桶形基础平台在海洋环境载荷作用下的稳定性分析
近年来频发的能源危机使人们把越来越多的关注投向海洋资源,尤其是海洋油气资源。而目前,我国的大型油田均已过产量峰值,这就要求要有新的油田来缓解这一矛盾。位于渤海湾的胜利油田尚有大量的浅海油田可供开发,然而这些油田很大一部分属于“边际油田”,而且位于沿海滩涂区域。这就要求开发者不仅要设计出满足软土地基的采油平台型式,而且该平台要满足“边际油田”开发所需要的经济性。因此,传统的导管架平台很难满足这些小型油田的要求了,必须设计新型的低成本、可重复利用的平台型式。
本课题所采用的是使用桶形基础作为入泥裙板的新型重力式平台作为采油平台,针对油田产量进行平台的尺寸设计并对其构件比例进行了合理性判定。由于投产之后,平台首先要承受日常工作载荷——作用于沉箱底部的随时间均匀变化的循环储油载荷,故而首先进行桶土稳定性的判定。此外,渤海湾位于地震活跃带上,平台要承受随机地震的影响;平台安装位置的高纬度平台会受到大质量冰块或者浮冰群的撞击作用,渤海湾波浪较高,这些都可能引发平台与环境载荷的“共振作用”。因此,鉴于海洋平台在经济上和社会上的重要性,必须对其静动力稳定性进行判定。
本文主要做了以下几方面的工作:
(1)分别针对桶形基础和重力式平台的研究背景和国内外研究现状进行了总结和概括,提出了亟待解决的问题。
(2)对适用于渤海湾“边际油田”的新型平台—应用桶形基础的重力式平台进行了尺寸设计和材料选择,保证控制成本,实现“边际油田”开发的经济性。
(3)针对所设计的平台,制作了比尺为1/25的模型并使用该模型进行缩尺试验。首先,配置以黄河三角洲原状海底土作为平台的安装基础。其次,根据渗流原理布设总应力传感器和孔隙水压力传感器以分别监测模型试验中的土中应力,并通过编程实现了模型数据与原型试验数据之间的转换。再次,分别应用系列Drucker-Prager失效准则和Mohr-Coulomb强度准则,并辅以数值模拟试验(考虑“边界条件”和不考虑“边界条件”)以判定在日常循环储油载荷作用下地基土的应力状态和失效性判定。最后,根据以上结论确定出沉箱经济合理的储油量为1000吨。
(4)此外,应用有限元方法对所设计的平台在可能遭受的海洋环境载荷作用下的结构稳定性进行了分析。首先,使用两组调幅的强震记录和一组人工地震波进行了平台的地震时程分析。从中可以看出,与水平方向相比,竖直方向上的响应量很小。通过绘制平台沿竖向各节点的位移时程曲线和最大位移包络图可以得出如下规律:平台在强震作用下的变形以第一、二阶振型为主,而且在12m高度以下,立柱节点高度越高,位移响应值越小,12m左右时达到最小,之后随高度增大,位移响应值增大,但是结构始终没有失稳。其次,使用大质量冰块简化模型和浮冰群的冰激振动模型对平台冬季可能承受的海面冰载荷进行了模拟,认为平台在浮冰群连续撞击造成的周期性激振载荷作用下的动力系数较大,其响应要远大于简化模型。最后,对平台在波浪载荷作用下的动力响应进行了模拟,认为平台在指定波浪谱的作用下可能发生“共振”,这在工程中要加以避免。
边际油田;桶形基础平台;循环工作载荷;环境载荷;稳定性分析
中国海洋大学
硕士
防灾减灾工程及防护工程
王银邦
2011
中文
TE952
67
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）