呂偉俊，王 磊，王艷濤，樊 華，李海鯨

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

導管架安裝是海上油田開發(fā)中非常重要和關鍵的一步，導管架安裝時經常遇到海床面不平整的難題，如何有效對海床進行平整處理成為制約導管架是否成功安裝的關鍵因素。在海床處理實踐中，非接觸挖溝技術是一種較為成熟且效果不錯的工藝[1-5]。本文以某導管架安裝場址處理為例對非接觸挖溝技術進行分析。

1 工程概況

南海某油田導管架安裝場址經專業(yè)公司調查顯示場址海床面高度差達到2.2 m，水深約70 m。為了保證導管架安裝對海床平整度的要求，需要對該導管架安裝場址進行處理。經本項目設計人員計算，在導管架下部安裝高度不同的兩塊防沉板，只對水深較深的防沉板區(qū)域海床進行處理，處理后目標區(qū)域標高為水深69.4 m。以該導管架安裝區(qū)域水深69.4 m等深線為分界面，水深大于69.4 m區(qū)域不進行處理，水深小于69.4 m區(qū)域進行處理，處理區(qū)域形狀類似一直角三角形，兩直角邊的長度分別為44 m和15.5 m，處理后海床區(qū)域水深控制在69.65m±0.25 m。海床處理區(qū)域如圖1所示。

圖1 導管架安裝場址水深和處理海床區(qū)域示意

2 非接觸挖溝技術

2.1 非接觸挖溝機

本次海床處理作業(yè)主要采用非接觸挖溝機搭載3臺軸流泵，噴射大流量水流對海床進行沖刷，達到處理目的。軸流泵流量為10 000 m3/h，揚程為5.5 m，通過作業(yè)船上的臍帶纜絞車供電。另外，在挖溝機本體結構中部安裝有姿態(tài)傳感器，用于監(jiān)控挖溝機在水下的姿態(tài)，能有效顯示挖溝機水下左右橫傾和前后縱傾狀態(tài)。作業(yè)時通過作業(yè)船的勻速移動控制挖溝機的移位，從而完成海床處理作業(yè)。

原非接觸挖溝機只有3個噴沖口，主要適用于海管和海纜的后挖溝作業(yè)，要滿足本項目對海床平整處理的嚴格要求還需要對軸流泵噴沖口進行改造，為此制作一個軸流泵噴沖水箱（見圖2），該水箱噴口設計采用“花灑”式多個噴嘴，這樣在作業(yè)時可以有效控制挖溝機的吹掃范圍和深度；另外在施工時可以通過實時三維多波束聲吶技術進行地貌成像，實現(xiàn)吹掃精度精準控制。

圖2 軸流泵噴沖水箱示意

2.2 花灑式噴嘴的設計與應用

2.2.1 花灑式噴嘴數(shù)量

根據(jù)以往施工經驗，本項目軸流泵噴沖水箱采用φ10 in變φ 8 in（1 in=25.4 mm） 變徑噴嘴，這種“花灑”式噴嘴改變了以往挖溝機只有3個大流量出水口的噴沖方式，有效控制了吹掃作業(yè)時挖溝機的吹掃深度，所需噴嘴數(shù)量計算式如下：

式中：q為水箱單位時間噴沖總流量，m3/s，3臺流量10 000 m3/h軸流泵總的水流量為30 000 m3，則q=30 000/3 600=8.33 m3/s；s為噴嘴出水口面積，m2，s=πd2/4，d為噴嘴口直徑，m，取8 in，得s=0.032 m2；v2為軸流泵噴沖水箱出水口的水流速度，m/s。

根據(jù)伯努利方程：

式中：p1、p2分別為軸流泵噴沖水箱的進、出水口壓力，Pa；v1、v2為軸流泵噴沖水箱進、出水口的水流速度，m/s；h1、h2為軸流泵噴沖水箱進、出水口處的高度，m；ρ為水的密度，1 000 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

由于水箱高度較小，可認為h1=h2，根據(jù)一般經驗，取v1=0。這樣上式變?yōu)椋簆1與p2的差值近似為泵的揚程對應的水壓，泵的揚程為5.5 m，對應的水壓約為55 000 Pa。將數(shù)值代入式（3），得：55 000=1/2×v2=10.48 m/s。

將以上數(shù)值代入式（1）得：

n=8.33/（0.032×10.48）≈24

因此水箱下變徑噴嘴的數(shù)量為24個。

2.2.2 噴嘴與海床的工作距離

通過ANSYS Fluent軟件對水箱噴嘴流量和剪切應力進行分析，噴嘴與海床的距離不同，對應的剪切應力平均值不同，如表1所示。

表1 不同距離下噴嘴對海床的平均剪切應力

從表1可以看出噴嘴距海床越近，其剪切應力越大。本次海床處理區(qū)域的土壤剪切應力最大為15 kPa，而計算得出，當噴嘴距離海床面2.72 m時，其剪切應力為15 kPa，因此在施工時控制挖溝機噴嘴距海床高度盡量保持在2.72 m以內即可。

2.3 三維聲吶系統(tǒng)輔助施工

為了實現(xiàn)在吹掃過程中對海床面高度的實時監(jiān)測，應用實時三維多波束聲吶進行輔助施工，對地貌進行實時成像，實現(xiàn)吹掃效果實時監(jiān)測。三維多波束聲吶的主要技術指標見表2。

在場址處理作業(yè)前，首先使用三維聲吶對導管架所處區(qū)域進行水深掃測，記錄好水深數(shù)據(jù)。由于在三維聲吶上不同水深顯示的顏色不同，因此選取導管架安裝區(qū)域里的一處水深合格且無需處理的海床面作為參考海床，見圖3。參考區(qū)域海床高度取若干點，其對應水深為-69.51～69.90 m，見表3，選取參考海床目的是在處理過程中將處理區(qū)域的水深顏色與參考區(qū)域水深顏色進行實時對比，根據(jù)水深顏色對比即可初步判斷處理效果，據(jù)此調節(jié)吹掃速度和挖溝機離地高度，以便更好地實現(xiàn)區(qū)域處理。

表2 某三維聲吶技術指標

圖3 海底面取點測量水深截圖

海床處理完成后通過水深測量最終確定處理的效果是否滿足要求。場址處理完成后對處理區(qū)域的海床高度同樣取若干點進行測量，對應水深為-69.55～-69.83 m，見表4，處理后的海床取點區(qū)域見圖3。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以判斷處理后的海床高度滿足導管架安裝要求，海床處理施工圓滿完成。

表3 參考海床區(qū)域各點水深

表4 處理區(qū)域各點水深

3 結束語

實踐表明，采用非接觸挖溝技術可以有效處理海床的不平整度，從而滿足導管架的安裝要求。本技術成本低，工期短，效果顯著，可以廣泛應用于類似的海床平整、海床處理等作業(yè)項目。