海底管道后挖溝技術(shù)與海管路由調(diào)整優(yōu)化

押延寧，史云龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前，海洋石油的開發(fā)呈現(xiàn)深水化的發(fā)展趨勢，海底石油管道面臨復(fù)雜多變的海洋環(huán)境。近些年，海底管道發(fā)生的損傷事故時有發(fā)生，為確保海底管道安全可靠運行，施工設(shè)計部門對海底管道的挖溝處理提出了更高的要求[1]。

根據(jù)海底管道鋪設(shè)的時間可將海管挖溝處理分為：(1)預(yù)挖溝，在進行管道鋪設(shè)之前就對管溝進行挖掘，主要用于海管登陸等水深較淺的海域。此外，對凹凸不平、巖石質(zhì)海底等地形地貌較為復(fù)雜的海床也采用預(yù)挖溝的方法。因為其開溝寬度較大，土方量較大，而且對管道沒有損傷的風(fēng)險。(2)邊鋪管邊挖溝，一般會在管道鋪設(shè)的過程中進行挖溝，同時管道會落入管溝，這種方法對挖掘設(shè)備的要求較高，適用于海管穩(wěn)定性較差的情況。(3)后挖溝，在等到海底管道鋪設(shè)完成后，再利用挖溝機進行挖溝，這種方法主要用于海水較深的海域。目前，除了管道登陸以外，國內(nèi)海底管道一般都采用后挖溝的敷設(shè)方式[2-4]。

后挖溝的敷設(shè)方式可以對海底管道進行保護，這種方式能夠很好地避免船舶拋錨、漁業(yè)活動等對管道產(chǎn)生的影響。我國渤海海域附近的海底管道，除登陸段管道外，其他管段大都采用后挖溝的埋設(shè)方法。鋪設(shè)挖溝主要采用犁式挖溝機、噴沖式挖溝機、噴沖式ROV、機械式挖溝機和深水挖溝機等設(shè)備，不同設(shè)備對海底土質(zhì)的適應(yīng)性各有不同。在開展海底管道鋪設(shè)施工之前，要對海管路由區(qū)域的海底地質(zhì)條件進行勘測與分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇挖溝機的類型[5-6]。

1 海底管道犁式后挖溝技術(shù)

犁式后挖溝技術(shù)的工作原理是通過外部牽引力作用[7]，利用機械犁刃將土壤裂解翻拋成需求溝型。在搬運時需要采用大系柱拖力DP2 支持母船進行拖曳前進，自重較大，體積較大，必須使用船舶收放系統(tǒng)。此外，犁式挖溝機的運行水深為500 m，爬坡能力高于10°，能夠完成土壤剪切強度在30～100 kPa 時的挖溝需求，并且挖溝后的溝型好，運行效率高，可以實現(xiàn)重復(fù)挖溝作業(yè)。具體工作流程如下：首先完成海管鋪設(shè)位置的預(yù)調(diào)查并對障礙物進行清理，在此基礎(chǔ)上進行挖溝犁的收放和入水測試，并將船舶停放在海管起始挖溝點周圍50 m 處進行DP 測試，準備工作完成后將挖溝犁下放到距離河床10 m 的位置，并完成犁式挖溝機的功能檢查與挖溝犁浮筒充氣工作；其次，將船舶運行至挖溝起始點位置，挖溝犁下放至海管上進行就位，讓其與海管相連接并解開船舶吊上的挖溝犁，船舶便可以開始沿著挖溝方向前進，同時船舶上的卷揚機牽引挖溝犁進行挖溝作業(yè)；最后在完成挖溝作業(yè)后，斷開挖溝犁與海管連接，將其回收，隨后進行挖溝作業(yè)的后調(diào)查，對溝深未達標(biāo)的區(qū)域可以進行二次挖溝。

2 海底管道非接觸式海管后挖溝技術(shù)

非接觸式后挖溝技術(shù)主要采用非接觸式挖溝機完成，其工作機理是采用流量較高的軸流泵抽水并噴沖海床，通過噴沖水流將管道底部的土壤泥沙帶走形成管溝。這種挖溝機在進行挖溝作業(yè)時全程不與管道接觸，因此，不會對管道表面產(chǎn)生損壞。而且這種技術(shù)方式作業(yè)水深可以達到300 m，在土壤剪切強度低于40 kPa 的工況具有較高的效率，更適合在軟泥及粗砂地質(zhì)條件下進行挖溝作業(yè)。非接觸式后挖溝的主要工作流程如下：首先進行鋪設(shè)海管位置的預(yù)調(diào)查與鋪設(shè)線路上的障礙物清理工作，在此基礎(chǔ)上進行船舶的DP 測試工作，同時挖溝機要開展水下的試挖溝測試，根據(jù)試挖溝的結(jié)果確定挖溝機與海管的操作間距，泵的功率以及船舶要求的速度；其次確定挖溝的參數(shù)之后，船舶要移動到距離挖溝點20～30 m 位置處并將挖溝機下放至工作水深處，通過移動船舶位置將挖溝機移到海底管道上方；再次啟動挖溝機的軸流泵在海管挖溝處進行造坡，船舶可以沿著挖溝方向逐漸移動完成工作，當(dāng)挖溝機接近終點時要進行終點附近的造坡作業(yè)；最后，當(dāng)終點造坡完成后便可以關(guān)閉并收回挖溝機，并進行海底管道挖溝后的勘探分析工作，主要檢查溝深是否達標(biāo)，如果沒有達到標(biāo)準要再次進行挖溝作業(yè)[8]。

3 應(yīng)用后挖溝技術(shù)完成海管路由調(diào)整

3.1 海管路由調(diào)整案例

錦州25-1 南外輸天然氣管線路由需要進行重大調(diào)整，管線長度需要增加2.6 km，新路由仍然臨近錨地且穿越既有航道。根據(jù)設(shè)計要求，該條管線埋深分別為1.5 m、2.0 m 和4.0 m，其中4.0 m 埋深段長度為12.3 km。由于項目施工方并未有前期的建設(shè)經(jīng)驗可以借鑒，因此，本次施工建設(shè)要承受工期和費用的雙重壓力。項目施工人員只能在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)籌規(guī)劃與施工整體推進，在將風(fēng)險降到最低的前提下最大限度減少資金投入。2011 年4 月，在錦州25-1南CEP 外輸氣管線通航論證會上，由于海管原設(shè)計路由與已經(jīng)批準的航道交叉而被與會專家否決。隨后技術(shù)專家組對附近海域進行了分析研究，并對海管路由進行了優(yōu)化調(diào)整，最終選擇南線作為調(diào)整海管的路由。但是南線路由對項目施工存在一定的影響，具體內(nèi)容如下：(1)距離4#錨地最近約2 km，因此需增加海管埋深；(2)安全距離及跨航道管線埋深需要進一步討論論證；(3)需要增加2.6 km 長度的管線，要提前采購管道，并且要增加海上相應(yīng)的鋪設(shè)清管試壓等工作；(4)在完成路由變化后的地質(zhì)情況可能變化導(dǎo)致原管線的配重設(shè)計會產(chǎn)生變化；(5)要重新做路由調(diào)查。

在2011 年8 月份再次進行路由通航論證審查時，專家提出管線路由區(qū)域段埋深4.0 m，共約25.2 km；埋深5 m，共約1.5 km；埋深2.0 m，共約14.2 km；需要深埋管線總長約40.9 km，其余管線按原設(shè)計埋深1.5～2.0 m。但項目專家組在調(diào)研國內(nèi)大型船舶錨系及其落錨方式的基礎(chǔ)上，重新研究和分析通航安全評估報告，查找相關(guān)資料并咨詢專業(yè)機構(gòu)，根據(jù)最新路由調(diào)查土壤參數(shù)，獨立計算拋錨軌跡及錨嚙土深度后，從理論上補充和修正原評估報告中的遺漏。

最終有關(guān)部門取消埋深5.0 m 區(qū)域，減少了埋深4.0 m 區(qū)域，適當(dāng)增加了埋深2.0 m 區(qū)域，消除5.0 m 埋深挖不到位的風(fēng)險。確認管線埋深2.0 m 段長46 km，4.0 m 埋深段長12.3 km，該路由得到了海事部門批準。在海管路由確認并通過審查之后，項目組與研究總院和海工設(shè)計協(xié)作溝通，加快完成施工前期設(shè)計，加緊完成2.6 km 海管的采辦工作。同時優(yōu)化施工方案，采取快速跟進、并行施工等多項措施縮短施工工期。

3.2 后挖溝作業(yè)

在進行管線后挖溝施工前，項目組與施工單位根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查報告，進行多次方案完善和優(yōu)化。針對路由的復(fù)雜性，重點對挖溝機進行了選型，尤其關(guān)注挖溝機的抽吸和噴沖能力，務(wù)必滿足該區(qū)域土壤條件。但在實際挖溝作業(yè)中，挖溝效率遠遠低于原計劃，經(jīng)初步分析認為挖溝設(shè)備不適用于該地段，需立即進行適應(yīng)性改造，同時增加相應(yīng)的噴沖及抽吸設(shè)備資源。海工委托水科所對地質(zhì)進行補充調(diào)查，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況和水科所的調(diào)查結(jié)果，確認之前按照油服地質(zhì)調(diào)查資料進行挖溝機選型存在偏差。對此項目組采取了多項措施進行彌補，促使海工通過大量地投入船舶、設(shè)備。經(jīng)過多方面努力，原本2013 年無法完工的外輸氣管線在經(jīng)過項目組采取的多項彌補措施的情況下，終于在2013 年8 月份完成了后挖溝、清管、試壓作業(yè)，并于9 月初通過機械完工驗收。保障了項目的按期完工，同時節(jié)約了項目成本。

3.3 經(jīng)濟效益

通過項目組對埋深方案的再次優(yōu)化，取消了5.0 m埋深區(qū)域，4.0 m 埋深區(qū)域從25.2 km 減少到12.3 km，費用降低約1.5 億元。由于管線路由發(fā)生重大變化，需重新進行路由調(diào)查，重新編制新方案，重新設(shè)計跨航道管線埋深，重新設(shè)計管線配重及進行新增部分管線采辦，費用增加預(yù)計超過原批復(fù)概算約3.4 億元。面對工期和費用的嚴重壓力，項目組臨危不亂，運籌帷幄，最終攻堅克難，實際只比原概算增加1.7 億元，有效將風(fēng)險和投資降到最低。

4 海管路由調(diào)整原因分析

4.1 海域的復(fù)雜性

海管路由與已獲得審批的錨地交叉是海管路由調(diào)整的直接原因，海管路由附近共有8 個拋錨區(qū)需要回避。在2011 年8 月的通航論證會之后，項目組對通航報告仔細閱讀，對國內(nèi)的挖溝資源進行挖溝能力進行調(diào)查與研究分析，對大型船舶的錨系及落錨方式進行研究，查閱大量的資料與研究報告，并及時將相關(guān)信息與通航論證報告編制單位進行溝通，最終項目組根據(jù)專家意見專門編制了管線埋深專題研究報告。

調(diào)整后的海管路由途經(jīng)約30 km 灘涂養(yǎng)殖區(qū)，17 km 的沙波沙脊區(qū)，橫跨15 條古河道，兩側(cè)相鄰8 個拋錨區(qū)，最近距離只有2 km。此外，穿越1 條在用航路和1 條規(guī)劃航道，緊鄰2 個吸沙區(qū)，最近距離只有500 m，南側(cè)2 km 為斑海豹保護區(qū)。海域狀況和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給后挖溝作業(yè)帶來了極大困難。

4.2 地質(zhì)條件的復(fù)雜性

2013 年4 月聯(lián)合正力船組攜帶管道埋設(shè)機進行KP89.6～KP59.3 段1.5 m 埋深挖溝施工時發(fā)現(xiàn)該海域的地質(zhì)情況也比較復(fù)雜。船組原計劃挖溝效率1.4 km/d，全程挖一遍即可完成作業(yè)，但在實際挖溝作業(yè)中，挖溝效率平均為0.36 km/d，且需要挖兩遍才能完成挖溝作業(yè)。海工委托天津水科所對存在硬土層的路由段進行了工程地質(zhì)補充調(diào)查后，與先期油服的調(diào)查結(jié)果進行數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)查結(jié)果存在差異。

針對鉆孔資料存在的數(shù)據(jù)差異，項目組和海工組織召開了專家研討會，認為存在差異的原因如下：(1)調(diào)查目的不同，中海油服調(diào)查是為了管道路由設(shè)計，是計算管線穩(wěn)定性的依據(jù)，水科所調(diào)查是為了保障挖溝作業(yè)，是進行挖溝設(shè)備選型的依據(jù)；(2)取值原則不同，油服的地質(zhì)調(diào)查資料采用地基土方法評估，地質(zhì)數(shù)據(jù)為均值或較小值，水科所的調(diào)查是采用疏浚土方法實測，評估土質(zhì)的數(shù)據(jù)為峰值；(3)同一黏性土層，選取不同深度段的土樣進行力學(xué)試驗，強度也會存在不一致；(4)鉆孔位置有所差異，雖然兩次調(diào)查所在總體區(qū)域一致，但是相對鄰近調(diào)查孔位之間還是有一定距離(最小間距80 m)。

5 海管路由調(diào)整方案

找到海管后挖溝工作效率低的主要原因之后，針對此情況，項目組從四個方面采取措施確保挖溝工作的順利進行。

5.1 資源調(diào)配

項目組組織施工單位立即調(diào)集國內(nèi)最先進的挖溝資源先后投入項目(如海州、海諾利華、管道局六公司、航道局、俊昊公司、海王星等)，并和施工單位組織召開專家審查會，對目前國內(nèi)的挖溝設(shè)備進行了認真分析并提出改造建議，以適應(yīng)路由地質(zhì)情況的需要。同時針對不同地質(zhì)情況，重新調(diào)配設(shè)備，實現(xiàn)“合適的設(shè)備干適應(yīng)的路段”，在錦州25-1 南外輸氣管線后挖溝作業(yè)中，各船原計劃挖溝效率要比實際效率低很多，導(dǎo)致工期延長。

5.2 優(yōu)化方案

根據(jù)地質(zhì)條件靈活調(diào)整挖溝機的抽吸和噴沖的效果，利用拋錨、移船、潛水員下水檢測等時間進行檢修和改造挖溝機，調(diào)整挖溝機的工作狀態(tài)。根據(jù)不同的地質(zhì)和施工條件對挖溝機進行升級改造，調(diào)整挖溝速度與挖溝策略(爭取一次擾動、二次深挖、三遍成型)，以爭取達到最佳工作狀態(tài)。

5.3 設(shè)備改造

有針對性地進行了增大破土能力、增加抽吸量、加強氣舉能力、防止異物堵塞抽吸口等方面的適應(yīng)性改造，著重強化調(diào)節(jié)噴射功能和抽吸功能以適應(yīng)施工地質(zhì)環(huán)境，從而提高施工效率。

5.4 強化管理

與海工高層保持有效溝通與協(xié)調(diào)，保證趕工資源的快速投入。在每條船上配備了甲方管理人員，全程協(xié)調(diào)和管理，并聘請上海交大的專家作為挖溝的技術(shù)支持。海工維修主管領(lǐng)導(dǎo)駐船督戰(zhàn)，計劃細化到小時，每日進行效率評估及比對，及時召開海管后挖溝驗收技術(shù)要求專家討論會，有效評估挖溝效果。管線鋪設(shè)、挖溝過程，工程項目組派駐專職檢驗人員，實行24 h全程監(jiān)控，確保各個工序都在質(zhì)量受控狀態(tài)下進行。在海管路由調(diào)整后，關(guān)于海管埋深的研究也為項目成功實施創(chuàng)造了較為合理條件，原本2013 年無法完工的外輸氣管線在經(jīng)過項目組采取的多項彌補措施的情況下，終于在2013 年8 月底清管試壓結(jié)束，并于9 月初機械完工。

6 結(jié)語

本文介紹錦州25-1 南外輸天然氣管線路由進行重大調(diào)整，管線長度需要增加2.6 km，項目施工方在并未有前期建設(shè)經(jīng)驗可以借鑒的前提下，在將風(fēng)險降到最低的前提下最大限度地減少資金投入。

前期工程地質(zhì)調(diào)查時要充分考慮挖溝作業(yè)要求，增加鉆孔密度并提供海管挖溝深度范圍內(nèi)詳細的疏浚土土質(zhì)參數(shù)，為后期挖溝機選型和挖溝作業(yè)提供更加準確有效的地質(zhì)報告。在挖溝設(shè)備準備階段，需要研發(fā)或升級目前挖溝設(shè)備，重點解決地質(zhì)復(fù)雜多變且不排水抗剪切力較高泥質(zhì)的挖溝作業(yè)。同時盡快出臺挖溝操作技術(shù)標(biāo)準，并完善適應(yīng)不同地質(zhì)參數(shù)和作業(yè)環(huán)境的挖溝機系列。在施工管理方面，要提高對挖溝作業(yè)的重視程度，制定行之有效的風(fēng)險控制措施和應(yīng)急處理方案，協(xié)調(diào)海事和漁政部門，增派執(zhí)法船舶疏導(dǎo)過往船舶和作業(yè)漁船，維護施工現(xiàn)場的正常作業(yè)。同時，加強現(xiàn)場的通信廣播，通知過往船舶和其他作業(yè)船舶注意避讓錨纜，特別是在吸沙區(qū)和航道區(qū)附近進行作業(yè)時。在施工階段，要充分考慮渤海海域的復(fù)雜性，全面評估挖溝所使用設(shè)備與船舶的匹配性，根據(jù)施工效率安排挖溝計劃。進一步完善挖溝定額，根據(jù)土壤硬度配置相應(yīng)的施工設(shè)備，就此核算施工效率，并依此預(yù)算相應(yīng)費用。