陳愛國，趙少偉，和鵬飛

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300452；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

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海冰對渤海鉆完井作業(yè)的影響及應對措施

陳愛國1,2，趙少偉1,2，和鵬飛3

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300452；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

考慮到目前渤海范圍內(nèi)投入開采和生產(chǎn)的平臺多達近百個，渤海北部冬季海冰是海上油氣資源的開采過程中的主要自然災害因素，為降低海冰對海上鉆完井作業(yè)的影響，保證作業(yè)安全、有序開展，根據(jù)渤海海冰近年來的發(fā)展、分布形式，分析海冰對自升式鉆井平臺、三用工作船和生產(chǎn)平臺隔水導管的影響和危害，結(jié)合現(xiàn)代海上通信預警現(xiàn)狀、各類型平臺特點及聯(lián)動可行性提出渤海鉆完井作業(yè)的海冰預防機制，降低海冰對海上鉆完井的影響程度。

海冰；鉆完井；自升式鉆井平臺；隔水導管

1 渤海冬季海冰分布及特性

渤海是我國面積最小、平均水深最淺、緯度最北的海區(qū)。每年冬天出現(xiàn)海冰，與位于相近緯度的其他海區(qū)相比，海冰冰情較為嚴重，也成為北半球結(jié)冰的最南端。根據(jù)資料統(tǒng)計，渤海一般于每年的11月下旬或12月上旬開始結(jié)冰，翌年3月上旬或中旬終冰，主要分布于遼東灣、渤海灣區(qū)域，圖1為渤海2010、2012年海冰分布情況。

圖1 渤海海冰分布

但是，由于渤海海峽與黃海相連，黃海暖流的余脈可以進入渤海并且影響到渤海海冰的地理分布。在渤海熱力和動力諸多因素影響下，冰情表現(xiàn)十分復雜，有以下主要特征[1-2]：①海冰厚度的遞增性；②海冰類型的多樣性；③海冰的流動性；④海冰的泥砂含量較高；⑤呈季節(jié)性分布，主要集中在冬季。

2 海冰對鉆完井作業(yè)的影響

隨著渤海海域油氣開發(fā)的深入推進，渤海油田月平均有15個作業(yè)點開展海上鉆完井作業(yè)，遍布遼東灣、渤海灣、渤中，以及萊州灣等各個區(qū)域，如圖2。其中以錦州、綏中油田為代表的遼東灣區(qū)域是海上石油鉆探、開發(fā)、生產(chǎn)的重點區(qū)域，也是每年海冰影響的重災區(qū)。

圖2 2013年冬季渤海海域鉆完井作業(yè)分布

2.1 海冰對自升式鉆井平臺的影響

自升式鉆井平臺受風、浪、流等多種環(huán)境因素的干擾，所處的環(huán)境十分復雜、惡劣，長期承受環(huán)境腐蝕、海生物附著、地基土沖刷、液化和基礎動力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機械損傷以及疲勞累積等各種不利因素的影響，這些影響都將導致海洋平臺結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件或整體抗力衰減[3]。

自升式鉆井平臺通常由三條或者四條樁腿組成，有柱體和桁架式兩種類型，渤海目前仍在使用的渤海五號、渤海七號、渤海九號等平臺為圓柱體四樁腿結(jié)構(gòu)平臺，其他大部分為桁架式三樁腿結(jié)構(gòu)。一般自升式鉆井平臺設計為無冰區(qū)域作業(yè)，但由于作業(yè)需要或者撤離未及時等存在平臺受流冰影響的情況，其主要受影響的是平臺樁腿和潛水泵塔。我國海上石油開發(fā)早期，由于對海冰影響的認識不足以及當時冰情嚴重，曾發(fā)生過“海二井”和“海四井”的生產(chǎn)設備和鉆井平臺被海冰推到的情況[4]。隨著我國海洋石油鉆井事業(yè)的發(fā)展，對海冰的認識逐步加深，應對措施逐步完善，較大的海冰影響事故絕少發(fā)生，但海冰影響的險情時有發(fā)生，尤其是海冰對鉆井平臺海水泵塔的影響。

自升式鉆井平臺一般均配置海水泵塔系統(tǒng)，為平臺提供設備冷卻、壓載、鉆完井生產(chǎn)，以及生活衛(wèi)生海水，一般有獨立升降和依靠樁腿利用吊車升降2種。在平臺遭受海冰影響時，潛水泵塔由于結(jié)構(gòu)較弱，極容易發(fā)生斷裂，直接影響平臺生產(chǎn)，嚴重時發(fā)電機組高溫停機、全船斷電，圖3、4為渤海某平臺被海冰推斷，泵塔受損情況。

圖3 渤海某平臺海水泵塔受海冰影響斷裂

圖4 打撈出水的渤海某平臺海水泵塔

2.2 海冰對三用工作船的影響

三用工作船具有一定甲板面積、艙容[5-6]鉆井平臺就位時可提供起拋錨作業(yè)，部分三用工作船可負責鉆井平臺拖航任務。大面積海冰存在時會造成三用船無法航行，甚至發(fā)生擱淺，只能通過船舶倒車沖撞和大馬力破冰船協(xié)助引航，才能艱難到達平臺，如圖5，直接影響海上作業(yè)平臺的物料運送；小塊流冰的存在會使三用船海底閥堵塞，造成螺旋槳損壞等嚴重問題；對于錨泊靠作業(yè)平臺的三用船，流冰尤其是大塊流冰容易橫在錨鏈上或船首，既無法切碎又不能從2舷流過，其后的冰塊相繼流來，越積越多，冰塊受風流驅(qū)動的力量之總和，均將施加于錨鏈和船體上，在流冰中錨泊極易斷鏈走錨。

圖5 三用工作船航行在海冰中

2.3 海冰對隔水導管的影響

海冰對固定采油平臺的危害，是由于流動的海冰對平臺撞擊引起平臺激振[7]，這種激震在一定頻率下可能會引發(fā)平臺的共振。長期堆積對隔水導管存在嚴重影響(見圖6)，直接影響油氣井的安全，繼續(xù)發(fā)展將對采油平臺最主要的承載結(jié)構(gòu)樁腿產(chǎn)生剪切應力，會發(fā)生應力累積而推倒樁腿[8-9]。1969年渤海的特大冰封就將老二號平臺推倒，1977年又將四號油田的烽火臺導管架推倒[10]。

圖6 被海冰包圍、撞擊的導管架

3 海冰災害的預防措施和建議

3.1 建立聯(lián)動預警機制

1)提前預警，統(tǒng)籌規(guī)劃作業(yè)期。建立海冰災情的預警系統(tǒng)，通過氣象部門衛(wèi)星檢測[11]，提前預測冰區(qū)及冰災嚴重程度，對冰情重災內(nèi)、危險區(qū)內(nèi)的鉆完井作業(yè)平臺提前預警。作業(yè)部門根據(jù)預警，統(tǒng)籌安排冰區(qū)內(nèi)的鉆完井作業(yè)工期，合理撤離冰區(qū)內(nèi)的高風險鉆完井作業(yè)平臺。盡量避免冰情嚴重期內(nèi)的鉆完井作業(yè)，消除冰災隱患。加大力度認識海冰的分布規(guī)律、破壞規(guī)律。

2)雙向匯報，確保及時救助。建立國家海洋氣象部門、海洋救助部門及鉆完井作業(yè)方三方合作機制，確保冰區(qū)內(nèi)的鉆完井作業(yè)安全進行，救援及時。海洋氣象部門根據(jù)監(jiān)測海冰情況，提前通知救助部門做好救助計劃。通知鉆完井作業(yè)方做好防冰、抗冰的準備工作。同時，建立平臺瞭望制度，監(jiān)視平臺周圍海冰發(fā)展情況并定期反饋給氣象部門及救助部門，及時對平臺周圍進行破冰處理，為工作船開辟航道，同時做好救助準備。提前預警，優(yōu)化航行路線、清理航道內(nèi)流冰，大幅度提高工作船的工作效率及安全系數(shù)。

3.2 海上各平臺統(tǒng)籌合作

冰區(qū)內(nèi)相鄰平臺進行合作，對平臺工作船進行聯(lián)合調(diào)配。利用抗冰能力強的平臺為抗冰能力弱的平臺提供定向援助，利用固定式平臺的海水泵為自升式平臺提供海水。一旦產(chǎn)生災情，就近支援，互相幫助，將損失降至最低，在冰災發(fā)生時為專業(yè)救援贏取時間，降低損失。

3.3 各個平臺針對性預防

1)改造平臺，加強抗冰能力。對固定式采油平臺的改造，主要包括填裝人工島和隔水導管加裝正-倒錐組合體進行破冰、抗冰。對自升式鉆井平臺進行薄弱環(huán)節(jié)定點防護措施，其中主要對潛水泵塔進行改造和防護?？蓪⒑Ｋ盟潭ㄓ谌菢锻戎畠?nèi)，降低泵塔受海冰影響的程度，保證冰期正常海水供應。同時，加固平臺上的管線，降低次生危害。對固定式采油平臺加裝抗冰裝置，對自升式平臺樁腿及海水泵塔的定點保護，可大大提高平臺的抗冰能力，提高平臺的作業(yè)安全系數(shù)。

2)平臺備用消耗材料，避免二次災害。平臺應備用海水泵、海水管線、燃油、防凍液等，在條件允許的情況下利用平臺壓載艙儲備海水。在災情發(fā)生時，利用壓載艙實現(xiàn)閉路循環(huán)，合理處置鉆完井作業(yè)，避免二次災害的發(fā)生。

[1] 白珊,劉欽政.渤海的海冰[J].海洋預報,1999(3):1-9.

[2] 李志軍.論渤海海冰特點及冰區(qū)溢油清理的難度[J].中國海洋平臺,2004,15(5):20-23.

[3] 李紅濤,李曄.自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)強度分析研究[J].中國海洋平臺,2010,25(2):28-33.

[4] 張啟文,白珊.中國海海冰災害的監(jiān)測和預測研究[C].中國地球物理第二十一屆年會論文集,2005.

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[11] 江崇波,江帆.渤海海冰災害監(jiān)測預警及防災減災的思考[J].海洋開發(fā)與管理,2013(2):20-22.The Impact and Countermeasures of Sea Ice on the Drilling Operations in Bohai

CHEN Ai-guo1,2, ZHAO Shao-wei1,2, HE Peng-fei3

(1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China;2.State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation, Tianjin 300452, China;3.CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China)

There are almost a hundred platforms operating in Bohai nowadays, and the sea ice is the main unavoidable natural disaster for the oil and gas exploitation in the winter. In order to reduce the influence of the sea ice upon the drilling operation, ensure the production safety, the influence and harm of the sea ice upon the jack up platforms, tug, anchor-handling and supply vessels, and risers in the production platform were analyzed according to the development of the sea ice in recent years and its distribution and characteristics. Some countermeasures were proposed to reduce the degree of impact of sea ice on the drilling operation.

sea ice; drilling operation; jack up platform; riser

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.031

2016-04-07

國家科技重大專項—海上稠油油田高效開發(fā)示范工程(2011ZX05057)

陳愛國(1989—)，男，學士，高級工程師

U674.38;U675.5

A

1671-7953(2016)05-0123-04

修回日期：2016-04-19

研究方向:海洋石油鉆完井技術(shù)

E-mail:zhaoshw@cnooc.com.cn