水下生产系统基础型式对比分析

介绍了目前应用较为广泛的水下生产系统的基础形式,如防沉板基础、筒型基础和打入桩。研究了这3种基础的结构特点,并从基础的承载能力、安装性能、制造工艺、适用条件、经济性等多个角度进行对比分析。结合海洋油气开发日向深水挺近的趋势,展望了不同基础类型的应用前景。     

水下管汇吸力桩竖向极限承载力研究

吸力桩是海洋油气资源开发工程中水下管汇设施常用基础形式之一。为明确竖向载荷作用下吸力桩周围土体的影响范围及解决吸力桩的竖向承载力计算问题,采用理论公式计算和有限元仿真两种方法对极限承载力进行求解,采用数值软件建立了数值分析模型,利用位移控制方法,得到了吸力桩的载荷-位移曲线,并得出吸力桩的竖向承载力约为7 000 kN,规范公式计算得吸力桩竖向极限承载力为6 582. 4 kN,并与数值分析结果进行对比,结果显示,有限元分析求得的吸力桩竖向承载力与理论公式计算结果偏差为6. 34%。通过分析吸力桩周土体的屈服过程,发现在加载初期,屈服主要出现在桩端土体,随后桩端屈服区不断扩展,顶部土体开始出现屈服,并逐渐向下扩展,最终整个屈服区完全贯通。研究结果可为吸力桩竖向极限承载力分析提供技术参考,对吸力桩的稳定性和安全性评估具有一定的指导意义。     

基于API RP 2GEO规范的钢桩轴向承载力分析

打入式开口钢桩作为桩基础的基本形式,广泛应用于海洋工程中。准确地计算钢桩在土壤中的轴向承载能力对海上油气安全生产至关重要。本文主要基于API RP 2GEO(2014)规范提出的桩承载力计算方法进行研究,并结合实际工程项目实例,详细介绍了桩基础承载能力的计算方法,力求使读者能够根据本文更为准确地评估钢桩在土壤中的承载能力。     

水下吸力锚基础式带控制系统中心管汇制造技术

随着海洋油气田开发不断向深水延伸,水下生产系统已经成为深水开发中的主要模式。水下中心管汇是水下生产系统中油气资源集输、水下控制的关键装备。通过对国内外水下中心管汇项目进行系统研究,选择深水典型水下吸力锚基础式带控制系统中心管汇作为研究对象,从其组成、关键设备接收技术要求、制造及测试工艺流程、技术风险点等方面阐述了水下吸力锚式中心管汇的制造、测试技术,为我国水下生产设施的制造提供借鉴。     

深水浅软地层吸力桩基盘结构优化设计研究

我国南海深水海域蕴藏着丰富的油气资源,但环境条件恶劣、地质风险高,钻井作业面临着严峻挑战。为此,提出了一种组成简单、建造成本低、安装效率高、可根据工程需要重复利用的新型吸力桩基盘结构型式,以适应我国南海深水浅软地层安全钻井作业的需求。采用规范法和有限元法全面分析了此类大直径桶形结构的承载性能;基于二次开发土体本构模型,研究了循环荷载作用对吸力桩基盘承载力的弱化效应;结合工程实例分析揭示了多桩吸力基盘的承载性能特点。分析结果表明,与常规井口基盘相比,吸力桩基盘结构型式可明显改善整体井口系统的承载能力,为深水浅软地层钻井作业提供了安全、高效、经济、可靠的解决方案。所得结论和计算方法可为实际工程提供参考。     

深水脐带缆终端承载能力计算研究

脐带缆终端是水下脐带缆关键的硬件设备，其在深海环境承受载荷复杂恶劣，对连接系统的可靠性要求很高。以南海某气田使用深水脐带缆终端为研究对象，针对现场测试发现的屈服强度不足问题，依据ASME相关标准，对脐带缆终端关键连接部件按弹-塑性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析，得到其在极限工况下的弯矩能力、轴向能力和剪切能力。分析结果表明：深水脐带缆终端连接系统在复杂环境载荷下整体结构安全可靠，满足全局弹-塑性失效评估的标准；结合理论计算深水脐带缆终端连接系统局部塑性变形大小均小于许用值，满足局部弹-塑性失效的要求；材料屈服强度越高，承载能力越好，通过工程实践选用较为保守的方案，海上施工作业和水下连接过程中表现优异。研究成果可为脐带缆终端设计和现场工程应用提供理论基础和技术参考。     

水下生产设施涂装防腐技术要点分析及探讨

水下生产设施包括水下管汇、跨接管、控制系统、油气处理系统等。水下设施表面涂层在服役期面临海水浸泡、高压、低温、冲击的腐蚀环境,涂层一旦失效很难维护。设施的阴极保护也对涂层产生剥离影响。作为油气资源开发的关键设施,其腐蚀防护性能要求极为严格。为确保水下生产设施涂装在寿命期内防腐的可靠性和免维护的预期,文章从表面处理和涂装两方面对涂装防腐技术要点进行了分析及探讨,对开展水下生产设施涂装防腐设计和施工具有一定指导意义。     

深水吸力桩承载力学特性及稳定性分析

吸力桩具有高承载力、施工工序简单等特点,在深水钻探建井作业中具有广阔应用前景。分析了吸力桩在深海表层作业安装到位后不同条件下的承载特点,采用离散元数值模拟方法进行计算,揭示了吸力桩在不同性质土体中实时承载力的变化规律,研究了吸力桩安装到位后实时承载力随静置时间的恢复规律以及横向弯矩对吸力桩的稳定性影响规律。研究结果表明：海底土的不排水抗剪强度越高,吸力桩安装到位的承载力越高,但是恢复时间越长;安装到位后,随着吸力桩桩筒外承载力的增加,桩筒内的承载力逐渐降低,到了一定时间后会趋于稳定;吸力桩受到的横向弯矩越大,崁固端位置越靠近深部;通过与前人试验对比,验证了吸力桩顶板和裙板承载力分布特点。研究结果可为吸力桩在深海表层建井设计和现场施工提供参考。     

深水套筒式连接器承载能力评估方法

深水套筒式连接器作为水下生产系统的关键组成部分,长期受到多种载荷的作用,对于优化设计后的深水连接器,其承载能力的评估结果及评估方法对其安装和服役的安全性有着不可忽略的指导意义。通过对连接器进行三维建模,以连接器材料的力学特性和服役环境为设计基础,提出了其下放安装和在况服役时承载能力的评估方法。以南海荔湾某气田深水套筒式连接器为例,计算了连接器安装下放状态和在位时不同工况下的应力,得到了连接器最大碰撞速度、轴向拉力、轴向压力及最大弯矩,同时指出了不同状态下连接器上的危险部件。所得结论为连接器的水下安装和可靠性评估提供了依据。     

深水吸力桩井口稳定性研究

吸力桩筒形基础作为海洋深水油气建井的海底井口承载力支撑结构,可以在结构下入海底地层10～20 m深度范围提供足够的承载力,成为未来深水油气建井的新方法。通过吸力桩安装过程井口稳定性分析,建立了根据吸力桩结构和地层参数特征的吸力桩建井承载力及井口稳定性计算模型。模拟实验结果表明：吸力桩的长度、直径及安装完成后的时间效应是影响吸力桩井口承载力的主要因素;在其他条件相同的工况下,吸力桩直径越大、下入地层深度越大、安装完成后承载力恢复时间越长,井口承载力及稳定性越高;模拟实验结果与理论计算结果相对误差约5%,验证了理论计算模型的可靠性。本文研究成果可为吸力桩建井结构优化设计及施工安装提供理论指导。     

深海SPAR平台不同锚固基础特点的研究

Spar平台是目前在水深较大的深海油气田中常用的一种结构形式。Spar平台的锚固基础一般为打入式桩基或吸力锚。这两种基础形式各具特点,在设计计算上也存在着很大的差别。本文利用三维有限元对这两种基础的承载特性进行了相关研究。计算结果显示,受力角度对吸力锚和桩基的最终承栽力有明显的影响。     

南海某油田防沉板极限承载力研究

防沉板是水下生产系统常用的基础结构之一,其极限承载力是影响上部结构安全稳定的重要因素。为解决南海油田防沉板的极限承载力计算问题,依托南海某油田水下生产系统,根据API规范,计算了防沉板在实际工况下的极限承载力; 采用Abaqus有限元软件,建立土体和防沉板的有限元模型,在对土体进行地应力平衡的基础上,采用位移控制法,得到了防沉板的载荷-位移曲线,据此得到防沉板基础的极限承载力,并分析土体在竖向位移下的破坏规律; 将依据API规范计算的极限承载力与有限元仿真结果进行对比,显示两者相差1.23%。研究成果对防沉板的稳定性评估具有一定的指导意义。     

考虑溜桩效应的单桩基础承载特性数值模拟

为分析竖向和水平载荷作用下溜桩对钢管桩承载特性的影响规律,基于理论分析得到的溜桩区间数据,建立考虑溜桩效应的桩-土数值模型。结果显示：当单桩受到竖向载荷时,溜桩减小桩侧摩阻力,溜桩对钢管桩竖向承载力的影响较为显著;当单桩受到水平载荷时,溜桩条件下钢管桩弯矩大于无溜桩条件下的弯矩,说明发生溜桩会导致钢管桩产生更严重的弯曲变形;溜桩条件下的极限土抗力小于无溜桩情况。     

膨胀式导管提高深水钻井水下井口承载力的机理

表层导管是深水钻井水下井口的主要持力结构,水下井口失稳、下沉等复杂事故的发生主要是由于表层导管承载力不足造成的,因此经济高效地提高表层导管承载力是深水钻井工程研究并关注的重点。采用膨胀式导管方法来提高表层导管的承载力,能够实现不改变常规深水喷射法安装表层导管的工艺。表层导管喷射安装到海底设计深度后,膨胀材料发生膨胀实现增加表层导管与海底土接触的表面积,进而提高表层导管侧向摩擦力和水下井口承载力。基于深水钻井水下井口主要结构组成,通过建立深水钻井水下井口承载力计算模型,分析了表层导管尺寸与井口承载力相互关系,揭示了膨胀式表层导管外表面积与水下井口承载力呈线性变化规律,得出了膨胀材料厚度与水下井口承载力之间的计算模型;提出了膨胀材料采用分段式结构可以提高膨胀导管承载力,分析了膨胀材料分段数量、覆盖面积、膨胀厚度对表层导管承载力的影响规律;得出了在相同覆盖面积条件下随着分段数量增加表层导管承载力呈线性增加,随着膨胀厚度增加承载力呈线性增加。通过中国南海现场3口深水井的应用试验,建立的钻井水下井口承载力计算模型结果与现场试验结果的误差约为5%。     

深水吸力锚井口承载能力研究——以挪威Wisting油田水平井吸力锚井口为例

近年来随着特殊深水油气藏开发的需要,国外吸力锚筒体开始替代常规导管作为井口支撑的装置,例如挪威Wisting油田使用吸力锚技术钻成了极浅水平井。在国内,吸力锚作为深水钻井水下井口的使用尚处于起步阶段,需要对吸力锚井口承载力进行研究。该文基于API单桩轴向极限承载力经验公式的导管极限承载力计算模型,结合吸力锚负压置入受力情况进行研究,研究了吸力锚置入过程中瞬时承载力与随时间变化的实时承载力变化规律,构建了吸力锚承载力-土壤恢复系数-土壤强度的耦合计算模型。以挪威Wisting油田吸力锚设计参数及区域土壤不排水抗剪切强度为例,吸力锚承载力-土壤恢复系数-土壤强度耦合计算模型的计算结果与工程实际吻合,具有实际工程意义。     

重力安装式裙板锚承载特性及最优系泊点

海洋中的地质条件复杂,为解决常用的吸力锚基础无法在高渗透性土壤中进行安装的问题,结合某海域实际地质条件,提出一种重力安装式裙板锚,并采用理论计算和数值模拟方法对该锚固基础的承载力进行计算,对其最优系泊点的位置进行探讨。分析结果显示：增加裙板的高度可有效提高重力安装式裙板锚的承载力,降低其重量,安装比吸力锚更简单快捷;采用现有规范进行计算,得到的承载力的计算结果偏于安全;由于裙板较高,重力安装式裙板锚也存在最优系泊点,在本计算条件下,最优系泊点位于筒形结构的约下1/5处。重力安装式裙板锚可作为海洋工程锚固基础的一种选择。     

隔水导管复合管柱载荷转移技术

为降低导管架平台建造成本,采用将导管架平台载荷转移至隔水导管-水泥环-表层套管复合管柱结构的方式以提高导管架平台承载能力的方法。分析导管架平台与复合管柱结构相互作用的机理,并建立复合管柱结构与导管架平台刚性连接时的载荷转移效率计算模型及复合管柱结构极限承载力计算模型。以渤海典型六腿平台为例进行平台载荷转移分析,采用载荷转移方式在保证复合管柱结构强度和稳定性的前提下可将导管架平台12.5%的载荷转移至复合管柱结构且减少导管架平台桩管入泥深度,为导管架平台结构优化设计和简化施工提供理论指导。     

工况对管道凹陷形成及管道安全性的影响

基于X70管道和刚性压头模拟管道外壁与硬物挤压或碰撞形成凹陷的过程,建立对象接触、外载荷加载、外载荷卸载有限元分析模型,将内压、外载荷的加载、卸载按照特定顺序组合构成影响管道凹陷状态的3种工况,研究3种工况下凹陷对管道应力、凹陷回弹及极限承载力能力的影响规律。研究结果表明,工况1、工况2下的最大等效应力发生在凹陷加载阶段,工况3下的最大等效应力发生在内压加载阶段。工况1下的凹陷回弹系数为0.403,工况2和工况3下的分别为0.45和0.759。工况2下管道极限承载力受凹陷深度影响最严重,工况3下管道极限承载能力受凹陷深度影响最小。     

ALE方法评估黏土场地的自升式平台桩靴承载力

为研究自升式平台桩靴在黏土场地中的极限承载力，建立Abaqus桩靴-土模型，采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法对桩靴的贯入过程进行模拟，提出大值法、中值法、小值法等3种数据处理方法，并拟合桩靴承载力估算公式。将模拟计算结果与SNAME规范公式计算结果进行对比分析，对比结果证明ALE方法模拟桩靴贯入的可行性。为提高工程的安全性，提出对SNAME公式计算结果进行折减的具体公式，以使其与ALE小值法处理结果更吻合。     

海洋工程大直径长桩自由入泥深度计算研究

海洋工程大直径长桩在就位后置锤的瞬间会发生自沉,校核土面以上部分的桩段在锤和桩的自重作用下发生屈曲失稳的可能性是桩可打入性分析的一个重要步骤。文章根据土力学的极限承载力理论,在分别介绍了桩自由入泥深度计算方法、桩端阻力计算方法、桩自由入泥深度判断方法的基础上,提出了计算桩自由下沉深度的评估方法。工程实例计算表明,该评估方法与实测数据吻合较好,可用于指导工程设计。