仿生水草治理海底管道悬空情况探查及改进措施

蒋习民，陈同彦

（中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026）

0 引言

胜利埕岛油田开发始于1995年，是我国第一个大型滩浅海油田，2012年原油产量达到280万t，已建成大小平台100多座，海底输油、注水管道130多条，海底管道总长超过200 km，形成纵横交错的复杂海底管网系统，承担着埕岛油田原油外输及油田注水的重要任务。但由于油田处于黄河入海口附近，海底表层多为黄河三角洲的冲积沙质粉土，极易受到冲刷。由于近年来黄河治理成效显著，黄河来沙量减少，再加上沿岸构筑物的建设，如防潮堤、进海路的修建等，改变了海区的流场，油区呈现出大范围的冲刷现象，造成海底管道悬空，严重威胁着油田的安全生产。

海底管道悬空治理一直是保障油田安全生产的重要任务，胜利油田在海底管道悬空治理方面投入了大量人力和物力，在治理方案上不断探索，取得了显著成效。2006年，引入了海底仿生水草防冲刷系统，充分利用海区海水的高含沙特点，通过仿生水草的黏滞阻尼作用，降低了海流流速，促进了泥沙的淤积，从而达到了悬空治理的效果。该方案实施后取得了很好的效果，试点工程实施后1年，探查资料显示，泥沙淤积厚度已达到了20～50cm。之后，仿生水草治理在油田海管悬空治理项目中得到了大范围推广。但从胜利油田海洋采油厂最近一段时间的探查资料看，发现了新的情况，许多管道再次悬空。本文针对该情况进行探查研究，分析再次悬空的原因，并对应用仿生水草系统的海底管道悬空治理方案提出了新的改进措施。

1 管道悬空现状

本次 （2012年）共对11处海底管道立管的悬空进行了探查，其中2006年、2007年治理的有7处，探查资料显示，治理时铺设的仿生水草缺失率平均超过50%，悬空长度、高度较治理前都有较大幅度的下降。但由于仿生水草缺失严重，新的悬空隐患已经对管道的安全构成了威胁。2008年治理的有1处，治理效果较好，悬空长度6 m，高度0.4 m，治理范围内均发现仿生水草，缺失少。2010年治理的有3处，治理范围内未发现悬空，仿生水草状态良好，管道处于淤积填埋状态。2012年探查的11处海底管道悬空情况见表1。

探查的典型工程之一：2006年治理时管道的悬空长度为36 m，最大悬空高度2.0 m，采用抛填沙袋结合仿生水草覆盖的治理方案，治理长度50m，共计抛沙袋592 m3，铺设仿生草425 m2，铺设后进行了第三方验收，均达到了设计要求。2012年探查结果显示：海管悬空长度约24 m，最大悬空高度约1.50 m （立管弯处），立管弯处至水平管段约13 m之间发现有沙袋，未发现仿生水草，24 m处管道入泥。2006年治理时管道悬空情况如图1所示，2012年探查时管道悬空情况如图2所示。

表1 2012年探查的11处海底管道立管悬空情况

图1 2006年治理时管道悬空情况/m

图2 2012年探查时管道悬空情况/m

2 管道再次悬空的原因分析

从探查资料以及仿生水草悬空治理后的海底录像资料中可以看到，仿生水草的防护治理在最初的几年内均能起到较好的促淤效果，管道的悬空得到了有效的控制，但随着时间的推移，仿生水草会出现不同程度的缺失，引起了管道的二次悬空，一旦没有及时制止，随着仿生水草缺失的增加，管道的悬空将会逐年增加。要分析清楚仿生水草的缺失原因，需要从产品、设计、施工及管理等多个层面进行研究。

2.1 仿生水草防护方案简介

仿生水草防冲刷系统由水草、基垫和锚固装置组成，水草由耐海水浸泡、抗长期冲刷的新型高分子材料加工制作。其作用机理符合海洋抗冲刷流体力学原理，当海底水流经过仿生水草时，由于受到其柔性黏滞阻尼作用，降低了流速，减缓了水流对海床的冲刷；同时，水流中夹带的泥沙也在重力作用下不断地沉积到仿生水草安装基垫上，逐渐形成了一个被仿生水草加强了的海底沙洲，从而抑制了海底结构物附近海床的水流冲刷。海底防冲刷仿生技术原理示意见图3。

图3 海底防冲刷仿生技术原理示意

目前，仿生水草防冲刷系统基垫的规格主要有：5 m×2.5 m、5 m×5 m、5 m×7.5 m等。防冲刷仿生水草的高度一般在1.2～1.5 m范围；专用锚固装置的使用数量在通常情况下为：对于5m×2.5m的基垫配8套锚，对于5 m×5 m的基垫配16套锚，对于5 m×7.5 m的基垫配24套锚，特殊情况下也可视防冲刷的需要而定，锚长约1～1.5 m，通过手持式液压杆打入海底泥面。仿生水草防冲刷系统基垫尺寸规格及配锚数量示意见图4。

图4 仿生系统基垫尺寸规格及配锚数量示意

根据海底管道悬空情况，在治理时采取了抛填沙袋结合仿生水草覆盖的方案。由于受平台影响，以平台为中心的30～40 m半径范围内的管道端部悬空较严重，首先要采用沙袋对海底管道下部进行塞填，确保管道不悬空，然后再在管道及回填层上方铺设仿生水草防冲刷系统。海底管道仿生水草防冲刷系统典型断面示意见图5。

图5 海底管道仿生水草防冲刷系统典型断面示意

2.2 仿生水草缺失原因

经过设计、施工、管理方的认真调查分析，找出了仿生水草缺失的主要原因。

（1）外部因素。由于黄河来沙量减少，而大面积的区域冲刷持续进行，因而仿生水草也只能起到局部促淤作用。随着冲刷的加剧，防护范围外的区域有可能产生新的管道悬空和裸露，这些新的隐患如果没有及时发现和治理，将有可能严重影响仿生水草的防护治理效果，甚至造成水草缺失。

（2）产品因素。固定仿生水草的锚较短，只有1～1.5 m，当悬空高度达到1.5 m以上时，从图5的典型断面可知，在管道下方需要堆积较高的沙袋，若锚不能穿过沙袋打入海底泥面，则一旦仿生水草防护系统局部出现破坏，就会影响到沙袋的稳定，从而最终影响仿生水草的稳定。

（3）设计因素。平台根部由于受到局部较大流速的影响，冲刷严重，管道悬空高度较大，需要抛填较多的沙袋才能铺设仿生水草，仿生水草的稳定性较差；另外，受到平台附近船只靠泊、捕捞、施工等作业的影响，仿生水草更易缺失。因此，在方案设计上宜避开该区域进行水草铺设。

（4）施工时沙袋被破坏。从图4中可以看到，仿生水草基垫上锚较多，施工时，通过振动式设备把锚打入海底，这破坏了沙袋的完整性，铺设过程中，沙袋就有可能被冲淘，从而影响了仿生水草的稳定性。

（5）其他人为破坏也是仿生水草缺失的重要因素。仿生水草的固定主要靠周边的锚，由于地处浅海，附近任何渔业活动或者后续工程施工，均有可能影响到锚的固定，如果受到破坏，也可能发展到局部揭开，水草下面沙袋流失，时间久了就造成了水草缺失。

（6）缺乏定期的维护管理。仿生水草的铺设及后期维护，对其性能的发挥起到至关重要的作用。由于海洋环境的影响是持续进行的，仿生水草治理不可能一劳永逸地发挥作用，应有专门的队伍进行日常的巡检和维护，发现锚固不牢的地方就应该尽快整改，以防止出现大面积缺损的局面。

3 悬空治理方案的改进措施

3.1 产品的升级

从技术上改进产品，如加长锚杆长度及改变施工方式等。由于锚是由潜水员在水下通过锚杆打入的，锚杆的长度受限于人的身高，需要研发可伸缩的锚杆系统，以方便水下操作，从而使锚能打入海底泥面，确保仿生水草的稳定性。

3.2 设计方案的改进

（1）铺设仿生水草应避开平台根部区域，在管道立管根部一定范围内应采用水下支撑桩或者抛填沙袋进行治理。

（2）宜在管道悬空较小的条件下铺设仿生水草，比如在悬空高度小于0.5m时进行铺设。这样一方面可以减少沙袋的用量，增强稳定性，另一方面也有利于仿生水草的固定锚能够有效地打入海底。

（3）减小仿生水草下沙袋的摆放坡度，增强沙袋边坡的稳定性。

3.3 加强日常管理

成立专门的管理和维护队伍，进行日常巡检，禁止渔业捕捞，对后续工程的施工进行监督，一旦工程施工影响到仿生水草的稳定性，就需要及时进行修补。每年定期进行探查，发现水草缺失以及沙袋冲淘应及时投放沙袋及补充水草。

4 结束语

由于埕岛油田的特殊地理位置，大面积的冲刷不是人为因素能有效控制的，因此，海底管道悬空隐患治理仍旧是一个大难题，一方面在治理方案上要不断改进，另一方面在思路上也要进行转变，要形成有效的机制，对治理工程进行定期的巡检和维护，以确保油田的安全生产。

[1]SY/T 10037-2010,海底管道系统[S].

[2]王利金，刘锦昆.埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策[J].油气储运,2004,23（1）：44-48.

[3]刘锦昆,张宗峰.仿生防冲刷系统在埕岛油田中的应用[J].中国海洋平台,2008,23（6）：36-38.

[4]苗文成.埕岛海域海底管道隐患分析及治理[J].石油工程建设，2004，30（3）：48-50.