非接觸挖溝技術(shù)在海床處理中的應(yīng)用

呂偉俊，王 磊，王艷濤，樊 華，李海鯨

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

導(dǎo)管架安裝是海上油田開發(fā)中非常重要和關(guān)鍵的一步，導(dǎo)管架安裝時經(jīng)常遇到海床面不平整的難題，如何有效對海床進(jìn)行平整處理成為制約導(dǎo)管架是否成功安裝的關(guān)鍵因素。在海床處理實踐中，非接觸挖溝技術(shù)是一種較為成熟且效果不錯的工藝[1-5]。本文以某導(dǎo)管架安裝場址處理為例對非接觸挖溝技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

南海某油田導(dǎo)管架安裝場址經(jīng)專業(yè)公司調(diào)查顯示場址海床面高度差達(dá)到2.2 m，水深約70 m。為了保證導(dǎo)管架安裝對海床平整度的要求，需要對該導(dǎo)管架安裝場址進(jìn)行處理。經(jīng)本項目設(shè)計人員計算，在導(dǎo)管架下部安裝高度不同的兩塊防沉板，只對水深較深的防沉板區(qū)域海床進(jìn)行處理，處理后目標(biāo)區(qū)域標(biāo)高為水深69.4 m。以該導(dǎo)管架安裝區(qū)域水深69.4 m等深線為分界面，水深大于69.4 m區(qū)域不進(jìn)行處理，水深小于69.4 m區(qū)域進(jìn)行處理，處理區(qū)域形狀類似一直角三角形，兩直角邊的長度分別為44 m和15.5 m，處理后海床區(qū)域水深控制在69.65m±0.25 m。海床處理區(qū)域如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架安裝場址水深和處理海床區(qū)域示意

2 非接觸挖溝技術(shù)

2.1 非接觸挖溝機(jī)

本次海床處理作業(yè)主要采用非接觸挖溝機(jī)搭載3臺軸流泵，噴射大流量水流對海床進(jìn)行沖刷，達(dá)到處理目的。軸流泵流量為10 000 m3/h，揚(yáng)程為5.5 m，通過作業(yè)船上的臍帶纜絞車供電。另外，在挖溝機(jī)本體結(jié)構(gòu)中部安裝有姿態(tài)傳感器，用于監(jiān)控挖溝機(jī)在水下的姿態(tài)，能有效顯示挖溝機(jī)水下左右橫傾和前后縱傾狀態(tài)。作業(yè)時通過作業(yè)船的勻速移動控制挖溝機(jī)的移位，從而完成海床處理作業(yè)。

原非接觸挖溝機(jī)只有3個噴沖口，主要適用于海管和海纜的后挖溝作業(yè)，要滿足本項目對海床平整處理的嚴(yán)格要求還需要對軸流泵噴沖口進(jìn)行改造，為此制作一個軸流泵噴沖水箱（見圖2），該水箱噴口設(shè)計采用“花灑”式多個噴嘴，這樣在作業(yè)時可以有效控制挖溝機(jī)的吹掃范圍和深度；另外在施工時可以通過實時三維多波束聲吶技術(shù)進(jìn)行地貌成像，實現(xiàn)吹掃精度精準(zhǔn)控制。

圖2 軸流泵噴沖水箱示意

2.2 花灑式噴嘴的設(shè)計與應(yīng)用

2.2.1 花灑式噴嘴數(shù)量

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，本項目軸流泵噴沖水箱采用φ10 in變φ 8 in（1 in=25.4 mm） 變徑噴嘴，這種“花灑”式噴嘴改變了以往挖溝機(jī)只有3個大流量出水口的噴沖方式，有效控制了吹掃作業(yè)時挖溝機(jī)的吹掃深度，所需噴嘴數(shù)量計算式如下：

式中：q為水箱單位時間噴沖總流量，m3/s，3臺流量10 000 m3/h軸流泵總的水流量為30 000 m3，則q=30 000/3 600=8.33 m3/s；s為噴嘴出水口面積，m2，s=πd2/4，d為噴嘴口直徑，m，取8 in，得s=0.032 m2；v2為軸流泵噴沖水箱出水口的水流速度，m/s。

根據(jù)伯努利方程：

式中：p1、p2分別為軸流泵噴沖水箱的進(jìn)、出水口壓力，Pa；v1、v2為軸流泵噴沖水箱進(jìn)、出水口的水流速度，m/s；h1、h2為軸流泵噴沖水箱進(jìn)、出水口處的高度，m；ρ為水的密度，1 000 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

由于水箱高度較小，可認(rèn)為h1=h2，根據(jù)一般經(jīng)驗，取v1=0。這樣上式變?yōu)椋簆1與p2的差值近似為泵的揚(yáng)程對應(yīng)的水壓，泵的揚(yáng)程為5.5 m，對應(yīng)的水壓約為55 000 Pa。將數(shù)值代入式（3），得：55 000=1/2×v2=10.48 m/s。

將以上數(shù)值代入式（1）得：

n=8.33/（0.032×10.48）≈24

因此水箱下變徑噴嘴的數(shù)量為24個。

2.2.2 噴嘴與海床的工作距離

通過ANSYS Fluent軟件對水箱噴嘴流量和剪切應(yīng)力進(jìn)行分析，噴嘴與海床的距離不同，對應(yīng)的剪切應(yīng)力平均值不同，如表1所示。

表1 不同距離下噴嘴對海床的平均剪切應(yīng)力

從表1可以看出噴嘴距海床越近，其剪切應(yīng)力越大。本次海床處理區(qū)域的土壤剪切應(yīng)力最大為15 kPa，而計算得出，當(dāng)噴嘴距離海床面2.72 m時，其剪切應(yīng)力為15 kPa，因此在施工時控制挖溝機(jī)噴嘴距海床高度盡量保持在2.72 m以內(nèi)即可。

2.3 三維聲吶系統(tǒng)輔助施工

為了實現(xiàn)在吹掃過程中對海床面高度的實時監(jiān)測，應(yīng)用實時三維多波束聲吶進(jìn)行輔助施工，對地貌進(jìn)行實時成像，實現(xiàn)吹掃效果實時監(jiān)測。三維多波束聲吶的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

在場址處理作業(yè)前，首先使用三維聲吶對導(dǎo)管架所處區(qū)域進(jìn)行水深掃測，記錄好水深數(shù)據(jù)。由于在三維聲吶上不同水深顯示的顏色不同，因此選取導(dǎo)管架安裝區(qū)域里的一處水深合格且無需處理的海床面作為參考海床，見圖3。參考區(qū)域海床高度取若干點，其對應(yīng)水深為-69.51～69.90 m，見表3，選取參考海床目的是在處理過程中將處理區(qū)域的水深顏色與參考區(qū)域水深顏色進(jìn)行實時對比，根據(jù)水深顏色對比即可初步判斷處理效果，據(jù)此調(diào)節(jié)吹掃速度和挖溝機(jī)離地高度，以便更好地實現(xiàn)區(qū)域處理。

表2 某三維聲吶技術(shù)指標(biāo)

圖3 海底面取點測量水深截圖

海床處理完成后通過水深測量最終確定處理的效果是否滿足要求。場址處理完成后對處理區(qū)域的海床高度同樣取若干點進(jìn)行測量，對應(yīng)水深為-69.55～-69.83 m，見表4，處理后的海床取點區(qū)域見圖3。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以判斷處理后的海床高度滿足導(dǎo)管架安裝要求，海床處理施工圓滿完成。

表3 參考海床區(qū)域各點水深

表4 處理區(qū)域各點水深

3 結(jié)束語

實踐表明，采用非接觸挖溝技術(shù)可以有效處理海床的不平整度，從而滿足導(dǎo)管架的安裝要求。本技術(shù)成本低，工期短，效果顯著，可以廣泛應(yīng)用于類似的海床平整、海床處理等作業(yè)項目。