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滩海油田采油平台防淘空措施探索

文档作者：初新杰1’2 文档来源： 1．中国海洋大学 2．胜利石油管理局钻井工艺研究院		点击数：	更新时间： 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
滩海油田采油平台防淘空措施探索
初新杰1’2
(1．中国海洋大学，山东青岛266003；2．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017)
摘要：通过室内试验，讨论了采油平台的冲淘机理和防护措施，针对仿生海底、仿生林、抛石块、抛石子
袋等防冲淘措施进行了方案设计和试验，完成了导管架式、桶形基础式、沉垫式三种采油平台的冲淘及防护试
验，提出和完善了多层次抛石防护技术，并将研究成果成功地应用于海上防护工程。
关键词：滩海油田；采油平台；防淘空；措施
中图分类号：TE58 文献标志码：A 文章编号：1671—7953(2011)02一O104一04
胜利石油管理局自1975年在渤海湾海域进行
勘探以来，经过20多年的不懈努力，已建成几十座
各类大小的固定平台，铺设了海底管道，由于海上
风浪和潮流的长期冲淘作用，导致诸多采油平台和
海底管线的基础出现较为严重的冲淘[1]。如果不
采取有效的防冲淘保护措施，时间长了，管线有可
能冈疲劳而发生断裂，影响平台的正常生产并造成
严重的海洋污染。如果平台基础继续被淘空，导管
架会完全离开海底的支撑，整个导管架悬挂在桩顶
“U”形板上，在波浪的反复冲击下，有可能发生焊
缝开裂，造成导管滑动，严重地威胁滩海油田平台
安全和作业工人的人身安全。为此通过室内试验，
提出滩海油田采油平台防淘空的措施和建议。
1试验理论基础及基本思路
1)海底地基经过长期的自然条件作用，在各
种水动力因素作用下，基本上达到了冲淤动态平
衡。海T构筑物的建设改变了其周围原有动力条
件，也就破坏了原有的平衡状态，从而导致局部泥
沙迁移，亦即在建筑物周围发生了淘空[2]。构筑
物的尺度及形状对其周围流场改变有重要影响，
研究淘空首先应尽可能满足模型周嗣动力要素变
化情况与原型相似。在变态试验理论基础尚不成
熟的情况下，为丁程目的而进行的试验，采用正态
收稿日期：2011一01一07
修回日期：2011-01—19
资助项目：国家863项目(8201001)。
作者简介：初新杰(1968一)，男，高级工程师。
研究方向：海洋工程设计和试验研究
E-mail：zjyhyscxj@126．com
104
模型试验更准确可靠。
2)动力因素中，风、浪、流、潮等均对淘空有
影响。浪、流是泥沙运移的主要动力因素，其他因
素只是间接因素或次要因素。在本次试验中只考
虑浪、流作用。
3)动力因素的模拟试验，首先保证动力相似
原则睁4|，即原型和模型傅劳德数相同。这同时使
得遵从同一相似律的浪、流这两大动力因素联合
模拟成为可能。在试验中，浪、流及作用时间比尺
均按该相似原则确定。
4)根据泥沙试验理论，冲淘试验要求起动流
速相似和摩阻相似，还要求试验用沙粒径及其级配
曲线与原型沙相似睁6I。合理选择试验用沙成为此
类试验成败的关键因素之一，对此作如下考虑。
①胜利浅海地基表层主要由黄河泥沙沉积而
成，通常为粉土或细粉沙，中值粒径D50约在
O．03～o．10 mm之间。据测算，原型沙特征粒经
大于5 mm时，可采用缩尺比为1：20的正态模型
试验。胜利浅海这样细的基质，满足此要求几无
可能。
②胜利浅海区，表层粉土中粘粒成分含量很
少，启动(扬动)流速较小，采用原型沙在实验室中
可以满足泥沙起动这一基本要求。当然这也要求
模型比尺不能太小，即模型应比较大一些。这就
要求正式试验前先进行预备试验，找出合适的起
动流速、波高，从而确定模型比尺。
③平台周围淘空范围和深度是有上限的。采
用原型泥沙，由于其天然坡角为定值，可以设想，
由于周围动力场相似，经过足够长的试验过程，模
型周围淘空达到极限，淘空造成的成坑形状和坡
度与原型基本相同。这样，采用原型沙和正态缩
万方数据
滩海油田采油平台防淘空措施探索——初新杰
尺模型进行试验，可以实现对平台及管线周围淘
空情况的模拟。当然，冲淘过程时间比尺相似性
仅作参考，而不具体分析多长时间的试验过程代
表多长的原型实际作用时间。
④采用原型沙解决工程防护问题，在经济上
具有显著的效益。它不仅节省了材料费、加工费，
亦避免了试验过程及试验完成后的大量清理和分
选工作量，同时亦为以后继续利用原型沙试验积
累经验[7。。
2 室内试验
2．1平台原型、模型情况
1)桩基式平台。桩基式平台原型及模型参
数见表1。
表l桩基式平台参数
对比桩数量／根桩间距／m桩外径／m导桩管外径／m
2)桶基式单桶平台。桶基式单桶平台原／模
型参数见表2。
表2桶基式单桶平台原型及模型参数
对比桶外径／m桶擘厚／m桶高度／m防护锥体的锥度
3)沉垫式平台。沉垫原型主尺度为60 m×
30 m×3．6 m。
沉垫模型主尺度为2 000 mm×1 ooO mm×
120 mm。
2．2试验采用的主要参数
根据试验原型参数的率定试验情况，结合滩
海工程模拟实验室的能力，试验过程采用的参数
见表3。
表3试验过程采用的主要参数
2．3试验地基配置
选用原型沙作为模型沙，进行试验地基配置。
试验前，测定试验土样的基本物理力学性质指标，
见表4。
表4试验土样的基本物理力学性质指标
2．4泥沙起动试验
为确保原型沙试验方案的执行，进行预演试
验。在水深25 cm时，开1台泵，流速12 c叫s，可
以看到水中土粒起动，但池水不全变浑；在水深60
cm时，把一块500 mm×500 mm×60 mm的混凝
土块置于水中，开三台泵造流，流速为O．14 m／s，此
时看不清水下情况，经过2 h冲刷后排水观察，发
现混凝土块四角及迎流面均出现淘空，深度为O．5
锄，表明该流速已达到起动流速。浪流合成试验
发现，冲淘更明显，表明原型沙试验方案可行。
2．5冲淘、防护试验
1)桩基式平台冲淘、防护试验。将桩基式平
台模型埋设布置于模型区，在平台模型相邻的两
角处各布设一条外输管线，管线从平台顶部向下
至泥面后沿平台平面角的对角线外伸，水平管线
位于泥面下5～20 mm。
开展流单独作用下的冲淘试验，此时冲淘不
明显；开展常规浪+流合成作用下的冲淘试验，导
管架及管线处出现明显的冲淘。
逐渐增加波高(o．15～o．25 m)，开展波浪、
流合成作用下的冲淘试验，导管架及管线处的冲
淘量明显随波高加剧。冲淘机理主要表现为：波
浪作用扬动海底泥沙，潮流作用带走扬动的泥沙，
二者共同作用使得冲淘加剧。
在其中一段悬空海管的下部及周围投沙填埋
海管，表层放置大量类似海草的物体，用50根带
勾钢筋固定于地基上，形成仿生海底保护层；在另
一段悬空海管的下部及周围投沙填埋海管，表层
放置石子(低层放置小石子，上层放置大石子)，形
成海底保护层；在导管架处地基表层直接放置自
制的丛林式仿生块进行防护。然后，开展浪流合
成作用下的冲淘防护试验。防护后导管架及管线
处基本无冲淘，三种防护效果都不错，无明显差
别。在浪流作用下石子堆出现了自然平衡性坍
105
万方数据
第2期船海工程第40卷
塌，变得更加密实；导管架中心区域的丛林式仿生
块未能造成泥沙的明显淤积。
2)桶形基础平台冲淘、防护试验。预先将桶
形基础单桶模型沉贯入泥，桶顶高出泥面10咖。
开展浪、流合成作用下的桶形基础无防护锥
模型、防护锥模型冲淘试验。
桶形基础无防护锥模型的迎流面和背流面发
生轻微淤积，两侧发生比较严重淘空。两侧淘空
区宽度不超过20 cm，冲刷深度7～8咖；推测原
型淘空范围不超过4 m，深度不超过1．2 m。
桶形基础防护锥模型，迎流面和背流面均发
生轻微淤积，两侧发生淘空。淘空宽度不超过
15 cm，深度约为2 cm；推测原型淘空范围不超过
3 m，深度不超过0．4 m。试验时防护锥根部全部
入泥，但现场施工时不可能做到根部全部入泥，效
果会打折扣。
模仿海上抛石子袋的方式随意向模型基础的
冲淘坑及周围抛下泥袋，然后，开展浪流合成作用
下的冲淘防护试验。在试验期间，基础和泥袋的
周围有明显的泥沙移动。最后，将泥袋拿走，基础
周围平均下降O．03 m。
模型已经出现淘空的现象以后，按照理想的
状态，在模型周围摆放泥袋，完全填补淘坑，使泥
袋之间没有空隙。然后，开展浪流合成作用下的
冲淘防护试验。泥袋堆积没有明显变化，但泥袋
外缘出现淘坑，其深度是泥袋厚度的l／4或1／3，
防护效果明显好于随意投抛式。
将泥袋取出，在淘坑内抛撒石子，石子的粒径
是1．2～2．O cm，施加浪流作用。抛撒石子基本
把前泥袋压的坑填平，桶的顶部也有部分石子，自
然堆放。桶顶上的石子随着波浪的冲击，慢慢向
桶边移动，被冲到桶的边缘；整个石子堆顶部下降
2．5 cm，石子堆积更加密实、坡度变缓。石子堆边
缘的外侧，有明显的淘空痕迹，深度是石子直径的
1／3或l／2。
3)沉垫式平台冲淘、防护试验。将沉垫式平
台模型放置于试验区，沉垫入泥5 cm。
进行定床、动床冲淘试验，测量模型周围地基
的压力场，测试波浪对模型周围地基作用情况，分
析波浪冲淘机理。
在模型迎流面至其后70 cm范围内，其流速
值均方差比其他位置明显较大，为其他位置的
2．5～5．O倍。这是由于模型拐角涡漩和水流分
】06
离造成的，这种办法可判别模型周围涡流区。这
种脉动可视为一种泥沙起动的激振力。通过改变
构筑物结构(如改用圆角)减少这种脉动或在这一
脉动区增加防护是减少水流引起的淘空可行办
法。
开展浪流联合作用下的抛石防护试验，其试
验过程、现象与桶形基础平台抛石防护试验过程、
现象基本一致。
3 结论与建议
3．1试验结论
1)在无防护情况下，采油平台及海底管线的
基础在浪流作用下会出现冲淘现象，离导管架越
近的区域冲淘越严重。
2)冲淘主要表现为：波浪作用起动海底泥
沙，潮流作用带走起动的泥沙，二者共同作用使得
冲淘加剧。
3)从技术的角度分析：在保证施工质量的情
况下，投沙+仿生防二次淘空方案、投沙+抛石防
二次淘空方案均能达到明显的防护效果，因此两
种方案均可行。
4)从施工、投资的角度分析：与投沙+抛石
防二次淘空方案相比，投沙+仿生防二次淘空方
案在胜利海上混水区水下施工困难，施工质量难
以保证，投资相对较高。
3．2建议
建议在胜利混水区采用多层次抛石防护，防
护施工时分多层次铺设，这样既能防止淘空，又能
使得石子不被波浪冲走。为了减少工作量，可分
为三层铺设：底层抛撒鹅卵石，可以从冲淘坑的底
部填至距海底面下o．7～o．8 m；上层铺设块石
(块石重量根据环境载荷计算确定)；块石上面铺
撒一层直径约2．5 cm的石子，从坑的边缘外
O．5 m开始覆盖到桶(或桩)的周围。
4 工程应用
将多层次抛石防护技术研究成果成功地应用
于胜利海区。在胜利海区对CB20B桶形基础采
油平台、开发一号和开发二号沉垫式采油平台进
行了多层次抛石防护。底层抛直径6～7 cm的鹅
卵石，上层为重30 kg左右的块石，表层为小石
子，以开发一号平台为例，典型的防护布置见图
1、2。
万方数据
滩癣油口采油平台∞淘巷咕施探索——初新舞
目l典■$目女抛5∞#$置}i目
[毒汹L——!塑竺型旦—一
目2典型多屡次抛石*#布I立面目
i座采油平台在实施多层次抛石防护后，经
历了多次海上风浪的考验，防护效果显著。
该技术还可推广应用于其他海区类似地基条
件下的冲淘防护工程。
参考女t
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(上接第103页
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