南海內(nèi)波流對(duì)深水鉆井的影響及對(duì)策

胡偉杰　劉正禮　陳　彬（.中國(guó)海洋石油總公司，北京　0000；.中海石油深圳分公司，廣東深圳58067）

南海內(nèi)波流對(duì)深水鉆井的影響及對(duì)策

胡偉杰1劉正禮2陳彬2
（1.中國(guó)海洋石油總公司，北京100010；2.中海石油深圳分公司，廣東深圳518067）

針對(duì)深水鉆井過(guò)程中遭遇內(nèi)波流后可能產(chǎn)生的平臺(tái)位移、隔水管損毀等問(wèn)題，分析了南中國(guó)海內(nèi)波流的規(guī)律特征，并基于內(nèi)波流對(duì)鉆井平臺(tái)、隔水管及水下井口安全造成的影響，通過(guò)多普勒聲波測(cè)速儀及電導(dǎo)率溫深儀，建立內(nèi)波流早期預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，制定了鉆井平臺(tái)應(yīng)對(duì)內(nèi)波流的技術(shù)方案，對(duì)南中國(guó)海內(nèi)波流后續(xù)調(diào)查研究工作提出了建議。

南海；內(nèi)波流；深水鉆井；規(guī)律；應(yīng)對(duì)措施

南中國(guó)海是內(nèi)波災(zāi)害發(fā)生最頻繁的海域，給深水油氣資源的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的安全隱患。由于海洋遠(yuǎn)離大陸，且受風(fēng)、浪和流等海洋環(huán)境影響，使得海洋內(nèi)波觀測(cè)困難，目前人們對(duì)內(nèi)波的認(rèn)識(shí)并不多。內(nèi)波對(duì)海洋人工設(shè)施的危害極大，曾有內(nèi)波把平臺(tái)扭轉(zhuǎn)了90°方位、并推移了30.48 m，以及內(nèi)波把潛艇拖下海底撞毀的報(bào)道。因此，內(nèi)波的研究日益受到重視，人們注意到在內(nèi)波活動(dòng)頻繁的海區(qū)，海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)必須考慮其能經(jīng)受內(nèi)波產(chǎn)生的作用力。

1　南中國(guó)海內(nèi)波流的特征

流體內(nèi)部密度垂直分布呈現(xiàn)層化構(gòu)造時(shí)，流體層化界面受到擾動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，由于這種波發(fā)生在流體內(nèi)部，因此稱作內(nèi)波流。海洋內(nèi)波的振幅與波長(zhǎng)均大于海面的風(fēng)浪。海面風(fēng)浪波高最高30 m，但目前所知世界上最大的內(nèi)波流——南中國(guó)海內(nèi)波流的振幅高達(dá)150 m，約50層樓高。海面風(fēng)浪周期約幾秒到幾十秒，海洋內(nèi)波的周期卻可長(zhǎng)達(dá)幾分鐘到幾十分鐘。

南中國(guó)海北部?jī)?nèi)波流分布：東經(jīng)114~117°、北緯20~22°區(qū)域（即西江、惠州、陸豐、番禺、流花和東沙）觀測(cè)到的內(nèi)波流最多，另文昌和開(kāi)平區(qū)域內(nèi)波流也較多，深水海域（如虎門、花縣、高鶴、順德和荔灣等）觀測(cè)到的內(nèi)波流很少。

研究區(qū)域內(nèi)春夏秋冬四季內(nèi)波流都有發(fā)生并被遙感觀測(cè)到，夏季（6—8月）最多，占61%左右，冬季（12—2月）最少，只占6%左右，與整個(gè)南海的內(nèi)波季節(jié)規(guī)律相似。

在東沙島附近，平均波長(zhǎng)可達(dá)2 km以上；內(nèi)波流往西傳播過(guò)程中，波長(zhǎng)隨著水深變淺而變短到700 m左右。南海北部?jī)?nèi)波流波長(zhǎng)變化總的趨勢(shì)是：在往近海傳播的過(guò)程中，內(nèi)波流波長(zhǎng)不斷變短。南海北部?jī)?nèi)波從呂宋海峽向西傳播過(guò)程中，波速不斷減小。在深海海域（如靖海），波速達(dá)到了4.5 m/s；到水深變淺海域（如東沙、流花、白云等），波速減小到1~2.5 m/s；在更淺海域（如西江、佛山等），波速進(jìn)一步減小到0.5 m/s以下。內(nèi)波流在往近岸傳播過(guò)程中，振幅逐漸變小，內(nèi)波流能量在摩擦耗散和垂直混合等過(guò)程中逐漸減少。在深海盆地中內(nèi)波流振幅達(dá)到100 m以上，最高可達(dá)近170 m，在東沙島附近1 000 m水深時(shí)（如潮州），內(nèi)波流平均振幅可以達(dá)到70 m，在300~500 m水深的區(qū)域（如流花），振幅為15~50 m。在水深100 m左右的區(qū)域，平均振幅在15 m以內(nèi)。

南海內(nèi)部海域大部分內(nèi)波流向西或西北傳播，即向近岸傳播，少量?jī)?nèi)波流向西偏南方向傳播。

2　內(nèi)波對(duì)深水鉆井安全的影響

內(nèi)波的破壞力，主要是產(chǎn)生內(nèi)波的躍層上下，會(huì)形成2支流向正相反的內(nèi)波，這種內(nèi)波可高達(dá)1.5~2.0 m/s，猶如剪刀一般。當(dāng)鉆井平臺(tái)的立柱或隔水管等結(jié)構(gòu)物遭遇內(nèi)波時(shí)，會(huì)受到非常大的扭力，破壞力極大，使鉆井平臺(tái)處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，產(chǎn)生一定的偏移。同時(shí)，較大的內(nèi)波會(huì)嚴(yán)重縮小鉆井作業(yè)窗口而導(dǎo)致鉆井作業(yè)無(wú)法正常開(kāi)展。

2.1內(nèi)波流對(duì)鉆井平臺(tái)安全的影響

鉆井平臺(tái)在遭遇強(qiáng)內(nèi)波流時(shí)，可能無(wú)法抵抗強(qiáng)流推移而造成平臺(tái)定位失效，瞬間被推離井位，無(wú)法作業(yè)。1992年，東沙群島附近的石油鉆井平臺(tái)在內(nèi)波經(jīng)過(guò)時(shí)無(wú)法操作，錨定的油罐箱在不到5 min內(nèi)搖擺了110°。2006年哈斯基石油公司在南海荔灣深水區(qū)塊采用深水鉆井平臺(tái)進(jìn)行LW3-1-A井鉆探作業(yè)時(shí)，遭遇強(qiáng)內(nèi)波流，平臺(tái)抵抗不住強(qiáng)流推移而啟動(dòng)應(yīng)急解脫裝置，造成固井作業(yè)中斷。2010年的4月21日，一個(gè)流速1.3 m/s的內(nèi)波經(jīng)過(guò)時(shí)，導(dǎo)致深水鉆井平臺(tái)“西方大力神號(hào)”瞬間被推移了6 m，同時(shí)平臺(tái)傳輸管線破裂纏繞到供應(yīng)船螺旋槳。2012年5月9日，海洋石油981深水平臺(tái)在進(jìn)行荔灣6-1-A表層鉆井作業(yè)時(shí)，監(jiān)測(cè)到流速為2.2 m/s內(nèi)波流經(jīng)過(guò)，立即增加推進(jìn)器功率，平臺(tái)被推移原井位5 m。

2.2內(nèi)波流對(duì)無(wú)隔水管鉆進(jìn)作業(yè)的影響

在無(wú)隔水管鉆進(jìn)井段，由于內(nèi)波流的作用，管柱下入過(guò)程中產(chǎn)生較大扭力或渦激震動(dòng)導(dǎo)致管柱脫落落海，甚至平臺(tái)被推離井位過(guò)大，導(dǎo)致鉆柱折斷及對(duì)接井口作業(yè)受影響。20世紀(jì)90年代，在流花及陸豐等工區(qū)鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，多次出現(xiàn)?127 mm鉆桿在海水中下鉆過(guò)程中，遭遇內(nèi)波而導(dǎo)致鉆桿脫扣落海，后更換為高強(qiáng)度的?140 mm鉆桿，情況才得到改善。南海八號(hào)作業(yè)期間，也出現(xiàn)過(guò)在海水中下入棄井切割鉆柱時(shí)，鉆柱突然脫扣落海，后分析同內(nèi)波流影響有較大關(guān)系。

在對(duì)接井口及防噴器作業(yè)過(guò)程中，多次出現(xiàn)內(nèi)波流突然襲擊，致使防噴器碰撞水下井口，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致井口密封面受損而報(bào)廢。

2.3內(nèi)波流對(duì)隔水管系統(tǒng)安全的影響

在安裝井口作業(yè)后， 因平臺(tái)受到內(nèi)波流的作業(yè)而產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致隔水管系統(tǒng)嚴(yán)重受損，造成鉆井作業(yè)中斷。2014年4月~5月，南海8號(hào)平臺(tái)在LH29-4-B井作業(yè)期間遭遇內(nèi)波流30余次，最大監(jiān)測(cè)流速達(dá)2.05 m/s，平臺(tái)最大漂移量達(dá)137 m，導(dǎo)致張力器鋼絲繩琵琶頭斷裂，張力繩多處斷股；張力器液缸全部被拉到行程極限，沖擊張力器底座；在月池伸縮節(jié)上球接頭處傾斜超過(guò)15°，導(dǎo)致伸縮節(jié)上下盤根密封均失效，出現(xiàn)漏失鉆井液情況。同時(shí)，導(dǎo)致平臺(tái)2#錨走錨及供應(yīng)船與平臺(tái)發(fā)生擦碰等事件，現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)多次暫停，作業(yè)損失8 d時(shí)間。

3　應(yīng)對(duì)措施

深水鉆井作業(yè)時(shí)，可通過(guò)建立早期預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得應(yīng)對(duì)內(nèi)波流的準(zhǔn)備時(shí)間，建立深水鉆井平臺(tái)應(yīng)對(duì)內(nèi)波流技術(shù)方案，以保障作業(yè)的安全。

內(nèi)波早期預(yù)警系統(tǒng)主要由多普勒聲波測(cè)速儀（ADCP）以及電導(dǎo)率溫深儀（CTD）組成，如圖1所示，可以提前2~8 h預(yù)報(bào)內(nèi)波經(jīng)過(guò)的方向及強(qiáng)度。其主要通過(guò)沿深度分布的傳感器來(lái)測(cè)量電傳導(dǎo)率、流速、溫度和鹽度等變化數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至平臺(tái)，結(jié)合局部海底地形和潮流特征，通過(guò)數(shù)值模型來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，從而獲取內(nèi)波信息。根據(jù)內(nèi)波通常來(lái)臨的方向及速度，可設(shè)置監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備距離作業(yè)平臺(tái)的方位及距離，做到早期預(yù)警。并實(shí)時(shí)將預(yù)警信號(hào)傳送給陸地支持部門及作業(yè)平臺(tái)，以便現(xiàn)場(chǎng)有充足的應(yīng)對(duì)內(nèi)波準(zhǔn)備時(shí)間。

對(duì)于錨泊定位平臺(tái)，作業(yè)前期要優(yōu)化錨泊設(shè)計(jì)，對(duì)艏向、錨頭、錨纜等要重點(diǎn)研究。監(jiān)測(cè)到內(nèi)波流時(shí)，守護(hù)船及時(shí)接拖待命，拖船根據(jù)平臺(tái)指揮適當(dāng)?shù)奶岣唠p車功率，盡量穩(wěn)住平臺(tái)位置。

圖1　內(nèi)波流早期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

對(duì)于動(dòng)力定位平臺(tái)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到內(nèi)波流時(shí)，主要通過(guò)調(diào)整平臺(tái)艏向?qū)?zhǔn)內(nèi)波流方向，增加推進(jìn)器功率，穩(wěn)定鉆井裝置位置。此外，針對(duì)內(nèi)波流的特征及平臺(tái)構(gòu)造，可制定以下防內(nèi)波流應(yīng)對(duì)措施（以某深水鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)抗內(nèi)波流能力為1.5 m/s為例）：

（1）除采用內(nèi)波流早期預(yù)警系統(tǒng)外，平臺(tái)也配備雷達(dá)來(lái)探測(cè)內(nèi)波流蹤跡；

（2）若ADCP監(jiān)測(cè)到內(nèi)波流后，對(duì)平臺(tái)、供應(yīng)船和ROV進(jìn)行預(yù)警，提前將平臺(tái)艏向?qū)?zhǔn)內(nèi)波流方向，或者行駛到平臺(tái)至井口中心，根據(jù)流速調(diào)節(jié)推進(jìn)器功率；

（3）若內(nèi)波流速小于1.3 m/s：保持正常作業(yè)，調(diào)整平臺(tái)艏向?qū)?zhǔn)內(nèi)波流方向，平臺(tái)推進(jìn)器加力，頂住內(nèi)波流；

（4）若內(nèi)波流速介入1.5 m/s與1.3 m/s之間：計(jì)算調(diào)整鉆具接箍位置，使剪切閘板處于隨時(shí)可以剪斷鉆具，調(diào)整平臺(tái)艏向，推進(jìn)器加力，頂流；

（5）若內(nèi)波流速大于1.5 m/s：計(jì)算調(diào)整鉆具接箍位置，關(guān)中閘板，懸掛鉆具，盡可能頂替隔水管內(nèi)的油基鉆井液，調(diào)整平臺(tái)艏向，推進(jìn)器加力，頂流。如果無(wú)法頂住內(nèi)波，剪切鉆具，解脫井口；

（6）對(duì)隔水管張力器系統(tǒng)，應(yīng)提前預(yù)沖張力器壓力，做好應(yīng)急解脫平臺(tái)準(zhǔn)備工作；

（7）內(nèi)波流抵達(dá)平臺(tái)前1 h到內(nèi)波離開(kāi)的時(shí)間內(nèi)平臺(tái)停止靠船吊裝作業(yè)，供應(yīng)船處在平臺(tái)下流處守候，水下機(jī)器人等避免入水作業(yè)。

4　結(jié)論

（1）目前所采用的多普勒聲波測(cè)速儀存在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度及維護(hù)上的弊端，在實(shí)際使用中出現(xiàn)過(guò)內(nèi)波流方向及流速未能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸故障、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，亟待有關(guān)海洋學(xué)家開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

（2）在南中國(guó)海域進(jìn)行石油工程勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)期間，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注并監(jiān)測(cè)內(nèi)波流的形成和發(fā)展，制定并嚴(yán)格執(zhí)行內(nèi)波應(yīng)急安全作業(yè)程序，以保證平臺(tái)和人員的安全，保障作業(yè)的順利。

（3）南中國(guó)海是內(nèi)波流的頻發(fā)區(qū)，該海域的石油資源勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程也面臨著遭受內(nèi)波流潛在的破壞性影響，而現(xiàn)有的研究工作不足，僅有少量的錨碇量測(cè)繪數(shù)據(jù)和雷達(dá)、衛(wèi)星檢測(cè)數(shù)據(jù)，建議開(kāi)展有關(guān)南中國(guó)海內(nèi)波流的調(diào)查研究，進(jìn)一步掌握內(nèi)波流的特征。

［1］海潮.南海石油資源與中國(guó)深水發(fā)展戰(zhàn)略［J］.艦船知識(shí)，2009（7）：34-37.

［2］蔡樹(shù)群，甘子鈞.南海北部孤立子內(nèi)波的研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2001，12（2）：215-219.

［3］李家春.水面下的波浪——海洋內(nèi)波［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2005，27（2）：107-110.

［4］方文東，施平.南海北部孤立內(nèi)波的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)［J］.科學(xué)通報(bào)，2005， 50（13）：1400-1404.

［5］方文東，陳榮裕.南海北部大陸坡區(qū)的突發(fā)性強(qiáng)流［J］.熱帶海洋，2000（1）：70-75.

（修改稿收到日期2014-12-23）

〔編輯張百靈〕

Impacts of internal waves in the South China Sea on deepwater drilling safety and corresponding countermeasures

HU Weijie,1LIU Zhengli2, CHEN Bin3
（1. China National offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Focusing on the problems like platform displacement and damage of riser that may arise in deepwater drilling under the presence of internal waves, the paper analyzes the regular characteristics of internal waves in the South China Sea and establishes an early warning system based on the impacts of internal waves on the drilling platform, the riser, and the subsea wellhead safety through Doppler acoustic marine speedometer and conductivity bathythermograph. With consideration to field operations, a technical solution for the drilling platform to adress internal waves is developed and suggestions on follow-up research on internal waves in the South China Sea are provided.

the South China Sea; internal waves; deepwater drilling; regularity; countermeasures

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0160 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.041

“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水鉆完井及其救援井應(yīng)用技術(shù)研究”(編號(hào)：2011ZX05026-001-04)。

胡偉杰，1976年生。1999年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事鉆完井技術(shù)研究及戰(zhàn)略規(guī)劃。電話：010-84526389。E-mail：Huweijie@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：胡偉杰，劉正禮，陳彬. 南海內(nèi)波流對(duì)深水鉆井的影響及對(duì)策［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（1）：160-162.