深水采油管柱在地震荷载作用下的动力响应

【摘要】：近年来,随着石油天然气工业的不断发展,油气钻采逐步由陆域转向近海,进而扩展到深海。深水海域的地质环境较为复杂,尤其在中国南海地区,分布有大量的断裂构造带,地壳结构极不稳定,地震活动频繁发生,这势必给深水采油管柱的安全性带来影响。 正是在这样一个背景下,深水采油管柱的地震响应问题越来越受到海洋科技工作者的重视。本文首先介绍了中国南海的地形地貌,地质构造,进而总结了南海的地震分布及活动规律,预测了未来50年可能发生强震的震源所在区域,并首次进行了简单的南海地区地震烈度区划,为南海地区工程建设的抗震设防提供一定的参考依据。 针对深水采油管柱的结构特点,根据桩基的动力响应理论,将其简化为变截面Timoshenko梁,周围土体则用弹簧和阻尼器来模拟,首次采用回传射线矩阵法,对采油管柱的地震响应进行了理论推导与计算。 深水海底表层一般为淤泥质软土,当地震发生时,表层软土的剪切波速和厚度将会给管柱的地震反应带来影响。计算结果表明,表层软土的剪切波速和厚度越大,则地震波对整个管土系统的影响越弱。深水钻井中,为避免水泥浆密度过大压破地层,导管一般采取水力喷射方式下入,而不进行固井。中国南海的深水区已经成功应用这一施工工艺。地震发生时,导管的下端面部位,极易发生应力集中,一旦造成此处水泥环的破坏,海底的浅层高压油气就会渗入导管内部,沿管壁上升,最终造成的损失将难以估量。本文讨论了导管的下深对其下端面剪力和弯矩的影响,计算结果表明,导管下端面应力在其位于软硬土层界面时取得最大值,因此工程中应避开此危险截面 海底泥线以下分布的软弱夹层对深水采油管柱井身结构的稳定性有着重要影响,尤其地震发生时,会在井口和土层交界面处管柱截面产生很大的弯矩和剪力,而软弱夹层的性质对其影响如何是一个非常值得讨论的问题。本文分别从软弱夹层的剪切波速和厚度分析,探讨了套管柱在各土层交界面处弯矩和剪力幅值的变化规律。结果表明,软弱夹层剪切波速越小,则夹层界面处管柱的弯矩和剪力越大,对较远土层界面处管柱弯矩和剪力的影响则较小。软弱夹层的厚度h变化时,则存在一临界值hcr,当hhcr时,管柱在夹层界面处的弯矩和剪力将随着夹层厚度的增大而增大；当hhc,时,管柱在夹层界面处的弯矩和剪力将随着夹层厚度的增大而减小。 本文得到的结论可以为海洋工程中套管柱的施工、设计和安全性评估提供一定的参考和指导价值。