非接触挖沟技术在海床处理中的应用

2019-03-11吕伟俊王艳涛李海鲸

石油工程建设 2019年1期

吕伟俊，王磊，王艳涛，樊华，李海鲸

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

导管架安装是海上油田开发中非常重要和关键的一步，导管架安装时经常遇到海床面不平整的难题，如何有效对海床进行平整处理成为制约导管架是否成功安装的关键因素。在海床处理实践中，非接触挖沟技术是一种较为成熟且效果不错的工艺[1-5]。本文以某导管架安装场址处理为例对非接触挖沟技术进行分析。

1 工程概况

南海某油田导管架安装场址经专业公司调查显示场址海床面高度差达到2.2 m，水深约70 m。为了保证导管架安装对海床平整度的要求，需要对该导管架安装场址进行处理。经本项目设计人员计算，在导管架下部安装高度不同的两块防沉板，只对水深较深的防沉板区域海床进行处理，处理后目标区域标高为水深69.4 m。以该导管架安装区域水深69.4 m等深线为分界面，水深大于69.4 m区域不进行处理，水深小于69.4 m区域进行处理，处理区域形状类似一直角三角形，两直角边的长度分别为44 m和15.5 m，处理后海床区域水深控制在69.65m±0.25 m。海床处理区域如图1所示。

图1 导管架安装场址水深和处理海床区域示意

2 非接触挖沟技术

2.1 非接触挖沟机

本次海床处理作业主要采用非接触挖沟机搭载3台轴流泵，喷射大流量水流对海床进行冲刷，达到处理目的。轴流泵流量为10 000 m3/h，扬程为5.5 m，通过作业船上的脐带缆绞车供电。另外，在挖沟机本体结构中部安装有姿态传感器，用于监控挖沟机在水下的姿态，能有效显示挖沟机水下左右横倾和前后纵倾状态。作业时通过作业船的匀速移动控制挖沟机的移位，从而完成海床处理作业。

原非接触挖沟机只有3个喷冲口，主要适用于海管和海缆的后挖沟作业，要满足本项目对海床平整处理的严格要求还需要对轴流泵喷冲口进行改造，为此制作一个轴流泵喷冲水箱（见图2），该水箱喷口设计采用“花洒”式多个喷嘴，这样在作业时可以有效控制挖沟机的吹扫范围和深度；另外在施工时可以通过实时三维多波束声呐技术进行地貌成像，实现吹扫精度精准控制。

图2 轴流泵喷冲水箱示意

2.2 花洒式喷嘴的设计与应用

2.2.1 花洒式喷嘴数量

根据以往施工经验，本项目轴流泵喷冲水箱采用φ10 in变φ 8 in（1 in=25.4 mm）变径喷嘴，这种“花洒”式喷嘴改变了以往挖沟机只有3个大流量出水口的喷冲方式，有效控制了吹扫作业时挖沟机的吹扫深度，所需喷嘴数量计算式如下：

式中：q为水箱单位时间喷冲总流量，m3/s，3台流量10 000 m3/h轴流泵总的水流量为30 000 m3，则q=30 000/3 600=8.33 m3/s；s为喷嘴出水口面积，m2，s=πd2/4，d为喷嘴口直径，m，取8 in，得s=0.032 m2；v2为轴流泵喷冲水箱出水口的水流速度，m/s。

根据伯努利方程：

式中：p1、p2分别为轴流泵喷冲水箱的进、出水口压力，Pa；v1、v2为轴流泵喷冲水箱进、出水口的水流速度，m/s；h1、h2为轴流泵喷冲水箱进、出水口处的高度，m；ρ为水的密度，1 000 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2。

由于水箱高度较小，可认为h1=h2，根据一般经验，取v1=0。这样上式变为：p1与p2的差值近似为泵的扬程对应的水压，泵的扬程为5.5 m，对应的水压约为55 000 Pa。将数值代入式（3），得：55 000=1/2×v2=10.48 m/s。

将以上数值代入式（1）得：

n=8.33/（0.032×10.48）≈24

因此水箱下变径喷嘴的数量为24个。

2.2.2 喷嘴与海床的工作距离

通过ANSYS Fluent软件对水箱喷嘴流量和剪切应力进行分析，喷嘴与海床的距离不同，对应的剪切应力平均值不同，如表1所示。

表1 不同距离下喷嘴对海床的平均剪切应力

从表1可以看出喷嘴距海床越近，其剪切应力越大。本次海床处理区域的土壤剪切应力最大为15 kPa，而计算得出，当喷嘴距离海床面2.72 m时，其剪切应力为15 kPa，因此在施工时控制挖沟机喷嘴距海床高度尽量保持在2.72 m以内即可。

2.3 三维声呐系统辅助施工

为了实现在吹扫过程中对海床面高度的实时监测，应用实时三维多波束声呐进行辅助施工，对地貌进行实时成像，实现吹扫效果实时监测。三维多波束声呐的主要技术指标见表2。

在场址处理作业前，首先使用三维声呐对导管架所处区域进行水深扫测，记录好水深数据。由于在三维声呐上不同水深显示的颜色不同，因此选取导管架安装区域里的一处水深合格且无需处理的海床面作为参考海床，见图3。参考区域海床高度取若干点，其对应水深为-69.51～69.90 m，见表3，选取参考海床目的是在处理过程中将处理区域的水深颜色与参考区域水深颜色进行实时对比，根据水深颜色对比即可初步判断处理效果，据此调节吹扫速度和挖沟机离地高度，以便更好地实现区域处理。