一種用于柔性軟管后挖溝挖溝工藝介紹

練 斌* 李 劍 徐德平 楊 陽

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 2.海洋石油工程股份有限公司 3.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司）

0 引言

海底管道是海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，也是快捷、安全和經(jīng)濟(jì)可靠的海上油氣運(yùn)輸方式。柔性管具有柔韌性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于平臺(tái)間輸送生產(chǎn)水或氣。為了保障柔性管在海底運(yùn)行的安全穩(wěn)定，免受潮流沖擊、大型船舶溜錨剮蹭

或漁網(wǎng)拖拽等外力導(dǎo)致柔性管移位或受損的情況發(fā)生，一般在設(shè)計(jì)時(shí)要求軟管需要進(jìn)行后保護(hù)，包括挖溝和放置水泥壓塊防護(hù)，目前渤海灣柔性管要求埋于海床面2 m 以下。常規(guī)的柔性管鋪設(shè)多采用邊鋪邊挖的施工工藝，柔性管埋深受限于船舶鋪設(shè)速度以及土壤剪切力，常常存在埋深不足的情況。而鋼管后挖溝已經(jīng)是常用的海上施工工藝，普遍應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，柔性管由于生產(chǎn)材質(zhì)及應(yīng)用少等原因，暫未有后挖溝的情況。

本文以渤海灣已服役的柔性管后挖溝項(xiàng)目為例，介紹了柔性管后挖溝的施工工藝、挖溝設(shè)備、作業(yè)流程、監(jiān)控方案以及為未來柔性管后挖溝項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施提供借鑒和參考。

1 工程概況

渤海某油田已服役注水柔性管長(zhǎng)8.8 km，現(xiàn)場(chǎng)水深約23 m，柔性管設(shè)計(jì)埋深為2 m，實(shí)際埋深為1～1.5 m，為了確保不影響油田平臺(tái)生產(chǎn)，需要設(shè)計(jì)一種柔性管不停產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行后挖溝的施工工藝。

圖1 為軟管主要結(jié)構(gòu)層情況。各層材料的選擇與使用環(huán)境（流體成分、溫度和壓力等）有關(guān)，需滿足軟管在壽命期限內(nèi)的操作和安裝工況下的功能要求。

圖1 軟管主要結(jié)構(gòu)層示意圖

2 柔性管后挖溝技術(shù)工藝介紹

2.1 非接觸式柔性管后挖溝技術(shù)

柔性管的外表層為聚乙烯材料，其硬度、屈服強(qiáng)度、抗沖擊抗拉伸強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于碳鋼。而常規(guī)梨式挖溝機(jī)是在外力牽引作用下，帶動(dòng)挖溝機(jī)前進(jìn)，通過挖溝機(jī)機(jī)械梨刃破開土壤成預(yù)定溝槽，但已服役的柔性管鋪設(shè)路由呈現(xiàn)彎曲狀，且船舶定位存在一定誤差，若采用梨式挖溝技術(shù)，就有可能存在梨刃剮蹭柔性管表面的情況。從施工安全角度來考慮，建議采用非接觸式后挖溝技術(shù)。

常規(guī)非接觸式后挖溝使用大流量軸流泵抽入海水噴沖海床面，通過水流將海底的土壤帶走，形成溝槽?？紤]到柔性管服役的土壤環(huán)境，土壤剪切力較大，普通的軸流泵射流有可能破不開泥土，因此在常規(guī)非接觸式挖溝基礎(chǔ)，本次后挖溝采用高壓水流+空氣氣流+填充水流同軸噴射技術(shù)，使得原來的淹沒條件下的射流變?yōu)榉茄蜎]條件下的噴射，破土能力提高5～6 倍，同時(shí)水氣及時(shí)混合極大提高泥沙排除，避免分別噴射造成能量浪費(fèi)。

本次非接觸式挖溝機(jī)[1-2]的優(yōu)點(diǎn)有：（1）挖溝時(shí)與柔性管無接觸，不會(huì)對(duì)柔性管外表層造成剮蹭或破損，安全性能高；（2）破土能力強(qiáng)，最大破土強(qiáng)度≥100 kPa；（3）挖溝設(shè)備組成簡(jiǎn)單，可反復(fù)多次挖溝。

2.2 挖溝設(shè)備參數(shù)

挖溝機(jī)長(zhǎng)5.5 m，寬8.5 m，高2.8 m，攜帶2 臺(tái)噴沖泵和破土泵。

噴沖泵（深水軸流泵）安裝在挖溝機(jī)上通過電纜與船甲板上連接，噴沖泵流量為3 600 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為160 kW。

破土泵（五缸柱塞泵）安裝布置在船甲板上，通過高壓軟管連接到挖溝機(jī)上高壓噴沖裝置，負(fù)責(zé)高壓破土，破土泵流量為100 m3/h，揚(yáng)程為1 000 m，功率為355 kW，挖溝深度大于等于2.5 m。

管線電纜跟蹤系統(tǒng)（TSS440），采用脈沖感應(yīng)技術(shù)，能夠探測(cè)埋藏或暴露與海床的導(dǎo)體材料，最大檢測(cè)范圍以線圈為中心水平20 m、垂直10 m，垂直測(cè)量精度5 cm 或傾斜5%，取最大值。

水下信標(biāo)被應(yīng)用于挖溝機(jī)水下定位和調(diào)整方位角，安裝在挖溝機(jī)首尾中心位置，信標(biāo)的測(cè)量精度為0.25 m。

2.3 施工風(fēng)險(xiǎn)

本次柔性管埋設(shè)要求為2 m，土壤剪切力較大，因此在選擇挖溝機(jī)時(shí)，選用高壓水流+空氣氣流+填充水流同軸噴射技術(shù)，噴沖攻略大，而柔性管外表層為高密度聚乙烯，因此需要校核最大噴沖攻略下，對(duì)柔性管表層是否產(chǎn)生破壞。

根據(jù)挖溝機(jī)的工作原理，假設(shè)射流噴射至軟管的行程中周圍介質(zhì)為海水，射流示意圖如圖2 所示。

圖2 挖溝機(jī)施工中射流示意圖

取 射 流 截 面 積A=2.16×104m2，射 流 速 度V1=128.8 m/s，海水密度ρ=1 025 kg/m3。

假設(shè)沿x軸方向射流與軟管接觸前的速度為V1，接觸后的速度為V2。射流與軟管接觸時(shí)，軟管作用在射流上沿x軸的作用力為F。

根據(jù)動(dòng)量定理，在Δt時(shí)間內(nèi)有：

式中：m——Δt時(shí)間內(nèi)射向軟管的射流質(zhì)量，m=ρAV1Δt；

ρ——射流密度；

A——射流截面積；

g——重力加速度。假設(shè)射流接觸軟管后的速度V2= 0，則-ρAV1ΔtV1= (F+ρAV1Δtg) Δt

軟管作用在射流上沿x軸的作用力F與射流作用在軟管上沿x軸的作用力F′互為作用力力與反作用力：F′ = -F=ρAV12。根據(jù)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到：F′ = 3 673 N。

挖溝機(jī)射流作用在軟管上的作用力為3 673 N(約0.375 t) 。根據(jù)《軟管擠壓試驗(yàn)報(bào)告》可知，試驗(yàn)管在1.86 t 的擠壓及卸載后的狀態(tài)下橢圓度的變化值滿足設(shè)計(jì)要求。

故在挖溝機(jī)射流作用力下，軟管性能完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)產(chǎn)生任何風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 工作流程

2.4.1 預(yù)挖溝

施工船舶拉航至施工海域后，在正式挖溝前應(yīng)在甲板上對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行調(diào)試，檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)、水泵及主要部件性能，由于不同海域水文數(shù)據(jù)和泥土參數(shù)不同，挖溝前要進(jìn)行試挖溝作業(yè)。根據(jù)試挖溝取得的經(jīng)驗(yàn)確定挖溝行進(jìn)速度、水泵參數(shù)和挖溝深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，待主作業(yè)船、拋錨船、挖溝機(jī)參數(shù)和操作人員完全滿足挖溝條件后方可進(jìn)行正式挖溝作業(yè)。

2.4.2 挖溝機(jī)下放

施工船舶在柔性管路由上就位后，通過調(diào)整船位，調(diào)整主作業(yè)船舶中心線與軟管位置方向保持一致，并檢查、確認(rèn)船舶所有設(shè)備可正常使用[3]。設(shè)備人員仔細(xì)檢查挖溝機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)，確認(rèn)無異常后，挖溝機(jī)操作人員緩緩下放挖溝機(jī)入水，詳見圖3，下放挖溝機(jī)至距離海底約3 m（通過聲吶測(cè)量）位置時(shí)停止下放，通過挖溝機(jī)攜帶的管線跟蹤系統(tǒng)、水下信標(biāo)、聲納確定挖溝機(jī)下放位置（通過管線跟蹤系統(tǒng)及軟管路由坐標(biāo)確定起始點(diǎn)位置在軟管埋深不滿足2 m 范圍以外10 m 位置）。調(diào)整船位使挖溝機(jī)位于管線正上方，且挖溝機(jī)滑靴方向與軟管路由一致。沿路由方向移船，測(cè)試管線跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，并對(duì)軟管路由進(jìn)行確認(rèn)，合格后移船至挖溝作業(yè)起點(diǎn)位置[4]。

圖3 挖溝機(jī)下放示意圖（單位：mm）

2.4.3 后挖溝作業(yè)

挖溝機(jī)下放至泥面，管線跟蹤系統(tǒng)[5]（TSS 440）保持開啟狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟管。通知駕駛臺(tái)開始移船，主作業(yè)船開始沿著路由移動(dòng)（速度控制在1 m/min），與此同時(shí)，操作人員開啟挖溝機(jī)噴沖泵，詳見圖4。按照試挖溝總結(jié)的操作參數(shù)（如水泵壓力及流速、空氣壓力及流速、船舶行走速度等）完成挖溝10 m 后，停止挖溝作業(yè)。潛水員下水進(jìn)行管線確認(rèn)及挖溝深度檢驗(yàn)。確認(rèn)無誤后，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，挖溝作業(yè)正式開始。

圖4 柔性管挖溝示意圖

挖溝作業(yè)過程中根據(jù)挖溝深度（溝深應(yīng)控制在2.5 m 內(nèi)）控制移船速度。當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)通過調(diào)整船位使挖溝機(jī)處于管線的上方。聲納實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映溝深不足位置進(jìn)行記錄，并進(jìn)行反復(fù)移動(dòng)噴沖，確保開溝深度滿足要求[6]。

2.4.4 施工問題

（1）埋深不足

挖溝作業(yè)過程中，挖溝機(jī)聲納圖像受海底浮泥影響，不能完全顯示溝型狀態(tài)或者聲吶監(jiān)控挖溝購型不滿足要求，考慮到局部地區(qū)存在土壤剪切力太大的情況，需進(jìn)行二次挖溝。二次挖溝管線段必須覆蓋所有不滿足埋深要求的區(qū)段。同時(shí)二次挖溝的位置需要兼顧對(duì)已經(jīng)埋設(shè)達(dá)到深度段影響，在需要噴沖開挖位置前后挖一定長(zhǎng)度。二次挖溝的選取段應(yīng)盡可能連續(xù)，同時(shí)比對(duì)第一次聲納數(shù)據(jù)合理的調(diào)整參數(shù)，避免因?yàn)榍逵俨蛔阍斐陕裆畈蛔恪?/p>

（2）挖溝機(jī)路由偏差

由于柔性管已服役且埋入海床下，柔性管路由依據(jù)聲吶及TSS440 監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，而采集處理數(shù)據(jù)存在誤差及丟失的可能，造成挖溝機(jī)噴沖路由與柔性管路由不一致。因此在施工過程中，要定期修正TSS440 設(shè)備誤差，在每次挖溝500 m 后，潛水員對(duì)溝型溝深及柔性管路由進(jìn)行探摸確認(rèn)，確保柔性管始終保持在溝槽內(nèi)。

經(jīng)過后調(diào)查掃測(cè)，柔性管埋深在2.5～3 m 之間，彎曲滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

目前柔性管在國(guó)內(nèi)海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，柔性管的后保護(hù)挖溝問題也是后續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。本文介紹了一種應(yīng)用于柔性管后挖溝的挖溝工藝，采用非接觸式挖溝機(jī)，對(duì)埋深不足的柔性管進(jìn)行二次補(bǔ)挖溝，這種柔性管挖溝工藝不僅豐富了后續(xù)施工的方案選擇，也為今后類似項(xiàng)目柔性管埋深不足處理提供了的借鑒。