仿生草在南堡油田海底管道防護中的應用及效果

王法永，張 旭，邢彩娟，趙金龍，欒嵬峰

1.中國石油冀東油田公司南堡油田作業區，河北唐山 063000

2.中國石油冀東油田公司勘察設計研究院，河北唐山 063000

仿生草在南堡油田海底管道防護中的應用及效果

王法永1，張 旭2，邢彩娟1，趙金龍1，欒嵬峰1

1.中國石油冀東油田公司南堡油田作業區，河北唐山 063000

2.中國石油冀東油田公司勘察設計研究院，河北唐山 063000

南堡油田地處渤海灣灘海地區，非法取沙、沖刷導致海底管道局部懸空、裸露問題嚴重，利用二次削挖修正路由及拋填碎石的方法進行了有效治理。2012年再次調查測量中發現新的懸空和裸露，為了從根源上解決問題，開展仿生草防護試驗，以驗證南堡油田海域仿生草抵御海床沖刷、促進海床淤積的效果，為后續規模應用提供經驗和依據。試驗和連續3年的跟蹤檢測表明：南堡油田海域環境滿足鋪設仿生草的條件；仿生草采用錨固固定及在治理段兩端鋪設高強織布進行防護設計的方式穩固可靠；南堡油田海域仿生草防護效果理想，年回淤厚度20～30 cm。

海底管道；懸空；裸露；仿生草

南堡油田地處河北省唐山市渤海灣灘海地區，目前建有海底混輸、供水、注水管道7條，海底管道總長度23 km，主要承擔著3個人工島和2個導管架平臺的油氣混輸和供、注水任務。自2008年建成以來，由于受到非法取沙、沖刷等因素影響，2010年調查測量發現3號人工島至1號人工島海底混輸管道局部出現懸空、裸露現象，給海底管道的安全運行帶來隱患，若支護后簡單采用沙袋填埋治理，一方面管道應力得不到有效釋放，另一方面施工工作量大。經充分分析論證，決定利用水力噴射挖溝機進行長距離削挖，通過修正路由將取沙坑造成的大跨度懸空逐步下放至設計位置，然后吹沙填埋，截止2011年底對懸空、裸露管道進行了有效治理，消除了隱患，保證了管道運行的安全。2012年再次調查測量中發現多處因沖刷造成新的懸空和裸露，鑒于海水平潮時間很短，大部分時間是漲、落潮，若通過吹沙將坑填掉，吹填沙工作量大且施工效率低，也不能從根本上解決海底管道因沖刷導致裸露、懸空的問題，經過充分調研后，決定在南堡油田開展海底管道仿生草防護試驗，目的就是檢驗南堡油田海域仿生草抵御海床沖刷、促進海床淤積的效果，為后續大規模應用提供經驗和依據。

1 防護原理

1.1 海底沖刷現象

波浪、水流會引起海底結構物底部及其附近海床的泥沙運動，即海底沖刷現象。根據海洋沖刷動力學分析，海底結構物周圍產生沖刷現象的原因主要是：海洋結構物安裝在海底后，打破了原有水下流場的平衡，引起局部水流速度加快，使水流形成一定的壓力梯度并構成對海底的剪切力，另外，海洋結構物的出現還改變了水流的方向使之產生湍流和漩渦，更加速了沖刷作用[1-2]。對于海底管道而言，沖刷會導致管道外露甚至出現一定長度的懸空，若懸空管道長時間保持此狀態而沒有增加支撐和固定，將受海流沖擊而產生連續性振動，極易造成管道應力疲勞，冬季時浮冰對懸空管段可能產生直接撞擊而導致管道彎曲、位移、破損或斷裂[3-4]。

1.2 仿生草防護作用機理

仿生草是采用耐海水浸泡的新型高分子材料加工而成，且符合海洋抗沖刷流體力學原理，從作用機理來看，當仿生草及其安裝基墊被牢固地錨固在海底需要防止或控制沖刷的預定位置之后，海底水流經過這一片仿生水草時，由于受到仿生草的柔性黏滯阻尼作用，流速得到降低，減緩了水流對海床的沖刷作用，同時，由于流速的降低和仿生水草的阻礙，促使水流中夾帶的泥沙在重力作用下不斷地沉積到仿生水草安裝基墊上，逐漸形成被仿生草加強了的海底沙洲，從而抑制了海底結構物附近海床的沖刷，如圖1所示。

圖1 仿生草防護作用機理

2 仿生草在南堡油田海底管道防護中的應用試驗及效果

2.1 仿生草的適用環境及南堡油田海域環境

（1）水深較淺。目前仿生草工程上應用最深水深50 m。1號人工島至3號人工島測區內，自然水深大部分變化較為平緩，尤其在測區西北和東南段，水深大部分在2.0～4.0 m之間，坡度較小。而在測區中部，水深值相對較大，在4.0～6.0 m左右。1號島登陸點水深為1 m左右，3號島登陸點水深為2 m左右。

（2）粉砂、泥沙及淤泥等地質條件。根據海底管道設計時的勘察資料，1號人工島至3號人工島海底管道路由海區在勘察深度內巖土可分為4大層，各巖土層工程適宜性分析如下：第①層為淤泥質粉質黏土，軟弱土，為海相地層，承載力容許值60 kPa；第②層為粉砂，中軟土，為海相地層，承載力容許值130 kPa；第③層為黏質粉土，中軟土，為海相地層，地基承載力容許值150 kPa；第④層為粉砂，中軟土，為海相地層，地基承載力容許值180 kPa。

（3）流速為1 m/s＜Uc＜5 m/s。南堡海域漲潮流流向主要集中出現在SW～WNW，落潮流流向主要集中出現在SE～NE；各級流速出現頻率比較接近，流速均值在1.2 m/s左右；漲潮流平均流速大于落潮流平均流速，漲潮流平均歷時小于落潮流平均歷時。

（4）含沙量較高的海域。渤海灣沿岸河流含沙量大，灘涂廣闊，淤積嚴重，流入海灣的主要河流有黃河、海河、薊運河和灤河，各條河流每年攜帶大量懸沙進入渤海灣，致使渤海灣海水含沙量高。

（5）迎水面坡度范圍0°～45°。可通過人力作用形成要求的迎水面坡度。

2.2 仿生草應用試驗

如圖2所示，結合檢測數據，選取混輸管道F01 -F02之間的懸空、裸露和淺埋段開展仿生草試驗，因為在完全治理一年后該區段的懸空、裸露比較集中、連續且最為嚴重，具有代表性。

圖2 南堡油田海底管道仿生草防護試驗位置

圖2中F01-F02之間的區域為仿生草試驗區域，為了滿足仿生草的鋪設要求，采用沙袋回填，回填高度應高出管頂0.1 m，沙袋水下堆放斜坡迎水面角度為30°，斷面頂寬3 m，護底寬度可取5～10 m，尖突部位可取10～15 m，如圖3所示。

圖3 南堡油田海底管道仿生草鋪設設計縱斷面

仿生草單邊鋪設寬度取10 m，總長度50 m，仿生草采用錨固設計，另外，由于仿生草的鋪設要求閉合性，為防止海流淘空治理段下部沙袋造成二次沖刷，因而在治理段兩端端部采用拋沙袋及鋪設高強織布的方式進行防護，每端高強織布單邊鋪設寬度取10 m、長度取10 m，如圖4所示。

2.3 仿生草應用試驗效果

圖4 南堡油田海底管道仿生草平面布置

2012年11月仿生草鋪設完成，2013、2014、 2015連續3年利用多波束掃描檢測和潛水探摸仿生草鋪設段回淤效果，圖5所示分別是此3年的檢測結果，其中綠色線示意海底管道位置。

圖5 南堡油田海底管道仿生草試驗回淤效果

從圖5可以看出，2013年5月：草墊完整，無缺失、卷邊現象，鋪設位置、型號與設計圖紙相符，仿生草之間搭接符合要求。高強織布鋪設區域沙袋堆積均勻，壓實到位，高強織布無卷邊現象，與施工方案相符。仿生草已開始正常工作，緩解了流速并出現一定量的泥沙淤積，達到了初步防沖刷效果，但大部分海底管道仍然裸露，管道路由痕跡清晰可見。

2014年5月：仿生草完整，管道運行正常，仿生草區域回淤趨勢明顯，淤積厚度約10～20 cm，淤積區域主要在坡體兩側，管道路由痕跡已不明顯。

2015年5月：仿生草完整，管道運行正常，仿生草區域泥沙堆積較深，周圍邊緣地段未發現沖刷現象，淤積厚度約20～45 cm，該段管道已全部被泥沙掩埋，已看不出路由痕跡。

3 結束語

針對南堡油田海域海底管道因海底沖刷導致懸空、裸露的問題，調研了該海域基礎資料、現場仿生草試驗以及連續3年跟蹤檢測結果。實踐表明：南堡油田海域水深、地質、流速、含沙量等環境條件完全滿足鋪設仿生草的條件；仿生草采用錨固固定、在治理段兩端端部采用拋沙袋及鋪設高強織布進行防護設計的方式穩固可靠；鋪設仿生草后管道逐年回淤，年回淤厚度約20 cm。采用仿生草防護，能從根本上解決南堡油田海域的海底管道懸空、裸露問題。

[1]劉錦坤，張宗峰.仿生水草在海底管道懸空防護中的應用[J]．石油工程建設，2009，35（3）：20-22．

[2]趙冬巖，余建星，李廣雪，等.海底管線防沖刷技術試驗研究[J]．哈爾濱工程大學學報，2009，30（6）：597-601．

[3]劉偉.冀東油田灘海仿生草沖淤作用模型試驗研究[J].石油工程建設，2015，41（4）：22-25．

[4]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．

Application and effect of bionic grass in protection of submarine pipeline in Nanpu Oilfield

WANG Fayong1，ZHANG Xu2，XING Caijuan1，ZHAO Jinlong1，LUAN Weifeng1

1.Nanpu Oilfield Operation District of PetroChina Jidong Oilfield Company，Tangsha n 063000，China
2.Reconnaissance&Design Research Institute of Petro China Jidong Oilfield Company，Tangshan 063000，China

Nanpu Oilfield is located in the sea beach area of BohaiBay.The problems of partialsubmarine pipeline suspended and exposed caused by sand stealing and soil scouring are seriously.The problems were treated effectively by secondary excavating to modify pipeline route and dumping gravel.In 2012，new suspended and exposed pipeline sections were found through investigation.In order to solve the problem fundamentally，the experiment of using bionic grass to protect pipeline was carried out to verify the effects of preventing scouring and promoting depositing in the sea beach area of Nanpu Oilfield.Experiment and three consecutive years’investigation indicate that the sea beach area of Nanpu Oilfield is fit to lay the bionic grass；The protection way that the bionic grass is fixed by anchoring and both ends of the treated pipeline section are covered by high strength woven fabric is stable and reliable；The protective effect of the bionic grass in the sea beach area is ideal，and the annualdeposition thickness is about 20～30 cm.

submarine pipeline；suspension；expose；bionic grass

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.006

王法永（1982-），男，山東臨朐人，工程師，2008年畢業于中國石油大學（華東）油氣田開發工程專業，碩士，現從事油氣田地面工藝研究工作。Email：wangfayong2001@163.com

2016-09-20；

2016-12-05