基于三維海床的海管路由設計技術

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計技術

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發(fā)，遠離海岸線的項目逐步增多，其海床的構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狀況復雜多變等困難，給海底管道的設計和鋪設等帶來很大挑戰(zhàn)。本文通過對三維數(shù)字化海床海管路由設計技術的探討，提出適用于海管設計階段的海管路由設計流程，最后通過南海某項目的實際路由，依據設計流程，結合三維可視化軟件Fledermaus和應力分析軟件Sageprofile完成該管道的路由設計。本文可為基于復雜地形和多變地質條件下的海管路由設計提供參考，為進一步開發(fā)南海深水項目打下基礎。

海底管道；路由設計；三維海床； Sageprofile

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)的基礎和保障，具備高投入、高風險和高收益等特點。海管路由設計是海管設計階段中的重要和關鍵一環(huán)，體現(xiàn)在海管的設計、鋪設、運營和維護的全壽命周期內，因此海底管道路由設計技術對海管的安全性和可靠性具有深遠影響。

過去幾十年，中國海上石油開發(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)域的共同特點是：海床總體較為平坦，地質相對較為簡單，因此以往海底管道設計中對于海床的判斷基本可以依靠路由調查方提供的水深圖、淺剖圖和物探圖，體現(xiàn)在設計文件中(如：平面路由圖)。

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

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

本文對三維數(shù)字化海床海管路由設計技術進行探討，為基于復雜地形和多變地質條件下的海管路由設計提供參考，為進一步開發(fā)南海深水項目打下基礎。

1 海管路由設計技術

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

1)管道系統(tǒng)不宜靠近無關的構筑物、其他管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等。確定其最小距離宜根據預期的位移、水動力效應和風險評估。當管道系統(tǒng)靠近其他構筑物、管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等時，要做詳細的路由研究，應考慮可能的位移、運動和其他風險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)管道應受到保護，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的裝載區(qū)內。可通過下列一種或聯(lián)合措施實現(xiàn)保護：混凝土涂層、埋設、覆蓋(如砂，石礫，墊子等)、其他機械保護。

海底管道在設計階段，會盡量按照直線進行規(guī)劃，以達到距離最短，材料最省和建造施工費用最少的目的，但往往在復雜地形條件下會在管道規(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，設計階段一般需要考慮因素如下：

1)最小水平彎曲半徑產生的彎曲應力滿足強度要求；

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大懸跨及額外彎曲；

4)優(yōu)化管道懸跨設計及施工方法；

5)考慮管道路由地質特證及其變化；

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行海管安裝及近平臺回接安裝；

9)考慮第三方安裝結構(如已存在管線及平臺)；

10)考慮安裝的可實施性和經濟性；

11)考慮管道運行階段的可操作性。

如進行曲線鋪設需要考慮管道在位后管道的彎曲應力，據此確定最小彎曲半徑，初步確定最小彎曲半徑時，可通過計算彎曲導致應力不超出許用應力的方法確定，最終還需要校核運行期實際彎曲半徑導致的荷載。管道引起的彎曲應力：

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度；η為安裝期彎曲應力許用系數(shù)，經驗值為0.1，需要結合管道在位受力確定。

當管道位于海床上時，需要考慮鋪設張力的影響，摩擦力應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,

因此考慮鋪設張力的最小彎曲半徑：

以上考慮鋪設張力的最小彎曲半徑實際應考慮一定的安全余量。

2 三維數(shù)字化海床技術

對于深水海域的海底管道，由于其長度都較長，涉及的地質數(shù)據也較多，與單一平臺或小區(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。地理信息往往來源于調查數(shù)據，調查數(shù)據根據不同的調查方式，調查數(shù)據格式不一樣，而設計方得到原始調查數(shù)據后，需要進行相應的評估和后處理工作，工作包括識別原始數(shù)據格式，處理原始數(shù)據等工作。目前對于數(shù)據處理已完成數(shù)字化，基本均可通過計算機完成，由于其出色的工作性能，對數(shù)據處理能力強大，因此省去大量人手處理的工作，同時對后續(xù)數(shù)據格式也可形成標準化。通過一系列工作后，形成三維數(shù)字化海床，供后續(xù)海管路由設計使用。

國外在海底管道設計和施工方面起步較早，在運營和維護等方面也積累了大量經驗。就路由設計方面而言，目前已經較為完善和成熟，在完成了許多海底管道項目(如挪威西海岸的ORMEN LANG氣田等)的同時，也取得了大量技術成果。在設計手段方面，一種是以Fledermaus和Abaqus等成熟的通用軟件為工具，開展相關設計工作；另一種則是以新開發(fā)的專業(yè)軟件為工具，開展路由設計工作，如Simla和Pipelay on-Board等。目前國外海管專業(yè)設計公司(如JP Kenny,Technip，Worley等)均已掌握基于復雜海床下三維可視化路由設計技術及相配套的軟件。

目前我國海管設計和施工的總體水平與國際先進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。這些海域的共同特點是，水深淺，海床較為平坦，地質較為簡單，同時風、浪和流等海況條件較好。這種狀況導致了國內海洋工程缺乏在大水深、復雜地形、多變地質條件和惡劣海況條件下路由設計經驗，也缺少相關技術積累。

如前所述，對于深水復雜地形的海管路由設計技術需要依靠三維數(shù)字化海床技術的實現(xiàn)，而三維數(shù)字化海床主要依賴于先進的可視化軟件，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, 其提供了先進的數(shù)據處理技術并通過計算機實現(xiàn)可視化，可根據路由調查方提供的水深數(shù)據還原海床的三維模型，并進行相應的數(shù)據處理，其中Fledermaus主程序有著較強的直觀表達能力，可能通過觀察管道在海床路由上的情況進行路由規(guī)劃及選擇(見圖1)；而Routerplanner模塊可實現(xiàn)管道路由的規(guī)劃及路由數(shù)據處理功能。

圖1 Fledermaus軟件應用界面Fig.1 Fledermaus Software′s GUI

3 海管路由設計流程

設計流程圖如圖2所示。

圖2 海管路由設計流程Fig.2 Subsea pipeline route design flow chart

4 算 例

4.1 項目介紹

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

該項目的總體布置如圖3所示。本文重點介紹位于2個海管終端間的6″海底管道。

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

6″海底管道的數(shù)據如表1所示。

表1 項目信息

4.2 海管平面路由初選階段

根據路由調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。

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)字化海床的過程中，由于原始數(shù)據由專業(yè)調查公司完成，其使用的軟件，調查的數(shù)據均會大大超越一般設計用戶處理的能力，往往會出現(xiàn)提供的原始數(shù)據文件數(shù)據量過大，已超過后期設計用戶的軟件處理能力。本項目路由調查方提供的路由數(shù)據文件較大，數(shù)據文件大小為1.6 G，對計算機及軟件處理合成能力要求非常高。雖然有專業(yè)處理軟件Fledermaus，但如要使用該軟件一次生成海床，往往無法成功，這并不是計算機內存問題，而是軟件的問題。為此，通過如下的三維數(shù)字化海床建模方法，可以解決這一問題：

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

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生成SCALAR的SD文件，即標量文件，并不直接生成三維海床，而是生成一個平面，但每個點帶水深數(shù)據，這樣將大大降低SD文件的大?。?/p>

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

4)通過模塊DMAGIC導入該SD文件，并對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)據文件；

通過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，且過程直觀，本項目的三維數(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)據導入，生成海管的三維海床路由示意圖(見圖6)，通過該示意圖，直觀地發(fā)現(xiàn)在KP5.343處經歷一個高坡，可以通過調整路由以避開高坡。

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

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

圖7 海底管道設計路由水深圖Fig.7 Subsea pipeline route water depth diagram

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

4.4 海管在位結構分析結果

1)最小彎曲半徑確定

根據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

根據前述導入的海床數(shù)據，管道位于海床上的其他荷載包括介質溫度、內壓和外壓、鋪設剩余張力、波浪影響、海流影響等。

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

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

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

通過以上結果可看出，安裝期各個區(qū)域的詳細懸跨長度。比對許用懸跨長度的結果，可直觀地得到所需要處理的懸跨數(shù)量，根據此結果進行相應的懸跨處理方案編制；安裝期管道應力最大值為320MPa,小于許用應力324MPa，滿足要求。同時還需要校核其他工況(如水壓工況和運行工況)的受力狀態(tài)。

5 結 語

通過以上基于三維海床的海底路由設計技術探討，可得出以下結論：

1)對于南海遠離海岸線的海床，目前了解到其存在地形條件復雜的特點，設計階段對管道路由應重視；

2)本文提出的路由設計技術流程可作為后續(xù)路由設計技術的參考；

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

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

5)對于復雜地形條件的項目可使用三維可視化軟件作為輔助，從而提高設計效率和精度，更直觀地完成海床三維的建模工作；

6)管道鋪設后應盡快獲取管道鋪設的路由數(shù)據，使用三維可視化軟件，通過已鋪設管道路由數(shù)據重新復核管道位于海床上的懸跨情況和受力狀態(tài)，以校核是否滿足設計規(guī)范的要求。

我國南海在遠離岸線的海域，海床存在不同于淺水項目的地質條件，對于該特殊地質條件對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計中給予重點考慮，并且需要加強這種海床的資料收集和前期分析；加強三維數(shù)字化海床技術和復雜海床條件下海底管道路由設計技術分析的開發(fā)，為海底管道設計和管道完整性提供更完備的基礎。

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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

國家科技重大專項“深水鋪管起重船及配套工程技術(十二五)”資助項目(2011ZX05027-002)

馮現(xiàn)洪(1979-)，男，工程師，主要從事海底管道設計工作。

U674.38+1

A

1672-7649(2014)03-0116-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.024