LW3-1深水无潜灌浆法大悬跨处理方案

王朋飞, 林臻裕

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067)

LW3-1深水无潜灌浆法大悬跨处理方案

王朋飞, 林臻裕

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067)

海底管道悬跨是由海床未形成有效支撑而形成的，增加了管道疲劳载荷，降低了管道的完整性。在国际工程项目中采用灌浆法进行悬跨处理已有多年的应用背景，而国内项目中却非常少见，仍侧重于砂袋填充法处理。灌浆法悬跨处理的优点是处理效果牢固可靠，从已知的工程应用来看主要进行低矮悬跨处理；依现有工艺方法进行大悬跨处理，理论和操作上存在诸多缺陷，无法达到处理目标与质量。通过对普通灌浆处理方法方案、灌浆袋及施工工艺等内容进行改造创新设计，使其能满足大悬跨处理要求，完成处理任务。并通过LW3-1大悬跨处理工程实践，介绍使用无潜灌浆法进行大悬跨处理的方法，分析其特点和优势，总结工程经验，为深水大悬跨处理提供参考和技术指导。

悬跨处理；灌浆；找平；吊架；成型

0 引 言

ⅠⅡⅢLW3-1深水油气田项目是中国首个深水油气田项目，海底管道线路长，情况复杂，悬跨形式多样。为保证海底管道的稳定性先后进行过挖沟、抛石和砂袋填充作业。在距离LW3-1平台7.8 km处有一天然大悬跨，跨距117 m，最大高度5.27 m，总体坡度为7°，海床主要为砂质海床，部分位置有硬质珊瑚礁。由于此悬跨长度超过海管路由最大许用悬跨长度，为保证整个油气管道安全，应业主要求对其进行长久可靠的稳定性处理，最终处理结果除满足最小许用悬跨要求外，同时要保证横向和垂向的有效支撑。

对于海底管道悬空段的力学分析研究，各国船检机构如挪威船级社(DNV)、美国船级社(ABS)等均有相关的指导性文件，其中挪威船级社的DNV-RP-105[1]最为全面，为工程界普遍认可。对于海底管道悬空段防护措施的研究主要从四方面出发：(1)增加海底土壤颗粒的抗冲刷能力；(2)降低波浪、海流对海底管道的冲刷速度；(3)减少海底管道悬空长度；(4)增大海底管道适应冲刷的能力[2]。

目前在国内外海洋工程领域常用的防护措施是通过减小海底管道悬空长度来实现，其中灌浆支撑法的研究和应用国外工程走在了前面，也形成了一些专业性比较强的公司，比如FOUNDOCEAN、FORCE Offshore Kish和Core Grouting Services；而国内相关领域的技术应用非常少见，尤其是采用水下机器人(ROV)进行深水大悬跨处理未见报道。本文介绍了改进后的深水无潜灌浆法大悬跨处理方案，并通过LW3-1大悬跨处理工程实践验证了其效果。

1 海底管道悬跨处理方法及适用范围

国内外目前针对悬跨处理的方法有很多，在工程施工中比较常见的是砂袋回填法、后挖沟法、重物压载法；除此之外还有抛填砾石法(抛石法)、机械支架法和水泥灌浆法[3]。

砂袋回填法工艺简单、便于操作，在工程施工中应用较多，缺点是可靠性不高。后挖沟法适合处理大面积低矮悬跨，费用高。重物压载法适用于小悬跨，多用于海管保护，缺点是海管维修、维护不方便。抛石法适用于大面积悬跨，费用高。机械支架法不适用于大面积低矮悬跨，造价高，深水无潜安装操作困难。水泥灌浆法偏重小悬跨处理，处理效果稳定，主要的风险是沉降。

在充分考虑LW3-1深水油气项目大悬跨环境特点和处理指标的情况下，综合施工成本、施工效率和施工效果，创造性地对普通灌浆法进行改进，从而实现其对大悬跨的处理。在LW3-1深水油气田项目中首次使用无人深潜灌浆法进行大悬跨处理，并取得了成功，也积累了大悬跨处理方法、工艺等方面的宝贵经验。

2 深水无潜灌浆法大悬跨处理方案设计原理及流程

深水无潜灌浆法悬跨处理的基本原理，即通过ROV下放灌浆袋，安装于管道悬跨处，然后通过甲板操作，将调配好的泥浆通过注浆管线注入灌浆袋中，使其扩充、成型、凝固，进而完成对悬跨段的支撑处理。其基本流程如图1所示。

图1 灌浆悬跨处理水下操作基本流程Fig.1 Cement grouting correction operation for free span

3 大悬跨处理所要解决的问题

关于大悬跨还没有一个明确的定义，但将5.27 m悬跨称为大悬跨是没有问题的。大悬跨最明显的特征是处理高度高，泥浆灌注体积大、重量大。

处理高度高，对定位精度和成型控制要求就相对严格，支撑稳定性应予重点考虑和计算。这主要涉及海床预处理和成型控制两方面内容。

重量大就必须考虑沉降风险，尤其是对于软质海床。

4 深水无潜灌浆法大悬跨处理设计

4.1 方案设计

LW3-1深水油气田项目大悬跨处理方案设计的基本思路是在基础处理中引入找平袋，将其与灌浆袋配合使用完成悬跨处理内容[4]。

找平袋和灌浆袋本质上是一样的，均为有机编织物，可以透水透气，但能阻止泥浆渗出。灌浆袋为多层金字塔型结构，每层安装有透气帽及注浆口，可独立进行注浆成型。找平袋根据需要可以设计成单层或多层，能满足基层处理要求即可，高度较矮，层间高度较小。

找平袋的作用主要有：(1)对有坡度海床面进行找平，保证灌浆袋有一个平整的灌浆基础，避免因地势不平而造成灌注支撑歪斜；(2)减小沉降，一方面在对坡度找平的同时可以增大基层接触面积，另一方面没有对原始海床土层造成扰动和破坏，保持较好的承载能力。

4.2 灌浆袋和找平袋设计

保持合理的沉降量，满足设计要求，是灌浆袋、找平袋规格设计的前提。首先选择悬跨处理点，对各工况计算并提取计算数据。由于灌浆袋的主要作用是垂向支撑和侧向限位，因此主要考虑垂向作用力和侧向作用力，分析方法参见图2，在此不作展开。通过沉降过程的计算和优化，可以确定底面尺寸、设计高度和面斜度等主体尺寸，一个灌浆袋的轮廓便清晰可见。找平袋底面尺寸主要依据灌浆袋底面进行设计，一般为灌浆袋底面各边向外偏移1～1.5 m，其高度设计主要取决于处理海床的坡度和高差，保证在海床预处理后有一个完整的水平安装面。

图2 悬跨段海管力学分析Fig.2 Pipeline mechanical analysis of free span

图3 灌浆支撑稳定性和层间滑移计算Fig.3 Stability and sliding analysis for grout support

灌浆支撑要想达到处理效果，必须保持良好的稳定性，这一点对于大悬跨处理尤为突出，因为高度高，海管作用将产生一个较大的倾覆力矩，同时大基础就会有较大的侧投影面积，受海底流作用产生的倾覆弯矩也应给予重视。在进行灌浆袋稳定性评估中，主要考虑以下几方面内容：承载能力计算、整体稳定性计算、各分层层间滑移计算和极限倾覆力矩计算。分析方法参见图3，在此同样不作展开。通过稳定性分析，实现对原有设计尺寸的验证和二次优化，确定设计方案[1，5-7]。

5 深水无潜灌浆法大悬跨处理工艺设计

5.1 基础找平

基础找平是灌浆袋安装前的准备工作，其主要目的是利用各灌浆层成型，避免灌浆过程中发生歪斜，主要通过找平袋实现，其原理是利用泥浆的流动性进行不完全灌浆找平。同时也正是由于泥浆的流动性，在坡度斜平面上进行灌浆袋的安装，容易发生倾覆、翻滚；在极端情况下，往往要通过设置挡板来阻止泥浆自由流动直至凝固。究竟多大的坡度要进行找平处理，应依据支撑底面积进行估算。在LW3-1项目施工中为保证良好的成型效果，将2.5°作为临界坡度。大于2.5°的处理点将安装找平袋，如图4所示，小于2.5°的处理点不进行找平处理。

图4 找平袋坡度找平Fig.4 Pre-leveling by leveling bag

在基础找平的过程中可能由于注浆速度过快、操作或判断失误等原因，没有及时停浆，从而使注浆过于饱满(见图5)失去找平效果。基于上述风险，对找平袋结构作了特别设计，如图6所示。首先进行分层设计，增加灌注次数，使得找平袋应用于不同坡度更加灵活，可调控余地大大增强。其次在层间区域设置拉筋，尤其是针对中心区域，从而保证即使发生风险操作时，仍能保持较好的成型面。

图5 注浆过于饱满Fig.5 Over grouting

图6 找平袋优化设计Fig.6 Optimization design of leveling bag

5.2 灌浆袋安装

不同的安装方法其侧重点不同，效率和使用工具也不尽相同。目前国内外比较常见的有整体安装法(见图7)和分层安装法(见图8)，主要区别在于灌浆袋的设计是整体设计还是分层设计。LW3-1深水油气田项目主要从工期角度考虑，采用整体灌浆袋设计、安装方法。

图7 整体灌浆袋Fig.7 Fabrication as a whole

图8 分层设计灌浆袋Fig.8 Fabrication by layers

两种设计的特点如表1所示。

表1 灌浆袋整体设计与分层设计特点对比

5.3 灌浆袋定位

大悬跨处理与普通悬跨处理相比，难点是定位，由于灌浆袋大，高度高，袋子易漂浮，在海流的影响下还产生浮动，不能通过ROV的直接观察来确定灌浆袋是否精确摆放到位。在LW3-1深水油气田项目施工中，针对施工特点，采用校准链进行灌浆袋最终摆放位置的校准。所谓的校准链，就是一根中间有ROV抓取把手的链条，链条可悬挂于海管上，每隔0.5 m刷有荧光漆，不仅便于观察还可以作为高度测量工具。灌浆袋在初步定位完成后，ROV抓起校准链悬挂在海管上，沿海管方向灌浆袋两侧各一根。看下垂链条两端是否落在灌浆袋标记区域之内，如果两侧链条都位于标记区间(见图9)之内，则表示灌浆袋摆放到位，如图10所示。

图9 定位标识Fig.9 Positioning marks

图10 灌浆袋定位Fig.10 Positioning of grout bag

在使用校准链的时候应注意三点：(1)链条长度适中，末端贴住海床，但不能堆积过多，否则不利于观察；(2)灌浆袋要完全舒展，不能有折叠、堆积，否则观察结果不准确；(3)灌浆袋上绘制的标记线不宜过长，否则会随着灌浆袋移动发生弯曲，不利于结果观察。

5.4 分层设计

对灌浆袋进行合理的分层设计，可以有效地降低施工风险，提高施工效率。根据灌浆袋所处位置的不同将其分为三个区域：与基础面接触的区域(1～2层)，称为基础区域；中间区段称为平行区域；顶部与海管接触位置(1～2层)称为支撑区域。对于基础区域施工要慢、细，以保证质量，对于液体泥浆成型最大的风险是形状和高度，因此基础区域的分层高度设计应当以低矮为主；基础层施工完成后，有个稳定的基础，平行层的注浆速度和设计高度可以增大；支撑区域相对比较复杂，因为在灌浆袋高度设计中是有余量考虑的，这些余量主要用来补偿各层泥浆凝固体积收缩累加以及跳过操作失败灌浆层的损失高度，所以在支撑区域分层设计中应设计联通隔层，还应保持较大的分层高度，具体尺寸应考虑高度余量和有效支撑后决定。

在各分层设计中，层间分割应该设计为联通分割，在LW3-1深水油气田项目中是通过设计联通孔保证联通的，如图11所示。这样一方面保证灌浆袋整体的一体性，而不是相互独立的分层，使得灌浆袋整体稳定性和层间滑移更加保守；另一方面也可以避免对每层灌浆量观察不及时，压力过大而使灌浆层材料破裂的风险。

图11 灌浆层内部平面隔层Fig.11 Separation for each layer inside the grouting structure

5.5 水下机器人成型控制

实现ROV操作的可行性，是大悬跨处理灌浆袋安装主要解决的问题，也是普通灌浆法改进所围绕的核心。在众多改进措施中，吊架无疑是最具代表性的，它的主要作用在于灌浆成型控制。

一个灌浆袋安装需要两个吊架，分别被临时固定在灌浆袋顶部相对侧，当灌浆袋摆放到位时，两个吊架将平行于海管。两个吊架形式略有不同，参照图12，一个吊架上带有链条，一个吊架上开有限位槽口。在进行吊架安装时，ROV抓取链条末端的猴头，飞跃海管管线，穿过另一吊架然后反向拉紧，将链条卡在另一吊架限位槽内。拉紧过程应缓慢进行，避免将吊架拽落或者将灌浆袋拉坏。张紧后的灌浆袋应该是顶部紧贴海管，吊架紧贴海管两侧。吊架安装效果如图13所示。

吊架安装成功后，灌浆袋在高度方向上能有效伸展，这样可以避免灌浆袋由于自重或海流影响，漂浮堆积不利于灌浆；灌浆袋有效伸展后，如果出现较大位移就会产生张力，可以纠偏和成型控制，同时顶部支撑面在海管正下方，可以保证对海管进行有效支撑。

图12 吊架安装示意图Fig.12 Hanger installation instruction

图13 吊架安装效果Fig.13 Hanger after installation

在吊架安装过程中应注意以下两点：(1)吊架安装应在基层灌浆完成后进行，如果空袋安装会扰动原有的定位；另外安装成功后的灌浆袋已经有效撑开，表面积大，受海流作用力也大，再进行定位并不容易。(2)吊架的排布应利于ROV操作，若不进行有效排布，吊架将位于灌浆袋中心，灌浆袋下放后顶部灌浆层将浸水浮起，吊架由于重力作用会在灌浆袋顶部形成一片凹陷，在此情况下飞起ROV进行吊架链条抓取风险较大，容易抓破灌浆袋，也容易发生灌浆袋与ROV推进器缠绕。在灌浆袋折叠(见图14)的时候应将吊架向限位槽吊架一侧灌浆袋边缘布置，链条沿灌浆袋边缘排布，链条末端猴头应位于吊架排布相对侧。

吊架的设计可以有效地解决灌浆袋堆积、歪斜(见图15)等成型问题，减少了不确定因素的影响，变被动控制为主动控制。这个设计简单、有效，成本低，作用显著。

图14 吊架安装失败灌浆袋折叠Fig.14 Grout bag folded

图15 泥浆堆积歪斜Fig.15 Grout bag inclined

6 深水无潜灌浆法大悬跨处理方案的优点

深水无潜灌浆法不受水深限制，施工工艺简单，悬跨处理效果好，对施工船舶和环境因素要求低，经济、安全、高效、可靠。可以适应复杂海床地貌，能够进行不同坡度找平和不同高度悬跨处理，克服了深海潜水作业限制，发挥了ROV的特点。

灌浆填充法更易于成型，形状规则，适合高悬跨处理。各个层间接合紧密，层间摩擦力大，整个支撑稳定可靠。自由成型，可以形成对海底管道的有效包裹，包裹部分与下层支撑结构连续一体，可以有效地抵抗横向位移。

7 结 语

通过对原有灌浆支撑悬跨处理方法研究及特点分析，结合大悬跨无潜处理操作特点，有针对性地进行找平袋、灌浆袋的改造设计并设计安装ROV操作附件及工具，很好地解决了灌浆支撑定位和成型控制两大难题,成功进行了LW3-1深水油气项目大悬跨处理，这对于深海及大悬跨项目有很好的借鉴和应用价值。

使用灌浆法进行悬跨处理，首先应保证沉降值在要求范围内，也应适当考虑泥浆自身的凝固收缩。平整的基底是大悬跨、高灌浆袋成功操作的必要条件。在进行坡度处理、海床找平的过程中，宜使用找平袋进行找平，灌浆袋每层应做到完全灌浆。为了最大程度地保证成型质量，在灌浆时应考虑地势，尽量使泥浆由地势较高一侧流向较低一侧。每层灌浆结束后，应留有一定的初凝时间，再进行下一层灌浆。灌浆袋在灌浆过程中发生偏移、歪斜，通过ROV进行纠正操作是非常困难的，应及时停止施工，讨论解决方案。在进行工期预算时应考虑到泥浆初凝时间对总工期的影响；在施工过程中应注意施工细节，注重优化施工工艺。

[1] Det Norske Veritas.DNV-RP-F105. Free spanning pipelines[S]. 2006.

[2] 刘锦昆.浅海海底管道悬空段防护技术研究及应用[D]. 青岛：中国石油大学(华东),2014.

[3] 奉虎，王彦红，王靖.海底管道悬跨处理方法及其适用性分析[J]. 中国造船,2012，53(增刊2)：74.

[4] 夏日长，杨琥，邓合霞.海底管道悬跨分析与不平整海床处理的推荐做法[J]. 中国造船,2008，49(增刊2)：233.

[5] American Petroleum Institute.API RP 2A-WSD. Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platform [S]. 2014.

[6] 约瑟夫·E·波勒斯.基础工程分析与设计(第五版)[M].童小东 译.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7] 李静，王朋飞，林臻裕，等.灌浆法悬跨处理基础沉降评估计算[J].中国新技术新产品,2016(9)：112.

BigFreeSpanCorrectionSchemebyCementGroutinginLW3-1Project

WANG Peng-fei, LIN Zhen-yu

(COOEC Subsea Technology Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518067, China)

Free spans on subsea pipelines are spans of the pipeline unsupported by the seabed and pipelines with long free spans are subject to increased fatigue loads and reduced pipeline integrity. Free spans corrected by cement grouting have been used for many years in international engineering projects, but there are few applications in China. Sand bags are still used very commonly in domestic projects. However, most projects corrected by cement grouting are low spans, since this method is not suitable for high span correction in technology and operation. For the high and big spans, a permanent solution is needed. Based on the common grouting correction procedure, through the technology improvement and design optimization, we make it meet the requirements of large span correction. Through the practice of LW3-1 project, we introduce the method of grouting, analyze the characteristics and advantages, point out the way for its development and provide a guideline for the large span correction.

free span correction; cement grouting; leveling; hanger; shaping

2016-03-22

王朋飞(1987—)，男，工程师，主要从事水下结构物设计与安装方面的研究。

TE973.92

A

2095-7297(2016)02-0122-07