深水海底管线挖沟机的发展现状

1深水海底管线挖沟机的发展现状张新明，梁富浩，田帅（海洋石油工程（珠海）有限公司，广东珠海519050）摘要：陵水17-2自营深水气田勘探成功，将带动我国深水油气田的勘探与开发发展。挖沟是深水油气田开发中海底管线的重要保护措施，我国目前研制与运营的挖沟机以浅水为主，通过分析现有深水挖沟机的发展现状，深水挖沟机已发展成喷射式、犁式、机械式挖沟机，其核心技术集中在SMD、IHCEB、FET、Seatool、Nexans等公司，产品成系列化发展，由DeepOcean、Saipem、CanyonOffshore、Nexans等海洋工程公司运营，这将为我国深水挖沟机技术及装备发展提供借鉴。关键词：深水油气田；海底管线；喷射式挖沟机；犁式挖沟机；机械式挖沟机TheDevelopmentofDeepwaterTrencherforPipelineZHANGXinming,LIANGFuhao,TIANShuai(OffshoreOilEngineering(Zhuhai)Co.,Ltd.,ZhuhaiGuangdong,519050,China)Abstract:ThesucceededexplorationoftheLingshui17-2self-operateddeepwatergasfield,willpromotetheexplorationanddevelopmentofourdeepwateroil&gasoil.Trenchingisoneofimportantprotectedwayfordeepwaterpipeline,ourdevelopedandoperatedtrencherswereshallow-waterones.Thispaperfocusesonanalysisofthedevelopmentofthedeepwatertrencher,whichwasdevelopedwaterjetting,ploughandmechanicalcuttingtrenchers,itscoretechnologywasmonopolizedbytheSMD,IHCEB,FETetc,andthepartsoftheirproductshadbeenserialized.ThetrenchersareoperatedbytheDeepOcean、Saipem、CanyonOffshore、Nexansetc.Thispaperwillsupportreferenceforthetechnologyandequipmentdevelopmentforourdeepwatertrencher.Keywords:deepwateroil&gasfield,pipeline,waterjettingtrencher,plough,mechanicalcuttingtrencher中海油2002-2013年间公布的海域开放区块153个，其中南海占85%，42个深水区（水深≥300m）全部位于南海[1]，尤其伴随2014年9月我国首次勘探成功自营陵水17-2深水气田（作业水深1500m），我国将加快南海深水及超深水油气田勘探与开发。海底管线是深水油气田开发中输送油气资源的重要设施，保障海底管线运营安全，对整个深水油气田的安全生产都至关重要。挖沟是对深水海底管线保护的措施之一，了解深水海底管线挖沟机发展现状对我国深水挖沟机的发展及我国深水油气田开发护航非常必要。1挖沟在深水海底管线保护中的应用深水海底管线在海底处于复杂的海洋环境中，如海底水流、不规则海床、海底沉淀物（土壤）不稳定性及作业水深等对深水海底管线产生拖曳力、提升浮力、冲刷悬跨等，至而降低深水海底管线在海底的稳作者简介：张新明，男，工程师，主要从事海洋工程装备基地建设、项目管理等工作。2定性，外部抛锚、坠落物等会对深水海底管线产生外部机械损伤；通过挖沟将海底管线埋敷一定深度，是提高深水海底管线在海底的稳定性及防止外部机械损伤的最有效措施之一[2~3]。此外如图1所示，挖沟对深水海底管线还有其他保护，如挖沟后人工或自然回填能对管内高压高温油气保温、防止冲刷、放海水腐蚀、悬跨处理、多条海底管线交叉点处理、海床平整、海底管线维护时挖沟保护等等。图1挖沟机在深水海底管线保护中的部分应用情况如图2所示，海底环境条件、海底管线参数、挖沟设计要求将影响挖沟机的选择及挖沟方案制定，尤其土壤介质与强度、管径与重量、挖沟方式、挖沟深度等对挖沟机选择影响较大[4]；但国际上深水挖沟机资源、支持挖沟机的海洋工程船舶有限，将反过来影响挖沟方式的设计。图2挖沟工程流程图目前，深水挖沟机先后历经喷射式到喷射式、机械式、犁式挖沟机发展，不同的挖沟机不同的设计理念与应用范围，如表1所示，所有了解深水挖沟机现有资源、发展现状及趋势，对挖沟方案设计、船舶资源选择、降低成本与作业风险、及指导我国深水挖沟的发展都重要的意义。表1喷射式、犁式、机械式挖沟机的比较[5-6]挖沟机型喷射式犁式机械式起始时间20世纪40年代20世纪70年代20世纪70年代作业原理高压水喷射犁式挖掘切削挖掘+喷射结构复杂度简单简单复杂开发与维护费用中低高作业效率低高较高故障率低低高受海流影响大小极大挖沟设计要求：1）挖沟深度及范围，2）挖沟方式（预挖沟或后挖沟、人工或自然回填）挖沟方案制定：1）挖沟机资源，2）挖沟支持母船，3）挖沟方案及程序海上挖沟作业：1）挖沟前ROV调查，2）挖沟作业，3）挖沟后ROV调查海底环境条件：1）海底土壤条件，2）海底水文条件，3）作业水深等海底管线参数：1）管径，2）重量，3）材质等挖沟后常规巡查海底保温防杂物坠落损伤乐东气田KP69.5悬空处理3挖沟机型喷射式犁式机械式主要种类履带与滑撬自航式拖曳式柱状切削式、盘状切削式、链锯履带自航式海床土质条件淤泥、泥沙、砂等非粘性土质，土质强度3~250Kpa淤泥、泥沙、砂等非黏性土质，软性岩石（如石灰岩），土质强度3~250Kpa几乎任何土质，淤泥、泥沙、砂等非黏性土质，软性岩石、硬质岩石（如花岗岩），土质强度7~1000Kpa2国内挖沟机的发展现状我除荔湾3-1外，在役油气田水深均为300m水深以内，且截止2014年12月，中海油已敷设的海底管线长度达292条，长度达5926千米[7]。我国在20世纪80~90年代始研究挖沟机，且在20世纪90年代末后开始研制挖沟机（如表2、图3所示），其中海油工程、胜利油田、中石油六分公司海洋工程公司联合上海交通大学、江苏船舶设计研究院、哈尔滨工程大学研制出喷射式、铰吸式、犁式挖沟机，海油工程、天津天易海上工程有限公司自制喷射式挖沟机，目前国内自主研制的挖沟机仍以喷射式挖沟机为主，结构简单、效率低、故障率高、作业水深浅等，不适应我国深水海底管线挖沟的需求，我国深水所需挖沟机还需从国外引进[5-6]。表2我国挖沟机的发展现状序号设备名称运营单位参与研究/制造单位出厂时间最大作业水深/m泵作业能力m3/h挖沟机形式1MG-1型埋设犁（电缆、光缆）中国海底电缆建设公司上海交大1993100-犁式2浅水滩海水下挖沟装置第二代胜利油建江苏船舶研究院19970.8~15-铰吸式3SL-052012型潜水挖沟机胜利油建江苏船舶设计院200920~70-机械、喷射41万方泵挖沟机海油工程海油工程20058010000喷射式5浅水挖沟机海油工程海油工程2005203600喷射式6SE-12000型挖沟机天津天易天津天易2005501000喷射式7海底管道维修挖沟机海工上海交大200660-喷射式8深水挖沟机海油工程海油工程20091005000喷射式9海底犁式挖沟机试验样机海油工程哈工程2012503600犁式10神龙1号神龙2号中国石油管道六公司上海交通大学201110035-喷射式11MG-50-T35OO型挖沟机海油工程上海交大2013502400喷射式图3我国部分挖沟机海油工程海底管道维修挖沟机天津天易SE-12000型挖沟机海油工程海底犁式挖沟机试验样机43国外挖沟机的发展现状[5-6，8-10]国外海底海底管线挖沟可追溯至20世纪40~50年代近海的喷射式挖沟方式；至,20世纪70年代海底管线敷设水深增深及开挖环境更为恶劣，促进了犁式与机械式挖沟机的发展；至20世纪90年代末至21世纪初，伴随深水油气田开发及材料、机电等技术发展，基本形成深水喷射式、机械式、犁式三类挖沟机，且研制技术主要由SMD、IHCEB、FET(ForumEnergyTechnologies)、Saipem-Sonsub、Nexans等公司垄断，尤其是SMD、IHCEB成为全球海底管线/电缆挖沟机的领先者，三类深水挖沟机均成系列化发展，如SMD为全球提供上百台各类挖沟机，主要由DeepOcean、CanyonOffshore、Saipem、GMCLimited、Nexans等海洋工程公司运营这些深水挖沟机。3.1喷射式挖沟机喷射式挖沟机，是最早、最简单的挖沟机，经历了人工喷射、滑橇式、到牵引式、自行走式喷射挖沟机的发展历程。深水喷射式挖沟机主要由基体ROV、喷射系统、疏浚系统、监控系统等组成，喷射系统的高压水流液化、分解或切割海床土质，疏浚系统吸排出挖掘出来的土质而形成管线埋设所需的沟壑，监控系统提供照明、摄像、声纳扫描等功能，而基体ROV搭载挖沟机行进、跨管等，常称之为爬行ROV，是ROV类中体型、功率交大的，通过ROV推进系统在挖沟过程中自航行，并根据底部行走支撑方式不同，分成履带与滑撬式喷射挖沟机。表3与图4为全球主要喷射式挖沟机类型，喷射式挖沟结构简单，基本上ROV研制公司都能研制出喷射式挖沟机，如SMD、FET、Sonsub等国际知名ROV制造商，是喷射式挖沟机的主要供应商，且其喷射式挖沟机均已成系列化发展。喷射式挖沟机较犁式、机械挖沟机，主要适应于砂土、泥土等非黏性土质及低粘度的黏性土质，其挖掘速度慢；但作业水深深，作业水深可达3000m，因其为自航式挖沟机，无需海上母船提供拖曳力，对母船动力依赖较小，其可直接跨骑在管线上，就位着床对管线损害风险小，造价低，操作简易，且同时适应管线、电缆（动力、脐带、通讯）的挖沟作业。但其作业效率低、不能挖掘硬质土质，故未来将发展大功率、能挖掘较硬土质的喷射式挖沟机。表3主要深水喷射式挖沟机挖沟机研制单位运营单位作业水深/m功率Hp管径mm埋深m行走支撑方式海底土质备注UT-1SMDDeepOcean1500210011003滑撬砂土、软土T-1000SMDDeepOcean20007505003履带砂土、软土＜80KpaQTrencher系列挖沟机（QT400、600、800、1000、1400、2800）PT1SMDDeepOcean20001.5Mw10002滑撬砂土，软土CT-1CT-2SMDModus25003000620400-32履带砂土T-600T-750T-1200FETCanyonOffshore300015003000600750120024″710915223滑撬履带履带砂土，软土＜100Kpa＜100Kpa＜125KpaTriton®系列挖沟机（T200、300、400、500、600、750、1000、1200）BelugaSonsubSaipem22501.5Mw24″5滚轮软土＜30MpaFlexjetIISonsubSaipem500500-3履带软土＜100Kpa埋设机，已成系列CapjTrencherNexansNexans1000300-3滚轮砂土、软土已成系列，已有4台Mw级挖沟机5挖沟机研制单位运营单位作业水深/m功率Hp管径mm埋深m行走支撑方式海底土质备注SpiderDredgerNexansNexans1000200-4履带软土＜300Kpa预挖沟ClaycutterXAGRSubseaAGRSubsea30003000--非自航式软土＜500KpaOceanjet900OceanteamDMC10009007502滑撬砂土、软土Oceanjet