滩海人工岛新型储水结构研究

2023-02-15

一、工程概况

1. 概述

大港滩海区水浅, 坡缓, 潮差大, 淤泥层厚, 特别是表层有3~4m厚蠕动流塑性淤泥, 承载力很低, 陆上装备下不去, 海上装备上不来, 环境条件恶劣, 给海洋工程建设造成很大困难。

近些年的实践证明, 在该海域采用修路建岛的模式是滩海石油开发的一种经济、快捷、有效的途径。埕海二区开发延用这种开发模式, 需新建一座海上人工岛, 该岛位于海图水深约0.6m的极浅海海域, 泥面高程-3.0m (黄海高程) , 通过进海路与陆地相连, 进海路总体走向垂直于海岸线, 基本呈东西向。

2. 人工岛的功能

根据开发方案部署、安全生产需要和周边区块开发需要, 人工岛须具备以下功能: (1) 实现油气开发“三同时”, 即同时钻井、采油、修井, 采出的油气计量外输, 合格的污水增压回注; (2) 具备符合规范要求的安全设施, 为该地区海上应急、救生逃生提供船舶应急停靠点。根据油气开发生产期间钻、采、修、集输和消防用水要求, 人工岛上必须配套符合要求的储水装置。

3. 人工岛结构描述

新建人工岛采用抛石斜坡堤围埝结构, 岛内回填砂, 岛面四周设有挡浪墙, 挡浪墙内侧设有排水盲沟和混凝土环岛路。

船舶应急停靠点位于人工岛的西南角, 其南北向长46.5m, 东西向宽23.0m, 顶面高程+3.5m, 采用两组箱筒型基础结构, 上部安装H型空心方块形成直立岸壁便于船舶停靠。在应急停靠点北端西侧壁设有海底管线直立上岸结构。人工岛不设防波堤。

二、人工岛新型储水结构研究与应用

1. 新型储水结构简介

人工岛地处滩海潮间带, 海水受潮汐影响, 通常情况下比较浑浊, 不能直接取用。

常规消防供水是在岛上的工艺区内布置消防储水罐, 这种方式需要较大的人工岛面积。早些年投产的埕海一区人工岛, 是将应急停靠点东侧防波堤上的混凝土大圆筒, 增加破冰防冻设施后作为消防储水罐, 从投产运行至今情况良好。

埕海二区新建人工岛不但使用面积有限, 不足以布置消防储水罐, 而且不再设有防波堤, 无可利用的储水设施。为了满足钻修井用水要求和消防用水需求, 从岛体的结构特点分析, 提出了一种人工岛储水新结构, 即在人工岛围埝中设置储水井, 不占用岛的有效使用面积, 直接取用围埝块石之间的空隙水。

2. 取水量论证

充分考虑在极端低水位时, 能够满足消防用水需求 (连续6小时供水水量1200 m3) , 储水井为一预制混凝土箱体, 其下部各侧面有透水孔, 在储水井两侧沿围埝走向设置集水箱涵, 其顶面和侧面均有透水孔, 用于收集围埝抛石堤内的孔隙水。

(1) 水源水量

50年一遇的设计水位 (以黄海平均海面为基准) 为:

设计高水位:+1.65m, 设计低水位:-1.78m, 极端高水位:+3.21m, 极端低水位:-3.62m。

工程位置处泥面平均高程为-3.0m, 则极端低水位情况下会干滩。该区潮水位近似为正弦函数面, 可估算出50年一遇的干滩时间约2.27h, 水位由-3.0m降到-3.62m。

在正常潮位下, 潮水可以通过围埝堤的抛石体孔隙进入到集水井中, 水源充足。

在极端低潮位时, 则利用围埝抛石体中的孔隙水作为消防水源。消防水需求量为60L/s, 即216m3/h。干滩时间2.27h需消防水490m3/h。

围埝结构设计计算的沉降量约为1.5m, 如图1所示, 则沉降到位后, 砂垫层底标高约为-4.5m, 抛石体底标高约为-3.5m, 泥面高程为-3.0m, 则围埝堤抛石体中的储水深度为0.5m。南侧围埝堤长120m, 底部宽度45m, 10~100kg块石体的孔隙率按0.35考虑, 则干滩时南侧围埝底部块石体中存储的孔隙水有120×45×0.5×0.35=945m3, 大于需求量490m3。

(2) 渗水速度

从储水量945m3中抽取490m3水量, 则干滩末期孔隙水位下降490÷945×0.5=0.26m, 水面标高从-3.0m下降至-3.26m, 块石中的最小淹没深度为0.50-0.26=0.24m。

储水井结构底板顶面安装标高为-3.4m, 后期沉降量按1.0m考虑, 则后期储水井底板顶面标高为-3.4-1.0=-4.4m。考虑水泵吸水口距底板0.3m, 水泵吸水口最小淹没水深0.5m, 则最低水位面标高为-4.4+0.3+0.5=-3.6 m (水深0.8m) , 如图2所示。因块石体底标高为-3.5m, 则渗流计算时, 最低水位面取为-3.5m, 则干滩末期孔隙水渗流水头差为H=3.5-3.26=0.24m。

围埝堤底部宽度45m, 集水箱涵大致在其中部, 集水箱涵两侧块石孔隙水的最大渗透路径为20m, 平均渗透路径为L=20/2=10m, 平均渗水高度取为h=0.24m, 抛石体的渗透系数取为k=0.08m/s, 则单侧单位宽度的渗透量为

q=v·h=k·j·h=k·H/L·h=0.08×0.24/10×0.24×1000=0.46 L/s-m

每个储水井的集水长度为15×2+4=34m, 两侧均有渗透水, 则单井的渗透流量为

Q1=0.46×34×2=31.3 L/s

两个井的渗透量为Q2=31.3×2=62.6 L/s。满足消防水需求量60L/s。

三、效果分析

1. 适用性分析

滩海油田开发过程中, 为保证投资效益, 降低投资风险, 人工岛通常建得较小, 使用面积有限, 不足以布置消防储水罐。人工岛新型储水井结构技术不占用有效的使用面积, 很好地解决了这一问题, 满足了开发生产和消防需要。

储水井的水源来自围埝抛石体孔隙中的水, 巧妙地利用了砂石人工岛的结构特点和蓄水能力, 而且水量有保证, 具有科学性、合理性和适用性。

2. 经济性分析

大港滩海新建人工岛采用抛石斜坡堤围埝结构, 有效使用面积为110m×140m, 如果按照常规做法, 在岛面工艺区内建消防储水罐, 需扩建人工岛增加110m×15m的面积, 投资和施工工期都将大幅度增加。而在人工岛围埝设置储水井结构来满足油气开发生产及消防用水需要, 工程总投资增加较小, 具有很好的经济性。

结论

新型储水井结构技术在新建人工岛工程建设中的应用, 不仅不占用人工岛的有效使用面积, 而且施工方便快捷, 结构安全可靠, 满足使用要求, 经济效益显著, 是一项值得推广应用的新结构。

摘要：大港滩海近岸区域油气资源采用修路建岛的模式开发, 人工岛上要满足钻、采、修、集输等开发生产需要, 必须配套符合规范要求的消防系统和储水装置。针对人工岛面积较小, 常规储水方式不具条件的情况, 结合人工岛结构开发出一种新型储水结构, 对该结构的研究、应用等进行了介绍。这种新型消防储水结构不占用岛面有效面积、经济合理、安全可靠、便于施工、满足使用需求, 具有明显的经济优势。

关键词：人工岛,围埝,集水井,集水箱涵