一种用于柔性软管后挖沟挖沟工艺介绍

练 斌* 李 剑 徐德平 杨 阳

（1.中海石油（中国）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）管道工程技术有限公司）

0 引言

海底管道是海上油气田开发生产系统的主要组成部分，也是快捷、安全和经济可靠的海上油气运输方式。柔性管具有柔韧性好、安装方便等优点，多应用于平台间输送生产水或气。为了保障柔性管在海底运行的安全稳定，免受潮流冲击、大型船舶溜锚剐蹭

或渔网拖拽等外力导致柔性管移位或受损的情况发生，一般在设计时要求软管需要进行后保护，包括挖沟和放置水泥压块防护，目前渤海湾柔性管要求埋于海床面2 m 以下。常规的柔性管铺设多采用边铺边挖的施工工艺，柔性管埋深受限于船舶铺设速度以及土壤剪切力，常常存在埋深不足的情况。而钢管后挖沟已经是常用的海上施工工艺，普遍应用于现场施工，柔性管由于生产材质及应用少等原因，暂未有后挖沟的情况。

本文以渤海湾已服役的柔性管后挖沟项目为例，介绍了柔性管后挖沟的施工工艺、挖沟设备、作业流程、监控方案以及为未来柔性管后挖沟项目应用实施提供借鉴和参考。

1 工程概况

渤海某油田已服役注水柔性管长8.8 km，现场水深约23 m，柔性管设计埋深为2 m，实际埋深为1～1.5 m，为了确保不影响油田平台生产，需要设计一种柔性管不停产状态下进行后挖沟的施工工艺。

图1 为软管主要结构层情况。各层材料的选择与使用环境（流体成分、温度和压力等）有关，需满足软管在寿命期限内的操作和安装工况下的功能要求。

图1 软管主要结构层示意图

2 柔性管后挖沟技术工艺介绍

2.1 非接触式柔性管后挖沟技术

柔性管的外表层为聚乙烯材料，其硬度、屈服强度、抗冲击抗拉伸强度都远低于碳钢。而常规梨式挖沟机是在外力牵引作用下，带动挖沟机前进，通过挖沟机机械梨刃破开土壤成预定沟槽，但已服役的柔性管铺设路由呈现弯曲状，且船舶定位存在一定误差，若采用梨式挖沟技术，就有可能存在梨刃剐蹭柔性管表面的情况。从施工安全角度来考虑，建议采用非接触式后挖沟技术。

常规非接触式后挖沟使用大流量轴流泵抽入海水喷冲海床面，通过水流将海底的土壤带走，形成沟槽。考虑到柔性管服役的土壤环境，土壤剪切力较大，普通的轴流泵射流有可能破不开泥土，因此在常规非接触式挖沟基础，本次后挖沟采用高压水流+空气气流+填充水流同轴喷射技术，使得原来的淹没条件下的射流变为非淹没条件下的喷射，破土能力提高5～6 倍，同时水气及时混合极大提高泥沙排除，避免分别喷射造成能量浪费。

本次非接触式挖沟机[1-2]的优点有：（1）挖沟时与柔性管无接触，不会对柔性管外表层造成剐蹭或破损，安全性能高；（2）破土能力强，最大破土强度≥100 kPa；（3）挖沟设备组成简单，可反复多次挖沟。

2.2 挖沟设备参数

挖沟机长5.5 m，宽8.5 m，高2.8 m，携带2 台喷冲泵和破土泵。

喷冲泵（深水轴流泵）安装在挖沟机上通过电缆与船甲板上连接，喷冲泵流量为3 600 m³/h，扬程为10 m，功率为160 kW。

破土泵（五缸柱塞泵）安装布置在船甲板上，通过高压软管连接到挖沟机上高压喷冲装置，负责高压破土，破土泵流量为100 m³/h，扬程为1 000 m，功率为355 kW，挖沟深度大于等于2.5 m。

管线电缆跟踪系统（TSS440），采用脉冲感应技术，能够探测埋藏或暴露与海床的导体材料，最大检测范围以线圈为中心水平20 m、垂直10 m，垂直测量精度5 cm 或倾斜5%，取最大值。

水下信标被应用于挖沟机水下定位和调整方位角，安装在挖沟机首尾中心位置，信标的测量精度为0.25 m。

2.3 施工风险

本次柔性管埋设要求为2 m，土壤剪切力较大，因此在选择挖沟机时，选用高压水流+空气气流+填充水流同轴喷射技术，喷冲攻略大，而柔性管外表层为高密度聚乙烯，因此需要校核最大喷冲攻略下，对柔性管表层是否产生破坏。

根据挖沟机的工作原理，假设射流喷射至软管的行程中周围介质为海水，射流示意图如图2 所示。

图2 挖沟机施工中射流示意图

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

假设沿x轴方向射流与软管接触前的速度为V1，接触后的速度为V2。射流与软管接触时，软管作用在射流上沿x轴的作用力为F。

根据动量定理，在Δt时间内有：

式中：m——Δt时间内射向软管的射流质量，m=ρAV1Δt；

ρ——射流密度；

A——射流截面积；

g——重力加速度。假设射流接触软管后的速度V2= 0，则-ρAV1ΔtV1= (F+ρAV1Δtg) Δt

软管作用在射流上沿x轴的作用力F与射流作用在软管上沿x轴的作用力F′互为作用力力与反作用力：F′ = -F=ρAV12。根据设计输入数据，计算得到：F′ = 3 673 N。

挖沟机射流作用在软管上的作用力为3 673 N(约0.375 t) 。根据《软管挤压试验报告》可知，试验管在1.86 t 的挤压及卸载后的状态下椭圆度的变化值满足设计要求。

故在挖沟机射流作用力下，软管性能完全能够满足设计要求，不会产生任何风险。

2.4 工作流程

2.4.1 预挖沟

施工船舶拉航至施工海域后，在正式挖沟前应在甲板上对挖沟机进行调试，检验监控系统、水泵及主要部件性能，由于不同海域水文数据和泥土参数不同，挖沟前要进行试挖沟作业。根据试挖沟取得的经验确定挖沟行进速度、水泵参数和挖沟深度等关键数据，待主作业船、抛锚船、挖沟机参数和操作人员完全满足挖沟条件后方可进行正式挖沟作业。

2.4.2 挖沟机下放

施工船舶在柔性管路由上就位后，通过调整船位，调整主作业船舶中心线与软管位置方向保持一致，并检查、确认船舶所有设备可正常使用[3]。设备人员仔细检查挖沟机各系统状态，确认无异常后，挖沟机操作人员缓缓下放挖沟机入水，详见图3，下放挖沟机至距离海底约3 m（通过声呐测量）位置时停止下放，通过挖沟机携带的管线跟踪系统、水下信标、声纳确定挖沟机下放位置（通过管线跟踪系统及软管路由坐标确定起始点位置在软管埋深不满足2 m 范围以外10 m 位置）。调整船位使挖沟机位于管线正上方，且挖沟机滑靴方向与软管路由一致。沿路由方向移船，测试管线跟踪系统状态，并对软管路由进行确认，合格后移船至挖沟作业起点位置[4]。

图3 挖沟机下放示意图（单位：mm）

2.4.3 后挖沟作业

挖沟机下放至泥面，管线跟踪系统[5]（TSS 440）保持开启状态，实时监测软管。通知驾驶台开始移船，主作业船开始沿着路由移动（速度控制在1 m/min），与此同时，操作人员开启挖沟机喷冲泵，详见图4。按照试挖沟总结的操作参数（如水泵压力及流速、空气压力及流速、船舶行走速度等）完成挖沟10 m 后，停止挖沟作业。潜水员下水进行管线确认及挖沟深度检验。确认无误后，进行相关数据记录，挖沟作业正式开始。

图4 柔性管挖沟示意图

挖沟作业过程中根据挖沟深度（沟深应控制在2.5 m 内）控制移船速度。当出现偏差时通过调整船位使挖沟机处于管线的上方。声纳实时数据反映沟深不足位置进行记录，并进行反复移动喷冲，确保开沟深度满足要求[6]。

2.4.4 施工问题

（1）埋深不足

挖沟作业过程中，挖沟机声纳图像受海底浮泥影响，不能完全显示沟型状态或者声呐监控挖沟购型不满足要求，考虑到局部地区存在土壤剪切力太大的情况，需进行二次挖沟。二次挖沟管线段必须覆盖所有不满足埋深要求的区段。同时二次挖沟的位置需要兼顾对已经埋设达到深度段影响，在需要喷冲开挖位置前后挖一定长度。二次挖沟的选取段应尽可能连续，同时比对第一次声纳数据合理的调整参数，避免因为清淤不足造成埋深不足。

（2）挖沟机路由偏差

由于柔性管已服役且埋入海床下，柔性管路由依据声呐及TSS440 监控采集的数据进行实时判断，而采集处理数据存在误差及丢失的可能，造成挖沟机喷冲路由与柔性管路由不一致。因此在施工过程中，要定期修正TSS440 设备误差，在每次挖沟500 m 后，潜水员对沟型沟深及柔性管路由进行探摸确认，确保柔性管始终保持在沟槽内。

经过后调查扫测，柔性管埋深在2.5～3 m 之间，弯曲满足设计要求。

3 结语

目前柔性管在国内海上油气田开发项目上已经得到广泛应用，柔性管的后保护挖沟问题也是后续关注的重点。本文介绍了一种应用于柔性管后挖沟的挖沟工艺，采用非接触式挖沟机，对埋深不足的柔性管进行二次补挖沟，这种柔性管挖沟工艺不仅丰富了后续施工的方案选择，也为今后类似项目柔性管埋深不足处理提供了的借鉴。