海冰对渤海钻完井作业的影响及应对措施

陈爱国，赵少伟，和鹏飞

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300452；3.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)



海冰对渤海钻完井作业的影响及应对措施

陈爱国1,2，赵少伟1,2，和鹏飞3

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300452；3.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

考虑到目前渤海范围内投入开采和生产的平台多达近百个，渤海北部冬季海冰是海上油气资源的开采过程中的主要自然灾害因素，为降低海冰对海上钻完井作业的影响，保证作业安全、有序开展，根据渤海海冰近年来的发展、分布形式，分析海冰对自升式钻井平台、三用工作船和生产平台隔水导管的影响和危害，结合现代海上通信预警现状、各类型平台特点及联动可行性提出渤海钻完井作业的海冰预防机制，降低海冰对海上钻完井的影响程度。

海冰；钻完井；自升式钻井平台；隔水导管

1 渤海冬季海冰分布及特性

渤海是我国面积最小、平均水深最浅、纬度最北的海区。每年冬天出现海冰，与位于相近纬度的其他海区相比，海冰冰情较为严重，也成为北半球结冰的最南端。根据资料统计，渤海一般于每年的11月下旬或12月上旬开始结冰，翌年3月上旬或中旬终冰，主要分布于辽东湾、渤海湾区域，图1为渤海2010、2012年海冰分布情况。

图1 渤海海冰分布

但是，由于渤海海峡与黄海相连，黄海暖流的余脉可以进入渤海并且影响到渤海海冰的地理分布。在渤海热力和动力诸多因素影响下，冰情表现十分复杂，有以下主要特征[1-2]：①海冰厚度的递增性；②海冰类型的多样性；③海冰的流动性；④海冰的泥砂含量较高；⑤呈季节性分布，主要集中在冬季。

2 海冰对钻完井作业的影响

随着渤海海域油气开发的深入推进，渤海油田月平均有15个作业点开展海上钻完井作业，遍布辽东湾、渤海湾、渤中，以及莱州湾等各个区域，如图2。其中以锦州、绥中油田为代表的辽东湾区域是海上石油钻探、开发、生产的重点区域，也是每年海冰影响的重灾区。

图2 2013年冬季渤海海域钻完井作业分布

2.1 海冰对自升式钻井平台的影响

自升式钻井平台受风、浪、流等多种环境因素的干扰，所处的环境十分复杂、恶劣，长期承受环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷、液化和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳累积等各种不利因素的影响，这些影响都将导致海洋平台结构局部构件或整体抗力衰减[3]。

自升式钻井平台通常由三条或者四条桩腿组成，有柱体和桁架式两种类型，渤海目前仍在使用的渤海五号、渤海七号、渤海九号等平台为圆柱体四桩腿结构平台，其他大部分为桁架式三桩腿结构。一般自升式钻井平台设计为无冰区域作业，但由于作业需要或者撤离未及时等存在平台受流冰影响的情况，其主要受影响的是平台桩腿和潜水泵塔。我国海上石油开发早期，由于对海冰影响的认识不足以及当时冰情严重，曾发生过“海二井”和“海四井”的生产设备和钻井平台被海冰推到的情况[4]。随着我国海洋石油钻井事业的发展，对海冰的认识逐步加深，应对措施逐步完善，较大的海冰影响事故绝少发生，但海冰影响的险情时有发生，尤其是海冰对钻井平台海水泵塔的影响。

自升式钻井平台一般均配置海水泵塔系统，为平台提供设备冷却、压载、钻完井生产，以及生活卫生海水，一般有独立升降和依靠桩腿利用吊车升降2种。在平台遭受海冰影响时，潜水泵塔由于结构较弱，极容易发生断裂，直接影响平台生产，严重时发电机组高温停机、全船断电，图3、4为渤海某平台被海冰推断，泵塔受损情况。

图3 渤海某平台海水泵塔受海冰影响断裂

图4 打捞出水的渤海某平台海水泵塔

2.2 海冰对三用工作船的影响

三用工作船具有一定甲板面积、舱容[5-6]钻井平台就位时可提供起抛锚作业，部分三用工作船可负责钻井平台拖航任务。大面积海冰存在时会造成三用船无法航行，甚至发生搁浅，只能通过船舶倒车冲撞和大马力破冰船协助引航，才能艰难到达平台，如图5，直接影响海上作业平台的物料运送；小块流冰的存在会使三用船海底阀堵塞，造成螺旋桨损坏等严重问题；对于锚泊靠作业平台的三用船，流冰尤其是大块流冰容易横在锚链上或船首，既无法切碎又不能从2舷流过，其后的冰块相继流来，越积越多，冰块受风流驱动的力量之总和，均将施加于锚链和船体上，在流冰中锚泊极易断链走锚。

图5 三用工作船航行在海冰中

2.3 海冰对隔水导管的影响

海冰对固定采油平台的危害，是由于流动的海冰对平台撞击引起平台激振[7]，这种激震在一定频率下可能会引发平台的共振。长期堆积对隔水导管存在严重影响(见图6)，直接影响油气井的安全，继续发展将对采油平台最主要的承载结构桩腿产生剪切应力，会发生应力累积而推倒桩腿[8-9]。1969年渤海的特大冰封就将老二号平台推倒，1977年又将四号油田的烽火台导管架推倒[10]。

图6 被海冰包围、撞击的导管架

3 海冰灾害的预防措施和建议

3.1 建立联动预警机制

1)提前预警，统筹规划作业期。建立海冰灾情的预警系统，通过气象部门卫星检测[11]，提前预测冰区及冰灾严重程度，对冰情重灾内、危险区内的钻完井作业平台提前预警。作业部门根据预警，统筹安排冰区内的钻完井作业工期，合理撤离冰区内的高风险钻完井作业平台。尽量避免冰情严重期内的钻完井作业，消除冰灾隐患。加大力度认识海冰的分布规律、破坏规律。

2)双向汇报，确保及时救助。建立国家海洋气象部门、海洋救助部门及钻完井作业方三方合作机制，确保冰区内的钻完井作业安全进行，救援及时。海洋气象部门根据监测海冰情况，提前通知救助部门做好救助计划。通知钻完井作业方做好防冰、抗冰的准备工作。同时，建立平台瞭望制度，监视平台周围海冰发展情况并定期反馈给气象部门及救助部门，及时对平台周围进行破冰处理，为工作船开辟航道，同时做好救助准备。提前预警，优化航行路线、清理航道内流冰，大幅度提高工作船的工作效率及安全系数。

3.2 海上各平台统筹合作

冰区内相邻平台进行合作，对平台工作船进行联合调配。利用抗冰能力强的平台为抗冰能力弱的平台提供定向援助，利用固定式平台的海水泵为自升式平台提供海水。一旦产生灾情，就近支援，互相帮助，将损失降至最低，在冰灾发生时为专业救援赢取时间，降低损失。

3.3 各个平台针对性预防

1)改造平台，加强抗冰能力。对固定式采油平台的改造，主要包括填装人工岛和隔水导管加装正-倒锥组合体进行破冰、抗冰。对自升式钻井平台进行薄弱环节定点防护措施，其中主要对潜水泵塔进行改造和防护。可将海水泵塔固定于三角桩腿之内，降低泵塔受海冰影响的程度，保证冰期正常海水供应。同时，加固平台上的管线，降低次生危害。对固定式采油平台加装抗冰装置，对自升式平台桩腿及海水泵塔的定点保护，可大大提高平台的抗冰能力，提高平台的作业安全系数。

2)平台备用消耗材料，避免二次灾害。平台应备用海水泵、海水管线、燃油、防冻液等，在条件允许的情况下利用平台压载舱储备海水。在灾情发生时，利用压载舱实现闭路循环，合理处置钻完井作业，避免二次灾害的发生。

[1] 白珊,刘钦政.渤海的海冰[J].海洋预报,1999(3):1-9.

[2] 李志军.论渤海海冰特点及冰区溢油清理的难度[J].中国海洋平台,2004,15(5):20-23.

[3] 李红涛,李晔.自升式钻井平台结构强度分析研究[J].中国海洋平台,2010,25(2):28-33.

[4] 张启文,白珊.中国海海冰灾害的监测和预测研究[C].中国地球物理第二十一届年会论文集,2005.

[5] 黄智翔,沈达博.近海油田三用工作船改建及其经济性分析[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2011,30(4):363-366.

[6] 王友韶,曾宇东.某三用工作船海水冷却系统管系原理设计[J].企业技术开发月刊,2015(9):5-6.

[7] 方华灿,吴小薇,贾星兰.渤海海冰作用下采油平台的模糊疲劳寿命估算[C].全国第五届冰工程会议,2003.

[8] 杨耀鹏，张大勇，娄春娟，等.渤海某新建升压站平台的抗冰性能分析[J].船海工程，2015,44(6):111-115.

[9] 邓义斌，王飞显，范世东.冰水两相流对海水管道冲蚀磨损特性数值模拟[J].船海工程,2015,44(1):150-154.

[10] 张树德,孙振平.基于模型冰试验的多腿柱导管架平台结构最大冰载荷计算新方法:以渤海绥中36-1油田AⅡ井口平台为例[J].中国海上油气,2014(增刊1):17-19.

[11] 江崇波,江帆.渤海海冰灾害监测预警及防灾减灾的思考[J].海洋开发与管理,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

国家科技重大专项—海上稠油油田高效开发示范工程(2011ZX05057)

陈爱国(1989—)，男，学士，高级工程师

U674.38;U675.5

A

1671-7953(2016)05-0123-04

修回日期：2016-04-19

研究方向:海洋石油钻完井技术

E-mail:zhaoshw@cnooc.com.cn