海底管道登陸拖拉場地優(yōu)化剖析

押延寧

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

隨著海洋石油事業(yè)的發(fā)展，海底原油的開采量日益增加，海底管道作為海洋石油技術(shù)與儲運系統(tǒng)的重要組成部分，是海洋石油油氣田開采的大動脈。同時，海底管道在海上油氣田開發(fā)利用過程中起到舉足輕重的作用，因此，被廣泛應(yīng)用于海上油氣田開采過程中。海底管道敷設(shè)工藝技術(shù)相對復(fù)雜，設(shè)計考慮因素較多，具有較高的施工風(fēng)險，施工成本越來越大，為了確保海底管道的安全投產(chǎn)，國內(nèi)對海洋石油工程的審查制度越來越完善。目前，在確保海管敷設(shè)和管道運行過程中的安全性的同時，也要最大限度地降低生產(chǎn)運行成本，減小管道所受到的外部環(huán)境載荷，最大限度地降低海底管道對周邊設(shè)施的干擾，因此，對海管的施工工藝技術(shù)在進(jìn)行不斷地更新、提高和完善[1]。

目前海底管道可以實現(xiàn)一千多米水深的鋪設(shè)，進(jìn)行鋪設(shè)施工的設(shè)備已經(jīng)完成了第四代研制，包括體式鋪管船、船型式鋪管船、半潛式鋪管船和動力定位式鋪管船等等。此外，目前也有采用較為新型的定向鉆法，每一種方法都有各自的優(yōu)勢與缺陷[2]。由于受到岸邊水深變化以及施工船舶的吃水深度影響，海底管道在進(jìn)行拖拉登陸過程中需要采取特定的拖拉工藝完成海管拖拉上岸。海底管道在進(jìn)行登陸拖拉施工時要提前根據(jù)施工特點完成工藝設(shè)計，充分考慮施工船舶資源、海底管道規(guī)格、水深潮汐以及海流等因素，從環(huán)境氣候條件、地質(zhì)地貌條件等方面綜合評估后制定拖拉施工工藝。海底管道按照鋪設(shè)的方式可以分為浮游鋪設(shè)法、懸浮拖鋪設(shè)法、離底拖鋪設(shè)法、鋪管船鋪設(shè)法，在深水區(qū)一般采用J 型鋪管鋪設(shè)法。這些海底管道在岸邊進(jìn)行拖拉鋪設(shè)過程評估要安排一定范圍的場地，一般在拖拉方案制定過程中都要對施工場地進(jìn)行多方面的優(yōu)化，目的是為了盡可能減小拖拉場地的占地面積，最大限度地減少對周圍設(shè)施的影響，同時確保海底管道鋪設(shè)施工的順利進(jìn)行[3-4]。

海底管道登陸的場地設(shè)計影響因素復(fù)雜，需要綜合考慮多方面因素。同時，設(shè)計方案要綜合考慮多方面利益，通常需要滿足登陸點附近海域功能區(qū)的未來規(guī)劃，并與相關(guān)利益方協(xié)商設(shè)計海底管道登陸施工方案，盡可能較少對其的影響，主要利益相關(guān)方涉及到港口方利益港口資源、航道方利益、錨地方利益、旅游開發(fā)方利益、漁業(yè)方利益以及海洋自然保護(hù)區(qū)的利益。此外，管道路由在布置過程中要考慮以下諸多因素，包括路由長度最短、避開路由障礙物和路由危險區(qū)等等。同時，平行管道的間距要保證最小20 m 的距離，路由彎曲曲率半徑和直管段長度要滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，管纜跨越也要滿足規(guī)范要求，管道登陸點施工位置要與鉆井船施工保持合理的間距進(jìn)而滿足施工要求[5]。

本文所研究的錦州25-1 南外輸氣海底管線是遼東灣主要的天然氣供應(yīng)管道，這條海底管線的登陸施工工程成為該油氣田項目開發(fā)的重中之重，從工程的各個階段都要進(jìn)行不斷的完善和技術(shù)的更新優(yōu)化。該條海底管線在營口鲅魚圈能源化工區(qū)高家窩棚村登陸，登陸點位置的場地面積狹小，如果按照常規(guī)的管線拖拉上岸方式將存在較大的困難。因此，必須對該條管線的拖拉施工方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以確保在有限的施工區(qū)域內(nèi)順利完成工程。

1 海底管道主要鋪設(shè)方式

1.1 浮拖法

浮拖法主要應(yīng)用于水文條件較好海域，因為在進(jìn)行浮拖法拖拉安裝海底管道時，管道的較大部分處于漂浮狀態(tài)，在施工過程中很容易受到波浪、海流的影響。此外，由于在拖拉管道過程中，管道不與海底海床發(fā)生接觸，受到的阻力相對較小，可以采用小型牽引設(shè)備，采用較小的拖拉力完成管道拖拉施工。

1.2 離底拖法

利用離底拖法對海底管道進(jìn)行拖拉安裝時，管道在水下同樣處于懸浮狀態(tài)。由于管道在水下懸浮，因此在拖拉管道過程中受到波浪影響較小，而受到水下海流影響較大，在水下的管道更加穩(wěn)定，相比于浮拖法，離底拖法在拖拉過程中更容易對管道進(jìn)行控制。離底拖法的管道同樣不與海床接觸，所以需要提供的拉力較小。但由于管道絕大部分仍處于懸浮狀態(tài)，在拖拉過程中要準(zhǔn)確地控制管道的重力。

1.3 底拖法

采用底拖法對海底管道進(jìn)行拖拉安裝時，管道的絕大部分要與海床接觸，管道在水中的軌跡能夠得到很好的控制。采用這種方法可以很好的避免受到受波浪及海流的影響，但由于底拖法的管道要與海床接觸，需要外部設(shè)備提供較大的牽引力才能完成拖拉作業(yè)。

2 管道登陸點場地環(huán)境基本參數(shù)

在油氣田開發(fā)的總體方案設(shè)計階段，專業(yè)技術(shù)人員在天然氣集輸站周圍開展登陸點的選取工作，充分參考當(dāng)?shù)卣囊?guī)劃意見，最終擇優(yōu)選擇在營口鲅魚圈能源化工區(qū)的高家窩棚村作為該條管道的登陸點。項目施工正式開始后，為了對后期工程設(shè)計和施工提供合理的指導(dǎo)方案，依據(jù)本項目總體開發(fā)方案，要在錦州25-1 南外輸氣管線的登陸點附近開展調(diào)研分析工作。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研與勘探分析，海底管道施工的主要技術(shù)項目如下。

2.1 溝底標(biāo)高

管線登陸點所處位置的地面標(biāo)高為1.1 m，管線實際的埋放標(biāo)高度需要從地面標(biāo)高點向下挖深3 m，因此，該條管道的實際溝底標(biāo)高為-1.9 m。

2.2 當(dāng)?shù)赜^測潮位

通過對油田近岸段實測水位的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，獲得間隔一個小時的樣本數(shù)據(jù)，利用該樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的調(diào)和分析。實測水位的觀測記錄為15 d，調(diào)和分析后的分潮潮汐調(diào)和結(jié)果如表1 所示。通過與登陸點周圍海域的潮汐調(diào)和常數(shù)對比表明，本次對水位的實際檢測數(shù)據(jù)較為合理。同時，根據(jù)潮汐類型計算公式：E1=(HK1+HO1)/HM2=0.7，可知本海域的潮汐類型為不正規(guī)半日潮。

2.3 現(xiàn)場觀測站水位特征

通過參考登陸點海域周圍的歷史測試數(shù)據(jù)，并與測試點附近的基面保持一致性，最終選取平均海面以下1.91 m 位置處為海圖基準(zhǔn)面。同時，根據(jù)潮汐調(diào)和常數(shù)對各種特征潮位的數(shù)值進(jìn)行計算，獲得如表2 所示特征潮位值。

表2 各特征潮位值

2.4 管道登陸點現(xiàn)場基本參數(shù)

管道登陸點與到岸邊唯一進(jìn)村路中心線為48 m，土路寬為6 m，路東為養(yǎng)參池循環(huán)水溝，溝寬為17 m，溝的東側(cè)有一條與海參池隔離使用的防水提，堤寬約2 m。循環(huán)水溝東側(cè)為養(yǎng)參池，經(jīng)測量海參池水面寬為75 m。經(jīng)了解和初步測量，養(yǎng)參池水深2.5～3 m，底部淤泥深1 m 左右，海參池水面與進(jìn)村路路面落差為2.4 m，即路面與池底落差為5 m 左右。管道登陸點東側(cè)進(jìn)村土路兩側(cè)有6 kV 電線、380 V 電線、通訊線各一條，并各有三根電線桿作為支撐，路東側(cè)有兩條埋地電纜。

管道登陸點以東5 m 是毛石防浪堤，堤寬約50 cm，高約2 m，比管道登陸點高出3.2 m，由防浪堤至管道登陸點東側(cè)45 m，為坡度逐漸增高，管道登陸點東側(cè)45 m 處標(biāo)高為+5.4 m。該海岸段地質(zhì)鉆孔10 m，檢測均為低密度至中密度的砂。拖拉施工場地南北向?qū)?06 m，且登陸點北側(cè)50 m 處有大海參養(yǎng)殖大棚及其進(jìn)排水口，管道登陸點距離南北兩側(cè)民房各50 m左右。

3 海底管道登陸點施工場地

3.1 登陸點施工場地清理

因為登陸點拖拉場地需要的面積尺寸至少為長90 m×寬20 m，即管道登陸點到絞車前沿30 m，絞車長12 m，絞車向后延伸15 m 作為絞車鋼絲繩滾筒的放置點，機車底座向后延伸50 m 作為絞車底座的布錨區(qū)。鋼纜滾筒重35 t 左右，所以拖拉場地外圍還要考慮吊裝設(shè)備、拖拉配合設(shè)備的擺放與運輸，鋼纜滾筒的后側(cè)必須留有一定的護(hù)坡和汽車吊裝、及車輛掉頭旋轉(zhuǎn)的場地。

此外，在施工之前，所有的設(shè)計方案均需要與地方政府協(xié)調(diào)溝通，并對周圍的居民進(jìn)行遷移，拆除居民房屋及相關(guān)障礙設(shè)施。登陸點場地電線和通訊電纜需要進(jìn)行遷移處理，包括拖拉場地地下的電線、電纜和水管線。

3.2 登陸點施工場地分布

在登陸點位置設(shè)置200 t 線型絞車，利用拖拉法將管線自施工船舶上拖拉至登陸點。為滿足管線拖拉設(shè)備的運輸要求和管線拖拉過程中絞車受力的承載強度，進(jìn)入施工現(xiàn)場需要將拖拉場地和絞車運輸路過的道路進(jìn)行加寬和承載處理。道路和路肩總寬度一般為8 m，供現(xiàn)場材料和施工設(shè)備運輸機械進(jìn)出使用。登陸點坐落于漁村中央，村民動遷費用較高，動遷不現(xiàn)實，只能利用現(xiàn)有場地進(jìn)行施工作業(yè)，拖拉場地東側(cè)的海參養(yǎng)殖池和循環(huán)水溝需占用，要進(jìn)行人工回填，并進(jìn)行夯實處理，以加強承載力。

該登陸點循環(huán)水溝是該區(qū)域海參養(yǎng)殖的主要循環(huán)海水、沉淀用溝渠，涉及17 個養(yǎng)殖戶、64 個海參養(yǎng)殖大棚，是當(dāng)?shù)睾B(yǎng)殖用水的主水渠。如果確實需要占用，必須對該水溝進(jìn)行改路修建，絕不能影響這么大范圍的民生問題。對施工場地的地基高度也要進(jìn)行處理，登陸點至絞車底座的坡度不大于3°，絞車底座標(biāo)高要高于當(dāng)?shù)馗叱蔽?0 cm。

3.3 登陸點施工對周圍影響

本研究中的海底管道登陸施工主要對海岸線與陸地兩方面產(chǎn)生影響。對于海岸線的影響，登陸段海域南側(cè)擴建了一個碼頭，并在碼頭上建設(shè)了海參養(yǎng)殖大棚，養(yǎng)殖碼頭與陸地連接段形成了一個漁船靠泊的港池，碼頭外圍有靠船系泊位置，也可作為?？繚O船的碼頭。管道路由中心距該碼頭最近位置只有50 m，海管敷設(shè)期間需對該位置進(jìn)行預(yù)挖溝處理，港池將被封閉，船舶的進(jìn)出和靠泊將受影響。

對陸地的影響為進(jìn)村道路封閉將被封閉，在進(jìn)行管道登陸點施工過程中，根據(jù)表3 的施工計劃可知，唯一進(jìn)村道路將被封閉14 d，全村車輛均需繞行拖拉場地進(jìn)出村莊，給施工和村民帶來極大不便，且噪音也對村民休息及海參進(jìn)食造成一定的影響。

表3 海管登陸拖拉施工計劃

4 海管登陸拖拉場地優(yōu)化方案

為了加快推進(jìn)工程進(jìn)度，項目組必須為最快完成海管敷設(shè)做足準(zhǔn)備工作，協(xié)調(diào)與施工方案優(yōu)化同步推進(jìn)，以爭取達(dá)到最佳效果。雖然項目組多次與地方相關(guān)部門進(jìn)行協(xié)調(diào)，由于施工面涉及太廣泛，調(diào)節(jié)難度異常困難，而且民事補償?shù)馁M用居高不下，遲遲未能達(dá)到預(yù)想的目的。

4.1 絞車位置調(diào)整

原方案是將絞車底座前端放置在距離管道登陸點35 m 的位置，現(xiàn)在調(diào)整到30 m 的位置，由原來的底座標(biāo)高即：當(dāng)?shù)刈罡叱蔽?0 cm 以上的標(biāo)高的位置5 m 下降1 m 到4 m，與登陸點的現(xiàn)有高度差為3 m，與預(yù)挖溝后管道登陸點位置高度落差為6 m。為了減少高度落差，將原計劃的預(yù)挖溝作業(yè)取消，改為管線拖拉上岸后進(jìn)行后挖溝作業(yè)，這樣管線拖拉時的拖拉角度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，拖拉角度由原來的小于11°降低為小于6°。調(diào)整后更能保證管線安全，避免管道一端拖拉入泥。絞車前側(cè)增加小圍堰，選擇低潮汛或者小潮汛間隙施工，以保護(hù)絞車不被海水浸泡，另外可以縮短工期，減少對周圍設(shè)施的干擾，以最大限度降低環(huán)境污染。

4.2 取消絞車后置地錨

之前絞車后方有兩個地錨，本次施工將地錨取消，改用預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)件加固絞車底座的方式，加強絞車底座強度，可以保證拖拉時絞車的地基承載力。另外，絞車滾筒置于絞車上，也增加了絞車使用過程中的穩(wěn)性和安全性，同時避免了對進(jìn)村路基的破壞與占用。

4.3 更換拖拉絞車

項目組與施工單位進(jìn)行多次溝通，對拖拉場地進(jìn)行優(yōu)化。要解決拖拉絞車的占地問題，取消使用絞車與鋼絲繩滾筒分離的常規(guī)線性拖拉絞車，將絞車整改為滾筒與絞車一體式的人綜合性絞車，可以大大縮短拖拉絞車的占用場地。

4.4 縮短管線拖拉頭

縮短拖拉頭及連帶預(yù)拖管線(拖拉頭與海管之間的連接管線，海管拖拉成功后，該管線需要切除)的長度，由原來的12 m 縮短為2 m，減少不必要的拖拉長度，同時還能節(jié)約管材。

4.5 拖拉頭增加浮筒

拖拉頭上增加了一個浮筒，避免了拖拉頭入泥拖拉失敗的可能性，保證了管線拖拉的安全性、可靠性，大幅提升了管線拖拉成功的幾率。

5 結(jié)論

本項目中所涉及的海底管道拖拉場地距離管道登陸點僅45 m，在這種較小范圍內(nèi)進(jìn)行海底管道拖拉作業(yè)是中海油集團首次實現(xiàn)。通過實踐證明，經(jīng)過前期設(shè)計方案的足充分的準(zhǔn)備，將設(shè)計方案精細(xì)化到每一個施工步驟，并經(jīng)過多次設(shè)計方案的調(diào)整與優(yōu)化，按照優(yōu)化制定的施工方案開展項目施工，最終順利完成海底管道登陸施工。

由于前期的準(zhǔn)備工作較為充分、具體，利用調(diào)整后的優(yōu)化方案，該項目在施工過程中節(jié)約了大量成本與人力物力，且大大降低了施工過程中的風(fēng)險，同時又保障了工程高質(zhì)量完成。最終順利將海管拖拉上岸，成功完成了錦州25-1 南外輸氣管線項目至關(guān)重要的階段，同時為海洋石油油氣田開發(fā)奠定了一個基礎(chǔ)。