復(fù)雜地質(zhì)條件下海底管道路由選擇技術(shù)

孫國民

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)和保障，具備高投入、高風險和高收益的特點。路由設(shè)計是海管設(shè)計中的關(guān)鍵一環(huán)，對海管的安全性和可靠性具有深遠影響，體現(xiàn)在海管的設(shè)計、鋪設(shè)、運營和維護等全壽命周期內(nèi)。

在過去的幾十年中，中國海上油氣田建設(shè)主要集中在渤海等淺?；蚩拷懙氐暮Ｓ?。這些區(qū)域的共同特點是海床總體而言較為平坦，地質(zhì)情況相對較為簡單。因此，在過往項目中，海管路由設(shè)計并不表現(xiàn)為一個棘手的問題。但近年來，隨著中國海上油氣田開發(fā)進軍南海和海外、走向深水，這一狀況正在發(fā)生著明顯變化。路由選擇技術(shù)已逐漸成為海底管道設(shè)計需要解決的首要難題。以2014 年開發(fā)的南海某項目為例，其海底管道路由存在海床極度崎嶇不平和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變等困難，給海底管道的設(shè)計和鋪設(shè)等帶來極大挑戰(zhàn)。

1 路由選擇面臨的海床地質(zhì)特征

1.1 不同土壤屬性

土壤是巖石風化作用的產(chǎn)物，一般而言，土壤性能可分為“排水”或“不排水特性”。一種土壤(砂或粘土)是否具有排水性能，取決于加載強度，與土壤滲透率有關(guān)。一般認為粘土的性能不排水，因為加載強度通常遠大于孔隙水能夠移入或移出土壤顆粒間孔隙的強度。粘土的滲透率非常低，為10－9m/s 數(shù)量級。粘土強度設(shè)定為“不排水抗剪強度”，由符號Su或Cu表示。一般認為砂的性能排水，因為孔隙水能夠在大于加載強度時移入或移出土壤顆粒間的孔隙。砂的強度則按照摩擦角以符號φ 表示。然而，如果粘土所受的剪切力非常低，使孔隙水有足夠時間移入或移出土壤顆粒間的孔隙，那么其將不具有不排水抗剪強度。其性能反而更像是砂，可適用粘土摩擦角。與此類似，如果砂在極快加載的作用下承受剪切力，使孔隙水沒有移動，砂就具有不排水性能。

針對海底管道，一般采取土壤統(tǒng)一分類系統(tǒng)。離岸土壤既可以是砂質(zhì)土，也可以是粘性土。管道所要求的土壤參數(shù)分別為砂土類和粘土類(見表1)，一些重要參數(shù)的建議值(見表2)。

表1 砂質(zhì)土和粘性土的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of sand and clay

表2 典型海底土壤的關(guān)鍵參數(shù)建議值Tab.2 Recommend parameters for typical subsea soil

1.2 海床不平整

在海底管道鋪設(shè)的過程中，海管路由區(qū)域范圍內(nèi)不可避免的會遇到一些復(fù)雜地質(zhì)條件，比如裸露的巖石，沙坡、沙脊、海溝，以及一些海底裝置和已建海底管道、電纜等，這些海床表面的地形、地貌，都會使海床表面變得不平整，使海管在鋪設(shè)后形成不同長度的懸跨，給海管路由規(guī)劃和海上鋪設(shè)帶來困難。以O(shè)rmen Lange［1］項目為例，該項目有2條長度為120 km，30″的登陸輸氣管道，路由依次通過一個非常不規(guī)則的海床和大而零落的斜坡區(qū)域，通過大型拖網(wǎng)捕魚區(qū)和成千上萬的大礫石地區(qū)，并需爬上坡度為30°的陡峭山坡，以蛇形的路由通過狹窄的海底峽谷和通道上岸。

圖1 Ormen Lange 氣田項目海管路由三維地形圖Fig.1 3D Topography of subsea pipeline route in ormen lange project

1.3 海床沖刷

海底管道鋪設(shè)于海底以后，打破了原有水下流場的平衡，引起局部水流速度加快，形成了一定范圍的流速梯度集中區(qū)，并構(gòu)成對海底的強剪切作用，會導(dǎo)致沖刷的出現(xiàn);同時，海管的存在還改變了水流的運動方向，使之產(chǎn)生繞流和局部大比尺漩渦，更加速了海底的沖刷作用。海底管道下方附近的海床泥沙顆粒被逐漸侵蝕、淘空使管線懸空。如果懸空段過長，管線會在重力作用下斷裂;同時，由于管線后方尾渦的存在，以及波浪力的周期作用而發(fā)生振蕩，造成疲勞破壞;懸空著的管道也容易被漁網(wǎng)船錨等鉤住，進而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。海底管道一旦失事將會造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境災(zāi)難。

因此，波流的沖刷對海底管道的安全運行帶來很大的風險，有必要在項目的設(shè)計階段對海管沖刷的可能性進行評估，并對沖刷剖面、深度進行預(yù)估，進而研究出可行的海底管道沖刷防護措施。

1.4 海床斷層

地震誘發(fā)導(dǎo)致海床移動有水平移動、上下移動、水平＆上下移動同時發(fā)生3 種形態(tài)。伴隨地震產(chǎn)生對海管運營不利的因素包括:斷層、懸跨、滑移等突發(fā)災(zāi)害，直接或間接威脅海管運營安全。

圖2 斷層運動形態(tài)示意圖［2］Fig.2 Schematic models of fault movement

地震會直接導(dǎo)致管線瞬間屈服破壞，其屈曲主要有梁式屈曲和殼式屈曲2 種。地震斷層對海底管道的影響可按埋設(shè)與未埋設(shè)2 種形式來分析，實際上，海底裸露管道經(jīng)常被淺埋，這時得到的應(yīng)力通常有些保守，但比較符合工程上的要求。這樣，地震時對處于地震斷層的海底管道應(yīng)力計算就可簡化為“埋設(shè)”一種形式。

1.5 海床土壤液化

土壤液化后果會帶來承載力的降低，導(dǎo)致海管上浮或下沉。海管的相對比重一般大于1，在液化土壤中一般會下沉，下沉后海管會產(chǎn)生新的變形，需要對海管進行校核。土壤液化還會帶來軸向和側(cè)向摩擦力的喪失，土壤液化后，軸向摩擦的降低會導(dǎo)致海管端部膨脹量增大，立管及膨脹彎應(yīng)力分析應(yīng)確保能承受土壤液化后海管端部膨脹量。在有側(cè)向或隆起屈曲趨勢的海管部分，土壤液化的部分可能是誘發(fā)屈曲的一個因素。

2 海底管道路由選擇流程及接受標準

針對海管路由，一般按照如圖3 所示流程進行設(shè)計。

圖3 海管路由設(shè)計流程Fig.3 Process of subsea pipeline route selection

由于海底管道所處環(huán)境條件的不確定性，需要考慮的設(shè)計因素較復(fù)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(guān)的構(gòu)筑物、其他管道系統(tǒng)、沉船、漂礫等;

2)必須跨越的海管、海纜，應(yīng)保持至少0.3 m的垂直距離;

3)為防止由落物、漁具、船舶、拋錨引起的不能接受的損傷，管道應(yīng)受到保護，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(shè);覆蓋(如砂，石礫，墊子等);其他機械保護。

海底管道在設(shè)計階段，應(yīng)盡量按照直線路由規(guī)劃，使距離最短，達到材料最省和建造施工費用最少的目的，但在復(fù)雜地形條件下會在管道規(guī)劃的直線路由上存在障礙，需要改變直線路線，形成曲線路由，一般需要考慮如下因素:

1)最小水平彎曲半徑產(chǎn)生的彎曲應(yīng)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(shè)計及施工方法;

5)考慮管道路由地質(zhì)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(如地震斷層)、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(jié)構(gòu)(如已存在管線及平臺);

10)考慮安裝的可實施性，容易性和經(jīng)濟性;

11)考慮管道運行階段的可操作性。

3 設(shè)計方法

3.1 海管路由初選

海管路由初選在不同階段有不同的定義，在前期可選性研究階段，由于未進行詳細的路由調(diào)查，需要根據(jù)已有的資料，如相鄰海域的地質(zhì)情況和水深變化情況，根據(jù)最短距離的原則和已知障礙物的位置進行初選，在該階段下得到的路線關(guān)鍵點在經(jīng)評審后可用于后續(xù)路由調(diào)查的調(diào)查區(qū)域的定義。

在路由調(diào)查完成后，一般得到路由調(diào)查區(qū)域內(nèi)的水深情況，物探和地質(zhì)條件情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，在工程設(shè)計階段的路由初選定義為規(guī)避已知的障礙得到的初步路由。

路由初選的結(jié)果是得到如下信息用于表征海管路線:

1)坐標系統(tǒng)的定義(一般與路由調(diào)查報告一致);

具體而言，基于人的技術(shù)運用由以下方面構(gòu)成。第一，個體的風險意識將形成職務(wù)犯罪調(diào)查中的決策技術(shù)。第二，個體的知識體系將形成傳統(tǒng)的調(diào)查技術(shù)，如調(diào)查謀略技術(shù)的形成與運用。第三，個體的調(diào)查閱歷將會作為經(jīng)驗而傳承，如調(diào)查措施中的細節(jié)問題，調(diào)查訊問中的心理分析等等。第四，個體本身、交際范圍與社會運行將會促進調(diào)查技術(shù)的社會化展開，如調(diào)查中的線人技術(shù)，就需要調(diào)查機關(guān)在布控線人時要兼顧線人的選建、線人的職業(yè)、性格、社會關(guān)系、背景，線人技術(shù)的前期社會效果以及線人制度的最終調(diào)查效果等因素。

2)起始點坐標;

3)終止點坐標;

4)拐點坐標(如存在);

5)路由拐點處的路由彎曲半徑(如存在);

6)跨越點坐標(如存在);

7)關(guān)鍵尺寸(如距已有結(jié)構(gòu)物的最小距離)。

3.2 基于三維數(shù)字化海床的海底管道路由建模

針對復(fù)雜的地質(zhì)情況，應(yīng)進行詳細的三維海床建模，以在路由初選的情況下隨著工程設(shè)計的深入進行管道路由的論證及優(yōu)化，確保管道路由設(shè)計的最優(yōu)化及施工量最優(yōu)。

工程界內(nèi)三維海床的建模需要依賴相應(yīng)的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件，從目前經(jīng)驗上可考慮的軟件包括:Fledermaus，Global Mapper 和ArcGIS。

采用這些三維軟件建立海床的目的是為了將實際的數(shù)據(jù)更加可視化地進行顯示，并且通過不同軟件自帶的工具進行相應(yīng)的顯示、分析和判斷功能，以達到實現(xiàn)大量三維數(shù)據(jù)輔助路由設(shè)計的功能。

圖4 南海某項目三維數(shù)字海床示意圖Fig.4 3D topography of subsea in south china sea

圖5 南海某登陸管線水深截面圖Fig.5 Water depth of cross section graph of subsea landing pipeline in south china sea

3.3 最小彎曲半徑

如進行曲線鋪設(shè)需要考慮管道在位后管道的彎曲應(yīng)力，據(jù)此確定最小彎曲半徑，彎曲引起的管道應(yīng)力:

因此考慮受力的最小彎曲半徑為:

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(yīng)力許用系數(shù)，經(jīng)驗值為0.1，需要結(jié)合管道在位受力確定。

當管道位于海床上時，需要考慮鋪設(shè)張力的影響，摩擦力應(yīng)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:

因此考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑:

式中:Tbottom為海底鋪設(shè)后的管道底部殘余張力;μlat為管道與海床的側(cè)向摩擦系數(shù);Wsub為管道的水下重。

以上考慮鋪設(shè)張力的最小彎曲半徑實際應(yīng)考慮一定的安全余量。

3.4 海底管道在位強度分析及懸跨分析

海底管道位于海床上所受的荷載包括:溫度、內(nèi)部及外部壓力、管道路由彎曲應(yīng)力、鋪設(shè)剩余張力波浪、流等，根據(jù)路由調(diào)查方提供的數(shù)據(jù)，需要進行相應(yīng)的海床不平整度分析，確定海管在各種工況下的受力和懸跨是否滿足規(guī)范要求，對于各種荷載的作用原理和規(guī)范準則，需要參考項目的設(shè)計主標 準 (如 DNV － OS － F101［3］，ASME 31.4/31.8［4－5］等)，可通過商業(yè)軟件，模擬管道位于海床的受力狀態(tài)及懸跨狀態(tài)，比對許用懸跨長度和許用應(yīng)力，可直觀地得到所需要處理的懸跨數(shù)量，據(jù)此結(jié)果進行相應(yīng)的懸跨處理方案編制。

3.5 海床預(yù)/后處理技術(shù)

根據(jù)前述設(shè)計技術(shù)完成了海管路由確認后，如從工程上已達到了最優(yōu)和最經(jīng)濟的情況下仍無法避免海管路由上的海床處理，則需要考慮相應(yīng)的預(yù)/后處理技術(shù)。

海床預(yù)處理技術(shù)一般包括:

1)預(yù)挖溝;

2)預(yù)鋪支撐物(如支撐沙袋、水泥墊塊、機械支撐結(jié)構(gòu));

3)填充支撐物(如預(yù)拋石);

4)機械切割海床(如硬質(zhì)海床);

5)炸礁。

海床后處理技術(shù)一般包括:

1)后挖溝;

2)后加支撐物(如支撐沙袋、灌漿水泥袋、機械支撐結(jié)構(gòu));

3)填充支撐物(如后拋石)。

對于海床預(yù)/后處理應(yīng)根據(jù)實際海管路由設(shè)計過程中的具體情況選取適合的技術(shù)方案，確保方案可行，安裝簡易和費用的經(jīng)濟性。

4 結(jié) 語

本文從對海底管道路由選擇面臨的不同地質(zhì)海床特征出發(fā)，分別描述了海床土壤參數(shù)界定特征、不平整度的形成、沖刷分析方法、斷層成因及形態(tài)和土壤液化校對方法等五方面，接著提出了海底管道路由選擇的設(shè)計流程和接受標準，最終結(jié)合項目經(jīng)驗提出了海底管道路由選擇的設(shè)計方法，其方法具有通用性。隨著“數(shù)字地球”概念的提出和相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過與地理信息系統(tǒng)理論和海洋地質(zhì)、海洋地球物理等相關(guān)學科的融合，“數(shù)字海床”的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用獲得了突出進步，復(fù)雜地質(zhì)條件下海管路由選擇技術(shù)亦將獲得新的發(fā)展。本文對我國開發(fā)南海深水油氣資源和拓展海外復(fù)雜地質(zhì)條件下的海管設(shè)計項目提供重要的技術(shù)支持，增加國家在該方面的技術(shù)競爭力和影響力。

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