海冰對(duì)灘淺海油氣開發(fā)的影響及防御對(duì)策研究＊——以冀東南堡油田為例

趙紹禎，袁本坤，杜春平，商 杰，王立新，黎 舸，焦 艷

（1.中國石油海上應(yīng)急救援響應(yīng)中心 唐山 063200；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061；3.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266061）

1 引言

灘淺海油田是指在沿海灘涂、潮間帶以及水深不足3 m的淺海地帶進(jìn)行勘探開發(fā)的油田。隨著陸上油田陸續(xù)進(jìn)入高含水和產(chǎn)量遞減的開發(fā)階段，我國東部油田紛紛將目光投向?yàn)\海地區(qū)。因此，灘淺海地區(qū)已成為我國石油勘探開發(fā)的重要陣地［1］。

渤海灘淺海地區(qū)擁有豐富的油氣資源，是我國灘淺海油田開發(fā)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量相對(duì)較多的地區(qū)。目前，中石油所屬遼河、冀東、大港以及中石化所屬勝利等油田均在這一地區(qū)進(jìn)行油氣勘探開發(fā)。其中，位于渤海灣北部的冀東南堡油田 （以下簡(jiǎn)稱 “南堡油田”）是我國近年來發(fā)現(xiàn)的一個(gè)儲(chǔ)量規(guī)模較大的灘淺海油田［2］。該油田的開發(fā)建設(shè)對(duì)于增強(qiáng)我國能源安全供應(yīng)的保障能力具有十分重要的意義。

但是，由于渤海地理緯度偏北，冬季易受北方南下冷空氣影響，每年冬季都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象［3］。受水深淺、水體交換能力弱等地理環(huán)境和水動(dòng)力條件影響，渤海灘淺海地區(qū)的冰情通常較其他海區(qū)偏重。冰情嚴(yán)重時(shí)這些海區(qū)整個(gè)海面往往布滿海冰，給海上石油勘探開發(fā)和生產(chǎn)作業(yè)等造成很大影響，并對(duì)油田的各種海上工程作業(yè)設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)重威脅［4］。歷史上也曾發(fā)生過多起海冰損毀海上油氣設(shè)施的嚴(yán)重事故，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，海冰是渤海灘淺海油田海上工程設(shè)計(jì)、勘探開發(fā)及生產(chǎn)作業(yè)過程中必須考慮的重要海洋環(huán)境要素之一［5］。下面僅以南堡油田為例進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 地理位置及數(shù)據(jù)來源

2.1 地理位置

南堡油田位于渤海灣北岸的河北省唐山市沿海的灘淺海地區(qū)，地處渤海灣盆地南堡凹陷南翼。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為了充分了解和掌握南堡油田海域海冰時(shí)空分布變化特征，自2005年12月至今，國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心利用衛(wèi)星、船舶、飛機(jī)以及岸基監(jiān)測(cè)等多種方式，連續(xù)8個(gè)冬季 （每年12月至翌年2月）對(duì)南堡油田所在海域進(jìn)行了海冰監(jiān)測(cè)，獲取了大量冰情和海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)［6］。本研究中各類冰情要素統(tǒng)計(jì)值主要來源于上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 冰情基本特征

3.1 冰日和冰期

3.1.1 冰日

海冰冰日是指結(jié)冰海區(qū)海冰的初冰日、嚴(yán)重冰日、融冰日和終冰日。每年冬季首次出現(xiàn)海冰的那一天，謂之初冰日；冰期中，第一次連續(xù)3 d能見海面的冰量達(dá)8成，冰厚達(dá)5 cm，這3 d中的第一天謂之嚴(yán)重冰日；冰期中，最后一天冰量連續(xù)3 d低于8成，冰厚小于5 cm，這3 d中的最后一天謂之融冰日；翌年初春海冰最后消失的那一天，謂之終冰日。2005－2013年南堡油田海域逐年冰日監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 2005－2013年南堡油田海域逐年冰日

3.1.2 冰期

冰期指的是各個(gè)冰日之間間隔的時(shí)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。

同渤海其他海域一樣，南堡油田海域的海冰均為一季冰［7］（也稱一年冰），其生消變化需要經(jīng)歷初冰期、嚴(yán)重冰期和融冰期3個(gè)階段［8］。2005－2013年南堡油田海域逐年冰期統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 2005－2013年南堡油田海域逐年冰期統(tǒng)計(jì)結(jié)果d

續(xù)表

3.2 冰型、冰厚及結(jié)冰范圍

3.2.1 浮冰

常冰年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；嚴(yán)重冰期以灰冰為主，間有尼羅冰、蓮葉冰及少量灰白冰；終冰期以冰皮為主，間有蓮葉冰、尼羅冰及少量灰冰。冰厚及結(jié)冰范圍見表3。

表3 南堡油田常冰年平整冰厚及結(jié)冰范圍

3.2.2 固定冰

常冰年初冰期固定冰以冰腳和沿岸冰為主；嚴(yán)重冰期以沿岸冰和擱淺冰為主；融冰期以擱淺冰和沿岸冰為主。固定冰厚度、寬度及堆積高度見表4。

表4 南堡油田海域常冰年固定冰要素統(tǒng)計(jì)

3.3 海冰表面特征

通常，由于天氣冷暖變化及所在海區(qū)水文、地形等因素的差異，可以使海冰呈現(xiàn)出不同的外貌形狀，而海冰的外貌形狀通常用表面特征來描述。海冰的外貌形狀即海冰表面特征是反映海冰受動(dòng)力或熱力影響程度的重要指標(biāo)。我國結(jié)冰海區(qū)的海冰表面特征分為4種類型，即平整冰、重疊冰、冰丘和覆雪冰。根據(jù)監(jiān)測(cè)，按照其出現(xiàn)頻率高低和量的多少，2005－2013年各年度冬季南堡油田海域海冰表面特征類型依次為平整冰、重疊冰、冰丘和覆雪冰。

3.4 浮冰流向和流速

海冰在風(fēng)、浪、流等外力作用下，會(huì)發(fā)生漂移和流動(dòng)。海冰運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力和撞擊力都是巨大的。根據(jù)8個(gè)年度的監(jiān)測(cè)分析，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?yàn)橹?，其次為WNW－ESE向；流速一般在0.3～0.5 m/s，最大可達(dá)0.8 m/s以上。

3.5 冰情時(shí)間變化與地理分布

3.5.1 時(shí)間變化

受氣象、海洋等自然因子的變化影響，該海域的冰情具有時(shí)間變化特征。2005－2013年各年度冬季該海域的冰情時(shí)間變化總體特征為：初冰期內(nèi)冰情由輕到重，但不穩(wěn)定，常因短時(shí)的氣溫回升而使冰情迅速減輕，甚至無冰；嚴(yán)重冰期內(nèi)冰情顯著加重，其顯著特征是結(jié)冰范圍廣、冰量多、密集度高、冰厚大，且冰情相對(duì)比較穩(wěn)定；融冰期內(nèi)冰情雖然有所反復(fù)，但總體上呈迅速減輕之勢(shì)，直至完全融化、消失。不同冰期內(nèi)，冰情均呈現(xiàn)出時(shí)輕時(shí)重的態(tài)勢(shì)，且階段性冰情變化起伏較大。

3.5.2 地理分布

除了受氣象、海洋等自然因子的影響外，地理環(huán)境也對(duì)冰情產(chǎn)生影響，造成冰情分布存在地理性變化和差異。2005－2013年各年度冬季南堡油田海域冰情地理分布總的特征是：一號(hào)島和四號(hào)島以北沿岸及附近海域結(jié)冰較早，融冰和終冰也比其他海區(qū)相對(duì)滯后，其冰期最長(zhǎng)、冰情最重；一號(hào)島至五號(hào)島、腰坨至東坑坨沿岸及附近海域次之；五號(hào)島至腰坨沿岸及附近海域冰情最輕。

4 海冰對(duì)海上生產(chǎn)作業(yè)及工程設(shè)施的影響

4.1 對(duì)海上生產(chǎn)作業(yè)的影響

每年冰期尤其是嚴(yán)重冰期內(nèi)，渤海灘淺海油田多數(shù)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(jìn)行的生產(chǎn)作業(yè)，受海冰影響被迫停止，并且需對(duì)正在進(jìn)行勘探作業(yè)的鉆井平臺(tái)等海上工程設(shè)施進(jìn)行拖航移位，造成極大經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，灘淺海油田油氣勘探開發(fā)主要采取人工島和平臺(tái)兩種方式，而海上浮冰則影響了人工島、平臺(tái)與基地之間的人員及各類物資的海上運(yùn)輸，冰情嚴(yán)重時(shí)往往冰封碼頭、困住船舶，運(yùn)輸被迫中斷，使生產(chǎn)作業(yè)受到嚴(yán)重影響。

4.2 對(duì)海上工程設(shè)施的影響

通常，海冰對(duì)灘淺海油田海上工程設(shè)施的影響主要有以下幾種［9］。

（1）在風(fēng)、浪、流等外力作用下，大面積的海冰會(huì)整體移動(dòng)，并且常常在平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物周邊形成堆積，使結(jié)構(gòu)物受到擠壓，造成振動(dòng)；

（2）海上浮冰多數(shù)始終處于漂流狀態(tài)。自由漂移的浮冰極易對(duì)海上平臺(tái)等油氣工程結(jié)構(gòu)物造成沖擊；

（3）因潮汐、風(fēng)暴等因素導(dǎo)致的水位變化，可以使凍結(jié)在結(jié)構(gòu)物四周的海冰對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生上拔或下壓；

（4）浮冰對(duì)結(jié)構(gòu)物造成磨蝕；

（5）海冰膨脹可以對(duì)結(jié)構(gòu)物形成擠壓，等。

5 海冰防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)及防御對(duì)策

5.1 海冰防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)分析

近年來，隨著全球氣溫上升，渤海冰情總體呈現(xiàn)減輕趨勢(shì)［10］。盡管如此，冰情較重或偏重年份依然時(shí)有出現(xiàn) （如2009年和2010年冬季發(fā)生的近30年來的最嚴(yán)重冰情），而局部海域出現(xiàn)偏重或較重冰情幾乎每年都有。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國渤海大致每5～6年發(fā)生一次嚴(yán)重或比較嚴(yán)重的海冰災(zāi)害，而局部海域出現(xiàn)的海冰災(zāi)害幾乎每年都有發(fā)生［11］。另一方面，同其他自然災(zāi)害一樣，海冰災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展有其復(fù)雜背景和內(nèi)在聯(lián)系。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示［10］，近20年來，盡管渤海冰情呈減輕態(tài)勢(shì)，但海冰災(zāi)害發(fā)生頻率特別是近10年來發(fā)生海冰災(zāi)害的頻率并沒有降低。這說明海冰災(zāi)害的發(fā)生不僅僅是自然因素決定，也是自然條件和社會(huì)條件共同作用的結(jié)果，即冰情減輕并不能使海冰災(zāi)害減少。隨著我國能源需求的不斷增加，渤海灘淺海油田開發(fā)建設(shè)力度必將進(jìn)一步加大，探井試油、修建人工島、油井后期管理以及人員和物資運(yùn)輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)越來越多，海上平臺(tái)、導(dǎo)管架以及工程作業(yè)船只等日益增多。一旦出現(xiàn)嚴(yán)重或比較嚴(yán)重的冰情，其成災(zāi)概率和損失程度都相應(yīng)增大。

因此，防御或減輕海冰災(zāi)害依然是包括南堡油田在內(nèi)的灘淺海油田今后開發(fā)建設(shè)和生產(chǎn)所面臨的一個(gè)重大課題。

5.2 防御對(duì)策

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(dòng)所產(chǎn)生的危害。同其他自然災(zāi)害一樣，其成因同樣具有自然屬性和社會(huì)屬性兩個(gè)方面。因此，應(yīng)該在尊重海冰自然規(guī)律的前提下，實(shí)施海冰災(zāi)害社會(huì)性和工程性綜合防御。

5.2.1 開展海冰監(jiān)測(cè)和預(yù)警報(bào)工作

海冰監(jiān)測(cè)是獲取海冰資料的唯一手段，同時(shí)也是海冰防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)。通過監(jiān)測(cè)，不但可以為灘淺海油田的海冰預(yù)警報(bào)提供準(zhǔn)確資料，同時(shí)可以第一時(shí)間為油田提供實(shí)時(shí)冰情信息。

海冰有著自身的發(fā)展變化規(guī)律。目前人們已經(jīng)可以比較準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警。近年來，北海預(yù)報(bào)中心每年冬季都為有關(guān)灘淺海油田發(fā)布冰情預(yù)報(bào)和警報(bào)。油田據(jù)此科學(xué)、合理地調(diào)度和安排生產(chǎn)，不但延長(zhǎng)了冬季海上生產(chǎn)時(shí)間，使油田經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，而且保證了油田冬季海上生產(chǎn)的平穩(wěn)、有序進(jìn)行。實(shí)踐證明，海冰預(yù)警報(bào)是灘淺海油田海冰防災(zāi)減災(zāi)的最有效措施之一。

5.2.2 落實(shí)各類抗冰措施

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)形式。根據(jù)海冰彎曲強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度等基本原理，優(yōu)化各類海上結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)形式。例如，把平臺(tái)腿柱建成錐形、將人工島等構(gòu)筑物的迎冰面做成斜坡等，使海冰發(fā)生彎曲破壞，以減小海冰荷載作用［12－13］。

（2）提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。人工島及平臺(tái)等設(shè)施要提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以增大這些設(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(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)管架平臺(tái)采用50年一遇環(huán)境條件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)［14］；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(qiáng)度又是海冰載荷的重要計(jì)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(jì)載荷。

（3）嚴(yán)格限制作業(yè)條件。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(jìn)入冰區(qū)航行，以免被冰困住，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故。

（4）開展海冰對(duì)人工島的影響研究。目前渤海的灘淺海油田陸續(xù)建設(shè)了各類人工島及碼頭等設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低的 “海油陸采”模式。由于人工島采油模式是近年才在我國灘淺海油田中使用，海冰對(duì)人工島及其進(jìn)海路、碼頭等構(gòu)筑物及其附屬設(shè)施的作用機(jī)理和影響目前尚不十分明確。因此，在加強(qiáng)這些工程設(shè)施周邊冰情監(jiān)測(cè)的同時(shí)，應(yīng)系統(tǒng)開展海冰影響機(jī)理的研究，以確保人工島的安全。

（5）提高抗冰能力。海上施工之前要充分考慮海上結(jié)構(gòu)物的抗冰能力，并開展相應(yīng)的海冰與海上結(jié)構(gòu)物相互作用的研究。例如，對(duì)于需在冰期承擔(dān)海上運(yùn)輸及施工的船舶，在建造時(shí)應(yīng)考慮具有一定的破冰能力，增加中間肋骨和抗冰縱橫，加強(qiáng)首柱、舵葉及軸系等。同時(shí)，船舶在冰區(qū)航行時(shí)，可根據(jù)冰情分布狀況，選擇海冰厚度薄、密集度小、浮冰漂流方向與船舶航向一致的航線。

5.2.3 完善應(yīng)急措施

逐級(jí)編制或修訂海冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，完善各項(xiàng)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(hù)，必要時(shí)可對(duì)海上油氣設(shè)施周邊進(jìn)行破冰。同時(shí)，應(yīng)建立專業(yè)的應(yīng)急隊(duì)伍，配齊人員、設(shè)備及物資，切實(shí)提高發(fā)生海冰災(zāi)害時(shí)的實(shí)際處置能力。

6 結(jié)束語

（1）渤海灘淺海地區(qū)是我國重要海洋油氣資源開發(fā)基地，同時(shí)也是冰情相對(duì)較重的區(qū)域之一，并對(duì)海上油氣工程設(shè)施和生產(chǎn)作業(yè)造成嚴(yán)重影響和威脅。

（2）隨著灘淺海油田海上生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)日益頻繁，冰情較輕或偏輕時(shí)，災(zāi)害發(fā)生頻率并不一定會(huì)減少，同時(shí)也不排除發(fā)生較重甚至嚴(yán)重冰情的可能。因此，必須高度重視海冰防災(zāi)減災(zāi)工作。

（3）只有在深入研究海冰變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)階段入手，提高海上結(jié)構(gòu)物及船舶等工程設(shè)施的抗冰等級(jí)，加強(qiáng)海冰監(jiān)測(cè)和預(yù)警報(bào)，掌握冰情，建立和完善海冰應(yīng)急系統(tǒng)，才能最大限度地降低海冰災(zāi)害影響，使冬季渤海灘淺海油氣勘探開發(fā)與生產(chǎn)作業(yè)健康、有序進(jìn)行。

［1］羅博 .灘淺海領(lǐng)域成為中國石油勘探開采重要陣地［EB/OL］.（2011－06－09）［2014－01－10］.http：//news.xinhuanet.com/politics/2011－06/09/c＿121515003.htm.

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