水下生产设施基础冲刷模型试验与数值模拟分析

于春洁 吴 非 王丽勤

(中海油研究总院 北京 100028)

水下生产设施基础冲刷模型试验与数值模拟分析

于春洁 吴 非 王丽勤

(中海油研究总院 北京 100028)

于春洁,吴非,王丽勤.水下生产设施基础冲刷模型试验与数值模拟分析[J].中国海上油气，2017,29(4)：145-151.

YU Chunjie,WU Fei,WANG Liqin.Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):145-151.

以南海某油田水下生产设施防沉板基础为例，采用模型试验方法预测了水下生产设施防沉板基础最大冲刷出现的部位与深度，并采用CFD软件对水下生产系统的泥砂冲淤演变过程进行了模拟分析，提出了冲刷防护措施。水下生产设施基础实际冲刷深度介于模型试验和数值模拟折减结果之间，设计时推荐使用模型试验值或者数值模拟与模型试验结果的均值。本文研究结果对水下生产设施基础的设计提供了依据。

水下生产设施基础；冲刷；模型试验；数值模拟；南海

冲刷是海流、波浪作用下引起的海底结构物附近搬运与挟带泥砂的过程。不同的床质具有不同的冲刷特性，一般可分为床面自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷3种情况[1]。海洋平台基础、桥墩等结构物的冲刷主要是局部冲刷，因为结构物的存在会对水流产生局部阻碍与干扰，从而迫使水流在结构物前缘雍水、绕流，流速与流向的剧烈变化引起涡流和较大的床面剪应力，造成床面局部冲刷和高程的下降。

海底结构物基础冲刷的问题最早是在20世纪60年代末由Palmer提出[2]，他现场监测了波浪与水流联合作用下单桩周围海底冲刷坑的形成过程与冲刷速率，得出冲刷深度遵循对数规律的结论。20世纪70年代以后，随着基础冲刷问题越来越引起人们的关注，国内外学者在桩基、海洋重力式基础冲刷动力机制、冲刷过程、冲刷坑形态、冲刷深度计算以及不同底质类型对冲刷过程的影响等方面研究取得了一定的进展[3-6]。

在海洋工程中，放置在海底的水下结构物如重力锚、沉箱[7-9]、平台基础、水下生产设施基础以及海底管线等对海底的流场产生了影响，复杂变化的流场对海底结构物周围的泥砂沉积物产生扰动，导致结构物基础周围冲淤变化[10-11]。如果基础周围产生的冲刷坑过深，使基础产生不均匀沉降，将影响结构的正常使用，甚至会引起结构安全问题并导致一系列的生产与环境问题。相关部门对USGC (U.S.Geological survey)记录的1958—1965年和1967—1975年之间发生在墨西哥湾的管线事故进行了统计，发现管线周围海床面的冲刷是造成事故的主要原因。因此，开展水下结构物基础冲刷问题研究十分必要，其研究成果将为海上油气工程开发和海底结构物安全运营提供依据。本文主要针对南海某油田水下生产设施基础进行冲刷模型试验，研究水下生产设施基础的冲刷问题，并采用CFD软件数值模拟水下生产系统的泥砂冲淤演变过程，以期对项目所在区域的施工和运营安全提供理论支持。

1 冲刷模型试验的建立

1.1 水下生产设施基础及环境土壤条件

南海某油田将新建1套水下生产系统，其防沉板基础结构如图1所示。基础框架尺度(长×宽×高)为17.5 m ×18.0 m ×2.7 m，管汇质量25 t，裙板入泥深度0.75 m，结构总用钢量230 t，所在海域水深140 m，浪、流主极值参数见表1，土壤参数见表2。

图1 南海某油田水下生产设施基础结构示意图[12-13]Fig .1 Subsea production system foundation structure in- place figure in an oilfield of South China Sea[12-13]表1 南海某油田浪、流主极值Table 1 Main extreme of wave and current in an oilfield of South China Sea

参数数值重现期一年重现期百年最大波高/m14.220.0最大波周期/s11.413.6海床面上1m海流流速/(cm·s-1)63.780.0

表2 南海某油田土壤参数Table 2 Soil parameter in an oilfield of South China Sea

1.2 试验场地及设备

本次试验在长60 m、宽3 m、最大水深1.5 m的波流水槽中进行，配有不规则造波机和造流设备。试验设计系统主要由试验区域、仪器布置、数据测量与采集等3部分构成。为了测量在特定的工况下水下生产基础模型结构物周围的流场以及冲刷地形的变化，采用了多普勒流速仪采集流速数据，波高仪采集波高的变化，全站仪测量冲淤地形的变化，并经过流速采集软件和波高采集软件进行数据的处理。

1.3 试验设计

1.3.1 试验类型选择

模型试验类型包括定床模型试验、动床模型试验以及系列模型延伸法。定床模型试验只能用来了解泥砂运动的现象和发展趋势，不可能给出定量的结果。由可动的模型砂制成底床的模型为动床模型，由于模型砂的运动很难与原型砂完全相似，因此动床模型试验结果常有一定偏差，这种偏差与模型的大小有一定的联系，当模型大到与原型一样时，则偏差为零。依据这一概念，可以同时制作比尺不同的系列模型，同时将原型看成是比尺为1的模型，这样把由各种模型得出的结果顺其趋势延伸到原型，从而正确地得出没有偏差的原型值来，这就是系列模型延伸法，这种方法被认为是一种获得定量结果的可靠方法。因此，本次试验采用系列模型延伸法作为模型试验方法。1.3.2 试验比尺设计

在海流和波浪运动中，惯性力和重力起着主导作用，所以波浪模型应遵循重力相似或弗劳德相似准则。在安装水下生产设施基础后，周围的流场及波浪场由于结构物的存在将发生变化，需要对结构物周围流场的变化进行数值计算。图2为结构物周围流场变化范围数值模拟结果，可以看出，流场的变化范围不超过0.5～1.0倍结构物横向尺寸。试验模拟的范围应尽可能包括流场和波浪场的变化，模型的边界应在波流场发生变化的范围之外，因此模型规模就是根据上述原则确定的。

受试验室水槽尺寸的限制，同时试验室的硬件条件难以实现过大的模型对应的工况，所以本次冲刷物理模型试验采用的比尺为1∶20和1∶12。基础所在海床的表层土为松散粉砂质细砂，其中值粒径与实际海域的最大中值粒径0.18 mm相接近。

图2 结构物周围流场变化范围数值模拟结果Fig .2 Numerical simulation result of variation range of current flow around foundation

1.3.3 试验波浪参数设计

本次试验采用规则波。波浪作用下的泥砂运动是一个复杂的动力过程，波浪和泥砂运动的各自相似条件很难同时满足，试验中的主要作用力为重力，因而相似准则遵循重力相似准则。按照斯托克斯三阶波的理论进行编程，分别计算1∶20和1∶12 两种模型比尺对应的试验室波浪与海流环境要素，计算结果如表3所示。

表3 南海某油田海底波浪水质点最大水平运动速度Table 3 Maximum sea bottom wave water particle horizontal velocity in an oilfield of South China Sea

1.4 调试试验

为了达到表3所列的波浪在海床附近水质点的最大水平速度，在水槽进行滤波-调流试验。试验中采用多普勒流速仪测量近底水流流速与冲刷试验区域近底波浪水质点轨迹速度，从而确定试验所需的波流要素。在原始的水位、流速、波要素全部调整完毕后，再安置基础模型。模型砂要经水浸泡数日，直至模型砂达到自然密实状态，再对模型砂床面进行整平，使之与模型底面齐平。上述工作完成以后，即开始进行试验。1.5 试验工况组合

每种模型试验工况分别为操作工况(即一年波一年流)和极端工况(即百年波百年流)，对于极端工况进行了模型长边与水流流向为0°、45°两种情况冲刷试验，共计6种试验组合工况，如表4所示。

表4 南海某油田水下生产设施基础冲刷试验组合工况Table 4 Experimental combination condition in an oilfield of South China Sea

2 冲刷模型试验

2.1 试验步骤

1) 将制备好的砂样抹平，加水至试验水深。

2) 将试验设计波要素输入计算机，启动造波和造流装置，开始进行冲刷试验。

3) 冲刷试验过程中采用水下摄像机观测冲刷过程的发展，并且通过摄像机观测冲刷坑是否达到冲刷平衡状态。冲刷平衡是一种动态平衡，是指落入冲刷坑内的泥砂与坑内被水流带走的泥砂相等的一种状态。参考其他试验达到冲刷平衡时间，并且根据项目的实际情况，得出冲刷进行4～5 h便能达到冲刷平衡状态；达到冲刷平衡后，冲刷深度将不会随着时间的增加而增大。

4) 待冲刷达到冲刷平衡状态以后，为避免对冲刷的地形造成影响，将水缓缓地放掉。

5) 将基础模型取出，用全站仪对冲刷后的地形进行测量。测量地形采用的是断面法，根据所测量管汇的具体尺寸布置地形测量断面，并得到冲刷试验的最终地形资料。

2.2 试验结果与分析

根据全站仪测量得到的结构物周围局部冲刷深度数据，绘制A1、A2、A3工况下基础结构物周围高程变化示意图(图3)。

图3 A1、A2、A3工况下南海某油田水下生产设施基础周围高程变化示意图Fig .3 Subsea production system foundation structure elevation variation figure on condition A1,A2,A3 in an oilfield of South China Sea

对于工况A1和A2,冲刷首先从结构迎流面的2个尖角处发生，然后逐步向内侧发展。基础结构的迎流面出现严重的冲刷，2个尖角处冲刷坑最深，最大深度分别为3.5、4.9 cm。在基础结构迎流面两侧，与迎流面约成45°角出现2条很明显的冲刷坑，冲刷坑的宽度与结构的高度相当，冲刷深度范围为2～4 cm。在形成的2条冲刷坑的内侧，基础结构的两侧形成淤积区域，淤积厚度最高分别为3.6、5.2 cm。背流面开口处出现1个冲刷坑，冲刷深度分别约为1.6、2.7 cm。工况A2开口处以外范围出现淤积，淤积厚度最高为1.7 cm，基础结构后部背流面的2个尖角略有冲刷产生，冲刷深度为0.3～2.8 cm。床面出现明显的砂纹，波高约为2～3 cm，波长约为7～12 cm。形成原因是水流流过基础保护结构时，在开口处流速较大，开口处以外范围略有淤积。

对于工况A3，迎流面尖角与侧面的2个尖角处为冲刷最严重的区域，冲刷坑深度最深为3.3 cm，侧面前角冲刷坑深度最深为4.2 cm，侧面后角冲刷坑最深为2.7 cm。基础结构迎流面的2个侧边周围有明显的冲刷，冲刷坑范围为2～3 cm。在基础结构背流面长边开口处区域有冲刷坑产生，冲刷区域顺流向发展，开口处冲刷坑最深为2.7 cm。背流面短边开口处有冲刷坑，最深为2.3 cm，范围为开口范围的大小。基础结构长边背流侧有明显的淤积现象，淤积最厚为3.1 cm。基础结构短边背流面有淤积现象，顺水流方向发展，淤积厚度最高为3 cm。

对于冲刷模型试验，地形高程的测量点是根据基础结构物周围的冲淤形态进行了加密，6个工况的最大冲刷深度试验结果见表5，最大冲刷深度均发生在迎流面尖角处。

表5 南海某油田水下生产设施基础6组试验的最大冲刷深度Table 5 Maximum scour depth of 6 groups of experiments of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

2.3 冲刷深度预测

根据文献[3]得知冲刷深度符合对数规律，将A1、A2、A3工况下南海某油田水下生产设施基础的物理模型冲刷试验数据绘制成曲线(图4)，进行对数延伸得到水下生产设施基础原型的冲刷深度数据。

图4 A1、A2、A3工况下南海某油田水下生产设施基础模型冲刷试验结果Fig .4 Model test results of scour on condition A1,A2,A3 of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

根据1∶20和1∶12两个比尺模型的物理模型冲刷数据，用延伸法将数据延长至模型比尺为1的原型工况，可以得出： 一年波一年流水下生产设施基础与水流平行即0°的工况下，实际结构冲刷最大深度约为0.35 m，预测最大冲刷深度出现在迎流面的2个尖角部位；百年波百年流水下生产设施基础与水流平行即0°的工况下，实际结构冲刷最大深度约为0.43 m，预测最大冲刷深度出现在迎流面的2个尖角部位；百年波百年流水下生产设施基础与水流成45°角的工况下，实际结构冲刷最大深度约为0.38 m，预测最大冲刷深度出现在侧面的尖角部位。

通过以上各工况的比较得出百年波百年流工况条件下最大冲刷深度约为0.43 m。根据物理模型冲刷试验的结果以及系列模型延伸法的结论，通过水下生产设施基础与水流成45°角的工况和基础与水流平行(即0°)工况比较，可以看出基础与水流成45°角的冲刷区域相对较小，冲刷深度也相对较小。因此，基础侧面放置的方向可以与潮流流向成一定的角度，能够减小冲刷对结构的影响，从而提高结构的稳定性。

3 冲刷数值模拟分析

为了建立数值模拟的合理流程，得到CFD软件相关模块中重要参数的合适取值，选取水下生产设施基础结构在一年波一年流工况下采用1∶20比尺所进行的模型试验结果进行验证。

3.1 不同工况下的数值模拟

计算表明，风与海流、波浪引起的水质点速度相比较小，可以忽略不计。操作工况选取一年波和一年流组合，极端工况选取百年波和百年流组合。计算结果表明，在一年波一年流工况下，海底水质点的流速与海流流速相比非常小(<5%)，该工况下的波浪可以忽略。但在百年波百年流工况下，海底水质点的速度不能忽略，需要考虑波浪的影响，因此简化后的计算参数见表6。

表6 南海某油田简化后的计算参数Table 6 Simplified calculation condition in an oilfield of South China Sea

3.2 不同工况下的基础冲刷

通过模拟计算，一年波一年流工况下基础冲刷发展情况如图5所示。从图5可以看出，一年波一年流工况下，背流面的初始冲坑在大流速作用下范围不断扩大，冲刷非常严重，最大冲深甚至达到0.490 m，迎流面的预留口位置冲深约为0.475 m，尖角位置冲深约为0.470 m。

通过模拟计算，百年波百年流工况下基础冲刷的发展情况如图6所示，图中T为百年一遇波浪周期。从图6可以看出，百年波百年流的极端工况下，相对于重现期为一年的工况底部边界层变薄，剪应力增大，最终整个砂面被刮掉了5cm，而基础预留口前后分别形成了深度为0.55、0.69 m的冲坑，在迎流面尖角处形成深度为0.60 m的冲坑。

图5 南海某油田水下生产设施基础冲刷数值模拟结果(一年波一年流)Fig .5 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one year return period)

图6 南海某油田水下生产设施基础冲刷数值模拟结果(百年波百年流)Fig .6 Numerical simulation results of scour of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea (wave and current of one hundred year return period)

4 模型试验和数值模拟结果对比分析

南海某油田水下生产设施基础模型试验与数值模拟结果对比见表7，可以看出，模型试验结果整体性偏小，分析认为有2个方面的原因：①数值模拟在整体流速选择上偏大，整体性偏大近20%；②模型试验选取的模型砂中值粒径0.16 mm相对较小，理论冲刷量更大，结果也更趋于保守。

表7 南海某油田水下生产设施基础模型试验与数值模拟 最大冲刷深度结果对比Table 7 Comparison results between model test and numerical simulation of subsea production system foundation in an oilfield of South China Sea

南海某油田水下生产设施基础在操作工况、极端工况下的数模计算结果表明，由于基础的高度相对水深较小，外形也并未垂直于水流方向，且顺水方向还存在预留口，致使预留口位置的冲坑发展显著，需要注意预留口附近以及迎流面尖角处冲刷。考虑到上述的2个原因，认为实际冲刷深度介于模型试验和数值模拟折减结果之间，可以考虑取二者均值或者选取较保守值。

通过以上分析，建议采取必要的冲刷防护措施：①在基础周围的4个尖角抛石防护，防止或减小尖角部位的冲刷，从而减少冲刷坑的发展；②优化基础保护结构的外形，将4个尖角设计为圆形或流线形，增大圆角的弯曲半径，从而减小4个尖角处的流速，降低冲刷深度。

5 结论与建议

通过对南海某油田水下生产设施基础冲刷进行模型试验和数值模拟， 研究了防沉板式水下生产设施基础的冲刷分布和冲刷深度，并提出了冲刷防护措施。结果表明，水下生产设施基础实际冲刷深度介于模型试验和数值模拟折减结果之间，设计时推荐使用模型试验值或者数值模拟与模型试验结果的均值。由于目前模型试验中使用的砂子中值粒径与实际海域中的最大中值粒径0.18 mm相接近，而波浪和结构物按照相似原理进行了模型比尺的缩小，因此模型试验具有一定的近似性，建议今后进行进一步的研究。

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(编辑：叶秋敏)

Test with a scour model and numerical simulation on the foundation of subsea production systems

YU Chunjie WU Fei WANG Liqin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking the mudmat foundation of the subsea production systems in an oilfield in South China Sea for an example, the location and depth of maximum scour on the mudmat foundation were predicted using model test method.Numerical simulation of the sediment transport and deposition evolution was performed with the CFD software, and the scour protection measures were proposed.The actual scour depth of the mudmat foundation is between the two values of the model test result and numerical simulation discount result; and the model test result or the average of the two values is recommended for project design.The results of this study will provide a basis for the design of the mudmat foundation of subsea production systems.

subsea production system foundation; scour; model test; numerical simulation; South China Sea

于春洁，女，硕士，高级工程师,主要从事海上平台结构设计及海上油气田设计项目管理工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院海油大厦B座(邮编：100028)。E-mail：yuchj@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0145-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.019

TU47

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