2009至2010年度冬季渤海冰情分析及防冰措施初探

朱衛(wèi)新，張志鵬

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司運(yùn)行處，北京 100028）

2009至2010年度冬季渤海冰情分析及防冰措施初探

朱衛(wèi)新，張志鵬

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司運(yùn)行處，北京 100028）

海冰對(duì)海洋資源尤其是灘淺海石油天然氣勘探開發(fā)有嚴(yán)重影響。文章概述了2009至2010年度在渤海作業(yè)海域的海冰冰情，總結(jié)了該年度冰情的特點(diǎn)，分析了海冰對(duì)海上油氣設(shè)施的作用、影響及危害，探討了防冰抗冰措施，對(duì)今后冰期海上石油勘探開發(fā)工作提出了建議。

海洋石油；冰情分析；油氣設(shè)施；防冰措施

0 引言

我國(guó)的渤海和黃海北部每年都會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。受冬季氣候冷暖的影響，每年海上結(jié)冰的輕重程度有所不同，冰情最嚴(yán)重年份幾乎整個(gè)渤海海區(qū)為海冰所覆蓋，如1969年冬季發(fā)生的渤海大冰封，致使海上交通運(yùn)輸長(zhǎng)時(shí)期癱瘓。流冰所產(chǎn)生的巨大破壞力，給海洋石油開采和海上工程施工等帶來(lái)巨大影響。海冰對(duì)海上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)物造成巨大威脅，可以造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)滑移、傾覆、樁基破壞和大變形等，破碎海冰在海洋平臺(tái)附近堆積，可以造成結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積增加，冰載荷隨之急劇增加。歷史上，海冰曾經(jīng)引發(fā)多次重大海工事故，如：1963年，在美國(guó)阿拉斯加庫(kù)克灣 （Cook Inlet）海域兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易平臺(tái)被海冰推倒；1969年，渤海老二號(hào)平臺(tái)事件；1989年，俄羅斯薩哈林島二期（Molikpaq）移動(dòng)式結(jié)構(gòu)在海冰的沖擊下，砂芯液化，平臺(tái)產(chǎn)生近1 m沉降等。鑒于以上冰災(zāi)害，分析渤海2009至2010年度重冰年的冰情特點(diǎn)及對(duì)海上生產(chǎn)帶來(lái)的影響，總結(jié)施工作業(yè)所采取的措施，對(duì)今后冰期海上施工作業(yè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 施工主要海域海冰情況

1.1 2009至2010年度冬季渤海灣及遼東灣冰情概況

渤海灣受地理位置和氣象、水文條件的影響，每年冬季皆有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。由于冬季水文、氣象條件的變化，每年冰期情況差異較大。2009至2010年冬季渤海及黃海北部冰情比常年偏重。

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示：渤海灣初冰日為2010年1月5日，終冰日為2010年2月18日，冰期44天。冰期內(nèi)多以冰皮 （R）、蓮葉冰 （P）為主，伴有尼羅冰 （Ni）出現(xiàn)。最多冰量出現(xiàn)在1月17日。

遼東灣初冰日為2009年12月17日，終冰日為2010年3月19日，冰期93天。

根據(jù)2009至2010年度海冰資料統(tǒng)計(jì)，遼東灣北部大約在2009年11月中旬開始結(jié)冰，2010年3月中旬末冰消失，冰期大約4個(gè)月；渤海灣西部大約在2009年12月中下旬末開始結(jié)冰，2010年3月上旬末冰消失，冰期大約3個(gè)月。由北往南結(jié)冰期依次縮短大約1～1.5個(gè)月。

2009至2010年冬季渤海灣及遼東灣海冰具體外緣線及冰厚情況見表1。

表1 2009至2010年度冬季渤海及黃海北部冰情實(shí)況

1.2 2009至2010年度冬季渤、黃海冰情特點(diǎn)

（1）發(fā)生時(shí)間早，發(fā)展速度快。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2009年11月中旬即發(fā)現(xiàn)初生冰，時(shí)間較往年提前了半個(gè)月左右，自2009年12月25日至2010年1月19日，23 d時(shí)間內(nèi)遭受了6次較大寒流襲擊，受寒流影響氣溫下降了8～12℃，渤海最低氣溫-18℃，受持續(xù)寒潮影響，海冰迅速發(fā)展，在2010年1月上旬出現(xiàn)了30年同期最嚴(yán)重的冰情，遼東灣的海冰外緣線在12 d內(nèi)擴(kuò)展了61 km，萊州灣9 d內(nèi)擴(kuò)展了43 km。

（2）分布范圍廣，海冰覆蓋面積大，冰情較常年明顯嚴(yán)重。2010年2月13日遼東灣超過(guò)90%的海面被冰層覆蓋，海冰外緣線達(dá)到200 km，接近30年最大浮冰范圍；1月23日萊州灣的海冰外緣線達(dá)到85 km，為40年來(lái)最大，甚至青島膠州灣也出現(xiàn)了罕見的結(jié)冰現(xiàn)象。

（3）沿岸固定冰明顯超過(guò)往年，為近10年最大。在遼東灣底和東岸的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2009至2010年度從岸邊延伸出去的固定冰層明顯加寬，達(dá)到了10 km以上 （往年為200～2 000 m）；固定冰厚也增加到了40～60 cm （往年為20～40 cm），且岸邊堆積現(xiàn)象明顯，堆積冰厚達(dá)到1～1.5 m。

(4）影響較為嚴(yán)重。僅山東省初步統(tǒng)計(jì)，漁業(yè)受災(zāi)人口達(dá)到9.5萬(wàn)人，冰封漁港、停泊點(diǎn)120余處，受困漁船8 000多艘，損失水產(chǎn)品超過(guò)20萬(wàn)t，造成直接經(jīng)濟(jì)損失22億元。營(yíng)口港、鲅魚圈港、錦州港、黃驊港、神華港、天津港、濰坊港、萊州港等眾多港口運(yùn)營(yíng)受到影響，甚至導(dǎo)致部分港口封港。

（5）發(fā)生了返凍現(xiàn)象。2010年3月上旬后期渤海遼東灣出現(xiàn)了明顯的返凍現(xiàn)象，部分海面重新凍結(jié)，海冰范圍明顯增大，從2010年3月7日的56 km增加到3月9日的111 km，但冰厚較薄，以初生冰、冰皮為主，但維持時(shí)間很短，其后快速融化。

2 海冰對(duì)海上裝備和生產(chǎn)設(shè)施的影響

海上嚴(yán)重冰情給海上的生產(chǎn)平臺(tái)、船舶帶來(lái)嚴(yán)重的影響，應(yīng)急資源不足，海冰造成船舶不能隨時(shí)?？科脚_(tái)，船舶在冰區(qū)航行困難，生產(chǎn)生活物資運(yùn)送難度增大，在緊急情況下平臺(tái)救生設(shè)備在海冰的影響下不起作用，冰情嚴(yán)重時(shí)對(duì)平臺(tái)自身安全造成影響。

海冰在風(fēng)、涌、浪、潮等外力作用下，對(duì)海上工程設(shè)施的影響主要有以下幾種：在海流及風(fēng)的作用下，大面積厚冰呈整體移動(dòng)并擠壓結(jié)構(gòu)物，伴隨有結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)；自由漂移的流冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊作用；凍結(jié)在結(jié)構(gòu)物四周的冰片因潮汐、水位的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生上拔或下壓；凍結(jié)在冰中的結(jié)構(gòu)物因溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用；流冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的磨蝕作用；堵塞冰的膨脹對(duì)結(jié)構(gòu)物的擠壓作用；堆積冰對(duì)結(jié)構(gòu)物及地基的冰壓作用。冰載荷的大小取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、冰的物理力學(xué)性質(zhì)、冰類型以及冰的破壞形式，當(dāng)遇到不同的結(jié)構(gòu)物時(shí)，海冰產(chǎn)生不同的沖擊、堆積和爬升方式。

從2009年年底至2010年1月，由于持續(xù)低溫，氣溫-3℃至-15℃，渤海海域各作業(yè)區(qū)已經(jīng)大面積結(jié)冰，在平臺(tái)周圍海冰連成一片，在落潮時(shí)向平臺(tái)移動(dòng)，并在舷邊堆積。

中油海6號(hào)、7號(hào)、10號(hào)平臺(tái)四周冰情也比較嚴(yán)重，冰塊面積比較大，大塊的長(zhǎng)超過(guò)10 m，寬7～8 m，厚度達(dá)10 cm左右，這些冰塊在樁腿附近也有堆積現(xiàn)象。每天在潮水的推動(dòng)下撞擊平臺(tái)樁腿，致使平臺(tái)產(chǎn)生晃動(dòng)，尤其漲潮時(shí)撞擊力度比較大。

冰情的不斷加重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到船舶的正常作業(yè)，由于疊加冰比較嚴(yán)重，致使中油海225船、241船在南排河海域均出現(xiàn)被海冰困住的情況；在遼河月東人工島碼頭，中油海221船、251船為避免被海冰擠壓破壞，只能利用2個(gè)多小時(shí)平潮時(shí)間裝卸物資，漲落潮時(shí)，退到人工島以南10 m水深處待命；中油海801船、222船、223船夜間在曹妃甸海域拋錨期間，因受到流冰的擠壓走錨，不得不多次移動(dòng)錨位，防止被流冰壓到平臺(tái)和井口上。在冀東海域作業(yè)的滾裝船和油輪，由于船舶結(jié)構(gòu)形式的原因，船上的海水管道和淡水管道已經(jīng)全部冰凍，船上的日常生活和應(yīng)急水源無(wú)法得到保障，且滾裝船不具備冰區(qū)作業(yè)能力，在冰區(qū)作業(yè)將會(huì)造成船舶的結(jié)構(gòu)和設(shè)備損壞。為冀東服務(wù)的兩艘油輪由于船舶主尺寸大，功率小，又受到錨機(jī)本身性能所限，在冰區(qū)作業(yè)時(shí)安全無(wú)法保障。

海冰對(duì)海上單井威脅較大。2010年1月11日中油海6號(hào)平臺(tái)承鉆的NP1-7/1506井，在完井電測(cè)時(shí)，漲落潮過(guò)程中流動(dòng)海冰碰撞直徑850 mm（壁厚45 mm）的隔水管，導(dǎo)致隔水管偏斜10°。2010年1月15日大港油田埕海16井在漲潮過(guò)程中，井口被海冰推倒。3月份，海冰減弱后，經(jīng)過(guò)船舶海上巡查，發(fā)現(xiàn)大港油田共有20口單井被海冰推倒或歪斜。

3 防冰抗冰措施

3.1 海冰監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)

多年來(lái)，海洋公司與國(guó)家海洋局海洋環(huán)境中心、天津市專業(yè)氣象臺(tái)等專業(yè)機(jī)構(gòu)簽訂了中長(zhǎng)期氣象預(yù)報(bào)協(xié)議；每年冬季委托海冰預(yù)報(bào)專業(yè)機(jī)構(gòu)專門對(duì)海洋工程公司作業(yè)海域冰情進(jìn)行定期預(yù)報(bào)。目前，海洋工程公司海域海冰預(yù)報(bào)種類主要有周、月、年、補(bǔ)充與警報(bào)等4種方式，發(fā)布內(nèi)容主要包括海冰趨勢(shì)、冰期、流冰范圍和冰厚等，同時(shí)平臺(tái)定期觀察拍照，委托氣象部門對(duì)相關(guān)海域冰情進(jìn)行航空實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、氣象衛(wèi)星遙測(cè)，并用破冰船進(jìn)行海上巡查。

3.2 加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，落實(shí)責(zé)任

鑒于2009至2010年度冰情比往年嚴(yán)重的形勢(shì)，針對(duì)冬季施工特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際，各事業(yè)部制訂了冰期安全生產(chǎn)措施和應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，逐級(jí)落實(shí)責(zé)任。為保證平臺(tái)生活及平臺(tái)人員安全，安排4艘船舶為海上平臺(tái)提供生活物資運(yùn)輸和應(yīng)急服務(wù)，并必須保證有一艘具有冰區(qū)航行能力的船舶，各相關(guān)事業(yè)部要保持聯(lián)系，根據(jù)冰情情況和平臺(tái)實(shí)際情況管理和調(diào)配好船舶。

3.3 冰期生產(chǎn)安排

（1）鑒于2009至2010年度冬季冰情嚴(yán)峻的形勢(shì)，為保證平臺(tái)及人員安全，2010年1月13日要求所施工的中油海1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、10號(hào)平臺(tái)停止施工作業(yè)，合理安排好停工措施，首先確保井眼穩(wěn)定，井下安全受控，做好人員撤離工作，平臺(tái)留守人員控制在12人以內(nèi)，并做好留守平臺(tái)人員的生活與應(yīng)急撤離保障。

（2）對(duì)于沒有冰級(jí)符號(hào)的船舶應(yīng)避免在冰區(qū)作業(yè)，撤離到無(wú)冰區(qū)；對(duì) “中油海801”船要加強(qiáng)錨泊期間的監(jiān)控，安排值班船舶；對(duì)于在冰區(qū)作業(yè)的船舶提出的問題要及時(shí)解決，特別是保暖方面更應(yīng)該重視；在船舶運(yùn)行方面，不具備破冰能力的船舶不允許進(jìn)行破冰作業(yè)，在有冰的情況下，要密切觀察作業(yè)區(qū)域浮冰隨漲落潮的動(dòng)態(tài)，合理安排靠泊時(shí)間，不允許長(zhǎng)時(shí)間停泊在距平臺(tái)較近的地方，要認(rèn)真考慮破冰船船舶回轉(zhuǎn)問題；在目前冰情嚴(yán)重的情況下海洋工程公司決定暫時(shí)結(jié)束中油海631、511和512船在冀東的作業(yè)，確保船舶自身安全。

（3）根據(jù)平臺(tái)周圍環(huán)境情況，平臺(tái)在海上停泊的安全措施如下：

a.安排專人24 h值班，關(guān)注冰情變化，做好冰情記錄，每天向海洋工程公司運(yùn)行處匯報(bào)。

b.在有大面積海冰形成時(shí)，平臺(tái)通知守護(hù)船到平臺(tái)周圍進(jìn)行破冰，防止大塊浮冰對(duì)平臺(tái)造成的沖擊。

c.在漲潮落潮時(shí)，對(duì)于坐底式平臺(tái)，要安排船舶在平臺(tái)下流艉靠，用船的螺旋槳把沉淀箱墊里的浮冰清理掉，防止浮冰堆積對(duì)油水管道造成沖擊破壞。

d.一旦海冰冰情嚴(yán)重，已危及平臺(tái)安全，留守人員緊急乘直升機(jī)撤離。

e.為保證升降系統(tǒng)安全，冬季期間非緊急情況下不許升降平臺(tái)。

f.做好平臺(tái)各管路系統(tǒng)排水、掃線、防凍工作，對(duì)生活海水、淡水系統(tǒng)要加強(qiáng)巡檢，保證生活海水、淡水供應(yīng)，熱海水艙備用100 m3海水，作為應(yīng)急用海水，定期加熱防凍。

g.當(dāng)樁腿結(jié)冰高度距船底2 m時(shí)要及時(shí)匯報(bào)，并利用消防水清除樁腿上結(jié)冰。

4 結(jié)論及建議

（1）海冰對(duì)淺海油田設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，隨著海洋石油勘探開發(fā)的不斷深入，必須全面、細(xì)致考慮海冰的影響，增強(qiáng)防御海冰災(zāi)害的意識(shí)。實(shí)踐證明，高度重視海冰災(zāi)害，加強(qiáng)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冰情，掌握冰情動(dòng)態(tài)，制訂防范措施，建立應(yīng)急系統(tǒng)，能夠大大降低海冰災(zāi)害的影響。

（2）提前謀劃，有針對(duì)性地制訂風(fēng)險(xiǎn)消減預(yù)案和安全生產(chǎn)措施。根據(jù)冰情嚴(yán)重程度，及時(shí)停止施工作業(yè)，明確冰期撤離的條件，根據(jù)作業(yè)海域水深和堆積冰特點(diǎn)，確定平臺(tái)停工、拖航次序，于初冰期停止作業(yè)，重冰期之前完成拖航。如冰情預(yù)報(bào)不準(zhǔn)，出現(xiàn)冰情急劇加重，當(dāng)冰情影響船舶靠泊平臺(tái)，救生艇不能放置海面時(shí)，必須立即采取措施，停止作業(yè)，按應(yīng)急預(yù)案撤離作業(yè)人員，留守10人左右；安排破冰或大馬力船實(shí)施破冰防護(hù)，減輕大塊浮冰對(duì)平臺(tái)的沖撞；平臺(tái)拖航必須避開大面積流冰，避免甲板上浪結(jié)冰，防止拖纜結(jié)冰造成的性能降低。

（3）冰期停工撤離取決于移動(dòng)平臺(tái)抗冰能力和井口隔水管抗冰能力的最小值，以及平臺(tái)應(yīng)急逃生設(shè)施的工況條件。從2010年冰情觀測(cè)，應(yīng)急逃生問題和未采取抗冰保護(hù)的井口是冰期作業(yè)最大的安全隱患。

（4）提前選擇防冰海域或碼頭。經(jīng)2010年冰情觀測(cè)，在渤海、遼東灣因緯度高、氣溫低，冰情最重；渤海西/西南、萊州灣受北風(fēng)、東北風(fēng)影響，海冰聚集，密度大，因而冰情較重。相比而言，曹妃甸海域是渤海最好的防冰避冰海域。該海域冰情受陸地地形和水深影響，由輕到重依次為：NP1-1井區(qū)、NP1-29井區(qū)、NP1-5井區(qū)。如?？看a頭、港池結(jié)冰，平臺(tái)應(yīng)近岸?？浚阌谌藛T物資上下。

（5）平臺(tái)就位措施。海水結(jié)冰厚度與水深有關(guān)，水深越小，則冰越厚，反之亦然。一般以10 m水深為臨界點(diǎn)，水深超過(guò)10 m后，水深的增加對(duì)海水結(jié)冰厚度的影響就可以忽略，同時(shí)考慮到平臺(tái)淺水就位可減小傾覆力矩。所以最佳就位水深約為6～9 m。對(duì)于坐底式平臺(tái)，為增強(qiáng)其抗冰能力，可采用如下技術(shù)措施：避免坐底式平臺(tái)入射角90°方向與最多冰向重合，以增強(qiáng)平臺(tái)抗傾覆性能； 盡可能在小流速海域就位，以減小海冰產(chǎn)生堆積與堵塞現(xiàn)象，防止損壞立柱內(nèi)燃油、供水管道系統(tǒng)，并避免平臺(tái)底部海床被掏空的可能性。對(duì)于自升式平臺(tái)，在操作規(guī)程允許范圍內(nèi)，盡可能降低平臺(tái)就位高程，可以減小平臺(tái)的傾覆力矩，減小平臺(tái)冰激振動(dòng)下的響應(yīng)幅值與加速度；改變平臺(tái)的升降高度，可以改變自升式平臺(tái)的固有頻率，避免平臺(tái)固有頻率與冰破碎頻率一致而產(chǎn)生共振。

［1］王鐵剛.海冰對(duì)淺海油氣設(shè)施的影響及防冰措施[J].油氣田地面工程,2009,28(9):9-10.

［2］張樹祥，周森.渤海航運(yùn)中的海冰危害和防冰減災(zāi)對(duì)策［J］.冰川凍土,2003，（S2）：360-362.

［3］李陽(yáng),董法昌.淺海油氣勘探開發(fā)[M]北京:中國(guó)石化出版社,2003.

Analysis of Ice Condition in Bohai Bay in Winter of 2009—2010 and Elementary Research of Ice Preventive Measures

ZHU Wei-xin（Operation Division of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China），ZHANG Zhi-peng

Sea ice has a strong impact on exploration and production of marine resources,especially oil and natural gas in shallow offshore water and beach.The paper describes sea ice condition in Bohai Bay in the winter of 2009-2010 that CPOE experienced,summarizes its characteristics,analyzes the impact on and hazards to the oil and gas facilities,and brings forward some measures of ice prevention and resistance for future work.

offshore petroleum;ice condition analysis;oil and gas facilities;ice preventive measure

TE54

B

1001－2206（2011）增刊－0061－04

朱衛(wèi)新 (1985-)，男，助理工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事海洋石油工程方面的工作。

2011-08-10