張彥龍，王長軍，張書紅

中國石油冀東油田分公司，河北唐山 063200

海洋石油開發(fā)工程中所采取的人工設(shè)施主要包括海上平臺、人工島及輸運管道。由于波浪、水流的作用，造成海底結(jié)構(gòu)物底部及其附近海床的泥沙運動，稱為海底沖刷現(xiàn)象。對于海底管道，沖刷會引起管道外露甚至懸空，如不及時處理，情況會越來越嚴(yán)重。懸空管道將因海流沖擊而產(chǎn)生振動，極易造成管道應(yīng)力疲勞；另外，輸送介質(zhì)也會使管道產(chǎn)生自振，加快懸空管段的應(yīng)力疲勞；冬季時管道還可能遭受浮冰直接撞擊。這些情況可能導(dǎo)致管道彎曲、位移、破損甚至斷裂，懸空管道一旦發(fā)生破損或斷裂將引發(fā)原油外漏等海上重大污染事故，不僅造成經(jīng)濟損失也會產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境影響與社會影響。因此，針對海底管道出現(xiàn)的裸露、懸空隱患進(jìn)行治理具有重要的意義，海底管道沖刷及防護(hù)與控制技術(shù)一直是各國海洋工程領(lǐng)域亟需研究的重要課題之一。

本文結(jié)合冀東南堡油田1號構(gòu)造區(qū)海底管道裸露懸空段隱患治理工程，通過對適合海底管道防護(hù)的工程措施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟評價，優(yōu)選適合本工程的管道防護(hù)方案，可為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

2010—2012 年，經(jīng)過三年對冀東南堡油田1號構(gòu)造區(qū)海底管道狀況的檢測，發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造海底管道局部海床呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，多條埋設(shè)管道多次出現(xiàn)了裸露、懸空現(xiàn)象。雖然先后及時進(jìn)行了應(yīng)急隱患治理，拋填了沙袋和碎石，但海底管道整體上仍存在沖刷現(xiàn)象，裸露懸空現(xiàn)象仍不斷出現(xiàn)，搶險性治理治標(biāo)不治本，后續(xù)運行依然存在較大的風(fēng)險隱患。

在綜合分析南堡油田1號構(gòu)造區(qū)海域海床水沙的運動規(guī)律、灘槽演變趨勢與海床穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，開展了拋石防護(hù)、砂袋防護(hù)、回填碎石防護(hù)、軟體排防護(hù)、砂袋+軟體排防護(hù)、仿生草防護(hù)、砂袋+仿生草防護(hù)、后挖溝治理共8種防護(hù)方案的定床、動床試驗研究，給出了防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及失穩(wěn)的波浪、水流及波流條件，對各種防護(hù)方案的適用性進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟性評價，試驗結(jié)果對冀東油田不同區(qū)域不同波流條件下如何選用合適的管道防沖刷措施有直接的參考價值。

2 方案介紹

8種防護(hù)方案中，回填碎石和砂袋防護(hù)方案穩(wěn)定性較弱，砂袋防護(hù)方案略強于回填碎石方案；仿生草方案中，與之配套的砂袋填充要優(yōu)于碎石填充方案，并且試驗中仿生草的鋪設(shè)密實程度對整體防護(hù)穩(wěn)定性有一定影響，特別是在波浪較強的區(qū)域；軟體排防護(hù)方案穩(wěn)定性較好，只要有足夠的防護(hù)塊體重量和防護(hù)范圍，就可以對管道起到較好的防護(hù)效果，且受填充物影響較小，可用于波浪、水流動力較強的區(qū)域；后挖溝治理則適用于長距離的海底管道治理手段，需要靠海水的淤合作用自然掩埋，整理治理時間較長。

8種試驗方案中，拋石防護(hù)方案穩(wěn)定性差，且施工難度大，不作推薦；考慮到仿生草防護(hù)和軟體排防護(hù)方案中對裸露懸空處均需拋填砂袋，故把仿生草防護(hù)與砂袋+仿生草防護(hù)方案合并，軟體排防護(hù)與砂袋+軟體排防護(hù)方案合并，總共對5種常見方案進(jìn)行經(jīng)濟評價與比選。

2.1 碎石回填

碎石回填斷面布置如圖1所示。碎石回填高度應(yīng)高出管頂0.5 m，穩(wěn)定邊坡1∶5，回填斷面頂寬3 m。

圖1 碎石回填斷面布置示意

2.2 砂袋回填

砂袋回填斷面布置如圖2所示。砂袋回填高度應(yīng)高出管頂0.5 m，砂袋水下堆放斜坡迎水面角度為30°，回填斷面頂寬2 m。

圖2 砂袋回填斷面布置示意

2.3 仿生草防護(hù)

仿生草回填斷面布置如圖3所示。仿生草鋪設(shè)寬度為10 m（單邊鋪設(shè)寬度為5 m），管道懸空處通過砂袋回填形成穩(wěn)定斷面后，再鋪設(shè)仿生草。端部采用拋砂袋及鋪設(shè)高強織布的方式進(jìn)行防護(hù)，兩側(cè)采用拋砂袋壓邊進(jìn)行防護(hù)。

圖3 仿生草回填斷面布置示意

2.4 軟體排防護(hù)

軟體排防護(hù)斷面如圖4所示，其中軟體排尺寸為3 m×8 m×0.3 m，由300 mm×300 mm的混凝土塊通過連接繩串聯(lián)而成。管道懸空處通過砂袋回填后，再在管道上鋪設(shè)軟體排。

圖4 軟體排防護(hù)斷面布置示意

2.5 后挖溝治理

后挖溝治理主要是利用水力噴射式挖溝機上安裝的高壓水泵提供動力，高壓水流沖刷海底管道兩側(cè)下部海床，破除海床土層或?qū)⑼馏w液化。在此過程中，高壓吸泥系統(tǒng)將挖溝過程中產(chǎn)生的泥沙吸走，從而在海底管道下方形成溝槽，海底管道可靠自重落入溝底，溝槽在自然海流及波浪的作用下自然淤合回填，從而將海底管道掩埋至海床面以下。

3 防護(hù)方案穩(wěn)定性試驗

依據(jù)南堡油田海域水沙運動特征，確定穩(wěn)定性試驗動力參數(shù)；通過波浪斷面模型試驗研究各種防護(hù)措施在不同波浪、水流及床沙條件下對海底管道的防護(hù)效果及其適用條件，提出適用于工程區(qū)域的合理有效的防護(hù)建議，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

5種方案中，仿生草防護(hù)和軟體排防護(hù)滿足波流作用下穩(wěn)定性要求[1-2]。在大流速水流及強浪作用下，仿生草前緣附近泥沙沖刷強烈。

當(dāng)水深為9.64 m和8.24 m時，在流、浪共同作用下，拋石防護(hù)斷面均有較好的穩(wěn)定性。當(dāng)在波高2.41 m、周期7.0 s的波浪與流速1.6 m/s的海流共同作用3 h后，防護(hù)斷面上部100 kg拋石護(hù)面部分發(fā)生滾落，防護(hù)斷面失穩(wěn)。當(dāng)水深為3.62 m時，在流、波浪單一作用下防護(hù)斷面可以保持穩(wěn)定，但是在波、流聯(lián)合作用3 h后防護(hù)失穩(wěn)。

砂袋防護(hù)方案保持穩(wěn)定所能承受的波、流共同作用的條件是最大流速1.2 m/s、最大波高1.91 m、平均波浪周期8.8 s；或者最大流速1.0 m/s、最大波高2.4 m、平均波浪周期8.8 s。

4 經(jīng)濟評價與比選

根據(jù)5種治理方案的使用條件和治理效果，對5種方案進(jìn)行具體分析，并對治理方案的綜合投資進(jìn)行了估算，進(jìn)行了優(yōu)選排序，結(jié)果見表1。

表1 治理方案經(jīng)濟評價與比選

根據(jù)本工程區(qū)域?qū)嶋H情況，建議在波高、流速較小的挖沙區(qū)域選擇碎石和砂袋防護(hù)方案；在波高、流速中等的區(qū)域采用仿生草防護(hù)方案，若波高較大，可考慮采用砂袋充填；在水深較淺、波高、流速均較大的區(qū)域可選擇軟體排的防護(hù)方案，若非立管附近的整段海底管道出現(xiàn)大范圍裸露或懸空，為保證整體管道的快速綜合治理，首次治理可以考慮后挖溝治理方法。

5 結(jié)論

防護(hù)方案經(jīng)濟評價與比選結(jié)果表明，對于裸露懸空管道的治理首選軟體排防護(hù)，其次為仿生草防護(hù)，砂袋防護(hù)和回填碎石防護(hù)只適用于搶險性的臨時修復(fù)，若治理海底管道段為非立管附近的直管段，且為首次治理，可優(yōu)先考慮后挖溝治理。