布滿防沉板，并且在除了靠船側，均有一定的外延長度，彌補井口區承載力較弱的問題。而下沉式防沉板可以使用泥面以下土壤進行支撐，土壤承載力有所提高，可以通過調節立柱長度選擇合適的土壤持力層，本次計算按照泥面以下0.6m深度處土壤承載力計算，按照設計要求，計算出所需最小的防沉板面積，兩種方案的計算結果如表4所示。

表4 兩種防沉板形式校核結果

一般情況下，強度計算的是將穩性計算中得到的各環境工況下最大載荷施加到防沉板上，跟實際相比受力過大，偏于保守，特別是對于下沉式防沉板相對獨立，脫離了導管架結構框架導致剛度相對較弱，連接節點較多，受力較復雜。因此，下沉式防沉板強度計算改變以往的反力加載模式，可以按照抵消設計環境力的實際受力加載，通過約束導管架底部水平位移，在防沉板底部施加彈簧，模擬海底泥面的剛度，使防沉板在環境和導管架自重的作用下真實受力，這種方法可以極大減小防沉板受力。

將平臺所受最大載荷用反力均布加載到防沉板上，如表5所示。經計算可以看出結構最大UC值1.1，位于連接防沉板和主結構的立柱處，結構需進行加強，增加連接立柱壁厚后結構最大UC值0.955，可以滿足強度要求。按照實際荷載施加校核結構強度，結構最大UC值0.755，結構受力明顯降低，可以滿足規范要求，二者計算結果對比如圖4所示。

表5 防沉板組合工況及自重工況受力計算結果

圖4 兩種加載模式計算結果對比

4 結論及建議

以渤海某油田開發為例，針對渤海海底表層土壤承載力較弱的海域，從設計原理和設計方法上對下沉式防沉板進行了設計和分析，并與常規防沉板方案進行了對比，可以看出：

（1）土質較差的海域常規防沉板適用性較差。如果一味增大防沉板面積不僅會造成鋼材的浪費，而且會增加導管架的安裝重量，限制施工資源選型，較大的外延長度還會影響鉆井船的就位等等；

（2）采用下沉式防沉板可以很好地解決表層土承載力差的問題。通過防沉板下沉來增加防沉板的承載能力，既可以增加防沉板的安全余量，保證對導管架的坐底安全，又可以減小防沉板面積，實現安全性和經濟性的統一；

（3）下沉式防沉板的結構強度需要特別關注，并且采用近似實際受力的載荷模擬方法可以減小防沉板受力。

綜上所述，下沉式防沉板能夠更好地適應渤海特殊的地質條件，滿足特殊的設計要求，在新油田開發中可以更充分發揮防沉板在導管架設計和安裝中的作用。