一种适用于浅层水合物地层的温压保稳型吸力筒基础及其施工调控方法

本发明涉及海洋工程与岩土工程装备，尤其涉及一种适用于浅层水合物地层的温压保稳型吸力筒基础及其施工调控方法。

背景技术：

1、浅层天然气水合物地层对温度和压力极为敏感，是公认的高风险海洋工程地质区。在水合物开采期间，降压漏斗及高温流体传热极易诱发基础周边水合物分解，导致海床强度丧失、孔压浅层天然气水合物地层对温度和压力极为敏感，是公认的高风险海洋工程地质区。在水合物开采期间，降压扰动、热扰动及气液相重新分布可能诱发基础周边水合物分解，造成沉积物胶结强度降低、孔隙压力重分布、局部气体富集以及有效应力状态改变，进而引起平台基础沉降、倾斜、抗滑或抗倾覆能力下降。

2、传统吸力筒基础缺乏主动调控能力。近年来提出的温压调控概念面临诸多工程化挑战：双层封闭流道的双面满焊会导致超静定变形与焊缝冷脆开裂；同时，采用可降解材料进行临时封堵的方式，其溶解速率受地层渗透性差异影响显著，极易导致各象限解锁时间不一致而引发基础偏斜；单点靶向注液会导致底面反力突变诱发瞬时倾覆。此外，传统的防堵和内部布线方式难以满足大深度高压密封要求。因此，亟需一种在结构制造、同步解锁、传感布线及防倾覆控制上全面闭环的智能吸力筒基础。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种适用于浅层水合物地层的温压保稳型吸力筒基础及其施工调控方法，该吸力筒基础具备主动温压调控、防倾斜沉贯与内部土塞固化功能，能够实现大吨位基础的安全下放与绿色智能保稳。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种适用于浅层水合物地层的温压保稳型吸力筒基础，包括吸力筒顶盖、双层隔热外壁、内部分舱板组件以及多场传感与流体控制矩阵；

4、所述吸力筒顶盖盖设于双层隔热外壁上，所述双层隔热外壁包括由内至外依次设置的内承载钢壁、隔热夹层和外防护护板；

5、所述隔热夹层内设有多个第一内置流道，多个第一内置流道周向均匀间隔设置，且多个第一内置流道竖向设置；所述双层隔热外壁底部在对应预定高度的范围内设置有隔舱填实段，所述隔舱填实段底部形成切削刃；

6、所述内部分舱板组件固定设置于双层隔热外壁的内部，所述内部分舱板组件将吸力筒内部分隔为多个独立的压力控制腔；

7、所述多场传感与流体控制矩阵包括多个传感器、分区阀组以及水下控制模块。

8、优选地，所述内部分舱板组件包括一个中心圆形分舱板和四个扇形分舱板，四个所述扇形分舱板呈放射状连接于中心圆形分舱板和双层隔热外壁之间，所述中心圆形分舱板和扇形分舱板将吸力筒内部分隔为五个独立的压力控制腔；所述中心圆形分舱板上周向间隔设置有多个第二内置流道，每个所述扇形分舱板上间隔设置有多个第三内置流道，多个第二内置流道和第三内置流道均竖向设置；多个第二内置流道和第三内置流道的底部在距双层隔热外壁底边预定高度处截止封闭；多个第二内置流道和第三内置流道的预定高度为0.8~1.5 m。

9、优选地，所述双层隔热外壁的外侧面上开设有多个第一气液传输微孔，多个第一气液传输微孔分布于双层隔热外壁的中层管段和深层管段上；多个第一气液传输微孔的孔径自上而下逐渐递增；多个第一气液传输微孔均与第一内置流道连通。

10、优选地，所述中心圆形分舱板上开设有多个第二气液传输微孔，多个第二气液传输微孔与第二内置流道连通；所述扇形分舱板上开设有多个第三气液传输微孔，多个第三气液传输微孔与第三内置流道连通；多个第二气液传输微孔和第三气液传输微孔的布设和孔径均与第一气液传输微孔的结构相同；每个第一气液传输微孔、第二气液传输微孔和第三气液传输微孔内均填充有用于沉贯防堵的高密度可溶盐塞，所述高密度可溶盐塞外侧依次设有疏水微孔膜和防砂网。

11、优选地，所述第一内置流道、第二内置流道和第三内置流道内均间隔穿设有毛细穿线管，所述毛细穿线管内穿设有传感器线缆；所述毛细穿线管在对应于传感器布设位置处设有引出支管，所述引出支管穿出第一内置流道、第二内置流道和第三内置流道的管壁并与传感器密封连接，以实现传感器线缆与第一内置流道、第二内置流道和第三内置流道内流体的物理隔离。

12、优选地，多个传感器沿吸力筒高度方向和周向分层布置；所述分区阀组分别设置于第一内置流道、第二内置流道和第三内置流道的入口端，用于分别控制第一内置流道第二内置流道和第三内置流道的开启或关闭；所述水下控制模块设置于吸力筒顶盖的夹层内，所述水下控制模块分别与多个传感器和分区阀组连接，用于接收传感器数据并控制分区阀组的动作。

13、优选地，所述吸力筒顶盖上分别设有抽水孔和控制接口，所述抽水孔与注水管连接，所述控制接口处设置有等阻限流平衡阀；所述内承载钢壁的厚度为40~70 mm，所述隔热夹层的厚度为25~50 mm，所述外防护护板的厚度为15~30 m。

14、本发明还提供了一种适用于浅层水合物地层的温压保稳型吸力筒基础的施工调控方法，所述方法包括如下步骤：

15、步骤1、地层勘察：勘察浅层水合物地层的温度、压力、水合物饱和度和土体强度；

16、步骤2、结构设计与匹配：根据勘察数据确定吸力筒尺寸、隔热夹层厚度、流道布置和传感器布置；

17、步骤3、自重沉贯：下放吸力筒并依靠自身重力进行自重沉贯；

18、步骤4、差异化负压沉贯：通过吸力筒顶盖上的分区抽水孔执行差异化抽水，控制各压力控制腔负压进行防倾斜负压沉贯；

19、步骤5、主动淡水脉冲解锁：沉贯完成后，水下控制模块内的微型蓄能器与增压模块启动，利用供给淡水向各流道施加相对于海底环境压力的附加高压淡水脉冲，且附加压力不超过吸力筒结构允许压力、地层劈裂压力和筒周土体抗渗破坏压力中的最小值，以加速高密度可溶盐塞溶解，实现微孔同步均态开启；

20、步骤6、服役期多场监测：服役期实时采集地层温度、孔隙水压力、气压、沉降和倾角数据；

21、步骤7、温压协同保稳调控：基于水合物相稳定裕度进行补压、降温、排气或与开采参数联动的防倾覆调控。

22、优选地，步骤7中，基于水合物相稳定裕度的调控包括：实时采集地层温度与孔隙水压力，并映射至温度-压力相图中；以相平衡曲线在当前温度或压力下的稳定相区一侧预留3℃~5℃的温度裕度线或对应的压力裕度线作为安全包络线；当实测状态趋近安全包络线时，触发温压保稳调控；调控遵循补压为主、换热为辅策略：通过高压充水提高基础保护区局部孔隙压力以使局部温压状态重新回到水合物稳定区，辅以显热交换抵消外部热流。

23、优选地，步骤7中，执行对角跟随配平控制逻辑：当局部象限触发靶向注入干预时，水下控制模块同步开启对角象限同类型的总阀，执行等压流量的对称跟随注入模式，使注入诱发的附加竖向反力关于吸力筒中心的合力矩小于预设阈值，降低单侧注入引起的附加倾覆力矩。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1、本发明通过中心圆形分舱板和扇形分舱板构成的内部分舱板组件将吸力筒内部分隔为五个独立的压力控制腔，并搭配分布于外壁及分舱板上的气液传输微孔以及高密度可溶盐塞、疏水微孔膜和防砂网，在沉贯期提供可靠的物理密封与防堵功能；沉贯后利用水下控制模块施加高压淡水脉冲，实现了全筒微孔的同步均态开启与通道无痕解锁，有效规避了因解锁时间不一致导致的基础偏斜难题。

26、2、本发明在内置流道内部穿设毛细穿线管，并通过引出支管与分布于高度及周向的传感器密封连接，巧妙实现了传感器线缆与流道内高压流体的物理隔离，彻底解决了复杂流道内大深度高压密封与水电隔离布线难题，保障了多场传感与流体控制矩阵在恶劣深海环境下的长期可靠运行。

27、3、本发明提出了基于水合物相稳定裕度的温压协同保稳与对角跟随配平调控方法，服役期通过实时多场监测并映射至温度-压力相图中，利用安全包络线精准触发“补压为主、换热为辅”的干预策略，使局部温压重回稳定区；同时在触发靶向注入时，水下控制模块同步开启对角象限阀门执行对称跟随注入模式，使附加竖向反力关于吸力筒中心的合力矩小于预设阈值，大幅降低单侧注入引起的附加倾覆力矩，确保基础在复杂水文及开采扰动环境下的抗倾覆稳定与全周期绿色智能保稳。