埕島海域平臺周圍懸跨海底管線仿生草治理效果研究

崔 華，曹立華，陳義蘭，劉 臻，黃 牧

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

埕島海域平臺周圍懸跨海底管線仿生草治理效果研究

崔 華1，曹立華1，陳義蘭2，劉 臻1，黃 牧2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

埕島海域平臺周圍管線懸跨問題突出，近幾年來，普遍采用仿生草技術(shù)進行治理。通過對實測資料的解譯和統(tǒng)計，對仿生草的治理效果進行研究，結(jié)果表明：最近幾年所調(diào)查的22個平臺端中，18個平臺端有明顯泥沙淤積現(xiàn)象，泥沙淤積厚度為 0～1 m，海底管線部分或全部被重新埋藏；19個平臺端在樁腳處渦流區(qū)仍存在管線裸露或懸跨現(xiàn)象；仿生草的治理效果受管線走向和潮流方向的影響，與潮流方向一致或與潮流方向夾角較小(<40°)的海底管線，治理效果良好。

埕島海域；管線懸跨；仿生草；治理效果

埕島勝利油田是我國極淺海域投入開發(fā)的第一個年產(chǎn)量超過200萬噸級的大油田[1]。自1993年建成投產(chǎn)之后，海上石油平臺林立，海底管線縱橫交錯，至今已有海底輸油管線和注水管線共計100余條。近幾年來，對勝利油田的調(diào)查資料顯示，埕島海域平臺周圍沖刷嚴重，管線懸跨問題突出[2]。研究表明,海底管線一旦出現(xiàn)懸跨，在各種水動力因素的聯(lián)合作用下很容易發(fā)生渦激振動，很可能在短時間內(nèi)發(fā)生斷裂、損毀，危害海洋生態(tài)環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟損失[3]。

早在20世紀80年代中期國外就已經(jīng)開始開發(fā)仿生草技術(shù)。1984年夏天，英國率先在北海的一條裸露海底管線周圍鋪設(shè)仿生草，一年半后對這條管線進行勘查，發(fā)現(xiàn)這條管線已經(jīng)重新被沉積物完全覆蓋，成為世界上運用仿生草技術(shù)成功的第一例[4]。1996年，英國農(nóng)業(yè)漁業(yè)部、美國農(nóng)牧漁工程局等官方機構(gòu)批準了仿生草技術(shù)的應(yīng)用，認為其是對海洋植物和魚類沒有任何負面影響的環(huán)保技術(shù)[2]。

國內(nèi)學(xué)者焦如義在1997年首先提出了用仿生草技術(shù)來處理海底懸跨管線的思路，分析了仿生草技術(shù)的應(yīng)用范圍和優(yōu)點，認為仿生草技術(shù)在我國具有廣闊的發(fā)展前景[4]。李士清等[5]通過實驗建立了仿生草鋪設(shè)后海床底面的剪應(yīng)力計算公式，并結(jié)合新灘油田海床沖刷的實際情況，闡明仿生草鋪設(shè)后可以起到降低底床剪應(yīng)力，促進泥沙淤積的作用。呂明春[6]分析了傳統(tǒng)的海底管線治理方法所存在的弊端，認為仿生草技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢。劉錦昆、文世鵬和莊麗華等[2，7-8]對埕島海域的仿生草治理效果研究表明，仿生草可以降低水流流速、減緩海床沖刷，對海底管線保護效果顯著。梁富浩等[9]認為采用拋填沙袋與鋪設(shè)仿生草相結(jié)合的辦法，可以起到永久性的防沖刷效果。

自2006年開始，采用拋填沙袋和鋪設(shè)仿生草相結(jié)合的方法對勝利油田平臺周圍的懸跨海底管線進行治理。本文根據(jù)最近幾年的治理效果檢測資料，對埕島海域平臺周圍懸跨海底管線仿生草治理效果進行了初步研究。

1 區(qū)域概況

埕島海域位于黃河三角洲東北部突出渤海的陸海過渡區(qū)，其中部和東北部延伸入渤海，東南部延伸入萊州灣，西部延伸入渤海灣，是黃河三角洲最突出于渤海的沿岸部分[10](圖1)。該海域的地形平緩，潮間帶寬廣，海岸線曲折復(fù)雜，水深范圍為2～18 m，是勝利油田海上采油的主力區(qū)塊。

歷史上黃河在這一帶曾多次改道，三角洲淤積和蝕退交替進行，使得該海域的地層沉積結(jié)構(gòu)特征非常復(fù)雜[11]。自1976年黃河改道清水溝流路以來，黃河三角洲的沉積物來源斷絕。在波浪、潮流等水動力的侵蝕作用下，水下岸坡開始了由淤積向蝕退轉(zhuǎn)換的時期，海底表層沉積地貌單元逐漸變?yōu)檩^單一的以粉質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主的沉積物類型[12]。

黃河中游流經(jīng)黃土高原，攜帶了大量的黃土入海，導(dǎo)致黃河三角洲的年輸沙量居高不下，海水中懸浮泥沙的濃度很高。懸浮泥沙的組成以粉砂為主，占74.63%～87.09%;其次為黏土，占12.53%～25.37%[13]。

埕島海域東臨萊州灣，北接渤海，是一個比較封閉的海域，不容易受外來波浪的影響，大多都是風(fēng)成浪。埕島海域潮流的運動形式為往復(fù)流，受到地形制約，流向大致平行于海岸線，漲潮流和落潮流的方向分別為ESE(約110°)和WNW(約290°)。近岸的流速小，向外海方向流速增加，等深線10～15 m是潮流流速最大的區(qū)域。由于受海底復(fù)雜地形的影響，水深變化明顯，潮流流速通常較大，最大可以達到1.4 m/s[14]。

圖1 埕島海域區(qū)域位置圖

2 平臺周圍海底管線懸跨原因分析

近幾年來，隨著油田的開發(fā)，埕島海域的近海人工構(gòu)筑物迅速增加，各種各樣的海洋平臺工程也隨之增加。其海上采油人工構(gòu)筑物的建設(shè)方式主要為樁基導(dǎo)管架方式。群樁的存在影響了此區(qū)域原來的水動力場，周圍海底水深地形也相應(yīng)發(fā)生變化調(diào)整。

平臺建立之后，樁柱的存在改變了周圍的水動力流場，容易形成漩渦，使作用于海床底面上的剪切應(yīng)力增加，泥沙更容易起動，被水流攜帶沖蝕掉，導(dǎo)致樁柱周圍出現(xiàn)沖刷凹坑[15]。仲德林和劉建立分析認為，井組平臺建立后，波浪、潮流等水動力對平臺底部基礎(chǔ)的沖刷是必然的，平臺的樁柱周圍海底沖刷深度可達2.5～3.0 m，在海底表層松軟區(qū)，平臺底部沖刷坑可達3.0～3.5 m，平臺附近50 m范圍內(nèi)將逐漸形成以平臺為中心的低洼盆式地形[16]。

以CB25C平臺為例(圖2)，平臺建立之后，周圍水深變化明顯，沖刷凹坑迅速形成，深度和范圍迅速擴大。達到一定程度之后，侵蝕速度變小，趨于一種平衡狀態(tài)。平臺周圍沖刷深度2.0～2.3 m，沖刷凹坑直徑至少100 m。

由樁柱引起的沖刷凹坑在埕島海域普遍發(fā)育，并且規(guī)模都比較大。如CB26平臺周圍形成的橢圓形沖刷凹坑，長軸直徑大約400 m，短軸直徑大約200 m(圖3)。

圖2 CB25C平臺周圍東西剖面水深變化圖

如此大規(guī)模的沖刷凹坑的存在，極易引起平臺周圍海底管線的懸跨，并且沖刷凹坑增加了周圍海床的不穩(wěn)定性。沖刷凹坑邊坡坡度較大，沖刷凹坑內(nèi)沉積物塊體運動較為發(fā)育，滑坡體、碎屑流的發(fā)育都可能造成海底管線的懸跨，甚至損壞。馮秀麗等[1]通過分析認為，埕島海域的管線懸跨情況主要有3種：管線與平臺連接處懸跨、管線與管線交接處懸跨、海底地形地貌演化導(dǎo)致懸跨。其中平臺周圍沖刷凹坑導(dǎo)致的管線懸跨是最主要的，管線與平臺連接處懸跨的情況在所勘測懸跨管線中占了多數(shù)。2007年，對埕島油田CB35-海一站、CB251C-CB251B等14條海底管線的16個平臺端勘查發(fā)現(xiàn)，所有平臺端周圍都存在明顯的沖刷凹坑，每一個平臺端附近都有管線裸露或懸跨的現(xiàn)象。平臺周圍強烈的差異沖蝕作用，不僅嚴重影響著海底管線的安全運行，給海底懸跨管線的治理也帶來了很大的難度。

圖3 CB26平臺周圍海底水深立體圖

3 仿生草技術(shù)防護原理分析

仿生草技術(shù)是基于海洋仿生學(xué)原理而開發(fā)研制的一種新型海底防沖刷技術(shù)。仿生草采用耐海水浸泡、抗長期沖刷的高密度聚乙烯材料制成，其密度小于海水的密度。將它人工“種植”在海底后，會在海水浮力的作用下向上伸展開，很像是生長在海底的水草。仿生草隨著水流來回搖擺，可以起到吸收波能、消波的作用[17]，其主要作用機理是：海流流經(jīng)鋪設(shè)有仿生草的海底時，受到仿生草的柔性阻滯，流速下降，對海床的沖刷能力減弱[18]。同時，由于流速下降及仿生草的阻礙，促使水中懸浮的泥沙在自身重力的作用下沉降下來，淤積在仿生草基墊上。不斷沉降和淤積的泥沙使鋪設(shè)了仿生草的海底逐漸形成了一片沙洲，有效地減緩了周圍海床的侵蝕、破壞，使懸跨的管線重新被埋沒(圖4)。

圖4 仿生草技術(shù)原理圖

2007年，莊麗華等通過分析茂名海域海底懸跨管線鋪設(shè)仿生草之后的實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高度達到1 m的仿生草在沉降了大量泥沙、已經(jīng)發(fā)生倒伏的情況下，仍然可以取得降低海流流速15%～20%的良好效果[8]。由前面對仿生草防護原理的分析可知，仿生草是基于自身仿生植物的特性而具有的降低海流流速的作用，在埕島海域同樣可以利用這一特性，起到保護海底管線的作用。

2008年，李俊杰通過實驗證明仿生草技術(shù)對砂質(zhì)和粉砂質(zhì)海床都可以起到防止管線周圍沖刷侵蝕、促進泥沙淤積的效果，尤其對砂質(zhì)海床的防護效果較好[19]。埕島海域的海床表層沉積物以粉砂為主，海水中的泥沙含量大，懸浮泥沙濃度很高，這些條件都有利于仿生草對泥沙的沉降和淤積。在埕島海域鋪設(shè)仿生草，可以起到防護海底管線的作用。

4 平臺周圍仿生草檢測效果分析

據(jù)2011年調(diào)查結(jié)果顯示，埕島勝利油田CB11D平臺周圍存在一個明顯的沖刷凹坑，直徑大約200 m(圖5)。自該平臺樁腳開始，沿海底管線CB11D-CB22A路由方向有27.6 m的管線呈懸跨狀態(tài)(圖6)，最大懸跨高度出現(xiàn)在平臺樁腳處，高度達到1 m左右。

圖5 CB11D平臺端三維地形效果圖

圖6 CB11D-CB22A輸油管線埋深剖面圖

2011-09中旬，對埕島勝利油田懸跨管線采用拋填沙袋和鋪設(shè)仿生草相結(jié)合的辦法進行了治理，并于2013-05采用多波束水深測量(EM3000D多波束測深儀)、側(cè)掃聲吶地貌測量(SIS-1624雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng))及淺地層剖面探測(SES-2000參量陣淺地層剖面儀系統(tǒng))對這一區(qū)域的治理效果進行了檢測。實測結(jié)果顯示，除在平臺進出的海底管線仍有少部分裸露外，大部分懸跨管線的裸露狀態(tài)得到了有效改觀。從側(cè)掃聲吶圖上可以看出，自支撐樁開始向東北約30 m，泥沙淤積明顯，管線被完全埋藏，軌跡模糊(圖7)。從水深地形三維圖上可以看出，CB11D平臺北側(cè)存在一處明顯的長條形突起，長約30 m，高出周圍海底約1 m。與探測的平臺、管線位置相匹配，發(fā)現(xiàn)該突起與通過側(cè)掃聲吶發(fā)現(xiàn)的治理區(qū)域相吻合(圖8)。

從側(cè)掃聲吶和水深地形三維圖上還發(fā)現(xiàn)，CB11D平臺周圍存在一個明顯的沖刷凹坑，在CB11D平臺進出的海底管線均有小部分出露。仿生草技術(shù)未能完全解決這一平臺樁腳處的海底管線懸跨問題。

圖7 CB11D平臺周圍側(cè)掃聲吶圖

圖8 CB11D平臺周圍水深地形三維圖

2013年同時期檢測的還有CB351(CB351-CB30A)、 CB30A(CB351-CB30A)和CB11A(CB11A-中心一號)3個平臺端。調(diào)查結(jié)果表明，這3個平臺周圍的治理區(qū)泥沙淤積明顯，海底管線上覆沉積物厚度為0～0.5 m，仿生草的治理效果很好。3個平臺周圍都存在明顯的沖刷凹坑，CB11A平臺周圍沒有發(fā)現(xiàn)管線裸露，另外2個都在平臺樁腳處有小段裸露，管線懸跨問題并沒有根除。

2007年，對16個平臺端周圍的海底懸跨管線采用拋填沙袋和鋪設(shè)仿生草相結(jié)合的方法進行治理，并于2008年對治理效果進行了檢測。檢測結(jié)果顯示，中心一號、CB12B、CB35和CB251D四個平臺端周圍的治理區(qū)沒有明顯的泥沙淤積現(xiàn)象，治理管線段仍裸露于海底表面，仿生草治理無效果。其余12個平臺端周圍都有不同程度的泥沙淤積，海底管線部分或全部被重新掩埋，治理區(qū)上覆沉積物厚度在0～0.6 m之間變化，仿生草治理效果很好。調(diào)查同時發(fā)現(xiàn)，平臺周圍都存在規(guī)模大小不等的沖刷凹坑，平臺樁腳處管線裸露或懸跨現(xiàn)象普遍。調(diào)查的所有平臺端(16個)中，僅有2個平臺端的樁腳處管線完全處于埋藏狀態(tài)，其余14個平臺端均有不同程度的裸露或懸跨。

將最近幾年的仿生草治理效果檢測結(jié)果進行統(tǒng)計匯總，見表1和表2。若治理區(qū)有明顯泥沙淤積，部分或全部管線被重新埋藏，則視為效果良好；若治理區(qū)沒有明顯泥沙淤積現(xiàn)象，管線仍裸露或懸跨，則視為無效果。由表1可知，16個平臺端中，有12個平臺端周圍出現(xiàn)了明顯的泥沙淤積現(xiàn)象，比例為81.82%，仿生草鋪設(shè)后的治理效果良好。這說明，這幾年仿生草技術(shù)在埕島海域的海底管線治理中取得了很好的成績。由表2可知，鋪設(shè)仿生草的22個平臺端中，僅有3個平臺端樁腳處完全沒有發(fā)現(xiàn)管線裸露、懸跨現(xiàn)象，僅占13.64%，其余86.36%的平臺端周圍仍存在管線裸露或懸跨現(xiàn)象。由此來看，大多數(shù)平臺端樁腳處的管線裸露、懸跨現(xiàn)象并沒有根除。

表1 仿生草治理效果檢測結(jié)果 Table 1 1 Statistical results of the bionic grass treatment effect

表2 鋪設(shè)仿生草后平臺樁腳處管線出露情況 Table 2 Pipeline exposing status at the feet of platforms after treating with bionic grass technology

結(jié)合前面對平臺周圍管線懸跨原因的分析可知，平臺樁柱的存在會引起平臺周圍原有水動力環(huán)境的改變，容易形成漩渦，水流流速加快，使樁柱周圍遭到局部的差異沖刷。受這種強烈沖刷作用的制約，仿生草技術(shù)在平臺樁腳處的治理效果不是很理想?？傮w上來說，避開平臺樁腳處的渦流區(qū)，仿生草技術(shù)在埕島海域的海底管線治理中取得了很好的效果。樁腳處渦流區(qū)的海底管線懸跨問題今后還有待深入的研究。

5 討 論

2008年，對勝利油田16個平臺端的仿生草治理效果檢測發(fā)現(xiàn)，CB251D、CB35、中心一號、CB12B四個平臺端周圍泥沙淤積厚度分別為-0.3，-0.5，-0.4，0.0 m，未見泥沙淤積，甚至出現(xiàn)明顯沖刷現(xiàn)象，仿生草治理無效果。 其余12個平臺端周圍出現(xiàn)明顯泥沙淤積現(xiàn)象，泥沙淤積厚度在0.0～0.6 m之間變化，仿生草治理效果很好。

埕島海域漲潮流和落潮流的方向分別為ESE(約110°)和WNW(約290°)。對16個平臺端的管線走向、管線走向與潮流方向的夾角進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。由表可見， 仿生草治理無效果的4個平臺端(CB251D、CB35、中心一號、CB12B)，管線走向與潮流方向的夾角分別為61°，64°，78°和84°，均>60°。其余12個治理效果良好的平臺端中，除了CB251C，管線走向與潮流方向的夾角均<40°。由此推測，仿生草鋪設(shè)后的治理效果可能受管線走向和潮流方向的影響，海底管線受到的沖刷程度與潮流方向有密切關(guān)系：與潮流方向一致或者與潮流方向夾角較小(<40°)的海底管線，受到的沖刷侵蝕較弱，治理效果良好；而與潮流方向垂直或者與潮流方向夾角較大(>60°)的海底管線，受到的沖刷侵蝕較強，仿生草治理效果不好或無效。建議今后鋪設(shè)海底管線時，應(yīng)盡量與潮流方向一致，或者盡量減小管線走向與潮流方向之間的夾角。管線鋪設(shè)后，應(yīng)盡早鋪設(shè)仿生草，發(fā)揮仿生草的預(yù)防和保護作用。

表3 平臺樁腳處管線走向、管線走向與潮流方向的夾角及泥沙淤積厚度

注：表格中括號內(nèi)為檢測管線，淤積厚度為負值的表示出現(xiàn)沖刷

6 結(jié) 論

1)埕島海域平臺周圍鋪設(shè)仿生草后1～1.5 a，治理區(qū)有明顯泥沙淤積現(xiàn)象的比例為81.82%。泥沙淤積厚度為0～1 m，海底管線部分或全部被重新埋藏?？傮w來看，避開平臺樁腳處渦流區(qū)，仿生草技術(shù)對海底懸跨管線的治理取得了很好的效果。

2)最近幾年所調(diào)查的平臺端中，86.36%的平臺端在樁腳處渦流區(qū)仍存在管線裸露或懸跨現(xiàn)象，仿生草技術(shù)不能根除平臺樁腳處渦流區(qū)的海底管線懸跨問題。

3)仿生草的治理效果受管線走向和潮流方向的影響：與潮流方向一致或者與潮流方向夾角較小(<40°)的海底管線，受到的沖刷侵蝕較弱，治理效果良好；反之，受到的沖刷侵蝕較強，治理效果不好或無效。

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Study on the Effect of Bionic Grass Treatment for the Suspended Span of Submarine Pipelines Around the Oil Platforms in the Chengdao Sea Area

CUI Hua1, CAO Li-hua1, CHEN Yi-lan2, LIU Zhen1, HUANG Mu2

(1.CollegeofMarineGeoscience,OceanUniversityofChina, Qingdao 266061, China; 2.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Suspended span of submarine pipelines around the platforms in the Chengdao sea area is serious. A bionic grass technology introduced by the Shengli Oilfield has been generally applied for treating this problem in recent years. The effect of the treatment with the bionic grass technology is studied based on the interpretation and statistics of measured data. The results show that 18 of the 22 platforms that were investigated in the past few years have an obvious sedimentation phemomenon. The sedimentation thickness is 0～1 m and the submarine pipelines are reburied partly or completely. There are still pipeline bare or spanning phenomena at the foot vortex regions of 19 platforms. The effect of the bionic grass treatment may be influenced by the strike of pipelines and the direction of tidal currents. Good effect will be achieved if the strike of pipelines is consistent or has a smaller included angle (less than 40°) with the direction of tidal currents.

the Chengdao sea area; pipeline spanning; bionic grass; treatment effect

1002-3682(2015)03-0077-10

2014-05-06

海洋公益性行業(yè)科研專項——“山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)”建設(shè)的海洋空間布局優(yōu)化技術(shù)體系及決策服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用示范(201205001)

崔 華(1982-)，女，碩士研究生，主要從事海洋地質(zhì)方面研究.E-mail: dfhtqzy@126.com(王 燕 編輯)

P756.2

A