海底管道因输送连续性好、效率高的优点, 成为海上油气田油气输送的重要设施。自从1954年美国在墨西哥湾铺设第一条海底管道以来, 全世界铺设的海底管线达十几万公里^[1]。1985年, 中日合作开发的我国第一条海底管道黄河三角洲埕北油田海底管道建成投产^[2]。30多年来, 随着我国海洋油气资源的不断开发, 我国已经在渤海、东海和南海陆续建成大量海底管道, 目前中国海油共铺设了400多条海管, 累计长度已超过7 000 km^[3], 其中南海荔湾气田海管水深已到达1 500 m。

但海底管道所处水下环境复杂恶劣, 常常因腐蚀、波流冲刷、海床运动和第三方活动等因素影响海管安全运行^[1]。一旦发生管道事故, 不仅影响正常油气田生产, 还会造成海洋环境污染, 并影响管道用户的国民经济生活, 造成经济、环境和社会影响。因此, 石油公司必须定期对海底管道进行全方位的调查、检测和评估, 以确保其安全运行。

本文研究的东方1-1海管位于我国著名的强潮流区, 又穿越了海底地形复杂的沙波沙脊区, 多年来悬跨情况较为严重。自从2003年投产以来, 中国海洋大学和中国科学院海洋研究所进行了多次调查和研究。从2008年开始, 特别是从2013年至今, 中海辉固地学服务(深圳)有限公司每年都利用无人有缆遥控水下机器人(remote operated vehicle, ROV)对其进行调查和悬跨处理。基于多年的ROV实际调查资料, 在广泛收集前人大量资料的基础上, 本文对东方1-1海管的环境情况进行了阐述, 对海管多年悬跨变化情况进行了对比分析, 并进一步对近几年悬跨治理情况和效果进行了分析。

1 研究区概况 1.1 概况

东方1-1气田是我国最大的已投产浅水自营气田, 它位于南海北部湾莺歌海盆地, 距海南东方市约110 km (如图 1), 水深约72 m。目前已建海上生产设施包括中心平台D(CEPD)、井口平台A、B、E、F和相关海底管道。

本文研究的是从中心平台到岸上东方富岛终端站(LTE)的22英寸外输管线(长约105 km, 管道参数见表 1), 铺设在水深0~72 m的范围内, 大致呈NNE-SSW走向。管线路由水深变化大, 水动力差异较大, 再加上台风的影响, 使得海底地形变化较为剧烈。从浅到深跨越水下岸坡区、现代潮流区和陆架平原区。管线路由区水下能见度较低。

1.2 地形地貌

北部湾湾内海底地形平坦, 自西北向东南倾斜, 倾斜度为2°左右, 水深一般为20~60 m, 平均深度为38 m, 近湾口处局部水深增到100 m, 属于浅海半封闭性大陆海域^[4]。

研究区海底地形变化不一致, 总体变化趋势是自东方1-1平台向岸边地形变化从小到大。其中基本以KP57(KP指离中心平台的距离, 单位为km)为界, 其西侧海管路由区海底起伏平缓, 东侧因受海底沙波沙脊的影响海底地形变化较大。KP57-KP89段为地形变化最复杂的潮流沙脊分布区。

根据海底地形和地貌特征, 可将管道路由划分为三个区(图 2): 浅水冲蚀区(登陆点-KP89)、沙波沙脊区(KP89-KP57)和深水平坦区(KP57-CEP平台)^[5]。

1.2.1 深水平坦区(CEP平台-KP57段)

该区海底表面较平坦, 水深为40~72 m, 海底地形总趋势为自东向西倾斜, 坡度约1.08‰。该段属于海底地形由相对平缓到复杂变化的过渡段。该区海底表面相对平滑, 存在残留隆起和麻坑。麻坑大面积的分布, 是本区海底奇特的地表类型之一。

1.2.2 沙波沙脊区(KP57-KP89)

该区水深为20~40 m, 地形变化剧烈, 是东方1-1海管最复杂的地区。因潮流沙脊分布造成一系列近南北向平行排列的脊、谷相间的地形特征, 大都呈NS走向或呈NW-SE走向, 共4~5列。海底地势在总体自东向西倾斜的基础上, 伴随着较大的因潮流沙脊造成的海底起伏, 起伏幅度达到10 m以上, 其中KP72-KP75之间, 起伏幅度达到20 m^[6]。

1.2.3 浅水冲蚀区(KP89-登陆点)

该区水深小于20 m, 海底地形表现为自岸边向海倾斜的简单趋势, 属于近岸水下岸坡区, 地形平均坡度1‰~2.4‰, 海底以侵蚀为主, 海岸侵蚀严重, 岸边侵蚀陡坎发育。

1.3 表层沉积物及工程地质环境

刘乐军等研究了本区工程地质和灾害地质特征, 根据取样和室内测试分析, 研究区表层沉积物(≤3 m)主要为砂质沉积物, 有砾砂、中砂、粉砂、粉质黏土、粉土和淤泥等, 均属全新世浅海相松散沉积物^[6]。

阎军等根据现场19个表层沉积物样品分析, 沉积物具有良好分选, 累积曲线和粒度组分显示较粗粒沉积物(砂质沉积物)粒度范围很窄, 具有突出的单峰, 累积曲线很陡^[7-8]。

根据研究区地形地貌特征、表层沉积物的物理和力学性质、海洋水动力环境和海底不稳定性等研究情况, 研究区表层沉积物、工程地质环境和灾害地质特征分区描述如下^[2]。

1.4 水动力情况

研究区水动力以潮流为主, 波浪作用较弱, 常受热带风暴和台风的影响。

中国科学院海洋研究所2006年8月开始在研究区进行了原位监测, 多普勒流速仪（ADCP）获得了海表面至离底3.7 m处的流速剖面, 采集了11.5个大潮周期的波浪、潮流数据。结果表明, 研究区为正规日潮, 测量点大潮潮差2.7 m, 小潮潮差0.5 m。本区域最大的分潮是O₁和K₁, 其次为M₂和S₂。距底10 m处测量点位的最大流速可达1.15 m/s, 平均流速为0.45 m/s, 最大流速出现在涨潮期。不同层流场不一样, 近底层的流向多为NNE方向和SSW方向, 涨潮为偏北向流, 落潮为偏南向和南偏西方向流, 为往复流运动形式。而中层流向则多为E和W方向, 且中层流速比底层流速大。涨潮和落潮期在研究区有不同的流速分布和不同的潮流通道。这是造成研究区地貌差异的主要因素^[8]。

2 ROV海底管道调查技术

使用ROV进行海底管线调查就是利用ROV以及其搭载的调查设备在ROV作业母船的支持下完成对海底管线的状况调查和检测(如图 3)。在进行调查作业时, ROV在水下就位于海底管线的上方, 并以一定的速度前进, 调查船在水上进行跟踪, 调查数据通过ROV的脐带缆传输到调查船进行数据采集、记录和处理。海管调查中通常使用工作型ROV, 调查船为动力定位ROV支持船。使用ROV和DP船以及导航、调查设备进行海底管线外部调查已经成为成熟和标准化的作业模式, 并被广泛采用。

调查的主要内容有: 管线位置、管线剖面、管线悬跨、埋深、阳极电位等数据, 以及海管涂层、节点、异物、损伤等情况^[9]。

其中海管悬跨状态调查主要用ROV搭载多波束剖面声呐(Delta-T等)进行。Delta-T是先进的高速、高分辨率多波束声呐系统, 设计用于进行海底地形调查以获取简单可靠精确数据, 频率为260 kHz, 分辨率精度达到量程的0.2%, 波束最低120, 最高达到480波束。它的多接收器声纳系统设计可以提供高速成像, 不会给ROV飞行速度带来限制。声呐产生的图像可以达到显示器分辨率, 速度高于20帧/秒, 具有成像和测量功能。

Delta-T多波束剖面仪与传统的Dual Head Seaking Profiler相比, 它能更直观立体地展现海管的在位状态。在海管悬跨调查作业中, 使用ROV搭载Delta-T并结合高精度高度深度计, 能精确量化海管与海床的相对位置关系, 并能三维立体展示管线的在位状态, 通过专业的数据后处理能得到精确的海管悬跨数据。同时, 还具有不限制ROV飞行速度的优势。

3 悬跨分布及变化特征

自2008年开始连续多年采用ROV技术对东方1-1海管路由地形变化较大的KP30-KP90深水部分进行了调查, 从2013年以后基本上每年调查一次并进行超限悬跨的治理, 目前已连续进行6次的ROV调查, 具体见表 3。

利用以上6年的调查数据对海管悬跨情况进行全面的分析对比, 主要对相同区间内多年的悬跨数量、悬跨长度、平均最大悬跨高度和长度、悬跨最大高度、最长悬跨长度的特征和多年变化进行分析讨论。

根据2019年的调查结果, KP30-KP90段海管悬跨段最高悬跨高度统计如图 4。按照悬跨发育规模(密集度、长度、高度)和变化情况, 根据严重程度和风险等级, 将悬跨最严重的区域划为红色区域, 中等严重程度的部分划为黄色区域, 基本没有悬跨的部分划为绿色区域。

经过前后6次调查, 发现很多悬空从无到有, 悬跨呈逐年加长、变高趋势。有些连续悬跨间的支撑点被冲蚀消失后悬跨长度迅速增大。为了更好地同等条件下对比分析海管悬跨变化情况, 本文将海管分成三段分别进行分析探讨: KP30-KP40, KP40-KP60和KP60-KP90。

3.1 KP30-KP40管段悬跨特征

该段海管密集连续发育大量悬跨, 平均悬跨最大高度0.6 m, 平均悬跨长度达到16.66 m, 悬跨长度集中在20 m以下。悬跨数量和长度都在不断地增加(如表 4), 是悬跨较为严重的区域。

3.2 KP40-KP60管段悬跨特征

在KP40-KP60之间总的悬跨长度、数量、占比情况如表 5。2013年总悬跨长度超过5公里, 2019年已经接近9公里(见图 5a), 占比为26%~44%。悬跨数量从2013年310个至2019年增至521个(如图 5b)。悬跨长度大部分集中在10~30 m之间, 占70%左右, 其中20~30 m和10~20 m的数量基本相当(如图 5c)。超过40 m的超长悬跨约占3%。长度超过20 m的悬跨约占60%, 在每年进行治理的情况下, 每年的增幅约15%(如图 5d), 且每年以10%的速度呈明显的逐年上升趋势。平均长度和高度也是逐步增大。

其中在KP40-KP51.75之间, 海管处于断断续续的悬跨状态, 最深的悬跨在KP46.057-KP46.072, 2019年悬跨最大悬空高度达到2.44 m。最长的悬跨达到51.76 m。该段是整条海管悬跨最严重、变化最大且最危险的管段。KP51.75-KP54.83之间的3 km地形变化较大, 为进入沙波沙脊区前的一段沟谷区, 海管为半掩埋状态, 2013年调查显示仅有2处悬空, 直到2019年增加了3处, 该段海管悬跨情况较好。向陆地方向至KP58.06之间发育一些悬跨, 之后至KP64.94段几乎没有悬跨。

3.3 KP60-KP90管段悬跨特征

该区间海管基本处于半掩埋状态, 仅在KP65- KP72.36之间发育一些微型的冲坑, 大部分长度小于10 m, 没有大型及成片的悬空。有几处小段的海管处于掩埋状态。该管段悬跨风险较低。

4 悬跨原因分析和安全评估

管道的冲刷现象是由多因素造成的, 涉及流体力学、土力学、泥沙动力学等学科的相关知识, 到现在国际上没有成熟的理论和体系能够完全解释冲刷现象的机理^[10]。Choi研究发现, 可能引起海底管道悬空的因素有海底地形起伏和海底地形的改变, 海底地形起伏是管道铺设之初就已经存在的问题, 而海底地形的改变是指由于海底沙波移动或局部冲刷所引起的地形变化, 两种因素引起的管道悬空对管道的危害和处理措施均存在很大差异, 判断海底管道悬跨的成因, 并区分两种因素的主次, 对于海底管道的安全防护具有重要意义^[11]。依据管道周围海床的冲刷特征, 可将冲刷现象分为管侧冲刷和管下冲刷两种类型, 在海南岛西部岸外海域, 海底地形改变是海管冲刷的主要因素, 该两种冲刷现象分别是由潮流和台风造成的。

东方1-1海管沙波沙脊区海底地形复杂, 沙波的移动和沙脊间冲刷沟槽都可以造成海底管线悬跨的出现, 但是同时沙波的移动可以使得管线自行下沉, 从悬跨机理和实测资料推断, 海底管线逐渐被埋藏, 表明该区的海底地形变化对管线的安全发挥积极作用^[5], 沙波迁移对海管安全的影响已经成为次要因素。

而深水平坦区自管道建成以来, 除了在初期悬跨发育较少, 在2006年至今悬跨数量和规模与日俱增。凸起于海底的管线会造成附近流场变化, 局部地形差异、沉积物差异, 甚至管线外形的差异, 均会在局部形成有利于水流淘蚀管线周围沉积物的小流场, 进而形成冲蚀坑, 随后在管束流和微孔效应共同作用下, 管线下方流速增大, 冲蚀坑的规模和深度持续扩大^[5]。深水平坦区处于相对稳定的弱淤积环境, 底质以粘土和粉砂质黏土为主, 在管线建成后两侧出现沉积物粗化和水深加大现象, 管线下发育大量冲蚀坑, 严重威胁着管线安全。现有研究认为这主要受常态下强水动力和台风天气造成海底强扰动影响, 并且深海平坦区泥沙补充不足, 加剧了海底悬跨的威胁。深水平坦区底层最大流速可达91.1 cm/s^{[5, 12]}, 并基于前人研究结果得出底床剪切应力范围为0.2~1.9 N/m², 是可以导致深水平坦区段的泥沙发生再悬浮的。常态水动力既能导致管道自埋减缓管下冲刷, 又能为管涌创造条件加速管下冲刷, 在DF1-1管道建成前期(2006年以前)以前者为主, 而在后期以促进管下冲刷为主(2006年之后, 现阶段尤为如此), 使得在台风经过时积累足够的管涌所需条件, 导致管下冲刷现象, 造成海管悬跨^{[2, 13]}。

2013—2019年调查发现最大悬跨长度可达51.76 m, 且超过30 m的悬跨段已接近十分之一, 并且呈增长趋势, 这远远超过徐继尚等计算的极限海管悬跨长度, 即常态水动力下极限悬跨长度为30 m, 百年重现期台风极限悬跨长度为20 m^[2]。2013—2019年间北部湾临近海域热带风暴近20个, 其中强热带风暴接近一半, 风速可达28 m/s, 出现台风近10次, 其中3次为超强台风(如海燕、威马逊和莎莉嘉), 最大风速可达52 m/s(数据来自深圳台风网)。参照美国矿业管理局(MMS)台风风速及台风所致表层流速来统计^[14], 2013—2019年间导致的最大表层流速可达2~3 m/s。结合Soulsby经验公式计算近底流速: U_c=(1/h)^1/7U_h, 其中h为测流位置距地高度, U_c为近底流速, U_h为在h处的流速^[15], 计算的底层流速为1.1~1.8 m/s, 对照徐继尚等不同水动力条件与管道极限悬跨长度的关系^[2], 发现在低管道安全系数1.7的条件下本文计算流速对应的极限跨长为30~40 m。这与实测数据较为吻合, 表明现在深水区管道已经处于相对低的安全状态下, 且实测中存在的极少部分大于40 m的悬跨推断已经接近临界值, 应当在今后进行重点治理。

管跨的出现改变了海底管道所承受的载荷形式和应力状态, 当海流流经悬跨管道时, 常伴随着周期性的漩涡发放, 这种漩涡泄放现象会使悬跨管道在顺流方向及横流方向上发生振动, 即涡激振动^[16]。涡流对管跨的作用力主要有举升力、拖曳力和惯性力。同时海流力和波浪力的交变载荷引起管跨的周期振动, 是决定海底管道使用寿命、引发管道疲劳失效的主要原因。因此, 对超限或者严重的悬跨进行定期治理显得尤为重要。

5 悬跨治理效果

对海底管道悬跨采取防护措施主要从四方面出发: (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^[17]。

针对以上四个方面通常有以下几种治理方法: (1) 沙袋、钢筋笼、水泥灌浆、水下短桩等支撑管道; (2) 回填被掏空的海床; (3) 在管道上压载保护性沉床(混凝土连锁排); (4) 固定管道; (5) 促淤保护措施, 如人工海草、人工网垫、阻流板等。也可采用复合方法来治理海管悬跨^[18]。

关于海底管线安全性维护的问题, 目前国际上没有一种通用的方案可以解决全部问题, 在不同的海底管线路由区, 需要结合前期的调查结果, 针对不同的海底地形地貌、水动力条件、海床稳定性等, 对不同的海底管线提出不同的治理和维护方案。

目前在中国海油采用比较多的方法主要是沙袋支撑和局部抛石填埋法。这两种方法的优点有: 对材料要求低、施工简单、投资少、无需停产, 并且保护范围较广。缺点是方法促淤作用有限, 堆砌不好时材料可能受水动力影响流失, 影响可靠性。该方法适用于悬空不太高(小于1.5 m)的悬跨治理。

1) 沙袋支撑法

堆砌的沙包紧密地顶住悬跨海底管线的底部(如图 6、图 8)。沙包的填充材料使用水泥和沙子混合物, 沙子和水泥按比例混合。该方法是最简单、也最节约开支的方法。但如果管段悬空太高, 沙袋容易倒塌, 不宜用该方法。

2) 抛石填埋法

采用不同尺寸的石子分装至特制袋中, 外层为大粒径石子(稳定石堆), 内层为小粒径石子(防渗与滑落支撑), 粒径需要根据水动力参数进行设计计算, 并确保下放时冲击力小于管道抗冲击强度^[19]。石子通过作业船舶吊机及ROV辅助操作释放至悬空海管段(如图 7、图 8)。可以沿全部悬空段抛放, 也可以在管线悬空段选择几个点进行抛放, 形成砾石堆以保护管线。

从2013年开始, 我们利用ROV进行沙包支撑和抛石填埋的方法对东方1-1海管多处风险较高的悬跨进行了治理(如图 9), 主要集中在KP44.5-KP51.75间的悬跨最严重管段。为了更好地跟踪这些治理点的效果和变化情况, 在治理后每年对各治理点情况进行调查(表 6)。调查发现, 2013—2018年共计60个沙袋治理点有9处失效和4处效果较差(近1/4), 其他均有效支撑, 而2016—2018年共计10处抛石处理点均有效, 其中7处支撑长度增大, 但覆盖厚度下降(图 10)。

根据治理效果可初步认为抛石治理优于沙袋治理。但在治理作业效率方面, 沙袋支撑法时效比抛石支撑法高出很多, 在施工成本上沙袋支撑法有较大优势。沙袋和抛石均能有效抑制管线两侧漩涡和管涌的产生, 减少海底泥沙的侵蚀, 但由于二者体积差异, 海底泥沙缓慢侵蚀过程中, 沙袋无法及时抑制附近泥沙的侵蚀出现的凹坑, 直至达到临界深度导致沙袋堆积体倒塌, 造成效果变差甚至二次悬跨, 并且现今海底管道悬跨高度不断增大, 也容易造成沙袋容易倒塌; 而抛石可以及时抑制周围泥沙侵蚀, 当侵蚀造成凹坑出现, 石子即会填充凹坑阻止进一步侵蚀, 实际观测中覆盖厚度下降、支撑长度增加便是由此造成的。建议在沙袋治理法失效的地方综合成本考虑采用沙袋支撑结合仿生水草覆盖法或者抛石支撑法等方法。

6 结论与建议

本文根据海南东方1-1海底管线的六次ROV实际调查资料对比, 分析了该海管KP30-KP90之间的悬跨分布和变化特征, 以及治理效果情况:

(1) 利用ROV海管调查技术进行海底管道调查数据连续性好, 能及时地跟踪和分析海管悬跨变化, 建议持续积累可对比性的ROV调查数据以进行科学评估和安全防护指导。

(2) 常态强水动力前期利于管道下沉掩埋, 后期管涌发育积累, 受频繁台风影响, 底层流速增强可达1.8 m/s, 造成管下冲刷现象, 造成海管悬跨。且深海平坦区泥沙补充不足, 加剧了海底悬跨的威胁。而海底沙波对海管安全的影响已经成为次要因素, 海管沙波沙脊区悬跨风险较小。

(3) 对东方1-1海底管道的ROV调查结果显示, 已有数百个管道悬跨, 严重威胁着管道的安全运营。在KP30-KP60之间海管悬跨数量、平均长度和高度均不断扩加, 最严重的地方集中在KP44-KP51.75管段。需要继续密切调查, 及时掌握悬跨变化情况并评估海管安全状态。

(4) 通过跟踪调查管道悬跨治理效果发现, 使用抛石填埋法治理效果要优于沙袋支撑法, 这主要是因为石子体积小及时滚动覆盖海底凹坑从而抑制底床侵蚀, 但成本也相对增加。目前治理主要集中在KP44.5-KP55.5段之间, 在KP30-KP44.5段治理较少, 需要加强。