仿生防冲刷系统在埕岛油田中的应用_刘锦昆

　第23卷第6期2008年12月

中国海洋平台CHI NA O FFS HO RE PL A T FO RM V ol .23N o .6Dec .,2008

收稿日期:2008-08-01作者简介:刘锦昆(1967-),男,高级工程师,从事海洋结构工程研究、设计及管理工作。

文章编号:1001-4500(2008)06-0036-03仿生防冲刷系统在埕岛油田中的应用

刘锦昆,　张宗峰

(胜利工程设计咨询有限公司,东营257026)

摘　要:介绍了海底仿生防冲刷保护该系统的特点、防冲刷作用机理以及应用效果,为河流及海底管线的

防护提供参考。

关键词:仿生防冲刷保护;海底管线;粘滞阻尼;冲刷机理

中图分类号:T B17 文献标识码:A

APPLICATION OF BIONIC SC OUR PREVENTION

SYSTEM IN CHENGDAO OFFSH ORE OIL -FIELD

LIU Jin -kun ,　ZHANG Zong -feng

(Sheng li Engineering &Consulting Company Ltd .,Do ngy ing 257026,China )

Abstract :This paper introduces the cha racteristics of the subsea bio nic scour preventio n

sy stem ,the m echanism of anti -scour and its application effect ,which provides the reference to

the pro tection o f the riv er and subsea pipelines .

Key words :bio nic scour preventio n sy stem ;subsea pipeline ;visco sity resistance ;

mechanism of scour

埕岛油田自开发以来,已建成海底输油、输气、注水管道110条,海底管线总长达177km 。这些复杂的海底管网肩负着埕岛油田原油外输及油田注水的重要使命。埕岛油田地处黄河口滩海交界地带,场区海洋动力、浅层工程地质、海底动力地貌等十分复杂,造成该海区大面积区域冲刷,特别是在平台附近,由于平台存在引起的局部冲刷,造成海底管道立管底部附近出现悬空现象。这种现象还在进一步加剧中,严重危害到埕岛油田的产能建设及生产安全。

海底管道悬空治理方法在探索中日趋完善。2001年～2004年之间,先后对20多条海底管道的悬空安全隐患进行了治理,在管道两端平台附近采用水下桩支撑,有效保护了管线最薄弱的环节———立管部分。但根据最新的探摸资料,在已治理的管线上,水下桩保护之外也出现悬空范围扩展,这种悬空现状,对海底管道安全存在极大的隐患,一旦海管泄漏将造成重大经济损失,急需治理。

多年来,海底冲刷及其冲刷保护与控制技术一直是各国海洋工程领域亟需解决的重要研究课题之一。海底仿生防冲刷保护系统,是基于海洋仿生学原理而开发研制的一种海底防冲刷的高新技术措施。仿生水草采用耐海水浸泡且抗长期冲刷的新型高分子材料加工而成,通过安装基垫由海底锚固装置固定于海底。通过仿生海草的粘滞阻尼作用,降低海流流速,防止海流冲刷,促进泥沙淤积,从而达到埋管的目的。1　仿生系统防冲刷作用机理

1.1　海底冲刷及其防护措施

在海洋工程中,由于波浪、水流的作用而造成海洋结构物底部及其附近海床的泥沙运动,即为海底冲刷

现象。根据海洋冲刷动力学原理分析,海底冲刷的形成,主要是由于海洋结构物安装在海底之后,打破了原有水下流场的平衡,引起局部水流速度加快,使正常流动的水流形成一定的压力梯度并构成对海底剪切力的原因,同时,海洋结构物的出现还改变了水流的方向,使之产生湍流和漩涡,更加速了冲刷作用(图1)。海底冲刷对海洋结构物的安全造成很大的威胁,在北美墨西哥湾和欧洲北海油气资源开发过程中,就有不少因海洋冲刷而造成海洋结构物损坏的事故实例。

1.2　海底防冲刷仿生技术的基本原理

海底防冲刷保护系统,是基于海洋仿生学原理而开发研制的一种海底防冲刷的高新技术措施。仿生海底防冲刷技术是由采用耐海水浸泡、抗长期冲刷的新型高分子材料加工且符合海洋抗冲刷流体力学原理的仿生海草、仿生海草安装基垫、特殊设计的海底锚固装置,以及专用水下液压工具等组成的。从作用机理来看,当仿生海草及其安装基垫被可靠地锚固在海底需要防止或控制冲刷的预定位置之后,海底水流经过这一片仿生海草时,由于受到仿生海草的柔性粘滞阻尼作用,流速得以降低,减缓了水流对海床的冲刷能力;同时,由于流速的降低和仿生海草的阻碍,促使水流中夹带的泥沙在重力作用下不断地沉积到仿生海草安装基垫上,逐渐形成一个被仿海生物加强了的海底沙洲,从而控制了海底结构物附近海床冲刷的形成(图2)

。2　海底防冲刷仿生技术的特点

工程实践表明,与海洋工程领域其他常规海底防冲刷措施(比如:水下抛石、沙包堆垒、混凝土沉排垫等)相比,仿生海底防冲刷技术具有如下优点:

(1)仿生防冲刷系统原理先进但结构简单,采用先进的高科技装备和手段,确保了能够有针对性地将仿生防冲刷系统准确地安装到需要保护的海底位置,海上施工所需的辅助船舶和装备相对较少,仿生防冲刷系统安装到位后,几乎迅即产生作用,抑制海底冲刷。(2)水中淤积的泥沙通过软质基垫与海底结构物接触,不会出现硬性碰撞或损伤;随着时间的延续,在海底逐渐形成由高分子材料加强且完全与海床融合为一体的沙洲,这种海底沙洲的存在不会影响海洋生物的生长,符合海洋环境保护要求。(3)水中泥沙在沉积过程中,通过柔性仿海生物端部的自然摆动,形成相当密实的泥沙层;海上施工费用远低于其他传统防冲刷措施,而且仅需一次投资,不必后继保养。

不过海底仿生系统在进行海底管线立管悬空治理时也存在水下作业量较大,海上施工受气候影响大以及仿生水草的制造专营性强,成本高等问题。

3　海底防冲刷仿生系统的应用

仿生草的应用在1996年得到众多官方机构的许可,如英国农业渔业部、美国农牧渔工程局等,认为其是环境许可的,仿冲刷沙坝的形成使沙坝自然和海床形成一体,对海洋植物和鱼类没有负面影响。

结合对流体特性、加工制造和水下施工等多方面的综合考虑,仿生海底防冲刷系统目前设计的基垫尺寸为:宽度5m ,长度2.5m 、5m 、7.5m 和10m 等系列,仿海生物的高度及其锚固设计则视防冲刷需要而定。

3.1　导管架防冲刷应用方案

根据埕岛油田海域采油平台的环境及结构特点,利用仿生防冲刷保护系统对于采油平台导管架进行海底桩基冲刷防护和控制,可采取图3所示的方式进行布置。

·37·第6期 刘锦昆等　仿生防冲刷系统在埕岛油田中的应用