油气田水下生产系统基础的冲刷研究

摘要

随着能源需求的与日俱增，人类对海洋油气田开发的重视度也逐步提高，可达到的水深随着技术的不断成熟也越来越深。面对水深导致的开发成本的大幅提高，一种新的开采系统—油气田水下生产系统得到了普遍关注。水下生产系统的适用范围从几十米至几千米，且建造成本不随水深的增加而增加。
　　水下生产系统主要由水下井口和采油树、管汇、跨接管、脐带缆、海底管线、立管、控制系统及水下处理系统等组成，通过控制系统的远程操控，将油气井采出的油气水从海底输送到依托设备或陆上终端。水下生产系统的基础多数采用防沉板，且通过裙板入泥进行固定。如果基础处于渔业区，为了防止防沉板上裸露放置的管汇对渔网产生拖挂，需在管汇上部放置保护罩。但保护罩的存在会改变周围流场，从而产生冲刷，有可能引起防沉板的不均匀沉降甚至滑移，从而对生产系统的其余部分产生附加荷载，对其正常运作产生安全隐患。
　　水下生产系统基础保护罩的迎流面、背流面皆不垂直于床面，且前后都存在可透水的预留口，这种结构前人并未做过相关研究，而且针对工程结构实际尺寸所进行的冲刷研究也很少。为了分析带有保护罩结构的水下生产系统基础周围的冲刷情况，本文采用了物理模型试验和数值模拟相结合的方法。
　　首先对正常工况下基础的局部冲刷进行模型试验，然后通过耦合求解水流运动、悬移质扩散、推移质输运以及床面高程变化的冲刷模型对物理模型试验进行数值分析，其中水流运动通过RNGk-ε湍流模型对雷诺时均方程进行封闭求解，并利用VOF追踪自由液面。模拟结果充分证明了该数值模拟方法的可行性。鉴于实验室比尺模型试验的结果难以反推至水下生产系统基础的原型，论文又对水下生产系统基础的原型在正常、极端两种工况下的冲刷进行了数值模拟。建立三维数值模型时，如果模拟真实水深，计算量会非常大，同时鉴于海底水质点速度引起的海床剪切应力是影响泥沙运动的主要因素，因此在保证近底水质点速度的前提下，将水深减小，以使数值模拟大范围流场成为可能。
　　一年一遇潮流、一年一遇波浪的正常工况下，波浪产生的海底水质点流速相对较小，可以忽略不计，因此正常工况可看作纯水流作用下。小尺寸基础的物理模型试验、数模验证皆表明，迎流面、背流面的冲刷皆起始于流速放大处。首先，背流面预留口附近产生冲刷，但由于模型高出沙面的高度较小，尾涡强度不大故而背流面的冲刷发展很慢;而迎流面的冲刷则开始于尖角处，在预留口两侧下潜流的辅助下，冲刷坑向中间迅速发展，致使尖角处冲刷深度最大，而迎流面中间预留口位置的冲刷深度较小。对于该工况下大尺寸原型的冲刷模拟则表明，由于保护罩高出海底高度的大幅增加，尾涡的发展使得背流面的冲刷范围加大。背流面预留口位置首先出现的冲刷坑在尾涡的加速下迅速向周围扩展，个别位置的冲刷坑深度已超过第一层底沙的厚度。而迎流面的冲刷虽然还是起始于尖角位置，但在向中间发展的过程中，由于预留口位置防沉板高度造成的下潜流使得中间位置的冲刷坑更深。
　　百年一遇潮流、百年一遇波浪的极端工况下，波浪、潮流产生的水质点速度皆很大，再加上波浪作用下又导致边界层变薄，致使整个沙面都出现了冲刷现象。初始在迎流面尖角处形成的冲刷坑在波浪的振荡过程中被弱化，最终在前后两预留口附近形成了明显的冲刷坑，尤其是背流面出水口附近的冲刷坑深度已达到两层底沙的厚度。
　　此外，不同比尺的物理模型在同一水深下的冲刷试验表明，基础周围的冲刷随比尺的增大而严重，这表明水深与没水基础高度的相对比值对冲刷有重要影响。为了研究该比值的影响，本文对水下生产系统基础模型在不同水深下的冲刷进行了数值模拟研究，结果表明，当水深与基础高度的比值超过7.5时，基础周围的冲刷将不再受水深的影响而相对稳定。
　　水下生产系统基础的冲刷研究需要综合考虑水、沙、基础之间的相互作用，与出水的基础结构相比，没水基础流场的尾涡中增加了一项，该项由流经基础上方的水流发展而来，其强度与基础离开沙面的高度有关。就本文研究的基础而言，除没水外，基础内部还可透水，这就需要考虑透水口的出水对基础背流面的影响，以上因素皆导致背流面的冲刷甚为复杂。
　　以物理模型试验为依据，以数值模拟方法为手段，本文得到了水下生产系统的基础在纯流和浪流共同作用下的冲刷范围及冲刷深度，从而对后期的设计及安装提供指导。此外，对其他形状大尺寸模型的冲刷数值模拟也提供了参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及选题依据

1．1．1 海洋石油开采的发展及特点

1．1．2 水下生产系统的组成及特点

1．1．3 选题依据

1．2 基础结构冲刷的研究现状

1．2．1 桩基的冲刷研究

1．2．3 平台基础的冲刷研究

1．3 本文的研究目的和研究内容

1．3．1 研究目的和意义

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 主要创新点

2 基本理论

2．1 基本控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 FAVOR方法

2．2 湍流模型

2．3 VOF方法

2．4 泥沙冲刷模型

2．4．1 泥沙起动

2．4．2 悬移质输运

2．4．3 推移质输运

2．5 控制方程的离散和求解

2．6 边界条件和初始条件

3 物理模型试验研究

3．1 试验目的

3．2 水下生产系统基础的浪流工况

3．3 试验设备

3．4 模型设计

3．4．1 模型比尺

3．4．2 试验用沙

3．5 试验布置

3．6 试验过程及数据处理

3．6．1 调流试验

3．6．2 冲刷试验

4 数值模拟研究

4．1 物理模型试验的数值模拟研究

4．1．1 流场模拟

4．1．2 冲刷模拟

4．1．3 模拟结果分析

4．2 正常工况下水下生产系统基础的冲刷研究

4．2．1 流场模拟

4．2．2 冲刷模拟

4．3 极端工况下水下生产系统基础的冲刷研究

4．3．1 流场模拟

4．3．2 冲刷模拟

4．4 水深对水下生产系统基础冲刷的影响

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

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