仿生水草治理海底管道懸空情況探查及改進(jìn)措施

蔣習(xí)民，陳同彥

（中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026）

0 引言

勝利埕島油田開發(fā)始于1995年，是我國第一個大型灘淺海油田，2012年原油產(chǎn)量達(dá)到280萬t，已建成大小平臺100多座，海底輸油、注水管道130多條，海底管道總長超過200 km，形成縱橫交錯的復(fù)雜海底管網(wǎng)系統(tǒng)，承擔(dān)著埕島油田原油外輸及油田注水的重要任務(wù)。但由于油田處于黃河入海口附近，海底表層多為黃河三角洲的沖積沙質(zhì)粉土，極易受到?jīng)_刷。由于近年來黃河治理成效顯著，黃河來沙量減少，再加上沿岸構(gòu)筑物的建設(shè)，如防潮堤、進(jìn)海路的修建等，改變了海區(qū)的流場，油區(qū)呈現(xiàn)出大范圍的沖刷現(xiàn)象，造成海底管道懸空，嚴(yán)重威脅著油田的安全生產(chǎn)。

海底管道懸空治理一直是保障油田安全生產(chǎn)的重要任務(wù)，勝利油田在海底管道懸空治理方面投入了大量人力和物力，在治理方案上不斷探索，取得了顯著成效。2006年，引入了海底仿生水草防沖刷系統(tǒng)，充分利用海區(qū)海水的高含沙特點，通過仿生水草的黏滯阻尼作用，降低了海流流速，促進(jìn)了泥沙的淤積，從而達(dá)到了懸空治理的效果。該方案實施后取得了很好的效果，試點工程實施后1年，探查資料顯示，泥沙淤積厚度已達(dá)到了20～50cm。之后，仿生水草治理在油田海管懸空治理項目中得到了大范圍推廣。但從勝利油田海洋采油廠最近一段時間的探查資料看，發(fā)現(xiàn)了新的情況，許多管道再次懸空。本文針對該情況進(jìn)行探查研究，分析再次懸空的原因，并對應(yīng)用仿生水草系統(tǒng)的海底管道懸空治理方案提出了新的改進(jìn)措施。

1 管道懸空現(xiàn)狀

本次 （2012年）共對11處海底管道立管的懸空進(jìn)行了探查，其中2006年、2007年治理的有7處，探查資料顯示，治理時鋪設(shè)的仿生水草缺失率平均超過50%，懸空長度、高度較治理前都有較大幅度的下降。但由于仿生水草缺失嚴(yán)重，新的懸空隱患已經(jīng)對管道的安全構(gòu)成了威脅。2008年治理的有1處，治理效果較好，懸空長度6 m，高度0.4 m，治理范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)仿生水草，缺失少。2010年治理的有3處，治理范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)懸空，仿生水草狀態(tài)良好，管道處于淤積填埋狀態(tài)。2012年探查的11處海底管道懸空情況見表1。

探查的典型工程之一：2006年治理時管道的懸空長度為36 m，最大懸空高度2.0 m，采用拋填沙袋結(jié)合仿生水草覆蓋的治理方案，治理長度50m，共計拋沙袋592 m3，鋪設(shè)仿生草425 m2，鋪設(shè)后進(jìn)行了第三方驗收，均達(dá)到了設(shè)計要求。2012年探查結(jié)果顯示：海管懸空長度約24 m，最大懸空高度約1.50 m （立管彎處），立管彎處至水平管段約13 m之間發(fā)現(xiàn)有沙袋，未發(fā)現(xiàn)仿生水草，24 m處管道入泥。2006年治理時管道懸空情況如圖1所示，2012年探查時管道懸空情況如圖2所示。

表1 2012年探查的11處海底管道立管懸空情況

圖1 2006年治理時管道懸空情況/m

圖2 2012年探查時管道懸空情況/m

2 管道再次懸空的原因分析

從探查資料以及仿生水草懸空治理后的海底錄像資料中可以看到，仿生水草的防護(hù)治理在最初的幾年內(nèi)均能起到較好的促淤效果，管道的懸空得到了有效的控制，但隨著時間的推移，仿生水草會出現(xiàn)不同程度的缺失，引起了管道的二次懸空，一旦沒有及時制止，隨著仿生水草缺失的增加，管道的懸空將會逐年增加。要分析清楚仿生水草的缺失原因，需要從產(chǎn)品、設(shè)計、施工及管理等多個層面進(jìn)行研究。

2.1 仿生水草防護(hù)方案簡介

仿生水草防沖刷系統(tǒng)由水草、基墊和錨固裝置組成，水草由耐海水浸泡、抗長期沖刷的新型高分子材料加工制作。其作用機理符合海洋抗沖刷流體力學(xué)原理，當(dāng)海底水流經(jīng)過仿生水草時，由于受到其柔性黏滯阻尼作用，降低了流速，減緩了水流對海床的沖刷；同時，水流中夾帶的泥沙也在重力作用下不斷地沉積到仿生水草安裝基墊上，逐漸形成了一個被仿生水草加強了的海底沙洲，從而抑制了海底結(jié)構(gòu)物附近海床的水流沖刷。海底防沖刷仿生技術(shù)原理示意見圖3。

圖3 海底防沖刷仿生技術(shù)原理示意

目前，仿生水草防沖刷系統(tǒng)基墊的規(guī)格主要有：5 m×2.5 m、5 m×5 m、5 m×7.5 m等。防沖刷仿生水草的高度一般在1.2～1.5 m范圍；專用錨固裝置的使用數(shù)量在通常情況下為：對于5m×2.5m的基墊配8套錨，對于5 m×5 m的基墊配16套錨，對于5 m×7.5 m的基墊配24套錨，特殊情況下也可視防沖刷的需要而定，錨長約1～1.5 m，通過手持式液壓桿打入海底泥面。仿生水草防沖刷系統(tǒng)基墊尺寸規(guī)格及配錨數(shù)量示意見圖4。

圖4 仿生系統(tǒng)基墊尺寸規(guī)格及配錨數(shù)量示意

根據(jù)海底管道懸空情況，在治理時采取了拋填沙袋結(jié)合仿生水草覆蓋的方案。由于受平臺影響，以平臺為中心的30～40 m半徑范圍內(nèi)的管道端部懸空較嚴(yán)重，首先要采用沙袋對海底管道下部進(jìn)行塞填，確保管道不懸空，然后再在管道及回填層上方鋪設(shè)仿生水草防沖刷系統(tǒng)。海底管道仿生水草防沖刷系統(tǒng)典型斷面示意見圖5。

圖5 海底管道仿生水草防沖刷系統(tǒng)典型斷面示意

2.2 仿生水草缺失原因

經(jīng)過設(shè)計、施工、管理方的認(rèn)真調(diào)查分析，找出了仿生水草缺失的主要原因。

（1）外部因素。由于黃河來沙量減少，而大面積的區(qū)域沖刷持續(xù)進(jìn)行，因而仿生水草也只能起到局部促淤作用。隨著沖刷的加劇，防護(hù)范圍外的區(qū)域有可能產(chǎn)生新的管道懸空和裸露，這些新的隱患如果沒有及時發(fā)現(xiàn)和治理，將有可能嚴(yán)重影響仿生水草的防護(hù)治理效果，甚至造成水草缺失。

（2）產(chǎn)品因素。固定仿生水草的錨較短，只有1～1.5 m，當(dāng)懸空高度達(dá)到1.5 m以上時，從圖5的典型斷面可知，在管道下方需要堆積較高的沙袋，若錨不能穿過沙袋打入海底泥面，則一旦仿生水草防護(hù)系統(tǒng)局部出現(xiàn)破壞，就會影響到沙袋的穩(wěn)定，從而最終影響仿生水草的穩(wěn)定。

（3）設(shè)計因素。平臺根部由于受到局部較大流速的影響，沖刷嚴(yán)重，管道懸空高度較大，需要拋填較多的沙袋才能鋪設(shè)仿生水草，仿生水草的穩(wěn)定性較差；另外，受到平臺附近船只靠泊、捕撈、施工等作業(yè)的影響，仿生水草更易缺失。因此，在方案設(shè)計上宜避開該區(qū)域進(jìn)行水草鋪設(shè)。

（4）施工時沙袋被破壞。從圖4中可以看到，仿生水草基墊上錨較多，施工時，通過振動式設(shè)備把錨打入海底，這破壞了沙袋的完整性，鋪設(shè)過程中，沙袋就有可能被沖淘，從而影響了仿生水草的穩(wěn)定性。

（5）其他人為破壞也是仿生水草缺失的重要因素。仿生水草的固定主要靠周邊的錨，由于地處淺海，附近任何漁業(yè)活動或者后續(xù)工程施工，均有可能影響到錨的固定，如果受到破壞，也可能發(fā)展到局部揭開，水草下面沙袋流失，時間久了就造成了水草缺失。

（6）缺乏定期的維護(hù)管理。仿生水草的鋪設(shè)及后期維護(hù)，對其性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。由于海洋環(huán)境的影響是持續(xù)進(jìn)行的，仿生水草治理不可能一勞永逸地發(fā)揮作用，應(yīng)有專門的隊伍進(jìn)行日常的巡檢和維護(hù)，發(fā)現(xiàn)錨固不牢的地方就應(yīng)該盡快整改，以防止出現(xiàn)大面積缺損的局面。

3 懸空治理方案的改進(jìn)措施

3.1 產(chǎn)品的升級

從技術(shù)上改進(jìn)產(chǎn)品，如加長錨桿長度及改變施工方式等。由于錨是由潛水員在水下通過錨桿打入的，錨桿的長度受限于人的身高，需要研發(fā)可伸縮的錨桿系統(tǒng)，以方便水下操作，從而使錨能打入海底泥面，確保仿生水草的穩(wěn)定性。

3.2 設(shè)計方案的改進(jìn)

（1）鋪設(shè)仿生水草應(yīng)避開平臺根部區(qū)域，在管道立管根部一定范圍內(nèi)應(yīng)采用水下支撐樁或者拋填沙袋進(jìn)行治理。

（2）宜在管道懸空較小的條件下鋪設(shè)仿生水草，比如在懸空高度小于0.5m時進(jìn)行鋪設(shè)。這樣一方面可以減少沙袋的用量，增強穩(wěn)定性，另一方面也有利于仿生水草的固定錨能夠有效地打入海底。

（3）減小仿生水草下沙袋的擺放坡度，增強沙袋邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 加強日常管理

成立專門的管理和維護(hù)隊伍，進(jìn)行日常巡檢，禁止?jié)O業(yè)捕撈，對后續(xù)工程的施工進(jìn)行監(jiān)督，一旦工程施工影響到仿生水草的穩(wěn)定性，就需要及時進(jìn)行修補。每年定期進(jìn)行探查，發(fā)現(xiàn)水草缺失以及沙袋沖淘應(yīng)及時投放沙袋及補充水草。

4 結(jié)束語

由于埕島油田的特殊地理位置，大面積的沖刷不是人為因素能有效控制的，因此，海底管道懸空隱患治理仍舊是一個大難題，一方面在治理方案上要不斷改進(jìn)，另一方面在思路上也要進(jìn)行轉(zhuǎn)變，要形成有效的機制，對治理工程進(jìn)行定期的巡檢和維護(hù)，以確保油田的安全生產(chǎn)。

[1]SY/T 10037-2010,海底管道系統(tǒng)[S].

[2]王利金，劉錦昆.埕島油田海底管道沖刷懸空機理及對策[J].油氣儲運,2004,23（1）：44-48.

[3]劉錦昆,張宗峰.仿生防沖刷系統(tǒng)在埕島油田中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺,2008,23（6）：36-38.

[4]苗文成.埕島海域海底管道隱患分析及治理[J].石油工程建設(shè)，2004，30（3）：48-50.