复杂地质条件下海底管道路由选择技术

孙国民

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引 言

海底管道是海洋油气资源开发的基础和保障，具备高投入、高风险和高收益的特点。路由设计是海管设计中的关键一环，对海管的安全性和可靠性具有深远影响，体现在海管的设计、铺设、运营和维护等全寿命周期内。

在过去的几十年中，中国海上油气田建设主要集中在渤海等浅海或靠近陆地的海域。这些区域的共同特点是海床总体而言较为平坦，地质情况相对较为简单。因此，在过往项目中，海管路由设计并不表现为一个棘手的问题。但近年来，随着中国海上油气田开发进军南海和海外、走向深水，这一状况正在发生着明显变化。路由选择技术已逐渐成为海底管道设计需要解决的首要难题。以2014 年开发的南海某项目为例，其海底管道路由存在海床极度崎岖不平和地质状况复杂多变等困难，给海底管道的设计和铺设等带来极大挑战。

1 路由选择面临的海床地质特征

1.1 不同土壤属性

土壤是岩石风化作用的产物，一般而言，土壤性能可分为“排水”或“不排水特性”。一种土壤(砂或粘土)是否具有排水性能，取决于加载强度，与土壤渗透率有关。一般认为粘土的性能不排水，因为加载强度通常远大于孔隙水能够移入或移出土壤颗粒间孔隙的强度。粘土的渗透率非常低，为10－9m/s 数量级。粘土强度设定为“不排水抗剪强度”，由符号Su或Cu表示。一般认为砂的性能排水，因为孔隙水能够在大于加载强度时移入或移出土壤颗粒间的孔隙。砂的强度则按照摩擦角以符号φ 表示。然而，如果粘土所受的剪切力非常低，使孔隙水有足够时间移入或移出土壤颗粒间的孔隙，那么其将不具有不排水抗剪强度。其性能反而更像是砂，可适用粘土摩擦角。与此类似，如果砂在极快加载的作用下承受剪切力，使孔隙水没有移动，砂就具有不排水性能。

针对海底管道，一般采取土壤统一分类系统。离岸土壤既可以是砂质土，也可以是粘性土。管道所要求的土壤参数分别为砂土类和粘土类(见表1)，一些重要参数的建议值(见表2)。

表1 砂质土和粘性土的设计参数Tab.1 Design parameters of sand and clay

表2 典型海底土壤的关键参数建议值Tab.2 Recommend parameters for typical subsea soil

1.2 海床不平整

在海底管道铺设的过程中，海管路由区域范围内不可避免的会遇到一些复杂地质条件，比如裸露的岩石，沙坡、沙脊、海沟，以及一些海底装置和已建海底管道、电缆等，这些海床表面的地形、地貌，都会使海床表面变得不平整，使海管在铺设后形成不同长度的悬跨，给海管路由规划和海上铺设带来困难。以Ormen Lange［1］项目为例，该项目有2条长度为120 km，30″的登陆输气管道，路由依次通过一个非常不规则的海床和大而零落的斜坡区域，通过大型拖网捕鱼区和成千上万的大砾石地区，并需爬上坡度为30°的陡峭山坡，以蛇形的路由通过狭窄的海底峡谷和通道上岸。

图1 Ormen Lange 气田项目海管路由三维地形图Fig.1 3D Topography of subsea pipeline route in ormen lange project

1.3 海床冲刷

海底管道铺设于海底以后，打破了原有水下流场的平衡，引起局部水流速度加快，形成了一定范围的流速梯度集中区，并构成对海底的强剪切作用，会导致冲刷的出现;同时，海管的存在还改变了水流的运动方向，使之产生绕流和局部大比尺漩涡，更加速了海底的冲刷作用。海底管道下方附近的海床泥沙颗粒被逐渐侵蚀、淘空使管线悬空。如果悬空段过长，管线会在重力作用下断裂;同时，由于管线后方尾涡的存在，以及波浪力的周期作用而发生振荡，造成疲劳破坏;悬空着的管道也容易被渔网船锚等钩住，进而发生结构破坏。海底管道一旦失事将会造成巨大的经济损失和环境灾难。

因此，波流的冲刷对海底管道的安全运行带来很大的风险，有必要在项目的设计阶段对海管冲刷的可能性进行评估，并对冲刷剖面、深度进行预估，进而研究出可行的海底管道冲刷防护措施。

1.4 海床断层

地震诱发导致海床移动有水平移动、上下移动、水平＆上下移动同时发生3 种形态。伴随地震产生对海管运营不利的因素包括:断层、悬跨、滑移等突发灾害，直接或间接威胁海管运营安全。

图2 断层运动形态示意图［2］Fig.2 Schematic models of fault movement

地震会直接导致管线瞬间屈服破坏，其屈曲主要有梁式屈曲和壳式屈曲2 种。地震断层对海底管道的影响可按埋设与未埋设2 种形式来分析，实际上，海底裸露管道经常被浅埋，这时得到的应力通常有些保守，但比较符合工程上的要求。这样，地震时对处于地震断层的海底管道应力计算就可简化为“埋设”一种形式。

1.5 海床土壤液化

土壤液化后果会带来承载力的降低，导致海管上浮或下沉。海管的相对比重一般大于1，在液化土壤中一般会下沉，下沉后海管会产生新的变形，需要对海管进行校核。土壤液化还会带来轴向和侧向摩擦力的丧失，土壤液化后，轴向摩擦的降低会导致海管端部膨胀量增大，立管及膨胀弯应力分析应确保能承受土壤液化后海管端部膨胀量。在有侧向或隆起屈曲趋势的海管部分，土壤液化的部分可能是诱发屈曲的一个因素。

2 海底管道路由选择流程及接受标准

针对海管路由，一般按照如图3 所示流程进行设计。

图3 海管路由设计流程Fig.3 Process of subsea pipeline route selection

由于海底管道所处环境条件的不确定性，需要考虑的设计因素较复杂，而前期对于管道路由规划需要考虑的主要原则如下:

1)管道系统不宜靠近无关的构筑物、其他管道系统、沉船、漂砾等;

2)必须跨越的海管、海缆，应保持至少0.3 m的垂直距离;

3)为防止由落物、渔具、船舶、抛锚引起的不能接受的损伤，管道应受到保护，可通过下列一种或联合措施实现保护:混凝土涂层;埋设;覆盖(如砂，石砾，垫子等);其他机械保护。

海底管道在设计阶段，应尽量按照直线路由规划，使距离最短，达到材料最省和建造施工费用最少的目的，但在复杂地形条件下会在管道规划的直线路由上存在障碍，需要改变直线路线，形成曲线路由，一般需要考虑如下因素:

1)最小水平弯曲半径产生的弯曲应力满足强度要求;

2)使悬跨及跨越数量最少;

3)避免洼地和海底障碍物引起的过大悬跨及额外弯曲;

4)优化管道悬跨设计及施工方法;

5)考虑管道路由地质特证及其变化;

6)避免锚区(如存在);

7)避免可能的有害区域(如地震断层)、麻区及水下障碍;

8)保证易于和安全地进行海管安装及近平台回接安装;

9)考虑第三方安装结构(如已存在管线及平台);

10)考虑安装的可实施性，容易性和经济性;

11)考虑管道运行阶段的可操作性。

3 设计方法

3.1 海管路由初选

海管路由初选在不同阶段有不同的定义，在前期可选性研究阶段，由于未进行详细的路由调查，需要根据已有的资料，如相邻海域的地质情况和水深变化情况，根据最短距离的原则和已知障碍物的位置进行初选，在该阶段下得到的路线关键点在经评审后可用于后续路由调查的调查区域的定义。

在路由调查完成后，一般得到路由调查区域内的水深情况，物探和地质条件情况，根据这些数据，在工程设计阶段的路由初选定义为规避已知的障碍得到的初步路由。

路由初选的结果是得到如下信息用于表征海管路线:

1)坐标系统的定义(一般与路由调查报告一致);

具体而言，基于人的技术运用由以下方面构成。第一，个体的风险意识将形成职务犯罪调查中的决策技术。第二，个体的知识体系将形成传统的调查技术，如调查谋略技术的形成与运用。第三，个体的调查阅历将会作为经验而传承，如调查措施中的细节问题，调查讯问中的心理分析等等。第四，个体本身、交际范围与社会运行将会促进调查技术的社会化展开，如调查中的线人技术，就需要调查机关在布控线人时要兼顾线人的选建、线人的职业、性格、社会关系、背景，线人技术的前期社会效果以及线人制度的最终调查效果等因素。

2)起始点坐标;

3)终止点坐标;

4)拐点坐标(如存在);

5)路由拐点处的路由弯曲半径(如存在);

6)跨越点坐标(如存在);

7)关键尺寸(如距已有结构物的最小距离)。

3.2 基于三维数字化海床的海底管道路由建模

针对复杂的地质情况，应进行详细的三维海床建模，以在路由初选的情况下随着工程设计的深入进行管道路由的论证及优化，确保管道路由设计的最优化及施工量最优。

工程界内三维海床的建模需要依赖相应的地理信息系统(GIS)软件，从目前经验上可考虑的软件包括:Fledermaus，Global Mapper 和ArcGIS。

采用这些三维软件建立海床的目的是为了将实际的数据更加可视化地进行显示，并且通过不同软件自带的工具进行相应的显示、分析和判断功能，以达到实现大量三维数据辅助路由设计的功能。

图4 南海某项目三维数字海床示意图Fig.4 3D topography of subsea in south china sea

图5 南海某登陆管线水深截面图Fig.5 Water depth of cross section graph of subsea landing pipeline in south china sea

3.3 最小弯曲半径

如进行曲线铺设需要考虑管道在位后管道的弯曲应力，据此确定最小弯曲半径，弯曲引起的管道应力:

因此考虑受力的最小弯曲半径为:

式中:E 为钢管的杨氏模量，一般碳钢管取值2.07 GPa;D 为钢管的名义外径;SMYS 为钢管的最小屈服强度;η 为安装期弯曲应力许用系数，经验值为0.1，需要结合管道在位受力确定。

当管道位于海床上时，需要考虑铺设张力的影响，摩擦力应足以克服两端铺管残余张力，以免管道失稳力平衡方程为:

因此考虑铺设张力的最小弯曲半径:

式中:Tbottom为海底铺设后的管道底部残余张力;μlat为管道与海床的侧向摩擦系数;Wsub为管道的水下重。

以上考虑铺设张力的最小弯曲半径实际应考虑一定的安全余量。

3.4 海底管道在位强度分析及悬跨分析

海底管道位于海床上所受的荷载包括:温度、内部及外部压力、管道路由弯曲应力、铺设剩余张力波浪、流等，根据路由调查方提供的数据，需要进行相应的海床不平整度分析，确定海管在各种工况下的受力和悬跨是否满足规范要求，对于各种荷载的作用原理和规范准则，需要参考项目的设计主标 准 (如 DNV － OS － F101［3］，ASME 31.4/31.8［4－5］等)，可通过商业软件，模拟管道位于海床的受力状态及悬跨状态，比对许用悬跨长度和许用应力，可直观地得到所需要处理的悬跨数量，据此结果进行相应的悬跨处理方案编制。

3.5 海床预/后处理技术

根据前述设计技术完成了海管路由确认后，如从工程上已达到了最优和最经济的情况下仍无法避免海管路由上的海床处理，则需要考虑相应的预/后处理技术。

海床预处理技术一般包括:

1)预挖沟;

2)预铺支撑物(如支撑沙袋、水泥垫块、机械支撑结构);

3)填充支撑物(如预抛石);

4)机械切割海床(如硬质海床);

5)炸礁。

海床后处理技术一般包括:

1)后挖沟;

2)后加支撑物(如支撑沙袋、灌浆水泥袋、机械支撑结构);

3)填充支撑物(如后抛石)。

对于海床预/后处理应根据实际海管路由设计过程中的具体情况选取适合的技术方案，确保方案可行，安装简易和费用的经济性。

4 结 语

本文从对海底管道路由选择面临的不同地质海床特征出发，分别描述了海床土壤参数界定特征、不平整度的形成、冲刷分析方法、断层成因及形态和土壤液化校对方法等五方面，接着提出了海底管道路由选择的设计流程和接受标准，最终结合项目经验提出了海底管道路由选择的设计方法，其方法具有通用性。随着“数字地球”概念的提出和相关技术的迅猛发展，通过与地理信息系统理论和海洋地质、海洋地球物理等相关学科的融合，“数字海床”的相关技术及其应用获得了突出进步，复杂地质条件下海管路由选择技术亦将获得新的发展。本文对我国开发南海深水油气资源和拓展海外复杂地质条件下的海管设计项目提供重要的技术支持，增加国家在该方面的技术竞争力和影响力。

［1］TOM M，VIDAR H H，GUNNAR P．Ormen lange pipelinesthe design process ［J］．Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2007．

［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．