胜利油田作业海域冰情特征及减灾对策

孙明，袁本坤，黎舸，焦艳，商杰

(1.中石化胜利油田海洋采油厂 东营 257237；2.国家海洋局北海预报中心 青岛 266061；3.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 青岛 266061)



胜利油田作业海域冰情特征及减灾对策

孙明1，袁本坤2,3，黎舸2,3，焦艳2,3，商杰2,3

(1.中石化胜利油田海洋采油厂 东营 257237；2.国家海洋局北海预报中心 青岛 266061；3.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 青岛 266061)

胜利油田作业海域因受陆地影响显著，水浅滩阔且盐度较低，加之地理位置相对偏北，每年冬季都会发生不同程度的海水结冰现象，给海上油气勘探开发生产和各类工程设施造成影响。利用国家海洋局北海预报中心2005—2016年冬季的各类冰情监测数据并结合部分已有研究成果，对胜利油田作业海域的冰情进行了综合分析，给出该海域的冰情基本特征；在分析海冰防灾减灾形势的基础上，按照我国海冰防灾减灾工作总体部署和要求并结合油田海上生产作业的实际需求，提出了具体的海冰减灾对策与建议。

胜利油田；作业海域；海冰；冰情特征；减灾；对策

1 引言

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司(以下简称为“胜利油田”)是我国第一家“下海”的陆上石油企业[1]，也是中国第二大石油生产基地。自20世纪80年代发现渤海埕岛油田之后，又陆续发现新北、桥东等多个极浅海油田。随着海上勘探开发工作的不断深入和创新提高，海上油田已逐步成为胜利油田东部稳定的前沿阵地，并创立了具有胜利特色的滩浅海油田开发模式，实现了安全高效发展[2]，为保障国家能源安全，促进国民经济发展做出了重要贡献。

但是，受气候条件和地理位置影响，胜利油田海上勘探开发作业海域(下称“胜利油田作业海域”)每年冬季都有不同程度的海水结冰现象[3]。冰情严重时，海冰往往布满整个海面，使油田冬季的海上生产作业及各类工程设施受到严重影响和威胁。因此，海冰是胜利油田海上油气勘探开发及生产作业过程中必须考虑的重要海洋环境要素之一[4]。

2 研究区域概况

胜利油田作业海域主要集中在渤海的黄河三角洲及其附近海域。该海域系陆上三角洲向水下延伸部分，水深地形基本与海岸线平行。由于黄河的填海造陆运动，在河与海的交汇处，形成了大致以东北方向为轴的扇形冲积平原。该海域沿岸水浅、潮间带跨度大，滩面宽度为2～10 km。5 m等深线以浅的近岸浅区域平均坡降0.5‰～1.0‰；5 m等深线以深区域平均坡降0.2‰～3‰[5]，低潮时可裸露海底，高潮时又被全部淹没，具有典型的河口地貌特征。

该海域处于典型的季风气候带，冬季受欧亚大陆高压所控制，北风和西北风占主导地位，天气干冷。每当强冷空气入侵时，往往伴随着大风、降雪和气温剧降等过程。

此外，受黄河等入海河流径流影响，该海域海水含盐量较低[6]。

上述特殊的地理环境和气候条件均为该海域的海水结冰提供了充分和必要的条件[7]。

3 数据来源

本文所用冰情资料主要来自国家海洋局北海预报中心2005—2016年冬季，通过卫星遥感、航空、船舶以及岸基监测等方式获取的胜利油田作业海域冰情资料。此外，还引用和参考了部分已有研究成果或文献给出的历史数据。

4 冰情特征分析

4.1 冰情时空分布

冰情的时空分布是指海冰随海洋水文气象因素在时间和空间上的生消变化过程和海冰在海面上的分布状况。

4.1.1 时间分布

冰情的时间分布包括冰日和冰期。冰日是指结冰海区海冰的初冰日、严重冰日、融冰日和终冰日。冰期则是指初冰日至终冰日的天数。按照海冰生消变化特征，海冰冰期又分为初冰期、严重冰期和终冰期(又称“融冰期”，下同)3个阶段。初冰期是指初冰日至严重冰日的间隔天数；严重冰期是指严重冰日至融冰日之间的间隔天数；终冰期是指融冰日至终冰日之间的间隔天数[8]。根据2005—2016年冬季各类监测资料综合分析，胜利油田作业海域的初冰日一般为12月中旬，严重冰日一般为翌年的1月中旬，融冰日一般为翌年的2月上旬，而终冰日通常为翌年的2月下旬，冰期为60～80 d。其中，初冰期为25～35 d，严重冰期为20 d左右，融冰期为15 d左右。

4.1.2 冰情空间分布

冰情空间分布是指海冰在海面上的自然分布状况，包括固定冰宽度、浮冰外缘线、海冰类型和冰厚等要素在海面上的分布状况。

为便于描述，根据岸线地形特点将胜利油田作业海域划分为3部分，即西部海域(套尔河口至飞雁滩段)、中部海域(飞雁滩至黄河口段)和南部海域(黄河口至广利港段)。

(1)固定冰。初冰期，固定冰主要分布在西部的飞雁滩及其以西的河口、浅滩附近，宽度一般在500 m以内，最大可以达到1 000 m以上，以搁浅冰和冰脚为主。

严重冰期，整个作业海域大部分沿岸均有固定冰分布。其中，西部海域飞雁滩以西沿岸的固定冰宽度为1 000～3 000 m，最大为8 000 m[9]，以沿岸冰和搁浅冰为主，平整冰厚为30～40 cm，最大50 cm；中部和南部海域沿岸固定冰冰情轻于西部海域沿岸，其宽度为500～1 000 m，最大2 500 m[9]，以沿岸冰为主。

终冰期，沿岸的固定冰主要为搁浅冰。此间，随着气温大幅回升，大部分固定冰快速消融，另有部分固定冰破碎滑入海中。

(2)浮冰。初冰期，浮冰最大外缘线一般在10 n mile以内，以初生冰和冰皮为主，间有尼罗冰，平整冰厚度为2～4 cm，最大为8 cm。

严重冰期，西部海域浮冰外缘线离岸最大距离10～20 n mile，以尼罗冰和灰冰为主，间有莲叶冰，平整冰厚度为10～15 cm，最大为25 cm；中部海域浮冰外缘线离岸最大距离8～15 n mile，以尼罗冰和莲叶冰为主，间有灰冰等，平整冰厚度为5～15 cm，最大为20 cm；南部海域的浮冰与莱州湾浮冰连为一体，主要为尼罗冰和莲叶冰，间有少量灰冰，平整冰厚度为5～15 cm，最大为20 cm。

终冰期，浮冰最大外缘线在5～10 n mile，主要为灰冰、尼罗冰以及破碎后滑入海中的沿岸固定冰等，平整冰厚度为5～10 cm，最大15 cm。

4.2 海冰表面特征

海冰表面特征是指海冰在动力或热力作用下所呈现的外貌特征。通常，由于天气冷暖变化及所在海区水文、地形等因素的差异，可以使海冰呈现出不同的外貌形状，而海冰的外貌形状通常用表面特征来描述。因此，海冰表面特征是反映海冰受动力或热力影响程度的重要指标。

根据监测数据可知，2005—2016年冬季胜利油田作业海域海冰表面特征类型(按照出现频率和数量的多少排序)依次为平整冰、重叠冰、冰丘和覆雪冰。

在风、浪、流等外力作用下，浮冰会发生漂移、流动。根据监测数据并结合历史资料综合分析，2005—2016年冬季胜利油田作业海域大部分海区的浮冰漂流方向与主潮流运动方向大致相仿，但是不同海域存在一定差异。其中：西部海域浮冰漂流方向大致呈WNW—ESE向；中部海域则浮冰漂流方向主要为NNW—SSE向。西部海域的浮冰漂流速度为0.3～0.4 m/s，最大0.8 m/s；中部海域的浮冰漂流速度为0.4～0.5 m/s，最大1.2 m/s。

4.4 冰情地理分布

受气象、海洋等自然因子变化的影响，胜利油田作业海域的冰情分布具有明显的地理差异。根据监测，2005—2016年冬季胜利油田作业海域冰情地理分布的总体特征是西部海域冰情最重、南部海域次之，中部海域最轻。

5 海冰对海上油气勘探开发及工程设施的影响

每年的冰期内尤其是冰情严重期间，胜利油田作业海域往往布满海冰，使油田的正常油气勘探开发受到很大影响，并给海上工程设施带来极大威胁和安全隐患。

5.1 对油气勘探开发的影响

首先，结冰期间油田多数勘探开发海区尤其是近岸或浅水区域无法安排生产作业，已经开工或正在进行的生产作业，受海冰影响不得不被迫停止，并且需对平台等海上工程设施进行拖航移位，造成极大经济损失。

其次，海上浮冰直接影响平台、人工岛等与基地之间的人员及物资运输，冰情严重时往往冰封码头、困住船舶，运输被迫中断，严重影响和制约了生产进度，并造成经济损失。

此外，为使交通运输及生产作业能够正常运行，同时也为了保证海上生产安全，油田不得不动用大型拖轮及其他工程船只进行破冰作业，间接地加大了油田的生产成本。

考虑到ADAMS的实体建模功能不完善，采用Solidworks建立机械手的三维模型，并通过与ADAMS的软件接口，将模型导入至ADAMS。在机械手的关节处添加约束，并观察各个关节受到的驱动力矩大小。设定仿真时间t=30s，步长为0.01。给定手端标记点在笛卡儿空间的轨迹方程为x2+y2=0.9，预计该圆所在平面与连杆5坐标系的z轴方向垂直。假设末端执行器标记点从(0.9，0，0.3)出发做角速度为0.8rad/s的等速回转。

5.2 对工程设施的影响

胜利油田作业海域的浮冰大都处于流动状态，且经常形成堆积，对各类海上油气工程设施造成严重威胁。通常，海冰对油田海上工程设施的影响主要包括：在海流及风等外力作用下，大面积海冰整体移动，挤压结构物，造成结构物振动；自由漂移的流冰对结构物产生冲击；因潮汐等因素导致的水位变化，使冻结在结构物四周的海冰对结构物产生上拔或下压；流冰对结构物造成磨蚀；海冰膨胀对结构物形成挤压等[4，10-11]。

6 海冰防灾减灾形势分析及减灾对策

6.1 海冰防灾减灾形势分析

包括胜利油田作业海域在内的渤海是我国的主要结冰海区，也是我国为数不多的海冰灾害频发海区之一。据统计，渤海每5～6年发生1次严重或比较严重的冰情，而局部海域出现严重冰情的情况几乎每年都有发生。近年来，虽然渤海冰情总体呈现减轻趋势，但由于影响冰情的气候、天气等因素的变化具有非常大的不确定性，冰情较重或偏重年份时有出现。

发生海冰灾害的背景及其内在联系非常复杂。根据统计，近20年来，我国渤海的冰情尽管总体上呈减轻态势，但海冰灾害的发生频率并没有降低。这表明发生海冰灾害的决定因素不仅仅是自然条件，社会条件也是重要因素，换言之，冰情减轻并不能使海冰灾害减少[12]。

随着胜利油田开发建设力度的不断加大，探井试油、修建人工岛、油井后期管理以及人员和物资运输等海上作业将会越来越多，海上工程设施日益增多。在结冰期间，这些工程设施不可避免地要承受海冰荷载(包括挤压力、撞击力、摩擦力、膨胀力以及上拔力等)造成的影响甚至破坏，一旦出现比较严重冰情，其成灾概率和损失程度都相应增大。因此，海冰防灾减灾依然是胜利油田今后海上开发建设和生产作业过程中所面临的一个重要课题。

6.2 海冰减灾对策

海冰灾害的发生机理具有自然和社会两个方面的属性。因此，必须在充分尊重自然规律的前提下实施综合防御。

6.2.1 高度重视海冰防灾减灾工作

多年的海冰防灾减灾实践证明，只有高度重视海冰防灾减灾工作，才能最大程度地降低海冰灾害造成的损失，从而保障油田海上生产的安全有序进行。

6.2.2 加强海冰监测及预报预警工作

海冰监测是获取海冰资料的唯一手段，同时也是海冰防灾减灾的基础。通过监测，不但可以为油田的海冰预警报提供准确资料，同时可以第一时间为油田提供实时冰情信息。

海冰有着自身的发展变化规律。目前人们已经可以比较准确地对其进行预测、预警。实践证明，海冰预警报是油田海冰防灾减灾的最有效措施之一[13]。通过开展海冰预报预警工作，可以做到防患于未然。

6.2.3 落实各类抗冰措施

严格落实各类抗冰措施是油田海冰防灾减灾的重要环节之一。这些措施主要包括优化设计形式、提高设计标准、限制作业条件、提高抗冰能力等[14]。

6.2.4 开展海冰对人工岛等构筑物的影响研究

目前在胜利油田作业海域及其沿岸已经形成了多个人工岛及其登陆码头等构筑物。由于人工岛采油模式是近些年才在我国滩浅海油田中使用的新型模式，海冰对这些构筑物及其附属设施的作用机理和影响目前还尚不十分明确。因此，需要加强对这些工程设施周边的冰情监测，并且进行系统性研究，以摸清其影响机理和规律，确保这类设施的安全。

6.2.5 完善应急措施

逐级编制(或修订完善)油田海冰灾害应急预案，提高油田的海冰灾害防御和应急能力。同时应该及时配备相应的应急物资，建立海冰灾害专业应急队伍，切实提高油田发生海冰灾害时的应急处置能力。

7 结论与讨论

本文利用国家海洋局北海预报中心2005—2016年冬季的各类冰情监测数据并结合部分已有的研究成果，对胜利油田作业海域的冰情及海冰防灾减灾形势进行了综合分析，得到如下结论。

(1)胜利油田作业海域是冰情相对较重的区域之一，并且对油田海上油气勘探开发以及工程设施等造成严重影响和威胁。因此，海冰是胜利油田海上勘探开发过程中必须考虑的重要海洋环境要素之一。

(2)胜利油田作业海域冰情分布的总体特征是西部海域冰情最重、南部海域次之，中部海域最轻。

(3)随着胜利油田海上油气勘探开发力度的进一步加大，海上生产作业及工程设施日益增多，海冰成灾概率和损失程度都相应增大。因此，必须高度重视海冰防灾减灾工作。

(4)只有在尊重海冰自然规律的前提下，实施海冰灾害的社会性和工程性综合防御，才能有效地防御和减轻海冰对油田生产作业及工程设施造成的影响。

[1] 中国石化胜利油田.企业简介[EB/OL].(2013-12-01)[2016-12-06].http://slof.sinopec.com/slof/about_us/instro/.

[2] 中国能源网.国家能源局调研胜利油田海上生产[EB/OL].(2015-11-17)[2016-12-06].http://www.china5e.com/news/news-923968-1.html.

[3] 张方俭.我国的海冰[M].北京：海洋出版社，1986.

[4] 赵绍祯，袁本坤，杜春平，等.海冰对滩浅海油气开发的影响及防御对策研究 [J].海洋开发与管理，2014，31(11)：22-26.

[5] 东营市海洋与渔业局，国家海洋局北海预报中心.东营市海洋预报减灾体系发展规划(2016-2025) [R].东营：东营市海洋与渔业局，2016.

[6] 袁本坤，黄蕊，商杰，等.基于岸基观测数据的渤海沿岸海域表层温盐特征分析 [J].海洋开发与管理，2015，32(12)：31-34.

[7] 王相玉.黄河三角洲海域冰情时空分布与冰级特征 [C]//2010年北海区海洋观测与预报领域学术交流会论文集.青岛：国家海洋局北海分局，2010：274-281.

[8] 袁本坤，王玮，黎舸，等.2015/2016年冬季胶州湾冰情特征分析 [J].海洋开发与管理，2016，33(11)：77-79.

[9] 吴鑫，王晓东，王召进，等.东营市海冰发展规律及防范措施浅析 [J].海洋开发与管理，2014，31(10)：54-57.

[10] 丁德文.工程海冰学概论[M].北京：海洋出版社，1999.

[11] 季顺迎，岳前进.工程海冰数值模型及应用[M].北京：科学出版社，2011.

[12] 李志军.渤海海冰灾害和人类活动之间的关系[J].海洋预报，2010，27(1)：8-12.

[13] 王相玉，袁本坤，商杰，等.渤黄海海冰灾害与防御对策[J].海岸工程，2011，30(4)：45-55.

[14] 王铁刚，刘欢，冯梅芳，等.海冰对滩浅海油气设施的影响及防冰措施[J].油气地面工程，2009，28(9)：8-10.

Characteristics of Sea Ice Condition and Disaster Mitigation Measures in the Operation Sea Area of Shengli Oil Field

SUN Ming1,YUAN Benkun2，3，LI Ge2，3，JIAO Yan2，3,SHANG Jie2，3

(1.Offshore Oil Production Plant of Shengli Oil Field，SINOPEC，Dongying 257237，China；2.North China Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266061，China)

With wide costal shoals，shallow waters，low salinity，and northerly location，there are different degrees of sea ice in the operation area of Shengli Oil Field every winter，which may affect the exploration，development and production of offshore oil and gas，as well as various kinds of Engineering facilities.Combining all kinds of the monitoring data got by North China Sea Marine Forecasting Center of SOA in winter from 2005 to 2016 and the existing research results，the basic characteristics of the sea ice condition in the operation area of Shengli Oil Field were given in this paper.Based on the analysis of situation on the sea ice disaster prevention and mitigation，specific countermeasures and suggestions of sea ice disaster mitigation were put forward according to the overall deployment and requirements on sea ice disaster prevention and mitigation of our country and the actual needs of marine production of the oil field.

Shengli Oil Field，Operation sea area，Sea ice，Characteristics of sea ice condition，Disaster mitigation，Countermeasure

2016-12-19；

2017-03-09

海洋公益性行业科研专项(201105016).

孙明，高级工程师，硕士，研究方向为海洋油气生产及安全技术管理工作，电子信箱：sunming9@163.com

袁本坤，研究员，研究方向为海冰防灾减灾技术研究，电子信箱：yuanbenkun@163.com

P7

A

1005-9857(2017)05-0098-05