復雜地質條件下海底管道路由選擇技術

孫國民

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開發的基礎和保障，具備高投入、高風險和高收益的特點。路由設計是海管設計中的關鍵一環，對海管的安全性和可靠性具有深遠影響，體現在海管的設計、鋪設、運營和維護等全壽命周期內。

在過去的幾十年中，中國海上油氣田建設主要集中在渤海等淺海或靠近陸地的海域。這些區域的共同特點是海床總體而言較為平坦，地質情況相對較為簡單。因此，在過往項目中，海管路由設計并不表現為一個棘手的問題。但近年來，隨著中國海上油氣田開發進軍南海和海外、走向深水，這一狀況正在發生著明顯變化。路由選擇技術已逐漸成為海底管道設計需要解決的首要難題。以2014 年開發的南海某項目為例，其海底管道路由存在海床極度崎嶇不平和地質狀況復雜多變等困難，給海底管道的設計和鋪設等帶來極大挑戰。

1 路由選擇面臨的海床地質特征

1.1 不同土壤屬性

土壤是巖石風化作用的產物，一般而言，土壤性能可分為“排水”或“不排水特性”。一種土壤(砂或粘土)是否具有排水性能，取決于加載強度，與土壤滲透率有關。一般認為粘土的性能不排水，因為加載強度通常遠大于孔隙水能夠移入或移出土壤顆粒間孔隙的強度。粘土的滲透率非常低，為10－9m/s 數量級。粘土強度設定為“不排水抗剪強度”，由符號Su或Cu表示。一般認為砂的性能排水，因為孔隙水能夠在大于加載強度時移入或移出土壤顆粒間的孔隙。砂的強度則按照摩擦角以符號φ 表示。然而，如果粘土所受的剪切力非常低，使孔隙水有足夠時間移入或移出土壤顆粒間的孔隙，那么其將不具有不排水抗剪強度。其性能反而更像是砂，可適用粘土摩擦角。與此類似，如果砂在極快加載的作用下承受剪切力，使孔隙水沒有移動，砂就具有不排水性能。

針對海底管道，一般采取土壤統一分類系統。離岸土壤既可以是砂質土，也可以是粘性土。管道所要求的土壤參數分別為砂土類和粘土類(見表1)，一些重要參數的建議值(見表2)。

表1 砂質土和粘性土的設計參數Tab.1 Design parameters of sand and clay

表2 典型海底土壤的關鍵參數建議值Tab.2 Recommend parameters for typical subsea soil

1.2 海床不平整

在海底管道鋪設的過程中，海管路由區域范圍內不可避免的會遇到一些復雜地質條件，比如裸露的巖石，沙坡、沙脊、海溝，以及一些海底裝置和已建海底管道、電纜等，這些海床表面的地形、地貌，都會使海床表面變得不平整，使海管在鋪設后形成不同長度的懸跨，給海管路由規劃和海上鋪設帶來困難。以Ormen Lange［1］項目為例，該項目有2條長度為120 km，30″的登陸輸氣管道，路由依次通過一個非常不規則的海床和大而零落的斜坡區域，通過大型拖網捕魚區和成千上萬的大礫石地區，并需爬上坡度為30°的陡峭山坡，以蛇形的路由通過狹窄的海底峽谷和通道上岸。

圖1 Ormen Lange 氣田項目海管路由三維地形圖Fig.1 3D Topography of subsea pipeline route in ormen lange project

1.3 海床沖刷

海底管道鋪設于海底以后，打破了原有水下流場的平衡，引起局部水流速度加快，形成了一定范圍的流速梯度集中區，并構成對海底的強剪切作用，會導致沖刷的出現;同時，海管的存在還改變了水流的運動方向，使之產生繞流和局部大比尺漩渦，更加速了海底的沖刷作用。海底管道下方附近的海床泥沙顆粒被逐漸侵蝕、淘空使管線懸空。如果懸空段過長，管線會在重力作用下斷裂;同時，由于管線后方尾渦的存在，以及波浪力的周期作用而發生振蕩，造成疲勞破壞;懸空著的管道也容易被漁網船錨等鉤住，進而發生結構破壞。海底管道一旦失事將會造成巨大的經濟損失和環境災難。

因此，波流的沖刷對海底管道的安全運行帶來很大的風險，有必要在項目的設計階段對海管沖刷的可能性進行評估，并對沖刷剖面、深度進行預估，進而研究出可行的海底管道沖刷防護措施。

1.4 海床斷層

地震誘發導致海床移動有水平移動、上下移動、水平＆上下移動同時發生3 種形態。伴隨地震產生對海管運營不利的因素包括:斷層、懸跨、滑移等突發災害，直接或間接威脅海管運營安全。

圖2 斷層運動形態示意圖［2］Fig.2 Schematic models of fault movement

地震會直接導致管線瞬間屈服破壞，其屈曲主要有梁式屈曲和殼式屈曲2 種。地震斷層對海底管道的影響可按埋設與未埋設2 種形式來分析，實際上，海底裸露管道經常被淺埋，這時得到的應力通常有些保守，但比較符合工程上的要求。這樣，地震時對處于地震斷層的海底管道應力計算就可簡化為“埋設”一種形式。

1.5 海床土壤液化

土壤液化后果會帶來承載力的降低，導致海管上浮或下沉。海管的相對比重一般大于1，在液化土壤中一般會下沉，下沉后海管會產生新的變形，需要對海管進行校核。土壤液化還會帶來軸向和側向摩擦力的喪失，土壤液化后，軸向摩擦的降低會導致海管端部膨脹量增大，立管及膨脹彎應力分析應確保能承受土壤液化后海管端部膨脹量。在有側向或隆起屈曲趨勢的海管部分，土壤液化的部分可能是誘發屈曲的一個因素。

2 海底管道路由選擇流程及接受標準

針對海管路由，一般按照如圖3 所示流程進行設計。

圖3 海管路由設計流程Fig.3 Process of subsea pipeline route selection

由于海底管道所處環境條件的不確定性，需要考慮的設計因素較復雜，而前期對于管道路由規劃需要考慮的主要原則如下:

1)管道系統不宜靠近無關的構筑物、其他管道系統、沉船、漂礫等;

2)必須跨越的海管、海纜，應保持至少0.3 m的垂直距離;

3)為防止由落物、漁具、船舶、拋錨引起的不能接受的損傷，管道應受到保護，可通過下列一種或聯合措施實現保護:混凝土涂層;埋設;覆蓋(如砂，石礫，墊子等);其他機械保護。

海底管道在設計階段，應盡量按照直線路由規劃，使距離最短，達到材料最省和建造施工費用最少的目的，但在復雜地形條件下會在管道規劃的直線路由上存在障礙，需要改變直線路線，形成曲線路由，一般需要考慮如下因素:

1)最小水平彎曲半徑產生的彎曲應力滿足強度要求;

2)使懸跨及跨越數量最少;

3)避免洼地和海底障礙物引起的過大懸跨及額外彎曲;

4)優化管道懸跨設計及施工方法;

5)考慮管道路由地質特證及其變化;

6)避免錨區(如存在);

7)避免可能的有害區域(如地震斷層)、麻區及水下障礙;

8)保證易于和安全地進行海管安裝及近平臺回接安裝;

9)考慮第三方安裝結構(如已存在管線及平臺);

10)考慮安裝的可實施性，容易性和經濟性;

11)考慮管道運行階段的可操作性。

3 設計方法

3.1 海管路由初選

海管路由初選在不同階段有不同的定義，在前期可選性研究階段，由于未進行詳細的路由調查，需要根據已有的資料，如相鄰海域的地質情況和水深變化情況，根據最短距離的原則和已知障礙物的位置進行初選，在該階段下得到的路線關鍵點在經評審后可用于后續路由調查的調查區域的定義。

在路由調查完成后，一般得到路由調查區域內的水深情況，物探和地質條件情況，根據這些數據，在工程設計階段的路由初選定義為規避已知的障礙得到的初步路由。

路由初選的結果是得到如下信息用于表征海管路線:

1)坐標系統的定義(一般與路由調查報告一致);

具體而言，基于人的技術運用由以下方面構成。第一，個體的風險意識將形成職務犯罪調查中的決策技術。第二，個體的知識體系將形成傳統的調查技術，如調查謀略技術的形成與運用。第三，個體的調查閱歷將會作為經驗而傳承，如調查措施中的細節問題，調查訊問中的心理分析等等。第四，個體本身、交際范圍與社會運行將會促進調查技術的社會化展開，如調查中的線人技術，就需要調查機關在布控線人時要兼顧線人的選建、線人的職業、性格、社會關系、背景，線人技術的前期社會效果以及線人制度的最終調查效果等因素。

2)起始點坐標;

3)終止點坐標;

4)拐點坐標(如存在);

5)路由拐點處的路由彎曲半徑(如存在);

6)跨越點坐標(如存在);

7)關鍵尺寸(如距已有結構物的最小距離)。

3.2 基于三維數字化海床的海底管道路由建模

針對復雜的地質情況，應進行詳細的三維海床建模，以在路由初選的情況下隨著工程設計的深入進行管道路由的論證及優化，確保管道路由設計的最優化及施工量最優。

工程界內三維海床的建模需要依賴相應的地理信息系統(GIS)軟件，從目前經驗上可考慮的軟件包括:Fledermaus，Global Mapper 和ArcGIS。

采用這些三維軟件建立海床的目的是為了將實際的數據更加可視化地進行顯示，并且通過不同軟件自帶的工具進行相應的顯示、分析和判斷功能，以達到實現大量三維數據輔助路由設計的功能。

圖4 南海某項目三維數字海床示意圖Fig.4 3D topography of subsea in south china sea

圖5 南海某登陸管線水深截面圖Fig.5 Water depth of cross section graph of subsea landing pipeline in south china sea

3.3 最小彎曲半徑

如進行曲線鋪設需要考慮管道在位后管道的彎曲應力，據此確定最小彎曲半徑，彎曲引起的管道應力:

因此考慮受力的最小彎曲半徑為:

式中:E 為鋼管的楊氏模量，一般碳鋼管取值2.07 GPa;D 為鋼管的名義外徑;SMYS 為鋼管的最小屈服強度;η 為安裝期彎曲應力許用系數，經驗值為0.1，需要結合管道在位受力確定。

當管道位于海床上時，需要考慮鋪設張力的影響，摩擦力應足以克服兩端鋪管殘余張力，以免管道失穩力平衡方程為:

因此考慮鋪設張力的最小彎曲半徑:

式中:Tbottom為海底鋪設后的管道底部殘余張力;μlat為管道與海床的側向摩擦系數;Wsub為管道的水下重。

以上考慮鋪設張力的最小彎曲半徑實際應考慮一定的安全余量。

3.4 海底管道在位強度分析及懸跨分析

海底管道位于海床上所受的荷載包括:溫度、內部及外部壓力、管道路由彎曲應力、鋪設剩余張力波浪、流等，根據路由調查方提供的數據，需要進行相應的海床不平整度分析，確定海管在各種工況下的受力和懸跨是否滿足規范要求，對于各種荷載的作用原理和規范準則，需要參考項目的設計主標 準 (如 DNV － OS － F101［3］，ASME 31.4/31.8［4－5］等)，可通過商業軟件，模擬管道位于海床的受力狀態及懸跨狀態，比對許用懸跨長度和許用應力，可直觀地得到所需要處理的懸跨數量，據此結果進行相應的懸跨處理方案編制。

3.5 海床預/后處理技術

根據前述設計技術完成了海管路由確認后，如從工程上已達到了最優和最經濟的情況下仍無法避免海管路由上的海床處理，則需要考慮相應的預/后處理技術。

海床預處理技術一般包括:

1)預挖溝;

2)預鋪支撐物(如支撐沙袋、水泥墊塊、機械支撐結構);

3)填充支撐物(如預拋石);

4)機械切割海床(如硬質海床);

5)炸礁。

海床后處理技術一般包括:

1)后挖溝;

2)后加支撐物(如支撐沙袋、灌漿水泥袋、機械支撐結構);

3)填充支撐物(如后拋石)。

對于海床預/后處理應根據實際海管路由設計過程中的具體情況選取適合的技術方案，確保方案可行，安裝簡易和費用的經濟性。

4 結 語

本文從對海底管道路由選擇面臨的不同地質海床特征出發，分別描述了海床土壤參數界定特征、不平整度的形成、沖刷分析方法、斷層成因及形態和土壤液化校對方法等五方面，接著提出了海底管道路由選擇的設計流程和接受標準，最終結合項目經驗提出了海底管道路由選擇的設計方法，其方法具有通用性。隨著“數字地球”概念的提出和相關技術的迅猛發展，通過與地理信息系統理論和海洋地質、海洋地球物理等相關學科的融合，“數字海床”的相關技術及其應用獲得了突出進步，復雜地質條件下海管路由選擇技術亦將獲得新的發展。本文對我國開發南海深水油氣資源和拓展海外復雜地質條件下的海管設計項目提供重要的技術支持，增加國家在該方面的技術競爭力和影響力。

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［2］MACARA J C．Shell philippines exploration B．V．，Malampaya Deep Water Gas Pipeline and Flowlines:Technical and Engineering Challenges faced in the Execution of the Malampaya Pipeline Scope， Offshore Technology Conference，Houston，Texas U．S．A．，6 －9 May 2002．

［3］VERITAS D N．DNV－OS－F101 submarine pipeline systems［J］．Det Norske Veritas，2013．

［4］ASME B31．4，Pipeline Transportation Systems for Liquidsand Slurries，2012．

［5］ASME B31．8，Gas Transmission and Distribution Piping Systems，2012．