馮現(xiàn)洪，季 磊，李秀鋒，劉淑艷

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

基于三維海床的海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)

馮現(xiàn)洪，季 磊，李秀鋒，劉淑艷

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

近年隨著深海油氣田的開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)離海岸線的項(xiàng)目逐步增多，其海床的構(gòu)造與淺海有較明顯的區(qū)別，海管路由存在海床崎嶇不平和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變等困難，給海底管道的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)等帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)三維數(shù)字化海床海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)的探討，提出適用于海管設(shè)計(jì)階段的海管路由設(shè)計(jì)流程，最后通過(guò)南海某項(xiàng)目的實(shí)際路由，依據(jù)設(shè)計(jì)流程，結(jié)合三維可視化軟件Fledermaus和應(yīng)力分析軟件Sageprofile完成該管道的路由設(shè)計(jì)。本文可為基于復(fù)雜地形和多變地質(zhì)條件下的海管路由設(shè)計(jì)提供參考，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)南海深水項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

海底管道；路由設(shè)計(jì)；三維海床； Sageprofile

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和保障，具備高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高收益等特點(diǎn)。海管路由設(shè)計(jì)是海管設(shè)計(jì)階段中的重要和關(guān)鍵一環(huán)，體現(xiàn)在海管的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的全壽命周期內(nèi)，因此海底管道路由設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)海管的安全性和可靠性具有深遠(yuǎn)影響。

過(guò)去幾十年，中國(guó)海上石油開(kāi)發(fā)主要集中在渤海、東海、北部灣及南海近岸段，由于水深較淺，這些區(qū)域的共同特點(diǎn)是：海床總體較為平坦，地質(zhì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，因此以往海底管道設(shè)計(jì)中對(duì)于海床的判斷基本可以依靠路由調(diào)查方提供的水深圖、淺剖圖和物探圖，體現(xiàn)在設(shè)計(jì)文件中(如：平面路由圖)。

但是近年隨著深海油氣田的開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)離南海海岸線的項(xiàng)目逐步增多，海床的構(gòu)造與淺海有較明顯的區(qū)別，如南海深水荔灣項(xiàng)目及番禺35-1/2項(xiàng)目，海管路由存在海床崎嶇不平和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變等困難，給海底管道的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)等帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。由于與淺水有著明顯的區(qū)別，因此有必要探索針對(duì)這種深水區(qū)域存在的不平坦海床開(kāi)發(fā)適用的路由設(shè)計(jì)技術(shù)。

同時(shí)，隨著“數(shù)字地球”概念的提出和相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為其分支之一的“數(shù)字海床”也受到了廣泛關(guān)注，通過(guò)與地理信息系統(tǒng)理論和海洋地質(zhì)、海洋地球物理等相關(guān)學(xué)科的融合，“數(shù)字海床”的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

本文對(duì)三維數(shù)字化海床海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行探討，為基于復(fù)雜地形和多變地質(zhì)條件下的海管路由設(shè)計(jì)提供參考，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)南海深水項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

1 海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)

由于海底管道所處環(huán)境條件的不確定性，需要考慮的設(shè)計(jì)因素較復(fù)雜，而前期對(duì)于管道路由規(guī)劃需要考慮的主要原則如下：

1)管道系統(tǒng)不宜靠近無(wú)關(guān)的構(gòu)筑物、其他管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等。確定其最小距離宜根據(jù)預(yù)期的位移、水動(dòng)力效應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。當(dāng)管道系統(tǒng)靠近其他構(gòu)筑物、管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等時(shí)，要做詳細(xì)的路由研究，應(yīng)考慮可能的位移、運(yùn)動(dòng)和其他風(fēng)險(xiǎn)以保證足夠間隔和抗干擾的余地。

2)交叉的管道，宜保持分離，且采用至少0.3 m的垂直距離。

3)管道應(yīng)受到保護(hù)，防止由落物、漁具、船舶、拋錨引起的不能接受的損傷；且宜避免使管道位于平臺(tái)的裝載區(qū)內(nèi)?？赏ㄟ^(guò)下列一種或聯(lián)合措施實(shí)現(xiàn)保護(hù)：混凝土涂層、埋設(shè)、覆蓋(如砂，石礫，墊子等)、其他機(jī)械保護(hù)。

海底管道在設(shè)計(jì)階段，會(huì)盡量按照直線進(jìn)行規(guī)劃，以達(dá)到距離最短，材料最省和建造施工費(fèi)用最少的目的，但往往在復(fù)雜地形條件下會(huì)在管道規(guī)劃的直線路由上存在障礙等，需要改變直線路線，形成曲線路由，設(shè)計(jì)階段一般需要考慮因素如下：

1)最小水平彎曲半徑產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求；

2)使懸跨及跨越數(shù)量最少；

3)避免洼地和海底障礙物引起的過(guò)大懸跨及額外彎曲；

4)優(yōu)化管道懸跨設(shè)計(jì)及施工方法；

5)考慮管道路由地質(zhì)特證及其變化；

6)避免錨區(qū)(如存在)；

7)避免可能的有害區(qū)域、麻區(qū)及水下障礙；

8)保證易于和安全地進(jìn)行海管安裝及近平臺(tái)回接安裝；

9)考慮第三方安裝結(jié)構(gòu)(如已存在管線及平臺(tái))；

10)考慮安裝的可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性；

11)考慮管道運(yùn)行階段的可操作性。

如進(jìn)行曲線鋪設(shè)需要考慮管道在位后管道的彎曲應(yīng)力，據(jù)此確定最小彎曲半徑，初步確定最小彎曲半徑時(shí)，可通過(guò)計(jì)算彎曲導(dǎo)致應(yīng)力不超出許用應(yīng)力的方法確定，最終還需要校核運(yùn)行期實(shí)際彎曲半徑導(dǎo)致的荷載。管道引起的彎曲應(yīng)力：

因此考慮受力的最小彎曲半徑：

式中：E為鋼管的楊氏模量，一般碳鋼管取值2.07 GPa；D為鋼管的名義外徑；SMYS為鋼管的最小屈服強(qiáng)度；η為安裝期彎曲應(yīng)力許用系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為0.1，需要結(jié)合管道在位受力確定。

當(dāng)管道位于海床上時(shí)，需要考慮鋪設(shè)張力的影響，摩擦力應(yīng)足以克服兩端鋪管殘余張力，以免管道失穩(wěn)力平衡方程為：

2Tbottom=μlat·Wsub·2·R,

因此考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑：

以上考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑實(shí)際應(yīng)考慮一定的安全余量。

2 三維數(shù)字化海床技術(shù)

對(duì)于深水海域的海底管道，由于其長(zhǎng)度都較長(zhǎng)，涉及的地質(zhì)數(shù)據(jù)也較多，與單一平臺(tái)或小區(qū)域建筑有較明顯的區(qū)別，這樣就需要大量的地理信息作為支撐。地理信息往往來(lái)源于調(diào)查數(shù)據(jù)，調(diào)查數(shù)據(jù)根據(jù)不同的調(diào)查方式，調(diào)查數(shù)據(jù)格式不一樣，而設(shè)計(jì)方得到原始調(diào)查數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估和后處理工作，工作包括識(shí)別原始數(shù)據(jù)格式，處理原始數(shù)據(jù)等工作。目前對(duì)于數(shù)據(jù)處理已完成數(shù)字化，基本均可通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，由于其出色的工作性能，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，因此省去大量人手處理的工作，同時(shí)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)格式也可形成標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)一系列工作后，形成三維數(shù)字化海床，供后續(xù)海管路由設(shè)計(jì)使用。

國(guó)外在海底管道設(shè)計(jì)和施工方面起步較早，在運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等方面也積累了大量經(jīng)驗(yàn)。就路由設(shè)計(jì)方面而言，目前已經(jīng)較為完善和成熟，在完成了許多海底管道項(xiàng)目(如挪威西海岸的ORMEN LANG氣田等)的同時(shí)，也取得了大量技術(shù)成果。在設(shè)計(jì)手段方面，一種是以Fledermaus和Abaqus等成熟的通用軟件為工具，開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)工作；另一種則是以新開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)軟件為工具，開(kāi)展路由設(shè)計(jì)工作，如Simla和Pipelay on-Board等。目前國(guó)外海管專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)公司(如JP Kenny,Technip，Worley等)均已掌握基于復(fù)雜海床下三維可視化路由設(shè)計(jì)技術(shù)及相配套的軟件。

目前我國(guó)海管設(shè)計(jì)和施工的總體水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有較大差距。一方面是由于起步較晚，另一方面也與海上油氣田大多集中在渤海等淺海和靠近大陸的海域有關(guān)。這些海域的共同特點(diǎn)是，水深淺，海床較為平坦，地質(zhì)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)風(fēng)、浪和流等海況條件較好。這種狀況導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)海洋工程缺乏在大水深、復(fù)雜地形、多變地質(zhì)條件和惡劣海況條件下路由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也缺少相關(guān)技術(shù)積累。

如前所述，對(duì)于深水復(fù)雜地形的海管路由設(shè)計(jì)技術(shù)需要依靠三維數(shù)字化海床技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，而三維數(shù)字化海床主要依賴(lài)于先進(jìn)的可視化軟件，一般的工程地形處理軟件有Fledermaus, Global Mapper, Ocean Data View等。海底管道較常用的為Fledermaus, 其提供了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)可視化，可根據(jù)路由調(diào)查方提供的水深數(shù)據(jù)還原海床的三維模型，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，其中Fledermaus主程序有著較強(qiáng)的直觀表達(dá)能力，可能通過(guò)觀察管道在海床路由上的情況進(jìn)行路由規(guī)劃及選擇(見(jiàn)圖1)；而Routerplanner模塊可實(shí)現(xiàn)管道路由的規(guī)劃及路由數(shù)據(jù)處理功能。

圖1 Fledermaus軟件應(yīng)用界面Fig.1 Fledermaus Software′s GUI

3 海管路由設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 海管路由設(shè)計(jì)流程Fig.2 Subsea pipeline route design flow chart

4 算 例

4.1 項(xiàng)目介紹

本文選取的南海某項(xiàng)目位于南中國(guó)海，水深為200～350 m，其中工程設(shè)施包括：中心處理平臺(tái)、油田內(nèi)部水下生產(chǎn)系統(tǒng)、從水下生產(chǎn)系統(tǒng)到CEP的海底管道(6″和10″)及相關(guān)的控制臍帶纜系統(tǒng)等。

該項(xiàng)目的總體布置如圖3所示。本文重點(diǎn)介紹位于2個(gè)海管終端間的6″海底管道。

圖3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置圖Fig.3 Project subsea production system general layout

6″海底管道的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 項(xiàng)目信息

4.2 海管平面路由初選階段

根據(jù)路由調(diào)查方提供的該段路由水深圖及物探圖如圖4所示，確定管道的平面初選路由及坐標(biāo)。

圖4 海底管道水深示意圖Fig.4 Subsea pipeline water depth schematic diagram

4.3 三維數(shù)字化海床建模

在處理三維數(shù)字化海床的過(guò)程中，由于原始數(shù)據(jù)由專(zhuān)業(yè)調(diào)查公司完成，其使用的軟件，調(diào)查的數(shù)據(jù)均會(huì)大大超越一般設(shè)計(jì)用戶處理的能力，往往會(huì)出現(xiàn)提供的原始數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)量過(guò)大，已超過(guò)后期設(shè)計(jì)用戶的軟件處理能力。本項(xiàng)目路由調(diào)查方提供的路由數(shù)據(jù)文件較大，數(shù)據(jù)文件大小為1.6 G，對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件處理合成能力要求非常高。雖然有專(zhuān)業(yè)處理軟件Fledermaus，但如要使用該軟件一次生成海床，往往無(wú)法成功，這并不是計(jì)算機(jī)內(nèi)存問(wèn)題，而是軟件的問(wèn)題。為此，通過(guò)如下的三維數(shù)字化海床建模方法，可以解決這一問(wèn)題：

1)熟悉原始海床數(shù)據(jù)文件的格式，本項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件格式如下：

263430.00 2208902.00 -353.00

263431.00 2208902.00 -353.01

263432.00 2208902.00 -353.03

263433.00 2208902.00 -353.04

……；

2)使用軟件生成海床時(shí)生成SCALAR的SD文件，即標(biāo)量文件，并不直接生成三維海床，而是生成一個(gè)平面，但每個(gè)點(diǎn)帶水深數(shù)據(jù)，這樣將大大降低SD文件的大?。?/p>

3)通過(guò)軟件中的提取面域(Extract area from surface…)功能，把該標(biāo)量文件提取出相關(guān)的路由區(qū)域，同樣生成標(biāo)量的SD文件；

4)通過(guò)模塊DMAGIC導(dǎo)入該SD文件，并對(duì)該文件使用輸出面域(Extract suface…)功能，重新生成定義面域的海床數(shù)據(jù)文件；

通過(guò)以上處理后的新定義面域文件較小，滿足軟件處理的功能，即可生成三維海床，且過(guò)程直觀，本項(xiàng)目的三維數(shù)字化海床建立如圖5所示。

圖5 海底管道三維海床Fig.5 Subsea pipeline 3D seabed

再把海管初選路由的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，生成海管的三維海床路由示意圖(見(jiàn)圖6)，通過(guò)該示意圖，直觀地發(fā)現(xiàn)在KP5.343處經(jīng)歷一個(gè)高坡，可以通過(guò)調(diào)整路由以避開(kāi)高坡。

圖6 海底管道局部路由調(diào)整示意圖Fig.6 Subsea pipeline local route adjustment schematic diagram

最后，通過(guò)軟件導(dǎo)出后再通過(guò)模塊Routerpla-nner可導(dǎo)出2次海管路由水深數(shù)據(jù)(按指定的間距導(dǎo)出)。

圖7 海底管道設(shè)計(jì)路由水深圖Fig.7 Subsea pipeline route water depth diagram

通過(guò)比較可知，微調(diào)后的水深較優(yōu)，可以直接用于后續(xù)應(yīng)力和懸跨分析Sageprofile2D軟件中。

4.4 海管在位結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

1)最小彎曲半徑確定

根據(jù)以上確定最小彎曲半徑的原理，得出：

考慮2倍的安全系數(shù)，最終確定的最小彎曲半徑為2 500m。

2)海床不平整度分析

根據(jù)前述導(dǎo)入的海床數(shù)據(jù)，管道位于海床上的其他荷載包括介質(zhì)溫度、內(nèi)壓和外壓、鋪設(shè)剩余張力、波浪影響、海流影響等。

通過(guò)使用Sageprofile軟件，模擬管道位于海床的受力狀態(tài)及懸跨狀態(tài)， 其中安裝工況結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 海底管道懸跨長(zhǎng)度結(jié)果(安裝工況)Fig.8 Subsea pipeline span result (installation condition)

圖9 海底管道應(yīng)力結(jié)果(安裝工況)Fig.9 Subsea pipeline stress result(installation condition)

通過(guò)以上結(jié)果可看出，安裝期各個(gè)區(qū)域的詳細(xì)懸跨長(zhǎng)度。比對(duì)許用懸跨長(zhǎng)度的結(jié)果，可直觀地得到所需要處理的懸跨數(shù)量，根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的懸跨處理方案編制；安裝期管道應(yīng)力最大值為320MPa,小于許用應(yīng)力324MPa，滿足要求。同時(shí)還需要校核其他工況(如水壓工況和運(yùn)行工況)的受力狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上基于三維海床的海底路由設(shè)計(jì)技術(shù)探討，可得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于南海遠(yuǎn)離海岸線的海床，目前了解到其存在地形條件復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)階段對(duì)管道路由應(yīng)重視；

2)本文提出的路由設(shè)計(jì)技術(shù)流程可作為后續(xù)路由設(shè)計(jì)技術(shù)的參考；

3)三維可視化軟件可實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)文件的后處理功能，同時(shí)可作為后續(xù)懸跨和受力軟件輸出必要的數(shù)據(jù)，大大提高效率；

4)本文算例提供的6”海底管道通過(guò)路由設(shè)計(jì)技術(shù)有效地規(guī)劃路由、避開(kāi)已存在障礙、提出管道沿路由的懸跨情況及受力情況；

5)對(duì)于復(fù)雜地形條件的項(xiàng)目可使用三維可視化軟件作為輔助，從而提高設(shè)計(jì)效率和精度，更直觀地完成海床三維的建模工作；

6)管道鋪設(shè)后應(yīng)盡快獲取管道鋪設(shè)的路由數(shù)據(jù)，使用三維可視化軟件，通過(guò)已鋪設(shè)管道路由數(shù)據(jù)重新復(fù)核管道位于海床上的懸跨情況和受力狀態(tài)，以校核是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

我國(guó)南海在遠(yuǎn)離岸線的海域，海床存在不同于淺水項(xiàng)目的地質(zhì)條件，對(duì)于該特殊地質(zhì)條件對(duì)海底管道路由的影響還有待更深入的研究，要在今后的海底管道路由設(shè)計(jì)中給予重點(diǎn)考慮，并且需要加強(qiáng)這種海床的資料收集和前期分析；加強(qiáng)三維數(shù)字化海床技術(shù)和復(fù)雜海床條件下海底管道路由設(shè)計(jì)技術(shù)分析的開(kāi)發(fā)，為海底管道設(shè)計(jì)和管道完整性提供更完備的基礎(chǔ)。

[1]SY/T10037-2010, 海底管道系統(tǒng)[S].

SY/T10037-2010,SubmarinePipelineSystems[S].

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LUJian-qing,LIMan′e,ZHOUJian-da.Thestudyandapplicationofgeophysicalinformationdataformatconversion[J].ChinaNewTechnologiesandProducts,2009(20):7-8.

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[4] 徐慧,韓斌,李凌.海底管道路由風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方法研究及軟件開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)海上油氣，2005，17(5)：347-351.

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Subsea pipeline route design technology based on 3D digital seabed

FENG Xian-hong1,JI Lei1,LI Xiu-feng1,LIU Shu-yan1

(China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

There is much difference on seabed profile between that of shallow water and deep water when the deep water gas/oil field project is developing, especially for the project far away from the coastline of South China Sea. At that case the seabed condition along pipeline includes uneven seabed and complex geotechnical, so this will bring the big challenge to subsea pipeline design and installation. After discussing of subsea pipeline route design technology based on 3D digital seabed,this paper present a flow chart of subsea pipeline route design. Finally a sample based on the design flow chart and 3D seabed software Fledermaus and stress analysis software Sageprofile is presented to show how to complete the pipeline route design.The subsea pipeline route design method of this paper based on complex seabed and variable seabed condition is a good reference and gives a stronger technological foundation for developing more projects of South China Sea in further.

subsea pipeline；route design；3D seabed；Sageprofile

2013-12-26；

2014-02-17

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)(十二五)”資助項(xiàng)目(2011ZX05027-002)

馮現(xiàn)洪(1979-)，男，工程師，主要從事海底管道設(shè)計(jì)工作。

U674.38+1

A

1672-7649(2014)03-0116-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.024