埕岛油田海底管线悬空治理探索_文世鹏

１８
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｓ ＵＰ ＥＲＶＩＳ ＩＯＮ ＩＮ Ｐ ＥＴＲＯＬＥＵＭ ＩＮＤＵＳ ＴＲＹ
石油工业技术监督·２００８ 年 ４７ 月
研究与探讨
湾 某 工 程 中 使 用 一 周 、一 个 月 、三 个 月 、半 年 及 一 年 后的效果照片。 １ 海底防冲刷仿生技术
海底防冲刷仿生技术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。海底仿生 防冲刷系统是由仿生海草、仿生海草安装基垫、特殊 设计的海底锚固装置及专用水下液压工具等组成。 仿 生 海 草 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。
１７
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｓ ＵＰ ＥＲＶＩＳ ＩＯＮ ＩＮ Ｐ ＥＴＲＯＬＥＵＭ ＩＮＤＵＳ ＴＲＹ
研究与探讨
石油工业技术监督·２００８ 年 ４７ 月
线下面最大可能冲刷深度达到 ０．７２ｍ。该原因引起 的悬空更多体现在距立管底部一定距离外。 ３ 海床侵蚀引起的大面积冲刷
由于埕岛油田特殊的海洋及海底地质条件， 本 海 区 处 于 不 稳 定 的 冲 淤 状 态 。 根 据 飞 雁 滩 １９７６－ ２０００ 年 ２４ 年断面测量， ５ｍ 等深线平均每年蚀退距 离达 ０．１９ｋｍ， 海床蚀深 １２．６ｃｍ／ａ； １０ｍ 等深线每年 蚀退距离达 ０．１０ｋｍ， 海床蚀深 ４．７ｃｍ／ａ。海床调整的 冲淤平衡点大致在 １２～１５ｍ 水深处， 在平衡点以上 为侵蚀区， 在平衡点以下为淤积区， 这种剖面调整状 态目前尚未有转缓的迹象。对于 １０ｍ 水深处， 在海 管设计寿命 １５ 年内， 海床整体冲刷深度可达 ０．７ｍ。 由于该原因引起的海底管线淘空体现在整条海底管 线。 ４ 海底不稳定性引起的冲刷
前言
从 １９７５ 年开始勘探， １９８８ 年钻探了第一口探 井— ——埕北 １２ 井， 喜获良好的工业油流， 从而发现 了埕岛油田， 现已探明储量 ４１ ６６７．５ 亿 ｔ。埕岛油田 经过几年的开发建设， 到 １９９９ 年已建成为 ２００ 万 ｔ 级的浅海大油田， 目前已连续 ９ 年保持在 ２００ 万 ｔ 以上的水平。
鉴于以上各方法应用过程中出现的问题和存在 的局限性， 为更好的治理管线悬空， 在总结多年来治 理管线悬空所采用的各种方法的基础上， 结合国外 这方面的经验， ２００６ 年埕岛油田又引进了一项新的 海底管线悬空治理技术— ——防冲刷仿生海草防护技 术。
仿生海草在 １９９６ 年得到众多官方机构的许可： 认为其是环境许可的， 防冲刷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。现在已有 ３０ 多个国际知名的海洋石油和天然气公司使用 了 该技术， 并取得良好的效果。图 １ 是该技 Nhomakorabea在墨西哥
海底不稳定性的表现是海底表层土壤在大浪作 用下发生滑移坍塌， 当表层土为粉砂时， 在暴风浪作 用下， 土壤发生液化而使土壤抗剪强度降低， 从而可 能造成海床一定范围内的下降。 ５ 其他因素
其他因素包括： 立管支撑结构的周期性振动； 施 工时由于受到设备、平台位置等的限制， 管线在平台 附近的埋深小于设计所要求的埋深。
（ ２） 仿生草材质： 仿生草是经过抗紫外线处理， 具有抗紫外线老化能力的聚丙烯纤维， 有很强的抗 化学腐蚀特性。纤维细度 ３５０ｍ／ｋｇ。
（ ３） 仿生草强度标准： 每条仿生浮草承受强度为 ６８１～１ １８１Ｎ 的拉力。
（ ４） 仿生草长度标准： 仿生草平均标准长度为 １．２５ｍ， 最短 ０．６２５ｍ， 最长 １．８７５ｍ。
海底管线悬空原因
经过对海底管线悬空问题研究和讨论， 发现海 底管线悬空与其周围存在强烈冲刷有直接的关系， 引起冲刷的原因分析起来大致有以下几方面。 １ 建筑物存在形成的局部冲刷
造成该冲刷的原因是由于建筑物的存在而在局 部范围内发生强化的水流或高速旋转的涡流， 这些 水流或涡流具有较高的冲刷（ 挟带泥沙） 能力， 从而 在局部范围内形成冲刷坑。冲刷坑范围与深度往往 与建筑物尺寸有直接关系， 建筑物的尺寸越大， 冲刷 坑的范围与深度就越大。经初步理论分析， 对于 Φ１ ６００ 立管桩， 最大局部冲刷深度达 ２．０ｍ。该原因 引起的冲刷更多的体现在 立 管 桩 底 部 ４．０～５．０ｍ 的 范围内。 ２ 水平管线下面的冲刷
（ １） 仿生草垫标准类型尺寸：Ｔ１２ 型： ５．０ｍ×２．５ｍ， 地锚 ８ 个， 重 １００ｋｇ， 压载面积 ５．８ｍ×０．３５ｍ。Ｔ２５ 型： ５．０ｍ×５．０ｍ， 地 锚 １６ 个 ， 重 １４０ｋｇ， 压 载 面 积 ５．８ｍ× ０．５ｍ。Ｔ３０ 型： ７．５ｍ×５．０ｍ， 地锚 ２４ 个， 重 １８０ｋｇ，压载 面积 ５．８ｍ×０．５５ｍ。
３ 海底防冲刷仿生技术的特点 实践证明， 与海洋工程领域其它海底防冲刷技
沿海底悬空管线设水下短桩， 为悬空管线提供 支承支架， 缩短管线悬空长度， 以减小横向和纵向 振动幅度， 达到对管线悬空的治理。该方案在多个工 程上进行了实施， 较为成熟， 但随后的探摸发现由 于水下支撑桩的存在成为新的海底结构物， 加剧了 该处管线的冲刷， 进一步加大了海底管线悬空的程 度。
海底管线防冲刷仿生海草新技术
２００４ 年， 对埕岛油田 ６１ 条海底管线两端立管
和靠近立管的水平管段进行了系统的探摸调查， 发 现其中仅有 ５ 条管线未被冲刷悬空， 仅占 ８％， 其他 管道悬空平均高度值为 １．３３ｍ， 最大值为 ２．５ｍ， 其 中≥２ｍ 的 有 １６ 根 ， 占 ２６％， ≥１ｍ 的 有 ４８ 根 ， 占 ７９％； 从 悬 空 长 度 来 统 计 ， 平 均 悬 空 长 度 为 １５．１ｍ， 最大 ６０ｍ， 其中≥２０ｍ 的为 ２２ 根， 占 ３６％， ≥１０ｍ 的 有 ４３ 根， 占 ７０％。
石油工业技术监督·２００８ 年 ４７ 月
研究与探讨
埕岛油田海底管线悬空治理探索
文世鹏 吴 敏 王西岗
胜利油田分公司 海洋采油厂 （ 山东 东营 ２５７２３７）
摘 要 根据海底管线调查资料， 对埕岛油田海底管线悬空情况进行了介绍， 分析了造成海底管线悬空的原因， 对治理海底管 线悬空探索与实践过程中的各种方法进行了描述， 并重点对海底防冲刷仿生技术进行了阐述。 关键词 海底管线 冲刷机理 悬空治理 海底防冲刷仿生技术 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｄａｔａ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ， ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆｆｅｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈａｎｇｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎ Ｃｈｅｎｄａｏ ｏｉｌｆｉｅｌｄ． Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘ－ ｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｈａｎｇｉｎｇ ｐｉｐｅ， ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｉｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ａｎｔｉ－ ｓｃｏｕｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ； ｓｃｏｕｒ ｔｈｅｏｒｙ； ｈａｎｇｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ａｎｔｉ－ ｓｃｏｕｒ
放置在海床面上管线的冲刷开始于管线与海床 面之间出现的水流隧道。对于部分埋置的管线来说， 在管线与海床面之间形成水流隧道， 海水流过水流 隧道时， 在水流隧道内即海底管线前后形成一定的 压差， 使管线下的海水流速大于管线附近正常的海 水行进流速， 从而引起管线下面的冲刷。根据初步的 分析， 对于 Φ４２６ 海底管线， 考虑波流共同作用， 管
在立管与水平管之间跨接一定长度 （一般 ２５～ ３０ｍ）的挠性软管， 挠性软管的具体规格根据海底管 线规格确定。为提高其连接的可靠性， 挠性软管与两 端钢管仍采用水面以上焊接的方式， 并在两端设有 挠性软管保护结构。因为软管具有挠性， 在铺设时可 随地形的变化而变化， 不会产生悬空现象， 且经过破 坏试验验证， 该挠性软管具有很好的抵抗疲劳破坏 的特性， 排除了在管线运行过程中由于振动等原因 产生疲劳， 以致破坏的可能。该方案可靠性高， 立管 结构简单， 挠性软管兼作海管的膨胀补偿装置， 施工 简便， 施工速度比常规立管要快， 但抵御意外风险能 力较弱， 目前在埕岛油田海底注水管线工程上广泛 应用。 ４ 水下支撑固定法
（ ５） 仿生草垫制造标准： 草垫不准使用成块的仿 生草制作， 是先将仿生草固定， 再用机器缝制而 成。
（ ６） 安装标准： 仿生草垫牢固地被锚固在海底， 应无松动现象； 仿生草应覆盖所有悬空管段， 且立刻 起到防冲刷作用。 ２ 作用机理
当海底水流流经仿生海草时， 由于受到仿生海 草的柔性黏滞阻尼作用， 流速得以降低， 减缓了水流 对海床的冲刷作用； 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， 逐渐形成一个被仿生海草加强了的海底 沙洲， 从而控制了海底管线附近海床冲刷的形成， 从 而达到最终的埋管目的（ 图 ２） 。
先在悬空管线及其周围一定范围内（ 主要指立 管周围明显的海底冲刷坑内） 抛填施工前已备好的
砂袋， 在抛填砂袋的过程中潜水员对砂袋进行整理， 保证悬空立管底部填满砂袋， 以支撑管线， 并将悬空 管线按照设计要求埋好。然后， 在砂袋上面铺好土工 布 。最后， 再次抛砂袋到土工布上， 潜水员对抛下的 砂袋进行整理， 确保砂袋很好的就位到土工布上。该 方法中， 土工布依靠压其上面的砂袋重力进行就位， 且因土工布不具备促淤作用， 在海流的长期冲刷下 土工布被破坏的几率较大， 管线有再次形成悬空的 可能。 ３ 挠性软管跨接法
埕岛油田所在埕岛海域位于黄河三角洲前缘、 渤海湾中东部南岸的极浅海海域， 是黄河三角洲最 突 出 于 渤 海 的 沿 岸 部 分 。 该 海 域 海 况 特 征 、浅 层 地 质条件以及海底松软沉积物变形情况都十分复杂， 而且随着埕岛油田的发展， 海上构筑物日益增多， 再 加 上 为 了 保 护 黄 河 海 港 、桩 西 油 田 和 孤 东 油 田 建 起 ５０ 多千米的防潮堤， 改变了该海域原来的海洋动力 环境， 使海洋动力局部加强， 泥沙运动活跃， 造 成了埕岛油田运行中的海底管线立管处及靠平台段 出现不同程度的悬空现象， 严重影响了海底管线的 安全运行。为了维护海上原油的安全生产和保护海 洋环境， 对海底管线悬空治理进行了不断探索与实 践。
实际上， 海底管线的悬空高度和悬空长度是在 以上因素的联合作用下发生的， 单从理论上很难确 定出具体的数值。因此， 在进行海底管线悬空治理 研究时， 仍主要根据实测进行。
海底管线悬空治理
针对海底管线存在的悬空问题， 曾先后采用抛 填砂袋法、土工布法、挠性软管跨接法及水下支撑固 定法等几种方法进行了治理。下面对各种悬空治理 方法分别进行描述。 １ 抛填砂袋法
埕岛油田海底管线悬空情况
随着埕岛海上油田的开发建设， 从 １９９４ 年自行 研究，铺设海底管线至今， 已建成管径大小不一的海 底 输 油 管 线 ８０ 条 ， 注 水 管 线 ４２ 条 ， 累 计 长 度 超 过 １６０ｋｍ。 结 合 对 运 行 中 海 底 管 线 在 位 情 况 历 次 探 摸 的资料可以发现， 随着时间的推移， 海底管线的悬空 高度和悬空长度均越来越大。
先在悬空管线及其周围一定范围内（ 主要指立 管周围明显的海底冲刷坑内） 抛填施工前已备好的 砂袋， 在抛填砂袋的过程中要由潜水员对砂袋进行 整理， 保证悬空立管底部填满砂袋， 以支撑管线； 再 在管线上面继续堆放砂袋， 使管线的埋深达到设计 要求。该方案是最早采用的一种治理方案， 只能机 械防冲刷， 存在二次冲刷的现象。 ２ 土工布法