南堡油田1號(hào)構(gòu)造區(qū)海底管道裸露懸空段治理措施經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

張彥龍，王長(zhǎng)軍，張書(shū)紅

中國(guó)石油冀東油田分公司，河北唐山 063200

海洋石油開(kāi)發(fā)工程中所采取的人工設(shè)施主要包括海上平臺(tái)、人工島及輸運(yùn)管道。由于波浪、水流的作用，造成海底結(jié)構(gòu)物底部及其附近海床的泥沙運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為海底沖刷現(xiàn)象。對(duì)于海底管道，沖刷會(huì)引起管道外露甚至懸空，如不及時(shí)處理，情況會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。懸空管道將因海流沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)，極易造成管道應(yīng)力疲勞；另外，輸送介質(zhì)也會(huì)使管道產(chǎn)生自振，加快懸空管段的應(yīng)力疲勞；冬季時(shí)管道還可能遭受浮冰直接撞擊。這些情況可能導(dǎo)致管道彎曲、位移、破損甚至斷裂，懸空管道一旦發(fā)生破損或斷裂將引發(fā)原油外漏等海上重大污染事故，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境影響與社會(huì)影響。因此，針對(duì)海底管道出現(xiàn)的裸露、懸空隱患進(jìn)行治理具有重要的意義，海底管道沖刷及防護(hù)與控制技術(shù)一直是各國(guó)海洋工程領(lǐng)域亟需研究的重要課題之一。

本文結(jié)合冀東南堡油田1號(hào)構(gòu)造區(qū)海底管道裸露懸空段隱患治理工程，通過(guò)對(duì)適合海底管道防護(hù)的工程措施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，優(yōu)選適合本工程的管道防護(hù)方案，可為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

2010—2012 年，經(jīng)過(guò)三年對(duì)冀東南堡油田1號(hào)構(gòu)造區(qū)海底管道狀況的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造海底管道局部海床呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，多條埋設(shè)管道多次出現(xiàn)了裸露、懸空現(xiàn)象。雖然先后及時(shí)進(jìn)行了應(yīng)急隱患治理，拋填了沙袋和碎石，但海底管道整體上仍存在沖刷現(xiàn)象，裸露懸空現(xiàn)象仍不斷出現(xiàn)，搶險(xiǎn)性治理治標(biāo)不治本，后續(xù)運(yùn)行依然存在較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

在綜合分析南堡油田1號(hào)構(gòu)造區(qū)海域海床水沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、灘槽演變趨勢(shì)與海床穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了拋石防護(hù)、砂袋防護(hù)、回填碎石防護(hù)、軟體排防護(hù)、砂袋+軟體排防護(hù)、仿生草防護(hù)、砂袋+仿生草防護(hù)、后挖溝治理共8種防護(hù)方案的定床、動(dòng)床試驗(yàn)研究，給出了防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及失穩(wěn)的波浪、水流及波流條件，對(duì)各種防護(hù)方案的適用性進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)冀東油田不同區(qū)域不同波流條件下如何選用合適的管道防沖刷措施有直接的參考價(jià)值。

2 方案介紹

8種防護(hù)方案中，回填碎石和砂袋防護(hù)方案穩(wěn)定性較弱，砂袋防護(hù)方案略強(qiáng)于回填碎石方案；仿生草方案中，與之配套的砂袋填充要優(yōu)于碎石填充方案，并且試驗(yàn)中仿生草的鋪設(shè)密實(shí)程度對(duì)整體防護(hù)穩(wěn)定性有一定影響，特別是在波浪較強(qiáng)的區(qū)域；軟體排防護(hù)方案穩(wěn)定性較好，只要有足夠的防護(hù)塊體重量和防護(hù)范圍，就可以對(duì)管道起到較好的防護(hù)效果，且受填充物影響較小，可用于波浪、水流動(dòng)力較強(qiáng)的區(qū)域；后挖溝治理則適用于長(zhǎng)距離的海底管道治理手段，需要靠海水的淤合作用自然掩埋，整理治理時(shí)間較長(zhǎng)。

8種試驗(yàn)方案中，拋石防護(hù)方案穩(wěn)定性差，且施工難度大，不作推薦；考慮到仿生草防護(hù)和軟體排防護(hù)方案中對(duì)裸露懸空處均需拋填砂袋，故把仿生草防護(hù)與砂袋+仿生草防護(hù)方案合并，軟體排防護(hù)與砂袋+軟體排防護(hù)方案合并，總共對(duì)5種常見(jiàn)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與比選。

2.1 碎石回填

碎石回填斷面布置如圖1所示。碎石回填高度應(yīng)高出管頂0.5 m，穩(wěn)定邊坡1∶5，回填斷面頂寬3 m。

圖1 碎石回填斷面布置示意

2.2 砂袋回填

砂袋回填斷面布置如圖2所示。砂袋回填高度應(yīng)高出管頂0.5 m，砂袋水下堆放斜坡迎水面角度為30°，回填斷面頂寬2 m。

圖2 砂袋回填斷面布置示意

2.3 仿生草防護(hù)

仿生草回填斷面布置如圖3所示。仿生草鋪設(shè)寬度為10 m（單邊鋪設(shè)寬度為5 m），管道懸空處通過(guò)砂袋回填形成穩(wěn)定斷面后，再鋪設(shè)仿生草。端部采用拋砂袋及鋪設(shè)高強(qiáng)織布的方式進(jìn)行防護(hù)，兩側(cè)采用拋砂袋壓邊進(jìn)行防護(hù)。

圖3 仿生草回填斷面布置示意

2.4 軟體排防護(hù)

軟體排防護(hù)斷面如圖4所示，其中軟體排尺寸為3 m×8 m×0.3 m，由300 mm×300 mm的混凝土塊通過(guò)連接繩串聯(lián)而成。管道懸空處通過(guò)砂袋回填后，再在管道上鋪設(shè)軟體排。

圖4 軟體排防護(hù)斷面布置示意

2.5 后挖溝治理

后挖溝治理主要是利用水力噴射式挖溝機(jī)上安裝的高壓水泵提供動(dòng)力，高壓水流沖刷海底管道兩側(cè)下部海床，破除海床土層或?qū)⑼馏w液化。在此過(guò)程中，高壓吸泥系統(tǒng)將挖溝過(guò)程中產(chǎn)生的泥沙吸走，從而在海底管道下方形成溝槽，海底管道可靠自重落入溝底，溝槽在自然海流及波浪的作用下自然淤合回填，從而將海底管道掩埋至海床面以下。

3 防護(hù)方案穩(wěn)定性試驗(yàn)

依據(jù)南堡油田海域水沙運(yùn)動(dòng)特征，確定穩(wěn)定性試驗(yàn)動(dòng)力參數(shù)；通過(guò)波浪斷面模型試驗(yàn)研究各種防護(hù)措施在不同波浪、水流及床沙條件下對(duì)海底管道的防護(hù)效果及其適用條件，提出適用于工程區(qū)域的合理有效的防護(hù)建議，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

5種方案中，仿生草防護(hù)和軟體排防護(hù)滿足波流作用下穩(wěn)定性要求[1-2]。在大流速水流及強(qiáng)浪作用下，仿生草前緣附近泥沙沖刷強(qiáng)烈。

當(dāng)水深為9.64 m和8.24 m時(shí)，在流、浪共同作用下，拋石防護(hù)斷面均有較好的穩(wěn)定性。當(dāng)在波高2.41 m、周期7.0 s的波浪與流速1.6 m/s的海流共同作用3 h后，防護(hù)斷面上部100 kg拋石護(hù)面部分發(fā)生滾落，防護(hù)斷面失穩(wěn)。當(dāng)水深為3.62 m時(shí)，在流、波浪單一作用下防護(hù)斷面可以保持穩(wěn)定，但是在波、流聯(lián)合作用3 h后防護(hù)失穩(wěn)。

砂袋防護(hù)方案保持穩(wěn)定所能承受的波、流共同作用的條件是最大流速1.2 m/s、最大波高1.91 m、平均波浪周期8.8 s；或者最大流速1.0 m/s、最大波高2.4 m、平均波浪周期8.8 s。

4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與比選

根據(jù)5種治理方案的使用條件和治理效果，對(duì)5種方案進(jìn)行具體分析，并對(duì)治理方案的綜合投資進(jìn)行了估算，進(jìn)行了優(yōu)選排序，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 治理方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與比選

根據(jù)本工程區(qū)域?qū)嶋H情況，建議在波高、流速較小的挖沙區(qū)域選擇碎石和砂袋防護(hù)方案；在波高、流速中等的區(qū)域采用仿生草防護(hù)方案，若波高較大，可考慮采用砂袋充填；在水深較淺、波高、流速均較大的區(qū)域可選擇軟體排的防護(hù)方案，若非立管附近的整段海底管道出現(xiàn)大范圍裸露或懸空，為保證整體管道的快速綜合治理，首次治理可以考慮后挖溝治理方法。

5 結(jié)論

防護(hù)方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與比選結(jié)果表明，對(duì)于裸露懸空管道的治理首選軟體排防護(hù)，其次為仿生草防護(hù)，砂袋防護(hù)和回填碎石防護(hù)只適用于搶險(xiǎn)性的臨時(shí)修復(fù)，若治理海底管道段為非立管附近的直管段，且為首次治理，可優(yōu)先考慮后挖溝治理。