南堡油田1号构造区海底管道裸露悬空段治理措施经济性评价

张彦龙，王长军，张书红

中国石油冀东油田分公司，河北唐山 063200

海洋石油开发工程中所采取的人工设施主要包括海上平台、人工岛及输运管道。由于波浪、水流的作用，造成海底结构物底部及其附近海床的泥沙运动，称为海底冲刷现象。对于海底管道，冲刷会引起管道外露甚至悬空，如不及时处理，情况会越来越严重。悬空管道将因海流冲击而产生振动，极易造成管道应力疲劳；另外，输送介质也会使管道产生自振，加快悬空管段的应力疲劳；冬季时管道还可能遭受浮冰直接撞击。这些情况可能导致管道弯曲、位移、破损甚至断裂，悬空管道一旦发生破损或断裂将引发原油外漏等海上重大污染事故，不仅造成经济损失也会产生严重的生态环境影响与社会影响。因此，针对海底管道出现的裸露、悬空隐患进行治理具有重要的意义，海底管道冲刷及防护与控制技术一直是各国海洋工程领域亟需研究的重要课题之一。

本文结合冀东南堡油田1号构造区海底管道裸露悬空段隐患治理工程，通过对适合海底管道防护的工程措施进行技术经济评价，优选适合本工程的管道防护方案，可为工程设计提供参考依据。

1 工程概况

2010—2012 年，经过三年对冀东南堡油田1号构造区海底管道状况的检测，发现该构造海底管道局部海床呈现冲刷态势，多条埋设管道多次出现了裸露、悬空现象。虽然先后及时进行了应急隐患治理，抛填了沙袋和碎石，但海底管道整体上仍存在冲刷现象，裸露悬空现象仍不断出现，抢险性治理治标不治本，后续运行依然存在较大的风险隐患。

在综合分析南堡油田1号构造区海域海床水沙的运动规律、滩槽演变趋势与海床稳定性的基础上，开展了抛石防护、砂袋防护、回填碎石防护、软体排防护、砂袋+软体排防护、仿生草防护、砂袋+仿生草防护、后挖沟治理共8种防护方案的定床、动床试验研究，给出了防护结构稳定及失稳的波浪、水流及波流条件，对各种防护方案的适用性进行了技术经济性评价，试验结果对冀东油田不同区域不同波流条件下如何选用合适的管道防冲刷措施有直接的参考价值。

2 方案介绍

8种防护方案中，回填碎石和砂袋防护方案稳定性较弱，砂袋防护方案略强于回填碎石方案；仿生草方案中，与之配套的砂袋填充要优于碎石填充方案，并且试验中仿生草的铺设密实程度对整体防护稳定性有一定影响，特别是在波浪较强的区域；软体排防护方案稳定性较好，只要有足够的防护块体重量和防护范围，就可以对管道起到较好的防护效果，且受填充物影响较小，可用于波浪、水流动力较强的区域；后挖沟治理则适用于长距离的海底管道治理手段，需要靠海水的淤合作用自然掩埋，整理治理时间较长。

8种试验方案中，抛石防护方案稳定性差，且施工难度大，不作推荐；考虑到仿生草防护和软体排防护方案中对裸露悬空处均需抛填砂袋，故把仿生草防护与砂袋+仿生草防护方案合并，软体排防护与砂袋+软体排防护方案合并，总共对5种常见方案进行经济评价与比选。

2.1 碎石回填

碎石回填断面布置如图1所示。碎石回填高度应高出管顶0.5 m，稳定边坡1∶5，回填断面顶宽3 m。

图1 碎石回填断面布置示意

2.2 砂袋回填

砂袋回填断面布置如图2所示。砂袋回填高度应高出管顶0.5 m，砂袋水下堆放斜坡迎水面角度为30°，回填断面顶宽2 m。

图2 砂袋回填断面布置示意

2.3 仿生草防护

仿生草回填断面布置如图3所示。仿生草铺设宽度为10 m（单边铺设宽度为5 m），管道悬空处通过砂袋回填形成稳定断面后，再铺设仿生草。端部采用抛砂袋及铺设高强织布的方式进行防护，两侧采用抛砂袋压边进行防护。

图3 仿生草回填断面布置示意

2.4 软体排防护

软体排防护断面如图4所示，其中软体排尺寸为3 m×8 m×0.3 m，由300 mm×300 mm的混凝土块通过连接绳串联而成。管道悬空处通过砂袋回填后，再在管道上铺设软体排。

图4 软体排防护断面布置示意

2.5 后挖沟治理

后挖沟治理主要是利用水力喷射式挖沟机上安装的高压水泵提供动力，高压水流冲刷海底管道两侧下部海床，破除海床土层或将土体液化。在此过程中，高压吸泥系统将挖沟过程中产生的泥沙吸走，从而在海底管道下方形成沟槽，海底管道可靠自重落入沟底，沟槽在自然海流及波浪的作用下自然淤合回填，从而将海底管道掩埋至海床面以下。

3 防护方案稳定性试验

依据南堡油田海域水沙运动特征，确定稳定性试验动力参数；通过波浪断面模型试验研究各种防护措施在不同波浪、水流及床沙条件下对海底管道的防护效果及其适用条件，提出适用于工程区域的合理有效的防护建议，为工程设计提供参考依据。

5种方案中，仿生草防护和软体排防护满足波流作用下稳定性要求[1-2]。在大流速水流及强浪作用下，仿生草前缘附近泥沙冲刷强烈。

当水深为9.64 m和8.24 m时，在流、浪共同作用下，抛石防护断面均有较好的稳定性。当在波高2.41 m、周期7.0 s的波浪与流速1.6 m/s的海流共同作用3 h后，防护断面上部100 kg抛石护面部分发生滚落，防护断面失稳。当水深为3.62 m时，在流、波浪单一作用下防护断面可以保持稳定，但是在波、流联合作用3 h后防护失稳。

砂袋防护方案保持稳定所能承受的波、流共同作用的条件是最大流速1.2 m/s、最大波高1.91 m、平均波浪周期8.8 s；或者最大流速1.0 m/s、最大波高2.4 m、平均波浪周期8.8 s。

4 经济评价与比选

根据5种治理方案的使用条件和治理效果，对5种方案进行具体分析，并对治理方案的综合投资进行了估算，进行了优选排序，结果见表1。

表1 治理方案经济评价与比选

根据本工程区域实际情况，建议在波高、流速较小的挖沙区域选择碎石和砂袋防护方案；在波高、流速中等的区域采用仿生草防护方案，若波高较大，可考虑采用砂袋充填；在水深较浅、波高、流速均较大的区域可选择软体排的防护方案，若非立管附近的整段海底管道出现大范围裸露或悬空，为保证整体管道的快速综合治理，首次治理可以考虑后挖沟治理方法。

5 结论

防护方案经济评价与比选结果表明，对于裸露悬空管道的治理首选软体排防护，其次为仿生草防护，砂袋防护和回填碎石防护只适用于抢险性的临时修复，若治理海底管道段为非立管附近的直管段，且为首次治理，可优先考虑后挖沟治理。