海冰對(duì)渤海鉆完井作業(yè)的影響及應(yīng)對(duì)措施

陳愛(ài)國(guó)，趙少偉，和鵬飛

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)渤海鉆完井作業(yè)的影響及應(yīng)對(duì)措施

陳愛(ài)國(guó)1,2，趙少偉1,2，和鵬飛3

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)采和生產(chǎn)的平臺(tái)多達(dá)近百個(gè)，渤海北部冬季海冰是海上油氣資源的開(kāi)采過(guò)程中的主要自然災(zāi)害因素，為降低海冰對(duì)海上鉆完井作業(yè)的影響，保證作業(yè)安全、有序開(kāi)展，根據(jù)渤海海冰近年來(lái)的發(fā)展、分布形式，分析海冰對(duì)自升式鉆井平臺(tái)、三用工作船和生產(chǎn)平臺(tái)隔水導(dǎo)管的影響和危害，結(jié)合現(xiàn)代海上通信預(yù)警現(xiàn)狀、各類(lèi)型平臺(tái)特點(diǎn)及聯(lián)動(dòng)可行性提出渤海鉆完井作業(yè)的海冰預(yù)防機(jī)制，降低海冰對(duì)海上鉆完井的影響程度。

海冰；鉆完井；自升式鉆井平臺(tái)；隔水導(dǎo)管

1 渤海冬季海冰分布及特性

渤海是我國(guó)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(yán)重，也成為北半球結(jié)冰的最南端。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，渤海一般于每年的11月下旬或12月上旬開(kāi)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(jìn)入渤海并且影響到渤海海冰的地理分布。在渤海熱力和動(dòng)力諸多因素影響下，冰情表現(xiàn)十分復(fù)雜，有以下主要特征[1-2]：①海冰厚度的遞增性；②海冰類(lèi)型的多樣性；③海冰的流動(dòng)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(duì)鉆完井作業(yè)的影響

隨著渤海海域油氣開(kāi)發(fā)的深入推進(jìn)，渤海油田月平均有15個(gè)作業(yè)點(diǎn)開(kāi)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(gè)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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域，也是每年海冰影響的重災(zāi)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(duì)自升式鉆井平臺(tái)的影響

自升式鉆井平臺(tái)受風(fēng)、浪、流等多種環(huán)境因素的干擾，所處的環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，長(zhǎng)期承受環(huán)境腐蝕、海生物附著、地基土沖刷、液化和基礎(chǔ)動(dòng)力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)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(dǎo)致海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件或整體抗力衰減[3]。

自升式鉆井平臺(tái)通常由三條或者四條樁腿組成，有柱體和桁架式兩種類(lèi)型，渤海目前仍在使用的渤海五號(hào)、渤海七號(hào)、渤海九號(hào)等平臺(tái)為圓柱體四樁腿結(jié)構(gòu)平臺(tái)，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(tái)設(shè)計(jì)為無(wú)冰區(qū)域作業(yè)，但由于作業(yè)需要或者撤離未及時(shí)等存在平臺(tái)受流冰影響的情況，其主要受影響的是平臺(tái)樁腿和潛水泵塔。我國(guó)海上石油開(kāi)發(fā)早期，由于對(duì)海冰影響的認(rèn)識(shí)不足以及當(dāng)時(shí)冰情嚴(yán)重，曾發(fā)生過(guò)“海二井”和“海四井”的生產(chǎn)設(shè)備和鉆井平臺(tái)被海冰推到的情況[4]。隨著我國(guó)海洋石油鉆井事業(yè)的發(fā)展，對(duì)海冰的認(rèn)識(shí)逐步加深，應(yīng)對(duì)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(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，尤其是海冰對(duì)鉆井平臺(tái)海水泵塔的影響。

自升式鉆井平臺(tái)一般均配置海水泵塔系統(tǒng)，為平臺(tái)提供設(shè)備冷卻、壓載、鉆完井生產(chǎn)，以及生活衛(wèi)生海水，一般有獨(dú)立升降和依靠樁腿利用吊車(chē)升降2種。在平臺(tái)遭受海冰影響時(shí)，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(tái)生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)電機(jī)組高溫停機(jī)、全船斷電，圖3、4為渤海某平臺(tái)被海冰推斷，泵塔受損情況。

圖3 渤海某平臺(tái)海水泵塔受海冰影響斷裂

圖4 打撈出水的渤海某平臺(tái)海水泵塔

2.2 海冰對(duì)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(tái)就位時(shí)可提供起拋錨作業(yè)，部分三用工作船可負(fù)責(zé)鉆井平臺(tái)拖航任務(wù)。大面積海冰存在時(shí)會(huì)造成三用船無(wú)法航行，甚至發(fā)生擱淺，只能通過(guò)船舶倒車(chē)沖撞和大馬力破冰船協(xié)助引航，才能艱難到達(dá)平臺(tái)，如圖5，直接影響海上作業(yè)平臺(tái)的物料運(yùn)送；小塊流冰的存在會(huì)使三用船海底閥堵塞，造成螺旋槳損壞等嚴(yán)重問(wèn)題；對(duì)于錨泊靠作業(yè)平臺(tái)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(wú)法切碎又不能從2舷流過(guò)，其后的冰塊相繼流來(lái)，越積越多，冰塊受風(fēng)流驅(qū)動(dòng)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(duì)隔水導(dǎo)管的影響

海冰對(duì)固定采油平臺(tái)的危害，是由于流動(dòng)的海冰對(duì)平臺(tái)撞擊引起平臺(tái)激振[7]，這種激震在一定頻率下可能會(huì)引發(fā)平臺(tái)的共振。長(zhǎng)期堆積對(duì)隔水導(dǎo)管存在嚴(yán)重影響(見(jiàn)圖6)，直接影響油氣井的安全，繼續(xù)發(fā)展將對(duì)采油平臺(tái)最主要的承載結(jié)構(gòu)樁腿產(chǎn)生剪切應(yīng)力，會(huì)發(fā)生應(yīng)力累積而推倒樁腿[8-9]。1969年渤海的特大冰封就將老二號(hào)平臺(tái)推倒，1977年又將四號(hào)油田的烽火臺(tái)導(dǎo)管架推倒[10]。

圖6 被海冰包圍、撞擊的導(dǎo)管架

3 海冰災(zāi)害的預(yù)防措施和建議

3.1 建立聯(lián)動(dòng)預(yù)警機(jī)制

1)提前預(yù)警，統(tǒng)籌規(guī)劃作業(yè)期。建立海冰災(zāi)情的預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)氣象部門(mén)衛(wèi)星檢測(cè)[11]，提前預(yù)測(cè)冰區(qū)及冰災(zāi)嚴(yán)重程度，對(duì)冰情重災(zāi)內(nèi)、危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的鉆完井作業(yè)平臺(tái)提前預(yù)警。作業(yè)部門(mén)根據(jù)預(yù)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(fēng)險(xiǎn)鉆完井作業(yè)平臺(tái)。盡量避免冰情嚴(yán)重期內(nèi)的鉆完井作業(yè)，消除冰災(zāi)隱患。加大力度認(rèn)識(shí)海冰的分布規(guī)律、破壞規(guī)律。

2)雙向匯報(bào)，確保及時(shí)救助。建立國(guó)家海洋氣象部門(mén)、海洋救助部門(mén)及鉆完井作業(yè)方三方合作機(jī)制，確保冰區(qū)內(nèi)的鉆完井作業(yè)安全進(jìn)行，救援及時(shí)。海洋氣象部門(mén)根據(jù)監(jiān)測(cè)海冰情況，提前通知救助部門(mén)做好救助計(jì)劃。通知鉆完井作業(yè)方做好防冰、抗冰的準(zhǔn)備工作。同時(shí)，建立平臺(tái)瞭望制度，監(jiān)視平臺(tái)周?chē)１l(fā)展情況并定期反饋給氣象部門(mén)及救助部門(mén)，及時(shí)對(duì)平臺(tái)周?chē)M(jìn)行破冰處理，為工作船開(kāi)辟航道，同時(shí)做好救助準(zhǔn)備。提前預(yù)警，優(yōu)化航行路線(xiàn)、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(tái)統(tǒng)籌合作

冰區(qū)內(nèi)相鄰平臺(tái)進(jìn)行合作，對(duì)平臺(tái)工作船進(jìn)行聯(lián)合調(diào)配。利用抗冰能力強(qiáng)的平臺(tái)為抗冰能力弱的平臺(tái)提供定向援助，利用固定式平臺(tái)的海水泵為自升式平臺(tái)提供海水。一旦產(chǎn)生災(zāi)情，就近支援，互相幫助，將損失降至最低，在冰災(zāi)發(fā)生時(shí)為專(zhuān)業(yè)救援贏取時(shí)間，降低損失。

3.3 各個(gè)平臺(tái)針對(duì)性預(yù)防

1)改造平臺(tái)，加強(qiáng)抗冰能力。對(duì)固定式采油平臺(tái)的改造，主要包括填裝人工島和隔水導(dǎo)管加裝正-倒錐組合體進(jìn)行破冰、抗冰。對(duì)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行薄弱環(huán)節(jié)定點(diǎn)防護(hù)措施，其中主要對(duì)潛水泵塔進(jìn)行改造和防護(hù)?？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(yīng)。同時(shí)，加固平臺(tái)上的管線(xiàn)，降低次生危害。對(duì)固定式采油平臺(tái)加裝抗冰裝置，對(duì)自升式平臺(tái)樁腿及海水泵塔的定點(diǎn)保護(hù)，可大大提高平臺(tái)的抗冰能力，提高平臺(tái)的作業(yè)安全系數(shù)。

2)平臺(tái)備用消耗材料，避免二次災(zāi)害。平臺(tái)應(yīng)備用海水泵、海水管線(xiàn)、燃油、防凍液等，在條件允許的情況下利用平臺(tái)壓載艙儲(chǔ)備海水。在災(zāi)情發(fā)生時(shí)，利用壓載艙實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，合理處置鉆完井作業(yè)，避免二次災(zāi)害的發(fā)生。

[1] 白珊,劉欽政.渤海的海冰[J].海洋預(yù)報(bào),1999(3):1-9.

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

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

[4] 張啟文,白珊.中國(guó)海海冰災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)研究[C].中國(guó)地球物理第二十一屆年會(huì)論文集,2005.

[5] 黃智翔,沈達(dá)博.近海油田三用工作船改建及其經(jīng)濟(jì)性分析[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(4):363-366.

[6] 王友韶,曾宇東.某三用工作船海水冷卻系統(tǒng)管系原理設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)月刊,2015(9):5-6.

[7] 方華燦,吳小薇,賈星蘭.渤海海冰作用下采油平臺(tái)的模糊疲勞壽命估算[C].全國(guó)第五屆冰工程會(huì)議,2003.

[8] 楊耀鵬，張大勇，婁春娟，等.渤海某新建升壓站平臺(tái)的抗冰性能分析[J].船海工程，2015,44(6):111-115.

[9] 鄧義斌，王飛顯，范世東.冰水兩相流對(duì)海水管道沖蝕磨損特性數(shù)值模擬[J].船海工程,2015,44(1):150-154.

[10] 張樹(shù)德,孫振平.基于模型冰試驗(yàn)的多腿柱導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)最大冰載荷計(jì)算新方法:以渤海綏中36-1油田AⅡ井口平臺(tái)為例[J].中國(guó)海上油氣,2014(增刊1):17-19.

[11] 江崇波,江帆.渤海海冰災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)的思考[J].海洋開(kāi)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)—海上稠油油田高效開(kāi)發(fā)示范工程(2011ZX05057)

陳愛(ài)國(guó)(1989—)，男，學(xué)士，高級(jí)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