海管路由挖沟地质条件分析与评价

刘双双

(中海油田服务股份有限公司， 天津 300451)

海管路由挖沟地质条件分析与评价

刘双双

(中海油田服务股份有限公司， 天津 300451)

海管路由区海底的地质条件不仅关系到海管的运营安全，还关系到海管的铺设施工作业，以实际生产项目为例，阐述在海管挖沟铺设前所进行的海底地质调查研究中土质参数的选取、土层对比、疏浚土分级与评价等关键技术问题，分析讨论在参数选取和土层对比环节中存在的一些常见问题并针对这些问题提出相应的解决方法。实践证明，这些方法有利于对海底土层工程性质的准确评价。

海管路由；挖沟；地质条件；疏浚土

0 引言

在海洋油气勘探开发的整个链条中，海底油气管道直接关系着正常的油气运输以及油气田的生产运营。在海洋环境复杂恶劣、海底地质条件较差的海管路由区，为避免海底管道受到海洋环境、渔业等外部因素的影响和破坏，保证海管的运营安全和稳定，对海管进行挖沟填埋一直以来都是油田建设过程中普遍使用的一种技术。

海底管道挖沟埋设主要包括预挖沟、边挖沟边埋设和后挖沟等3种方法。在我国渤海海域，除近岸段管道外，大多采用后挖沟方法埋设[1]。目前，用于管道铺设的挖沟设备主要包括犁式挖沟机、喷冲式挖沟机、喷冲式ROV(Remotely Operated underwater Vehicle)、机械式挖沟机和深水挖沟机等[2]，不同类型的挖沟设备对海底浅层土质条件均有各自的适用性。在管道铺设挖沟施工前，对海管路由区海底地质条件的调查分析将直接影响对所选用挖沟机能力的评估和类型的选取。所以，对路由区地质条件进行精确的评价和分析是非常重要也是十分必要的，如果对海管路由区地质条件评估不准确，将可能直接影响海底管道现场铺设施工作业的进度，从而影响整个油田正常的投产运营。

在平台和海管设计阶段往往也要进行一些相关的地质调查工作。在以往很多管道挖沟铺设的实际生产项目中，操作者往往直接参考设计阶段的地质资料，却忽视了在设计阶段的一些问题，如调查解释资料钻孔间距大、土质参数选取不合理以及挖沟施工作业针对性差等。所以，在一些挖沟项目的实施过程中会出现很多问题，给现场施工造成困难，影响施工进度，增加生产成本。

以渤海A和B两个项目为例，通过对物探和地质资料的综合分析，对管道挖沟阶段的地质评价中所涉及到土质参数的选取、层位划分、疏浚土评价分级等问题进行详细的探讨和论述。

1 调查和评价方法

1.1 评价深度

海管的填埋挖沟深度一般由所铺设海管的直径以及不同海域海管顶部距海底面的安全深度来确定[3，4]，美国船级社《Guide for Building and Classing Subsea Pipeline Systems and Risers》规范中规定：海管顶部距离海底面的标准安全深度为0.9 m[5]。目前世界上用于油气运输的管道直径一般为0.203 2～1.320 8 m[6,7]。一般情况下，海底油气管道的埋设深度不会大于海底泥面以下3 m，所以在海管挖沟前进行地质评价时，应重点评价海底面以下3～5 m的土层。

1.2 资料综合解释分析

将地质钻孔资料投影到物探资料中，并进行综合分析对比，通过细分层位、细化黏性土土层强度等方法，重新选取适合于挖沟施工作业的土质参数，并对土层在横向和纵向上进行更加精确的评估。

1.3 疏浚土分级与可挖性评价

海底管道的挖沟铺设属于疏浚工程的范畴。通过对调查区域海底浅部土层在横向和纵向上物理力学性质的整体把握，同时依据国内现有的疏浚工程规范[8-10]，对研究区内土层按照疏浚土的标准进行分类评级。疏浚岩工工程特性和分级见表1[9]，确定各类土层在横向上的分布情况。最后准确评估土层的可挖性，以此作为评估备选挖沟设备的重要依据[11]。

表1 疏浚岩土工程特性和分级

续表1 疏浚岩土工程特性和分级

但是目前国内关于疏浚土的相关规范颁布时间较早，对当前很多新型挖沟设备缺少更新补充，所以在使用过程中，要结合生产实际对规范中所涉及的设备与较新型备选挖沟设备的作业方式、作业能力和性能等方面进行对比，综合选择合适的挖沟设备进行施工作业。

2 关键技术探讨

2.1 土质参数的选取

与挖沟施工作业密切相关的海底土壤参数主要包括黏性土的黏聚力和粒状土的内摩擦角[12]。由于用途不同，在管道挖沟施工作业和管道设计阶段所选取和参考的土质参数存在一定的差异，见表2。

表2 不同阶段所选取土质参数的差异

对于黏性土层，用于管道设计的参数应当选取层内所有样品试验数值的平均值，用以代表该层位整体的强度特征，而在挖沟施工阶段，应当选取层内样品试验值的较大值甚至最大值(见表2)，以保证层内黏性土强度尽可能在所选用挖沟设备的作业能力范围之内。但是，对于那些明显超出同层位其他样品的个别强度试验值，应当综合考虑周边钻孔同层土性质，必要时要在附近增加钻孔，以确定土层强度异常的准确性。

在生产实践中，如果选用海管设计阶段的黏性土参数来指导挖沟作业，会低估海底土层分布复杂或个别层位土质异常偏硬作业区段的土层强度，从而给现场施工造成困难。

以A项目为例，在海管挖沟施工初期参考的是管道设计阶段的土质参数，黏性土层强度参数一般采用的是试验平均值(见表3)，土层强度评估不合理，导致选用的挖沟设备不适合个别路由段的施工作业，在现场挖沟施工时出现挖沟困难的情况，严重影响管道铺设进度。针对这些问题，施工后期对挖沟困难区段土层再次调查并重新选取了土质参数，对土层进行了重新评估。评估结果显示，土层参数大部分被低估，低估程度为33.3%～268%。随后调整挖沟施工设备，顺利完成后续的挖沟铺管作业。

对于粒状土，挖沟阶段和管道设计阶段一样，都采用固结排水试验实测出的有效内摩擦角作为参考来确定土层参数。但是，由于大部分区段的管道需要在水下进行挖沟铺设，对于粒状土层的疏浚施工还涉及到土层的回淤问题，所以对粒状土的评价还要重点关注土层的颗粒组成成分、砂粒纯度和黏粒含量等土层性质，对于较纯且厚度较大的砂性土层要明确指出，并确定其横向展布范围，提醒现场施工时特别关注。

2.2 土层对比

由于管道路由是沿横向铺设的，所以在单个钻孔确定了纵向上的层位和土质参数之后，还必须掌握海底土层的横向分布情况。需要将工程地质和工程物探资料进行综合对比分析，这样既实现了调查资料的互补，又能够对调查区域内海底浅层土进行整体把握。

但是在生产实践中，依据物探资料和地质资料划分的层位往往存在一定差异。造成差异的主要原因是工程物探和工程地质分层解释的原理不同。工程物探资料的分层解释主要是根据对反射同相轴的追踪，分层界面反映的是海底土层对声波反射的波阻抗(土层密度与声波速度的乘积)的差异响应，而工程地质钻孔中所划分的层位界面主要根据土层的土质类型来进行确定。只有当土层性质(土质类型、强度或密实度)发生明显变化时，根据物探和地质资料所划分的层位界面才比较一致，如图1所示。根据地质资料划分的同一层位中，如果土层中的物质成分、包含物、强度、密实度等存在差异时，物探资料也会有所反应，造成层位界面划分的差异。此外，地质钻孔和物探资料采集过程中产生的系统误差也会造成分层界面的差异。

图1 B项目中E点至G点管道路由电火花剖面

为了解决以上问题，当发现所划分的土层界面存在差异时，要对工程地质钻孔资料进行再次分析，参考物探资料，对土层在同一层位中的强度、密实度等进行细分，实现对土层层位的精细划分，同时也在土层纵向上为施工作业提供更精准的土质参数。

以B项目中E～G点路由剖面为例，由于PL2和G孔位钻孔资料显示海底面以下0～5 m深度范围内均为黏性土，所以在路由设计阶段只给出了一个土层参数，并没有划分层界面，如图2(a)和图3(a)所示(图中Tv代表手动十字板试验，Mv代表电动十字板试验)。在挖沟铺设阶段设计参数时，通过对黏性土强度试验值进行统计分析并细化，然后再与物探资料同等深度的界面进行对比，在3.5 m深度附近分出一个土层界面，如图2(b)，图3(b)所示，提高了地质与物探资料所划分层位的吻合度，同时增加了给定土层强度参数的针对性和整个剖面层界面的一致性。如前文所述，由于分别利用物探资料和地质资料划分层位的基本原理不同，故在层位划分时必然会存在差异，如图1中R2界面，在物探资料上虽然很清晰，但利用地质资料是划分不出的，而此界面上下土层性质无明显变化，所以工程上这些层界面可只作参考，不做太多关注。

图2 PL2孔位层界面调整前后对比

图3 G孔位层界面调整前后对比

除此之外，还可以增加原位静力触探(PCPT)测试项目。PCPT测试具有资料采集连续、可靠性高等特点，可以在以下几个方面提高对地质条件的分析评价水平：(1) 资料连续，可以更准确地分析土层的土质成分，从而实现对土层位的准确把握；(2) CPT属于原位测试，避免了取样过程中对土层的扰动，能够更精确地反映和把握土层性质；(3) 可以通过与钻孔取样资料的对比，消除系统误差。

2.3 可挖性评价

疏浚土的可挖性反映了岩土开挖的难易程度，其主要评价指标为土层密实度、天然重度和抗压强度。此外，疏浚土的可挖性对于不同的挖沟施工设备来说也是不同的，可以此作为评判选择挖沟设备的重要标准。

表4列出了B项目中浅部土层的疏浚土分类和可挖性评价结果，结果显示B项目调查区内海底浅部土层主要以3级疏浚土为主，对于表4中列出的3种类型挖沟船开挖难度均为“容易”，只有少数孔位的土层较难挖掘。

表4 B项目中疏浚土分级及评价结果

此外，需绘制出各类疏浚土在路由区内的分布情况，实现对疏浚土分布的整体把握，确定较难施工的作业区段(较纯的粒状土和强度较大的黏性土出现的土层区段)，提醒作业者重点关注，必要时调整挖沟设备，使现场作业更有针对性，提高工作效率。图4为B项目中疏浚土的分布图，从图4中可以看出，作业者要对存在4级、8级和9级疏浚土的F-PL9，PL11-A和E-PL8等3个路由区段进行重点关注，必要时采取相应措施，以保证现场作业的顺利开展。

3 结论与建议

(1) 利用物探和地质资料对比分层的方法能够实现在横向上对调查区内海底土层的准确把握。同时，对土层进行精细划分能够实现对土层性质更精确的评价，对挖沟施工作业更有针对性，从而为挖沟施工作业提供更加精确的土层信息和施工作业指导依据。实践结果表明，以上方法可以在生产中推广应用。

(2) 在以后针对海管铺设挖沟所进行的地质调查评价的相关项目中，建议增加原位静力触探(PCPT)测试，进一步提高对海底土层评估的准确度。

(3) 对于海底底质较复杂或土层变化较大的工区，现场调查时要进行加密钻孔，更准确地了解海底土层性质和横向展布情况，为挖沟施工提供更详实、可靠的地质资料。

(4) 如果解释成果中出现部分区域个别孔位强度异常偏大或土层界面突变等现象，应给予足够重视，确定异常区域的范围。当施工到该区域时，及时提醒现场作业人员，必要时调整施工设备或方案，防止现场施工困难，影响作业进度和效率。

图4 B项目中疏浚土分布图

[ 1 ] 熊海荣. 海底管道后挖沟分析[J].中国造船，2009，62(S)：645-650.

[ 2 ] 李文涛，葛彤. 挖沟机相关技术进展[J].船海工程，2010，39(4)：146-150.

[ 3 ] 马良.海底管道埋设技术论证[J].中国海洋平台，1999，14(6)：17-20.

[ 4 ] DNV.Submarine pipeline systems：DNV-OS-F101 [S].2000.

[ 5 ] ABS. Guide for building and classing subsea pipeline systems and risers [S].2004.

[ 6 ] 刘晓昀. 我国海底管道及焊接技术[J].中国造船，2003(S)：65-70.

[ 7 ] 刘梁华，张世富. 海底管道发展现状浅述[J].中国储运，2011(11)：108.

[ 8 ] 中华人民共和国交通部.疏浚工程技术规范：JTJ 319-1999[S].1999.

[ 9 ] 中华人民共和国交通部.疏浚岩土分类标准：JTJT 320-1996[S].1997.

[10] 中华人民共和国交通部.疏浚工程施工技术规范：SL 17-1990[S].1990.

[11] 高伟. 国内外疏浚挖泥设备的对比与分析[J].中国港湾建设，2009，16(2)：63-67.

[12] 宫含洋，王立权，邢晓冬，等.海底犁式挖沟机犁体建模及土壤裂解研究[J].机械工程学报， 2012，48(19):134-140.

Analysis and Evaluation of Geological Conditions of Submarine Pipeline Route for Trenching Excavation

LIU Shuangshuang

(China Oilfield Services Limited, Tianjin 300451， China)

Due to the fact that the geological conditions of submarine pipeline route are related to not only the safety of pipe operation, but also the pipe-laying process, some technical key issues in submarine geological investigation and study before trench excavation and burying for submarine pipes, including soil parameters selection, stratum comparison, and classification and evaluation of dredged soil, are expounded by the example of practical projects. Some common problems found in parameter selection and stratum comparison stages are analyzed, and corresponding methods are presented in order to solve these problems. It is demonstrated that these methods are good for accurately evaluating engineering properties of submarine soil.

submarine pipeline route; trench excavation; geological condition; dredged soil

2016-04-21

刘双双(1984-)，男，工程师

1001-4500(2017)01-0078-07

P67

A