南堡油田海域的冰情對工程作業(yè)的影響

袁本坤，郭可彩，商杰，黎舸，王相玉，江帆

（1.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東青島，266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島，266033；3.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心天津300112）

南堡油田海域的冰情對工程作業(yè)的影響

袁本坤1,2，郭可彩1,2，商杰1,2，黎舸1,2，王相玉1,2，江帆3

（1.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東青島，266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島，266033；3.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心天津300112）

通過對2005—2011年冬季南堡油田海域海冰監(jiān)測資料進行統(tǒng)計、分析，給出了該海域海冰時空分布特征，在分析了海冰對海上工程作業(yè)的影響以及海冰防災(zāi)減災(zāi)所面臨形勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合油田實際提出了防冰減災(zāi)工作的具體建議。

南堡油田海域；冰情；工程作業(yè)；影響

1 引言

南堡油田位于渤海灣盆地南堡凹陷南翼，地處渤海灣北岸的河北省唐山市沿海淺水區(qū)，其開發(fā)主體位于曹妃甸工業(yè)開發(fā)區(qū)。該油田以儲量規(guī)模和油層厚度大、單井產(chǎn)量高等優(yōu)勢而成為40多年來我國石油勘探激動人心的發(fā)現(xiàn)[1]。該油田的開發(fā)建設(shè)對于落實我國石油工業(yè)“東部硬穩(wěn)定”戰(zhàn)略方針、增強我國能源安全供應(yīng)的保障能力具有重要意義。但是，該油田開發(fā)海域因受地理位置和氣象、水文條件等影響，每年冬季都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象[2]，給油田的海上工程作業(yè)造成影響，并對各種海上工程設(shè)施構(gòu)成威脅。因此，全面了解和掌握該海域海冰時空分布及變化，對于保障油田冬季海上生產(chǎn)極為重要。

2 海冰監(jiān)測概況

為了充分了解和掌握南堡油田海域海冰時空分布變化特征，自2005年12月開始，國家海洋局北海預(yù)報中心利用衛(wèi)星、船舶、飛機以及岸基監(jiān)測等多種方式，連續(xù)六年冬季（每年12月至翌年2月）對河北省唐山市沿海的陡河口（39°12.90′N， 118°03.85′E）至大清河口（39°09.08′N，118°51.43′E）范圍內(nèi)的南堡油田勘探開發(fā)海域及其沿岸（見圖1）進行了全方位、立體化的海冰監(jiān)測。

圖1 監(jiān)測海域衛(wèi)星遙感影像圖

2.1 冰日和冰期

冰日是指結(jié)冰海區(qū)海冰的初冰日、嚴(yán)重冰日（又稱盛冰日）、融冰日和終冰日；冰期指的是各個冰日之間間隔的時間，包括初冰期、嚴(yán)重冰期、融冰期和總冰期，通常用天（d）來表示。2005—2011年冬季南堡油田海域冰日和冰期監(jiān)測結(jié)果見表1和表2。

表1 2005—2011年冬季南堡油田海域冰日

表2 2005—2011年冬季南堡油田海域冰期

2.2 海冰分布特征

2.2.1 浮冰分布

初冰期：以初生冰和冰皮為主，間有蓮葉冰、尼羅冰和少量灰冰，平整冰厚一般3—6 cm，最大10 cm左右,浮冰最大外緣線離岸一般在2 n mile以內(nèi)，最大5 n mile左右；

嚴(yán)重冰期：以灰冰為主，間有尼羅冰、蓮葉冰及少量灰白冰（見圖2），平整冰厚一般5—12 cm，最大15 cm左右，浮冰最大外緣線離岸一般在2—5 n mile，最大10 n mile左右；

圖2 2006年1月7日南堡油田海域浮冰冰情

終冰期：以冰皮為主，間有蓮葉冰、尼羅冰及少量灰冰，平整冰厚一般3—7 cm，最大10 cm左右，浮冰最大外緣線離岸一般在3 n mile以內(nèi)，最大7 n mile左右。

2.2.2 固定冰分布

南堡油田海域的固定冰基本沿淺灘分布，且有一定堆積現(xiàn)象。

初冰期：以冰腳和沿岸冰為主，單層冰厚一般4—12 cm，最大16 cm左右，固定冰寬度一般在400—1500 m，最大2000 m左右，堆積高度一般0.2—0.5 m，最大0.8 m左右；

嚴(yán)重冰期：以沿岸冰和擱淺冰為主，單層冰厚一般4—16 cm，最大30 cm左右，固定冰寬度一般在600—2000 m，最大3500 m左右，堆積高度一般0.2—0.6 m，最大1.0 m左右；

融冰期：以擱淺冰和沿岸冰為主，單層冰厚一般4—12 cm，最大18 cm左右，固定冰寬度一般在400—1500 m，最大1800 m左右，堆積高度一般0.2—0.5 m，最大0.8 m左右。

2.2.3 冰情地理分布

冰情地理分布特征是：一號島以北沿岸及附近海域結(jié)冰較早，融冰和終冰時間也較其他海區(qū)相對滯后，其冰期最長、冰情最重；一號島至五號島和腰坨至東杭坨沿岸及附近海域次之；五號島至腰坨沿岸及附近海域最輕，其中曹妃甸沿岸及附近海域每年冬季幾乎沒有明顯的結(jié)冰現(xiàn)象（見圖3）。

圖3 2011年1月15日南堡油田海域衛(wèi)星遙感海冰冰情

2.2.4 冰情時間分布

初冰期冰情由輕到重，但不穩(wěn)定，常因短期的氣溫回升而使冰情迅速減輕甚至消失；嚴(yán)重冰期冰情顯著加重，冰量增多、冰厚和密集度增大，冰情相對穩(wěn)定；融冰期冰情逐日減輕，直至消失，但各年度終冰期內(nèi)均出現(xiàn)過冰情重新加重或“返凍”現(xiàn)象。

各年度不同冰期內(nèi)，冰情均呈現(xiàn)出時輕時重的態(tài)勢，且階段性冰情變化起伏較大。

2.3 海冰表面特征

海冰表面特征是指海冰在動力或熱力作用下所呈現(xiàn)出的外貌特征。根據(jù)監(jiān)測，2005—2011年冬季南堡油田海域海冰表面特征類型主要為平整冰和重疊冰，但由于該海域?qū)儆跒\海區(qū)，水深較淺，灘涂比較廣闊，海冰極易擱淺、堆積，因此經(jīng)常出現(xiàn)冰丘。此外，該海域每年冬季均出現(xiàn)過覆雪冰。

2.4 浮冰流向和流速

監(jiān)測表明，南堡油田海域大多數(shù)海區(qū)的浮冰流向與潮流往復(fù)方向基本一致，以NW-SE向為主，其次為WNW-ESE向；流速一般在0.3—0.5 m/s，最大可達0.8 m/s以上。

3 海冰對南堡油田開發(fā)生產(chǎn)的影響

根據(jù)多年相關(guān)歷史資料分析，南堡油田海域的冰期平均在85 d左右，實際有冰日數(shù)為65 d左右[3]。結(jié)冰期間尤其是嚴(yán)重冰期期間，海冰往往布滿海面[4]，使油田正常的海上生產(chǎn)作業(yè)受到很大影響，并對海上工程設(shè)施帶來極大威脅和安全隱患。

3.1 對海上生產(chǎn)作業(yè)的影響

結(jié)冰期間，油田多數(shù)勘探開發(fā)海區(qū)尤其是近岸或淺水區(qū)域無法安排生產(chǎn)作業(yè)，已經(jīng)開工或正在進行的生產(chǎn)作業(yè)，受海冰影響不得不被迫停止,并且需對平臺等海上工程設(shè)施進行拖航移位等，給油田造成極大的經(jīng)濟損失。另一方面，南堡油田的海洋油氣勘探開發(fā)主要采取平臺和人工島兩種方式，而海上浮冰則影響了平臺（人工島等）與基地之間的人員及各類物資的海上運輸，冰情嚴(yán)重時往往冰封碼頭、困住船舶（見圖4），運輸被迫中斷，使生產(chǎn)作業(yè)受到嚴(yán)重影響。

圖4 2010年1月18日1號島碼頭被冰封

3.2 對海上工程設(shè)施的影響

南堡油田海域的浮冰多數(shù)處于漂流狀態(tài)，且經(jīng)常形成堆積，對海上平臺、導(dǎo)管架等各類工程設(shè)施造成嚴(yán)重威脅。

通常，海冰對南堡油田海上工程設(shè)施的影響主要有以下幾種[5]：

（1）在海流及風(fēng)等外力作用下，大面積海冰整體移動，擠壓結(jié)構(gòu)物，造成結(jié)構(gòu)物振動；

（2）自由漂移的流冰對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖擊；

（3）因潮汐等因素導(dǎo)致的水位變化，使凍結(jié)在結(jié)構(gòu)物四周的海冰對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生上拔或下壓；

（4）流冰對結(jié)構(gòu)物造成磨蝕；

（5）海冰膨脹對結(jié)構(gòu)物形成擠壓，等等。

上述任何一種方式的影響，都可能對海上工程設(shè)施帶來威脅甚至釀成災(zāi)難。例如，2008年1月23日，正在南堡油田海域作業(yè)的“勝利7號”鉆井平臺，因被堆積的浮冰圍困而被迫停止作業(yè)，同時大量堆積的浮冰在潮流、風(fēng)浪等作用下不斷對平臺形成沖擊，使平臺的安全受到了極大威脅（見圖5）。

圖5 2008年1月23日“勝利7號”鉆井平臺下方堆積的浮冰

4 海冰防災(zāi)減災(zāi)形勢

海冰是一種自然現(xiàn)象，海冰災(zāi)害則是海冰作用于人類海上活動所產(chǎn)生的危害。南堡油田是我國新發(fā)現(xiàn)的大油田，戰(zhàn)略意義非常重要。隨著油田開發(fā)建設(shè)力度的加大，海上鉆井、采油平臺、導(dǎo)管架、人工島等構(gòu)筑物以及施工和運輸?shù)却叭找嬖龆唷＝Y(jié)冰期間，這些工程設(shè)施以及船舶等都不可避免地要承受海冰荷載（包括擠壓力、撞擊力、摩擦力、膨脹力以及上拔力等）造成的影響甚至破壞[6]，一旦出現(xiàn)比較嚴(yán)重冰情，其成災(zāi)概率和損失程度都相應(yīng)增大。因此，油田今后生產(chǎn)作業(yè)過程中必須高度重視防冰減災(zāi)工作。

5 對防冰減災(zāi)工作的建議

海冰致災(zāi)因素包括自然屬性和社會屬性兩個方面。因此，防冰減災(zāi)工作應(yīng)在充分尊重海冰自然變異規(guī)律的前提下進行綜合性科學(xué)防御。

5.1 繼續(xù)開展海冰監(jiān)測工作

海冰監(jiān)測是獲取海冰資料的唯一手段，同時也是海冰防災(zāi)減災(zāi)工作的基礎(chǔ)。盡管已經(jīng)進行了6個年度的監(jiān)測，但其資料遠不能滿足深入探討南堡油田海域海冰變化規(guī)律等研究工作的需要。另一方面，通過監(jiān)測不但可以為油田的海冰預(yù)報預(yù)警提供準(zhǔn)確的資料，同時可以第一時間為油田提供實時冰情信息。因此，應(yīng)繼續(xù)采用由衛(wèi)星、航空、船舶、平臺、岸基（包括車載雷達）等多種方式開展海冰立體化監(jiān)測。

5.2 充分發(fā)揮海冰預(yù)警報的重要作用

作為一種自然現(xiàn)象，海冰有著自身的發(fā)展變化規(guī)律。通過多年的研究和探索，目前人們已經(jīng)可以比較準(zhǔn)確地對其進行預(yù)測、預(yù)報和預(yù)警。近年來，北海預(yù)報中心每年冬季都為南堡油田發(fā)布冰情預(yù)報和警報。通過使用這些預(yù)報預(yù)警信息，油田科學(xué)、合理地調(diào)度和安排生產(chǎn)，不但延長了冬季海上生產(chǎn)時間，使油田經(jīng)濟效益顯著提高，而且保證了油田冬季海上生產(chǎn)在平穩(wěn)、有序的環(huán)境中進行。實踐證明，海冰預(yù)報預(yù)警可以對油田海上生產(chǎn)提供有效的環(huán)境保障和技術(shù)支撐，是海冰防災(zāi)減災(zāi)工作的重要環(huán)節(jié)。因此，油田應(yīng)高度重視并加強對海冰預(yù)報預(yù)警信息的接收、使用等工作，切實發(fā)揮預(yù)報預(yù)警信息的重要作用，做到防患于未然。

5.3 落實各類抗冰措施

海洋工程設(shè)施在施工之前首先要充分考慮海上結(jié)構(gòu)物的抗冰能力。為此，要開展海冰災(zāi)害指標(biāo)體系和海冰與承災(zāi)體相互作用的研究工作。例如，根據(jù)海冰的彎曲強度小于抗壓強度的基本原理，把平臺腿柱建成錐形，使海冰發(fā)生彎曲破壞，以減小海冰荷載作用[6]等；

對于無抗冰能力的各類海洋工程設(shè)施需在冰期到來之前撤離結(jié)冰海區(qū)，以確保安全；

人工島及平臺等設(shè)施要提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以提高這些設(shè)施的安全系數(shù)。根據(jù)《灘海環(huán)境條件與載荷技術(shù)規(guī)范》（SY/T4085-95），砂石人工島采用百年一遇的環(huán)境條件參數(shù)進行設(shè)計，導(dǎo)管架平臺采用50年一遇環(huán)境條件參數(shù)進行設(shè)計[7]；

海冰載荷往往是冰區(qū)各類海上工程設(shè)施的控制載荷，而海冰強度又是海冰載荷的重要計算參數(shù)，因此，應(yīng)嚴(yán)格按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范控制各類海上設(shè)施的設(shè)計載荷[7]；

需在冰期承擔(dān)海上運輸及施工船舶在建造時應(yīng)考慮具有一定的破冰能力，例如增加中間肋骨和抗冰縱橫，加強首柱、舵葉及軸系等。船舶在冰區(qū)航行時，可根據(jù)冰情分布狀況，選擇海冰厚度薄、密集度小、浮冰飄流方向與船舶航向一致的航線；

無冰期作業(yè)能力的工程設(shè)施在每年結(jié)冰之前應(yīng)安全撤離作業(yè)海區(qū)。沒有抗冰能力或破冰能力的船只，不要隨意進入冰區(qū)航行，以免被冰困住，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故。

5.4 完善應(yīng)急措施

逐級編制或修訂海冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，完善各項應(yīng)急措施，提高海冰災(zāi)害防御和應(yīng)急能力。結(jié)冰期間應(yīng)配備具有一定破冰能力的船舶值班守護，必要時可對海上油氣設(shè)施周邊進行破冰。同時，應(yīng)建立專業(yè)的應(yīng)急隊伍，配齊人員、設(shè)備及物資，切實提高發(fā)生海冰災(zāi)害時的實際處置能力。

[1]冉永平.我國發(fā)現(xiàn)儲量規(guī)模10億噸大油田[N].人民日報, 2007-05-04：第01版.

[2]張方儉.我國的海冰[M].北京：海洋出版社,1986.

[3]王文輝,王相玉,袁本坤.曹妃甸鄰近海域的海冰狀況與特征[J].海岸工程,2005,24(3)：50-57.

[4]袁本坤,江崇波,郭可彩,等.南堡油田海域海冰監(jiān)測——實踐與思考[C].北海區(qū)海洋觀測預(yù)報領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流會論文集, 2010.

[5]孫振平.渤海平臺設(shè)計冰載荷的計算的回顧及考慮[J].中國海上油氣(工程),2001,13(1)：26-29.

[6]丁德文.工程海冰學(xué)概論[M].北京：海洋出版社,1999.

[7]王鐵剛,劉歡,馮梅芳,等.海冰對灘淺海油氣設(shè)施的影響及防冰措施研究——以冀東南堡油田海域為例[J].油氣田地面工程,2009,9：8-10.

Impacts of sea ice on engineering operation in the Nanpu Oilfield

YUAN Ben-kun1,2,GUO ke-cai1,2,SHANG Jie1,2,LI Ge1,2,WANG Xiang-yu1,2,JIANG Fan3
(1.North China Sea Marine Forecasting Center of SOA,Qingdao 266033 China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266033 China; 3.National Center of Ocean Standards and Metrology,Tianjin,300112 China)

In this paper,temporal and spatial distribution of sea ice in the Nanpu Oilfield in winter from 2005 to 2011 are analyzed.Based on the analysis of the impacts of sea ice on marine engineering operation and the situation to be faced with preventing and reducing disasters of sea ice,specific suggestions for the prevention and mitigation of sea ice disaster in the oilfield are put forward.

Nanpu Oilfield;sea ice;engineering operation;impact

book=285,ebook=285

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0085-05

2011-09-19

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201105016）

袁本坤（1960-），男，研究員，主要從事海冰監(jiān)測、預(yù)報及海冰災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究工作。Email:yuanbenkun@163.com