仿生草在南堡油田海底管道防护中的应用及效果

王法永，张 旭，邢彩娟，赵金龙，栾嵬峰

1.中国石油冀东油田公司南堡油田作业区，河北唐山 063000

2.中国石油冀东油田公司勘察设计研究院，河北唐山 063000

仿生草在南堡油田海底管道防护中的应用及效果

王法永1，张 旭2，邢彩娟1，赵金龙1，栾嵬峰1

1.中国石油冀东油田公司南堡油田作业区，河北唐山 063000

2.中国石油冀东油田公司勘察设计研究院，河北唐山 063000

南堡油田地处渤海湾滩海地区，非法取沙、冲刷导致海底管道局部悬空、裸露问题严重，利用二次削挖修正路由及抛填碎石的方法进行了有效治理。2012年再次调查测量中发现新的悬空和裸露，为了从根源上解决问题，开展仿生草防护试验，以验证南堡油田海域仿生草抵御海床冲刷、促进海床淤积的效果，为后续规模应用提供经验和依据。试验和连续3年的跟踪检测表明：南堡油田海域环境满足铺设仿生草的条件；仿生草采用锚固固定及在治理段两端铺设高强织布进行防护设计的方式稳固可靠；南堡油田海域仿生草防护效果理想，年回淤厚度20～30 cm。

海底管道；悬空；裸露；仿生草

南堡油田地处河北省唐山市渤海湾滩海地区，目前建有海底混输、供水、注水管道7条，海底管道总长度23 km，主要承担着3个人工岛和2个导管架平台的油气混输和供、注水任务。自2008年建成以来，由于受到非法取沙、冲刷等因素影响，2010年调查测量发现3号人工岛至1号人工岛海底混输管道局部出现悬空、裸露现象，给海底管道的安全运行带来隐患，若支护后简单采用沙袋填埋治理，一方面管道应力得不到有效释放，另一方面施工工作量大。经充分分析论证，决定利用水力喷射挖沟机进行长距离削挖，通过修正路由将取沙坑造成的大跨度悬空逐步下放至设计位置，然后吹沙填埋，截止2011年底对悬空、裸露管道进行了有效治理，消除了隐患，保证了管道运行的安全。2012年再次调查测量中发现多处因冲刷造成新的悬空和裸露，鉴于海水平潮时间很短，大部分时间是涨、落潮，若通过吹沙将坑填掉，吹填沙工作量大且施工效率低，也不能从根本上解决海底管道因冲刷导致裸露、悬空的问题，经过充分调研后，决定在南堡油田开展海底管道仿生草防护试验，目的就是检验南堡油田海域仿生草抵御海床冲刷、促进海床淤积的效果，为后续大规模应用提供经验和依据。

1 防护原理

1.1 海底冲刷现象

波浪、水流会引起海底结构物底部及其附近海床的泥沙运动，即海底冲刷现象。根据海洋冲刷动力学分析，海底结构物周围产生冲刷现象的原因主要是：海洋结构物安装在海底后，打破了原有水下流场的平衡，引起局部水流速度加快，使水流形成一定的压力梯度并构成对海底的剪切力，另外，海洋结构物的出现还改变了水流的方向使之产生湍流和漩涡，更加速了冲刷作用[1-2]。对于海底管道而言，冲刷会导致管道外露甚至出现一定长度的悬空，若悬空管道长时间保持此状态而没有增加支撑和固定，将受海流冲击而产生连续性振动，极易造成管道应力疲劳，冬季时浮冰对悬空管段可能产生直接撞击而导致管道弯曲、位移、破损或断裂[3-4]。

1.2 仿生草防护作用机理

仿生草是采用耐海水浸泡的新型高分子材料加工而成，且符合海洋抗冲刷流体力学原理，从作用机理来看，当仿生草及其安装基垫被牢固地锚固在海底需要防止或控制冲刷的预定位置之后，海底水流经过这一片仿生水草时，由于受到仿生草的柔性黏滞阻尼作用，流速得到降低，减缓了水流对海床的冲刷作用，同时，由于流速的降低和仿生水草的阻碍，促使水流中夹带的泥沙在重力作用下不断地沉积到仿生水草安装基垫上，逐渐形成被仿生草加强了的海底沙洲，从而抑制了海底结构物附近海床的冲刷，如图1所示。

图1 仿生草防护作用机理

2 仿生草在南堡油田海底管道防护中的应用试验及效果

2.1 仿生草的适用环境及南堡油田海域环境

（1）水深较浅。目前仿生草工程上应用最深水深50 m。1号人工岛至3号人工岛测区内，自然水深大部分变化较为平缓，尤其在测区西北和东南段，水深大部分在2.0～4.0 m之间，坡度较小。而在测区中部，水深值相对较大，在4.0～6.0 m左右。1号岛登陆点水深为1 m左右，3号岛登陆点水深为2 m左右。

（2）粉砂、泥沙及淤泥等地质条件。根据海底管道设计时的勘察资料，1号人工岛至3号人工岛海底管道路由海区在勘察深度内岩土可分为4大层，各岩土层工程适宜性分析如下：第①层为淤泥质粉质黏土，软弱土，为海相地层，承载力容许值60 kPa；第②层为粉砂，中软土，为海相地层，承载力容许值130 kPa；第③层为黏质粉土，中软土，为海相地层，地基承载力容许值150 kPa；第④层为粉砂，中软土，为海相地层，地基承载力容许值180 kPa。

（3）流速为1 m/s＜Uc＜5 m/s。南堡海域涨潮流流向主要集中出现在SW～WNW，落潮流流向主要集中出现在SE～NE；各级流速出现频率比较接近，流速均值在1.2 m/s左右；涨潮流平均流速大于落潮流平均流速，涨潮流平均历时小于落潮流平均历时。

（4）含沙量较高的海域。渤海湾沿岸河流含沙量大，滩涂广阔，淤积严重，流入海湾的主要河流有黄河、海河、蓟运河和滦河，各条河流每年携带大量悬沙进入渤海湾，致使渤海湾海水含沙量高。

（5）迎水面坡度范围0°～45°。可通过人力作用形成要求的迎水面坡度。

2.2 仿生草应用试验

如图2所示，结合检测数据，选取混输管道F01 -F02之间的悬空、裸露和浅埋段开展仿生草试验，因为在完全治理一年后该区段的悬空、裸露比较集中、连续且最为严重，具有代表性。

图2 南堡油田海底管道仿生草防护试验位置

图2中F01-F02之间的区域为仿生草试验区域，为了满足仿生草的铺设要求，采用沙袋回填，回填高度应高出管顶0.1 m，沙袋水下堆放斜坡迎水面角度为30°，断面顶宽3 m，护底宽度可取5～10 m，尖突部位可取10～15 m，如图3所示。

图3 南堡油田海底管道仿生草铺设设计纵断面

仿生草单边铺设宽度取10 m，总长度50 m，仿生草采用锚固设计，另外，由于仿生草的铺设要求闭合性，为防止海流淘空治理段下部沙袋造成二次冲刷，因而在治理段两端端部采用抛沙袋及铺设高强织布的方式进行防护，每端高强织布单边铺设宽度取10 m、长度取10 m，如图4所示。

2.3 仿生草应用试验效果

图4 南堡油田海底管道仿生草平面布置

2012年11月仿生草铺设完成，2013、2014、 2015连续3年利用多波束扫描检测和潜水探摸仿生草铺设段回淤效果，图5所示分别是此3年的检测结果，其中绿色线示意海底管道位置。

图5 南堡油田海底管道仿生草试验回淤效果

从图5可以看出，2013年5月：草垫完整，无缺失、卷边现象，铺设位置、型号与设计图纸相符，仿生草之间搭接符合要求。高强织布铺设区域沙袋堆积均匀，压实到位，高强织布无卷边现象，与施工方案相符。仿生草已开始正常工作，缓解了流速并出现一定量的泥沙淤积，达到了初步防冲刷效果，但大部分海底管道仍然裸露，管道路由痕迹清晰可见。

2014年5月：仿生草完整，管道运行正常，仿生草区域回淤趋势明显，淤积厚度约10～20 cm，淤积区域主要在坡体两侧，管道路由痕迹已不明显。

2015年5月：仿生草完整，管道运行正常，仿生草区域泥沙堆积较深，周围边缘地段未发现冲刷现象，淤积厚度约20～45 cm，该段管道已全部被泥沙掩埋，已看不出路由痕迹。

3 结束语

针对南堡油田海域海底管道因海底冲刷导致悬空、裸露的问题，调研了该海域基础资料、现场仿生草试验以及连续3年跟踪检测结果。实践表明：南堡油田海域水深、地质、流速、含沙量等环境条件完全满足铺设仿生草的条件；仿生草采用锚固固定、在治理段两端端部采用抛沙袋及铺设高强织布进行防护设计的方式稳固可靠；铺设仿生草后管道逐年回淤，年回淤厚度约20 cm。采用仿生草防护，能从根本上解决南堡油田海域的海底管道悬空、裸露问题。

[1]刘锦坤，张宗峰.仿生水草在海底管道悬空防护中的应用[J]．石油工程建设，2009，35（3）：20-22．

[2]赵冬岩，余建星，李广雪，等.海底管线防冲刷技术试验研究[J]．哈尔滨工程大学学报，2009，30（6）：597-601．

[3]刘伟.冀东油田滩海仿生草冲淤作用模型试验研究[J].石油工程建设，2015，41（4）：22-25．

[4]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．

Application and effect of bionic grass in protection of submarine pipeline in Nanpu Oilfield

WANG Fayong1，ZHANG Xu2，XING Caijuan1，ZHAO Jinlong1，LUAN Weifeng1

1.Nanpu Oilfield Operation District of PetroChina Jidong Oilfield Company，Tangsha n 063000，China
2.Reconnaissance&Design Research Institute of Petro China Jidong Oilfield Company，Tangshan 063000，China

Nanpu Oilfield is located in the sea beach area of BohaiBay.The problems of partialsubmarine pipeline suspended and exposed caused by sand stealing and soil scouring are seriously.The problems were treated effectively by secondary excavating to modify pipeline route and dumping gravel.In 2012，new suspended and exposed pipeline sections were found through investigation.In order to solve the problem fundamentally，the experiment of using bionic grass to protect pipeline was carried out to verify the effects of preventing scouring and promoting depositing in the sea beach area of Nanpu Oilfield.Experiment and three consecutive years’investigation indicate that the sea beach area of Nanpu Oilfield is fit to lay the bionic grass；The protection way that the bionic grass is fixed by anchoring and both ends of the treated pipeline section are covered by high strength woven fabric is stable and reliable；The protective effect of the bionic grass in the sea beach area is ideal，and the annualdeposition thickness is about 20～30 cm.

submarine pipeline；suspension；expose；bionic grass

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.006

王法永（1982-），男，山东临朐人，工程师，2008年毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，硕士，现从事油气田地面工艺研究工作。Email：wangfayong2001@163.com

2016-09-20；

2016-12-05