海底管道后挖沟技术与海管路由调整优化

押延宁，史云龙

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前，海洋石油的开发呈现深水化的发展趋势，海底石油管道面临复杂多变的海洋环境。近些年，海底管道发生的损伤事故时有发生，为确保海底管道安全可靠运行，施工设计部门对海底管道的挖沟处理提出了更高的要求[1]。

根据海底管道铺设的时间可将海管挖沟处理分为：(1)预挖沟，在进行管道铺设之前就对管沟进行挖掘，主要用于海管登陆等水深较浅的海域。此外，对凹凸不平、岩石质海底等地形地貌较为复杂的海床也采用预挖沟的方法。因为其开沟宽度较大，土方量较大，而且对管道没有损伤的风险。(2)边铺管边挖沟，一般会在管道铺设的过程中进行挖沟，同时管道会落入管沟，这种方法对挖掘设备的要求较高，适用于海管稳定性较差的情况。(3)后挖沟，在等到海底管道铺设完成后，再利用挖沟机进行挖沟，这种方法主要用于海水较深的海域。目前，除了管道登陆以外，国内海底管道一般都采用后挖沟的敷设方式[2-4]。

后挖沟的敷设方式可以对海底管道进行保护，这种方式能够很好地避免船舶抛锚、渔业活动等对管道产生的影响。我国渤海海域附近的海底管道，除登陆段管道外，其他管段大都采用后挖沟的埋设方法。铺设挖沟主要采用犁式挖沟机、喷冲式挖沟机、喷冲式ROV、机械式挖沟机和深水挖沟机等设备，不同设备对海底土质的适应性各有不同。在开展海底管道铺设施工之前，要对海管路由区域的海底地质条件进行勘测与分析，根据分析结果选择挖沟机的类型[5-6]。

1 海底管道犁式后挖沟技术

犁式后挖沟技术的工作原理是通过外部牵引力作用[7]，利用机械犁刃将土壤裂解翻抛成需求沟型。在搬运时需要采用大系柱拖力DP2 支持母船进行拖曳前进，自重较大，体积较大，必须使用船舶收放系统。此外，犁式挖沟机的运行水深为500 m，爬坡能力高于10°，能够完成土壤剪切强度在30～100 kPa 时的挖沟需求，并且挖沟后的沟型好，运行效率高，可以实现重复挖沟作业。具体工作流程如下：首先完成海管铺设位置的预调查并对障碍物进行清理，在此基础上进行挖沟犁的收放和入水测试，并将船舶停放在海管起始挖沟点周围50 m 处进行DP 测试，准备工作完成后将挖沟犁下放到距离河床10 m 的位置，并完成犁式挖沟机的功能检查与挖沟犁浮筒充气工作；其次，将船舶运行至挖沟起始点位置，挖沟犁下放至海管上进行就位，让其与海管相连接并解开船舶吊上的挖沟犁，船舶便可以开始沿着挖沟方向前进，同时船舶上的卷扬机牵引挖沟犁进行挖沟作业；最后在完成挖沟作业后，断开挖沟犁与海管连接，将其回收，随后进行挖沟作业的后调查，对沟深未达标的区域可以进行二次挖沟。

2 海底管道非接触式海管后挖沟技术

非接触式后挖沟技术主要采用非接触式挖沟机完成，其工作机理是采用流量较高的轴流泵抽水并喷冲海床，通过喷冲水流将管道底部的土壤泥沙带走形成管沟。这种挖沟机在进行挖沟作业时全程不与管道接触，因此，不会对管道表面产生损坏。而且这种技术方式作业水深可以达到300 m，在土壤剪切强度低于40 kPa 的工况具有较高的效率，更适合在软泥及粗砂地质条件下进行挖沟作业。非接触式后挖沟的主要工作流程如下：首先进行铺设海管位置的预调查与铺设线路上的障碍物清理工作，在此基础上进行船舶的DP 测试工作，同时挖沟机要开展水下的试挖沟测试，根据试挖沟的结果确定挖沟机与海管的操作间距，泵的功率以及船舶要求的速度；其次确定挖沟的参数之后，船舶要移动到距离挖沟点20～30 m 位置处并将挖沟机下放至工作水深处，通过移动船舶位置将挖沟机移到海底管道上方；再次启动挖沟机的轴流泵在海管挖沟处进行造坡，船舶可以沿着挖沟方向逐渐移动完成工作，当挖沟机接近终点时要进行终点附近的造坡作业；最后，当终点造坡完成后便可以关闭并收回挖沟机，并进行海底管道挖沟后的勘探分析工作，主要检查沟深是否达标，如果没有达到标准要再次进行挖沟作业[8]。

3 应用后挖沟技术完成海管路由调整

3.1 海管路由调整案例

锦州25-1 南外输天然气管线路由需要进行重大调整，管线长度需要增加2.6 km，新路由仍然临近锚地且穿越既有航道。根据设计要求，该条管线埋深分别为1.5 m、2.0 m 和4.0 m，其中4.0 m 埋深段长度为12.3 km。由于项目施工方并未有前期的建设经验可以借鉴，因此，本次施工建设要承受工期和费用的双重压力。项目施工人员只能在已有技术的基础上，通过统筹规划与施工整体推进，在将风险降到最低的前提下最大限度减少资金投入。2011 年4 月，在锦州25-1南CEP 外输气管线通航论证会上，由于海管原设计路由与已经批准的航道交叉而被与会专家否决。随后技术专家组对附近海域进行了分析研究，并对海管路由进行了优化调整，最终选择南线作为调整海管的路由。但是南线路由对项目施工存在一定的影响，具体内容如下：(1)距离4#锚地最近约2 km，因此需增加海管埋深；(2)安全距离及跨航道管线埋深需要进一步讨论论证；(3)需要增加2.6 km 长度的管线，要提前采购管道，并且要增加海上相应的铺设清管试压等工作；(4)在完成路由变化后的地质情况可能变化导致原管线的配重设计会产生变化；(5)要重新做路由调查。

在2011 年8 月份再次进行路由通航论证审查时，专家提出管线路由区域段埋深4.0 m，共约25.2 km；埋深5 m，共约1.5 km；埋深2.0 m，共约14.2 km；需要深埋管线总长约40.9 km，其余管线按原设计埋深1.5～2.0 m。但项目专家组在调研国内大型船舶锚系及其落锚方式的基础上，重新研究和分析通航安全评估报告，查找相关资料并咨询专业机构，根据最新路由调查土壤参数，独立计算抛锚轨迹及锚啮土深度后，从理论上补充和修正原评估报告中的遗漏。

最终有关部门取消埋深5.0 m 区域，减少了埋深4.0 m 区域，适当增加了埋深2.0 m 区域，消除5.0 m 埋深挖不到位的风险。确认管线埋深2.0 m 段长46 km，4.0 m 埋深段长12.3 km，该路由得到了海事部门批准。在海管路由确认并通过审查之后，项目组与研究总院和海工设计协作沟通，加快完成施工前期设计，加紧完成2.6 km 海管的采办工作。同时优化施工方案，采取快速跟进、并行施工等多项措施缩短施工工期。

3.2 后挖沟作业

在进行管线后挖沟施工前，项目组与施工单位根据前期地质调查报告，进行多次方案完善和优化。针对路由的复杂性，重点对挖沟机进行了选型，尤其关注挖沟机的抽吸和喷冲能力，务必满足该区域土壤条件。但在实际挖沟作业中，挖沟效率远远低于原计划，经初步分析认为挖沟设备不适用于该地段，需立即进行适应性改造，同时增加相应的喷冲及抽吸设备资源。海工委托水科所对地质进行补充调查，根据施工现场的实际情况和水科所的调查结果，确认之前按照油服地质调查资料进行挖沟机选型存在偏差。对此项目组采取了多项措施进行弥补，促使海工通过大量地投入船舶、设备。经过多方面努力，原本2013 年无法完工的外输气管线在经过项目组采取的多项弥补措施的情况下，终于在2013 年8 月份完成了后挖沟、清管、试压作业，并于9 月初通过机械完工验收。保障了项目的按期完工，同时节约了项目成本。

3.3 经济效益

通过项目组对埋深方案的再次优化，取消了5.0 m埋深区域，4.0 m 埋深区域从25.2 km 减少到12.3 km，费用降低约1.5 亿元。由于管线路由发生重大变化，需重新进行路由调查，重新编制新方案，重新设计跨航道管线埋深，重新设计管线配重及进行新增部分管线采办，费用增加预计超过原批复概算约3.4 亿元。面对工期和费用的严重压力，项目组临危不乱，运筹帷幄，最终攻坚克难，实际只比原概算增加1.7 亿元，有效将风险和投资降到最低。

4 海管路由调整原因分析

4.1 海域的复杂性

海管路由与已获得审批的锚地交叉是海管路由调整的直接原因，海管路由附近共有8 个抛锚区需要回避。在2011 年8 月的通航论证会之后，项目组对通航报告仔细阅读，对国内的挖沟资源进行挖沟能力进行调查与研究分析，对大型船舶的锚系及落锚方式进行研究，查阅大量的资料与研究报告，并及时将相关信息与通航论证报告编制单位进行沟通，最终项目组根据专家意见专门编制了管线埋深专题研究报告。

调整后的海管路由途经约30 km 滩涂养殖区，17 km 的沙波沙脊区，横跨15 条古河道，两侧相邻8 个抛锚区，最近距离只有2 km。此外，穿越1 条在用航路和1 条规划航道，紧邻2 个吸沙区，最近距离只有500 m，南侧2 km 为斑海豹保护区。海域状况和地质结构的复杂性给后挖沟作业带来了极大困难。

4.2 地质条件的复杂性

2013 年4 月联合正力船组携带管道埋设机进行KP89.6～KP59.3 段1.5 m 埋深挖沟施工时发现该海域的地质情况也比较复杂。船组原计划挖沟效率1.4 km/d，全程挖一遍即可完成作业，但在实际挖沟作业中，挖沟效率平均为0.36 km/d，且需要挖两遍才能完成挖沟作业。海工委托天津水科所对存在硬土层的路由段进行了工程地质补充调查后，与先期油服的调查结果进行数据对比分析，发现调查结果存在差异。

针对钻孔资料存在的数据差异，项目组和海工组织召开了专家研讨会，认为存在差异的原因如下：(1)调查目的不同，中海油服调查是为了管道路由设计，是计算管线稳定性的依据，水科所调查是为了保障挖沟作业，是进行挖沟设备选型的依据；(2)取值原则不同，油服的地质调查资料采用地基土方法评估，地质数据为均值或较小值，水科所的调查是采用疏浚土方法实测，评估土质的数据为峰值；(3)同一黏性土层，选取不同深度段的土样进行力学试验，强度也会存在不一致；(4)钻孔位置有所差异，虽然两次调查所在总体区域一致，但是相对邻近调查孔位之间还是有一定距离(最小间距80 m)。

5 海管路由调整方案

找到海管后挖沟工作效率低的主要原因之后，针对此情况，项目组从四个方面采取措施确保挖沟工作的顺利进行。

5.1 资源调配

项目组组织施工单位立即调集国内最先进的挖沟资源先后投入项目(如海州、海诺利华、管道局六公司、航道局、俊昊公司、海王星等)，并和施工单位组织召开专家审查会，对目前国内的挖沟设备进行了认真分析并提出改造建议，以适应路由地质情况的需要。同时针对不同地质情况，重新调配设备，实现“合适的设备干适应的路段”，在锦州25-1 南外输气管线后挖沟作业中，各船原计划挖沟效率要比实际效率低很多，导致工期延长。

5.2 优化方案

根据地质条件灵活调整挖沟机的抽吸和喷冲的效果，利用抛锚、移船、潜水员下水检测等时间进行检修和改造挖沟机，调整挖沟机的工作状态。根据不同的地质和施工条件对挖沟机进行升级改造，调整挖沟速度与挖沟策略(争取一次扰动、二次深挖、三遍成型)，以争取达到最佳工作状态。

5.3 设备改造

有针对性地进行了增大破土能力、增加抽吸量、加强气举能力、防止异物堵塞抽吸口等方面的适应性改造，着重强化调节喷射功能和抽吸功能以适应施工地质环境，从而提高施工效率。

5.4 强化管理

与海工高层保持有效沟通与协调，保证赶工资源的快速投入。在每条船上配备了甲方管理人员，全程协调和管理，并聘请上海交大的专家作为挖沟的技术支持。海工维修主管领导驻船督战，计划细化到小时，每日进行效率评估及比对，及时召开海管后挖沟验收技术要求专家讨论会，有效评估挖沟效果。管线铺设、挖沟过程，工程项目组派驻专职检验人员，实行24 h全程监控，确保各个工序都在质量受控状态下进行。在海管路由调整后，关于海管埋深的研究也为项目成功实施创造了较为合理条件，原本2013 年无法完工的外输气管线在经过项目组采取的多项弥补措施的情况下，终于在2013 年8 月底清管试压结束，并于9 月初机械完工。

6 结语

本文介绍锦州25-1 南外输天然气管线路由进行重大调整，管线长度需要增加2.6 km，项目施工方在并未有前期建设经验可以借鉴的前提下，在将风险降到最低的前提下最大限度地减少资金投入。

前期工程地质调查时要充分考虑挖沟作业要求，增加钻孔密度并提供海管挖沟深度范围内详细的疏浚土土质参数，为后期挖沟机选型和挖沟作业提供更加准确有效的地质报告。在挖沟设备准备阶段，需要研发或升级目前挖沟设备，重点解决地质复杂多变且不排水抗剪切力较高泥质的挖沟作业。同时尽快出台挖沟操作技术标准，并完善适应不同地质参数和作业环境的挖沟机系列。在施工管理方面，要提高对挖沟作业的重视程度，制定行之有效的风险控制措施和应急处理方案，协调海事和渔政部门，增派执法船舶疏导过往船舶和作业渔船，维护施工现场的正常作业。同时，加强现场的通信广播，通知过往船舶和其他作业船舶注意避让锚缆，特别是在吸沙区和航道区附近进行作业时。在施工阶段，要充分考虑渤海海域的复杂性，全面评估挖沟所使用设备与船舶的匹配性，根据施工效率安排挖沟计划。进一步完善挖沟定额，根据土壤硬度配置相应的施工设备，就此核算施工效率，并依此预算相应费用。