海底管道埋设和回填改进方案研究

2022-08-31孙祥杰冯现洪李庆苑健康翟墨

石油和化工设备 2022年8期

孙祥杰, 冯现洪, 李庆, 苑健康, 翟墨

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

（2.中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京 100028）

近些年，对我国各海域的海管后调查发现，目前在产油气田的海管存在多处埋深不足、裸露及悬空的状态，为尽量避免由于海管埋深不足和回填问题等因素遭遇第三方破坏给公司的生产及环境保护带来不利影响，需从海管埋设深度、投资成本、相关装备能力、海管路由设计、海管施工、挖沟作业、检测及后调查等方面分析问题产生的原因，提出相应的解决措施，从根本上消除和降低风险隐患，同时也为海底管道挖沟工程硬质海床挖沟机具选型、深挖沟可行性、挖沟设计等工程实际问题提供技术支撑和保障[1]。

1 概述

我国海管后挖沟作业主要集中在渤海海域，该海域海底相对平坦，主要是淤泥及泥砂，地势呈现出从三湾向渤海海峡倾斜趋势。在黄海三角洲和山东半岛北岸多为20-50Kpa的粘土，其他沿岸多为砂质地质，辽东半岛西面中心海域区域存在超过80Kpa的硬质粘土地质。黄岩、荔湾、陆丰等东海及南海海域也有部分项目进行了后挖沟及超悬跨处理作业，没有埋设要求的海管主要集中在南海文昌、番禺、惠州、恩平、西江等油气田区域。

我国从事水下挖沟的公司主要是交通运输部上海打捞局、天津大港油田集团工程建设公司、海王星公司等，国内挖沟装备资源以喷射式挖沟机为主，基本可以满足100米以浅海域，土壤的剪切强度在50kPa以内海底挖沟作业。海洋石油工程股份有限公司具有不同类型挖沟机，可以满足常规海管后挖沟作业和海管开挖暴露作业等，在国内具有领先地位，公司通过装备能力提升成功完成了香港LNG项目30寸海管5.5米深挖沟作业，同时新购置的ROV式挖沟机和犁式挖沟机的入列进一步提升在深水海域和硬质海床的挖沟能力。

2 挖沟机具及机理分析

从挖沟方式看，当前海底挖沟的种类分为：犁式、喷射式、水下机械开沟机等[3]。使用挖沟机对管线进行综合治理方法，并根据管线具体情况编制有针对性的施工方案，挖沟机配套船舶应按照后挖沟作业要求选择与挖沟作业匹配性高的锚系船或动力定位船。

2.1 喷射式挖沟机

喷射式海底挖沟，是用高压水射流喷冲对海底进行破土开沟，实现基础开挖和埋管喷冲，二者均采用环境水喷冲方式，作业时产生大流量水流切削基础，扰动的泥沙通过海水稀释冲走，形成管沟或基坑，见图1。喷冲式挖沟不仅可以进行后挖沟作业，也可实现对受损管缆的定点开挖暴露施工。

图1 喷射式挖沟机

影响水力喷射式挖沟喷射强度的因素有很多，喷射泵、轴流泵的能力，喷嘴结构形式、角度均对其喷射出的水流强度产生影响，喷嘴和高压泵组是水力射流挖沟技术的关键，为提高冲击效率，可以对这些参数进行优化和分析研究，射流开挖能力会决定挖沟效果及效率。针对砂性、粘性等土壤地质条件，采用水力破土是比较容易实现的。射流破土的机理是，高压水射流喷射在土体，其部分动能随即转化成对土体的打击力，从而使土体在冲击力作用下而破坏。

2.2 犁式挖沟机

犁式挖沟机用于海底开沟埋管，使用具备较大系柱拖力的动力定位船，牵引挖沟机水下行进，通过犁铧将海底土壤移走在海管下方形成管沟，见图2。对于犁式挖沟机，其结构主要包括：定位系统、动力系统、雪橇式行走机构、机械手、犁体机构以及动力拖动系统。犁式挖沟机最大工作水深可达400m，主要用于管道挖沟，可以在深水海域施工，进行深沟挖掘，适用于各种类型的土质，包括易碎的白奎岩及岩石上，开沟成形面比较理想，管道回填主要通过回填犁进行回填。

图2 犁式挖沟机

2.3 水下机械挖沟机

机械式挖沟机通常采用履带形式，靠自身爬行前进，与其他类型挖沟机方法相比，该挖沟机适用海底土质范围较广，用绞吸头或挖掘链开沟，几乎能适应除海底硬岩石之外的任何特性的土质（砂、砂土、粘土、淤泥和软性岩石等），见图3。海底开沟施工机械的经济性，主要指初始投资和日常营运费的大小。机械开沟机的作业水深大，自动化程度高，但设备结构复杂，故初始投资远大于其他类型的水下开沟机械。

图3 机械挖沟机

2.4 评估标准

表1 给出了目前常用的挖沟机在技术性能、应用范围、开挖沟型、开沟深度、适应土壤剪切强度、对海管的损伤等方面的对比分析。

表1 常用挖沟机对比分析

开挖管沟截面较小，沟顶较窄开挖深度开挖沟形开挖管沟截面较小，沟顶较窄开沟较宽开挖管沟截面较小，沟顶较窄开挖管沟边坡均匀，沟顶较宽适用于常规埋深挖沟施工，不适用于大深度开挖适应土壤剪切强度 30-60kPa以下 30kPa以下 100kPa以下 400kPa以下适用于常规埋深挖沟施工，若需大深度开挖需对挖沟机进行改造适用于常规埋深挖沟施工，一般不适用大深度开挖适用于常规埋深挖沟施工，不适用于大深度开挖开挖深度2-2.5m左右，不适用于大深度开挖10-400kPa（定制可达1 M P a，最大40MPa）对海管的损伤采用尼龙滚轮与海管接触，不损伤海管悬浮开挖，不接触管缆，无损伤具备先进的监控系统，不损伤海管采用尼龙滚轮与海管接触，不损伤海管高速旋转的铰刀，若防护不当，易损伤海管

3 后挖沟埋设状态影响分析

3.1 后挖沟影响因素分析

海洋环境条件和海管路由的海床特性的勘察在海底管道的概念设计阶段完成，以便在确定海管路由的最优选取，同时所有影响海管铺设稳定性和安全性地形和地质需要进行提前处理。为了给管道设计和挖沟施工作业提供可靠的支撑，需要掌握根据管道设计寿命而收集的风、浪、流、潮汐等资料，此外，还需要对沿海管路由方向的海洋地质条件进行更进一步调查，包括表层土数据、海床表面平整起伏情况、连续浅层地质剖面图、沿管轴线方向坡度及浅层工程地质钻孔参数。

3.1.1 施工预调查及地貌地质

施工预调查主要包括水深调查、地貌调查（旁侧声纳调查）、地质调查（浅层剖面调查）[4]。对于特殊区域如存在悬跨，可移动沙波沙脊区域和存在可疑障碍物等区域，需要潜水员或ROV 进行详细调查。海管所在海域的地质对挖沟施工工艺、设备、计划和效率起着关键作用，主要考虑岩石、移动沙波沙脊、塑性黏土以及其它特殊地质。

对大型障碍物如沉船需要避让，小型障碍物进行移除；对待深坑需要根据其面积，深度和与海管路由相对距离进行处理，如深坑直径小于海管铺设悬跨最小安全距离，可在后期挖沟进行处理，如在路由区域或附近需进行预处理，填满或吹扫等。

部分登陆管线在登陆点附近浅水区会经过渔业养殖区（或在抛锚区附近），在南亚或中东项目中会经过珊瑚区（或在抛锚区附近）；根据业主或当地法律要求，珊瑚区或养殖区要求移除和恢复或要求保护；此部分工作需要有经验的分包商完成同时得到当地相关渔业和环保部门的批准。

在设计海管路由附近存在旧有的管线和电缆；需要在预调查中确定其准确位置和安装海管的路由关系，避免在抛锚作业时，因落锚或走锚对原有的海管海缆进行损坏，如安装海管与已存在海管，海缆出现交叉，则需要在交叉点处进行预先处理。

登陆管线在陆地附近有时会有岩石层，一般采用爆破的方式进行预处理；爆破炸礁由国家认证的有资格的专业公司负责，需要按照公安监管和安全制度规定制定相关程序审批后实施；爆破后沟深度、平整度是主要的技术要求。例如在绥中36-1项目中登陆段管线进行了炸礁作业。

海底地质主要为淤泥，粉土（砂质粉土、粘土质粉土），砂（粉砂、砾砂），粘土（砂质粘土、软质粘土、硬质粘土），岩石。挖沟的效率、效果的重要因素在于挖沟设备的选取，地质土壤是挖沟机选择的主要参考依据，根据不同的海底土壤选择合适的挖沟机。土质和不排水抗剪强度（kpa）是确定挖沟机类型的主要参数，在预调查中一般只进行浅层剖面调查，钻孔调查主要依据前期设计调查资料，对于长距离管线钻孔间距1公里至10公里，但有的管线在短距离地质变化较大，长距离钻孔采集数据无法代表整个海管路由，特别在部分地段出现与原勘测的不排水抗剪强度相差很大的地质，对挖沟设备的选取、挖沟效率、速度和费用出现较大的偏差和影响。

3.1.2 海管铺设

海管铺设施工工艺，海底管道形式都对海管挖沟效率和挖沟效果起到重要影响。海管结构根据设计不同包括软管和钢性管道；施工工艺中登陆管线和平台间管线；海管交叉点处理；航道处海管铺设，浅滩海管，弯曲段海管，穿越沙堤或大桥；海管铺设施工都对海管的挖沟起到重要影响。

对于海管铺设施工的作业难度较大的特定区域，包括登陆段、弯曲段、穿越沙堤段、与原管缆交叉点铺设等，也都对后挖沟有比较大的影响。如在挖沟阶段对于曲率半径较小的海管，需要不断调整船位，避免挖沟机与海管接触，对海管外管的配重层或防腐层造成损伤，海管的挖沟速度低于较直路由管线挖沟。其它铺设因素影响这里不再具体叙述。

3.2 海管埋深不足原因分析

海管埋深不足主要表现在近平台裸露、海域海床不稳定影响、自然回填未达到设计要求几大类。需要注意的是，导致海管埋深不足及遭受第三方破坏的往往是多种因素共同作用的结果，因此，在考虑治理措施时，往往需要采取多种措施相结合[5]。

3.2.1 近平台海管裸露

由于海底管道在平台附近与膨胀弯连接，海管要从挖沟深度过渡到泥面，一般要求裸露的平管部分约25m，覆盖水泥压块实现保护，过渡段（造坡）的长度一般为50m。主要原因是平台附近流场改变或海域底流流速较大，冲刷加剧，过渡段部分在安装完成后逐步冲刷形成裸露。这种裸露一般可以覆盖压块消除落物损伤风险，只有出现悬空位置需要考虑综合治理方案。

3.2.2 海域海床不稳定影响

沙波沙脊是一种水下丘状微地貌形态，砂质海床在海流作用下而形成，它的运移对海管有较大影响，甚至可以掏空埋设的管道，使海管裸露在海床上，对其在位安全有极大危害。如果发现路由沿线有沙波沙脊，则需要评估海床处理工程量和评估海管埋设深度，可通过增加埋设深度的方法保护海管，但同时可能会增加工程投资。当管道铺设完成后，发现裸露或者悬空问题，尤其当悬跨长度超过许用悬跨长度的时候，建议进行临时治理，并定期调查悬跨情况，可采用填充沙袋、抛石回填等方法。

海床冲刷是一类较为常见的影响因素，其根本原因是该区域的水流强度非常大，此水流带来的泥沙通量小于该区域水流的向外移通量。海底冲刷引起泥沙扰动甚至掏空，为防止其发生的主要机理表现在：一是增大海底沉积物颗粒冲刷启动速度，或提高海底的抗冲刷强度；二是减小波、流等水动力环境对海床冲刷速度。

防止冲刷的常用预防措施包括回填掩埋管道、抛石覆盖层保护、垫层保护、仿生水草法、“仿生草+混凝土软体排”防护法；对于冲刷后的海管悬空治理措施包括：挖沟深埋法、抛石回填法、沙袋支撑法、压块覆盖保护法、桩基稳定法等。

3.2.3 自然回填未达设计条件

目前管线开挖深度小于一定埋深常采用自然回填，不需进行特殊处理，但对于某些特殊条件，如跨航道等，会要求进行人工回填。

对于一些相对稳定的海域海床，海管挖沟自然回填到位后位于泥面以下基本稳定，不易出现冲刷裸露等问题。但挖沟完成后，可能出现一是自然回填过程缓慢，没有完全回填覆盖，二是回淤速度快，管道没有下沉就回淤了，即使沟深达到要求，但管道没有下沉到设计深度，特别是一些刚度较大的管道，后调查结果仍然未回填到位。自然回填与管道挖沟的边坡比有很大关系，边坡比越小，回填速度越慢，反之，边坡比越大，回填速度越快，所以挖沟作业时在二者之间需要取得一个较好的平衡。