勝利油田作業(yè)海域冰情特征及減災對策

孫明，袁本坤，黎舸，焦艷，商杰

(1.中石化勝利油田海洋采油廠 東營 257237；2.國家海洋局北海預報中心 青島 266061；3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266061)

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勝利油田作業(yè)海域冰情特征及減災對策

孫明1，袁本坤2,3，黎舸2,3，焦艷2,3，商杰2,3

(1.中石化勝利油田海洋采油廠 東營 257237；2.國家海洋局北海預報中心 青島 266061；3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266061)

勝利油田作業(yè)海域因受陸地影響顯著，水淺灘闊且鹽度較低，加之地理位置相對偏北，每年冬季都會發(fā)生不同程度的海水結冰現(xiàn)象，給海上油氣勘探開發(fā)生產和各類工程設施造成影響。利用國家海洋局北海預報中心2005—2016年冬季的各類冰情監(jiān)測數(shù)據(jù)并結合部分已有研究成果，對勝利油田作業(yè)海域的冰情進行了綜合分析，給出該海域的冰情基本特征；在分析海冰防災減災形勢的基礎上，按照我國海冰防災減災工作總體部署和要求并結合油田海上生產作業(yè)的實際需求，提出了具體的海冰減災對策與建議。

勝利油田；作業(yè)海域；海冰；冰情特征；減災；對策

1 引言

中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司(以下簡稱為“勝利油田”)是我國第一家“下海”的陸上石油企業(yè)[1]，也是中國第二大石油生產基地。自20世紀80年代發(fā)現(xiàn)渤海埕島油田之后，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新北、橋東等多個極淺海油田。隨著海上勘探開發(fā)工作的不斷深入和創(chuàng)新提高，海上油田已逐步成為勝利油田東部穩(wěn)定的前沿陣地，并創(chuàng)立了具有勝利特色的灘淺海油田開發(fā)模式，實現(xiàn)了安全高效發(fā)展[2]，為保障國家能源安全，促進國民經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻。

但是，受氣候條件和地理位置影響，勝利油田海上勘探開發(fā)作業(yè)海域(下稱“勝利油田作業(yè)海域”)每年冬季都有不同程度的海水結冰現(xiàn)象[3]。冰情嚴重時，海冰往往布滿整個海面，使油田冬季的海上生產作業(yè)及各類工程設施受到嚴重影響和威脅。因此，海冰是勝利油田海上油氣勘探開發(fā)及生產作業(yè)過程中必須考慮的重要海洋環(huán)境要素之一[4]。

2 研究區(qū)域概況

勝利油田作業(yè)海域主要集中在渤海的黃河三角洲及其附近海域。該海域系陸上三角洲向水下延伸部分，水深地形基本與海岸線平行。由于黃河的填海造陸運動，在河與海的交匯處，形成了大致以東北方向為軸的扇形沖積平原。該海域沿岸水淺、潮間帶跨度大，灘面寬度為2～10 km。5 m等深線以淺的近岸淺區(qū)域平均坡降0.5‰～1.0‰；5 m等深線以深區(qū)域平均坡降0.2‰～3‰[5]，低潮時可裸露海底，高潮時又被全部淹沒，具有典型的河口地貌特征。

該海域處于典型的季風氣候帶，冬季受歐亞大陸高壓所控制，北風和西北風占主導地位，天氣干冷。每當強冷空氣入侵時，往往伴隨著大風、降雪和氣溫劇降等過程。

此外，受黃河等入海河流徑流影響，該海域海水含鹽量較低[6]。

上述特殊的地理環(huán)境和氣候條件均為該海域的海水結冰提供了充分和必要的條件[7]。

3 數(shù)據(jù)來源

本文所用冰情資料主要來自國家海洋局北海預報中心2005—2016年冬季，通過衛(wèi)星遙感、航空、船舶以及岸基監(jiān)測等方式獲取的勝利油田作業(yè)海域冰情資料。此外，還引用和參考了部分已有研究成果或文獻給出的歷史數(shù)據(jù)。

4 冰情特征分析

4.1 冰情時空分布

冰情的時空分布是指海冰隨海洋水文氣象因素在時間和空間上的生消變化過程和海冰在海面上的分布狀況。

4.1.1 時間分布

冰情的時間分布包括冰日和冰期。冰日是指結冰海區(qū)海冰的初冰日、嚴重冰日、融冰日和終冰日。冰期則是指初冰日至終冰日的天數(shù)。按照海冰生消變化特征，海冰冰期又分為初冰期、嚴重冰期和終冰期(又稱“融冰期”，下同)3個階段。初冰期是指初冰日至嚴重冰日的間隔天數(shù)；嚴重冰期是指嚴重冰日至融冰日之間的間隔天數(shù)；終冰期是指融冰日至終冰日之間的間隔天數(shù)[8]。根據(jù)2005—2016年冬季各類監(jiān)測資料綜合分析，勝利油田作業(yè)海域的初冰日一般為12月中旬，嚴重冰日一般為翌年的1月中旬，融冰日一般為翌年的2月上旬，而終冰日通常為翌年的2月下旬，冰期為60～80 d。其中，初冰期為25～35 d，嚴重冰期為20 d左右，融冰期為15 d左右。

4.1.2 冰情空間分布

冰情空間分布是指海冰在海面上的自然分布狀況，包括固定冰寬度、浮冰外緣線、海冰類型和冰厚等要素在海面上的分布狀況。

為便于描述，根據(jù)岸線地形特點將勝利油田作業(yè)海域劃分為3部分，即西部海域(套爾河口至飛雁灘段)、中部海域(飛雁灘至黃河口段)和南部海域(黃河口至廣利港段)。

(1)固定冰。初冰期，固定冰主要分布在西部的飛雁灘及其以西的河口、淺灘附近，寬度一般在500 m以內，最大可以達到1 000 m以上，以擱淺冰和冰腳為主。

嚴重冰期，整個作業(yè)海域大部分沿岸均有固定冰分布。其中，西部海域飛雁灘以西沿岸的固定冰寬度為1 000～3 000 m，最大為8 000 m[9]，以沿岸冰和擱淺冰為主，平整冰厚為30～40 cm，最大50 cm；中部和南部海域沿岸固定冰冰情輕于西部海域沿岸，其寬度為500～1 000 m，最大2 500 m[9]，以沿岸冰為主。

終冰期，沿岸的固定冰主要為擱淺冰。此間，隨著氣溫大幅回升，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，浮冰最大外緣線一般在10 n mile以內，以初生冰和冰皮為主，間有尼羅冰，平整冰厚度為2～4 cm，最大為8 cm。

嚴重冰期，西部海域浮冰外緣線離岸最大距離10～20 n mile，以尼羅冰和灰冰為主，間有蓮葉冰，平整冰厚度為10～15 cm，最大為25 cm；中部海域浮冰外緣線離岸最大距離8～15 n mile，以尼羅冰和蓮葉冰為主，間有灰冰等，平整冰厚度為5～15 cm，最大為20 cm；南部海域的浮冰與萊州灣浮冰連為一體，主要為尼羅冰和蓮葉冰，間有少量灰冰，平整冰厚度為5～15 cm，最大為20 cm。

終冰期，浮冰最大外緣線在5～10 n mile，主要為灰冰、尼羅冰以及破碎后滑入海中的沿岸固定冰等，平整冰厚度為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動力或熱力作用下所呈現(xiàn)的外貌特征。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。因此，海冰表面特征是反映海冰受動力或熱力影響程度的重要指標。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，2005—2016年冬季勝利油田作業(yè)海域海冰表面特征類型(按照出現(xiàn)頻率和數(shù)量的多少排序)依次為平整冰、重疊冰、冰丘和覆雪冰。

在風、浪、流等外力作用下，浮冰會發(fā)生漂移、流動。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)并結合歷史資料綜合分析，2005—2016年冬季勝利油田作業(yè)海域大部分海區(qū)的浮冰漂流方向與主潮流運動方向大致相仿，但是不同海域存在一定差異。其中：西部海域浮冰漂流方向大致呈WNW—ESE向；中部海域則浮冰漂流方向主要為NNW—SSE向。西部海域的浮冰漂流速度為0.3～0.4 m/s，最大0.8 m/s；中部海域的浮冰漂流速度為0.4～0.5 m/s，最大1.2 m/s。

4.4 冰情地理分布

受氣象、海洋等自然因子變化的影響，勝利油田作業(yè)海域的冰情分布具有明顯的地理差異。根據(jù)監(jiān)測，2005—2016年冬季勝利油田作業(yè)海域冰情地理分布的總體特征是西部海域冰情最重、南部海域次之，中部海域最輕。

5 海冰對海上油氣勘探開發(fā)及工程設施的影響

每年的冰期內尤其是冰情嚴重期間，勝利油田作業(yè)海域往往布滿海冰，使油田的正常油氣勘探開發(fā)受到很大影響，并給海上工程設施帶來極大威脅和安全隱患。

5.1 對油氣勘探開發(fā)的影響

首先，結冰期間油田多數(shù)勘探開發(fā)海區(qū)尤其是近岸或淺水區(qū)域無法安排生產作業(yè)，已經(jīng)開工或正在進行的生產作業(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施進行拖航移位，造成極大經(jīng)濟損失。

其次，海上浮冰直接影響平臺、人工島等與基地之間的人員及物資運輸，冰情嚴重時往往冰封碼頭、困住船舶，運輸被迫中斷，嚴重影響和制約了生產進度，并造成經(jīng)濟損失。

此外，為使交通運輸及生產作業(yè)能夠正常運行，同時也為了保證海上生產安全，油田不得不動用大型拖輪及其他工程船只進行破冰作業(yè)，間接地加大了油田的生產成本。

考慮到ADAMS的實體建模功能不完善，采用Solidworks建立機械手的三維模型，并通過與ADAMS的軟件接口，將模型導入至ADAMS。在機械手的關節(jié)處添加約束，并觀察各個關節(jié)受到的驅動力矩大小。設定仿真時間t=30s，步長為0.01。給定手端標記點在笛卡兒空間的軌跡方程為x2+y2=0.9，預計該圓所在平面與連桿5坐標系的z軸方向垂直。假設末端執(zhí)行器標記點從(0.9，0，0.3)出發(fā)做角速度為0.8rad/s的等速回轉。

5.2 對工程設施的影響

勝利油田作業(yè)海域的浮冰大都處于流動狀態(tài)，且經(jīng)常形成堆積，對各類海上油氣工程設施造成嚴重威脅。通常，海冰對油田海上工程設施的影響主要包括：在海流及風等外力作用下，大面積海冰整體移動，擠壓結構物，造成結構物振動；自由漂移的流冰對結構物產生沖擊；因潮汐等因素導致的水位變化，使凍結在結構物四周的海冰對結構物產生上拔或下壓；流冰對結構物造成磨蝕；海冰膨脹對結構物形成擠壓等[4，10-11]。

6 海冰防災減災形勢分析及減災對策

6.1 海冰防災減災形勢分析

包括勝利油田作業(yè)海域在內的渤海是我國的主要結冰海區(qū)，也是我國為數(shù)不多的海冰災害頻發(fā)海區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計，渤海每5～6年發(fā)生1次嚴重或比較嚴重的冰情，而局部海域出現(xiàn)嚴重冰情的情況幾乎每年都有發(fā)生。近年來，雖然渤海冰情總體呈現(xiàn)減輕趨勢，但由于影響冰情的氣候、天氣等因素的變化具有非常大的不確定性，冰情較重或偏重年份時有出現(xiàn)。

發(fā)生海冰災害的背景及其內在聯(lián)系非常復雜。根據(jù)統(tǒng)計，近20年來，我國渤海的冰情盡管總體上呈減輕態(tài)勢，但海冰災害的發(fā)生頻率并沒有降低。這表明發(fā)生海冰災害的決定因素不僅僅是自然條件，社會條件也是重要因素，換言之，冰情減輕并不能使海冰災害減少[12]。

隨著勝利油田開發(fā)建設力度的不斷加大，探井試油、修建人工島、油井后期管理以及人員和物資運輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)將會越來越多，海上工程設施日益增多。在結冰期間，這些工程設施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，一旦出現(xiàn)比較嚴重冰情，其成災概率和損失程度都相應增大。因此，海冰防災減災依然是勝利油田今后海上開發(fā)建設和生產作業(yè)過程中所面臨的一個重要課題。

6.2 海冰減災對策

海冰災害的發(fā)生機理具有自然和社會兩個方面的屬性。因此，必須在充分尊重自然規(guī)律的前提下實施綜合防御。

6.2.1 高度重視海冰防災減災工作

多年的海冰防災減災實踐證明，只有高度重視海冰防災減災工作，才能最大程度地降低海冰災害造成的損失，從而保障油田海上生產的安全有序進行。

6.2.2 加強海冰監(jiān)測及預報預警工作

海冰監(jiān)測是獲取海冰資料的唯一手段，同時也是海冰防災減災的基礎。通過監(jiān)測，不但可以為油田的海冰預警報提供準確資料，同時可以第一時間為油田提供實時冰情信息。

海冰有著自身的發(fā)展變化規(guī)律。目前人們已經(jīng)可以比較準確地對其進行預測、預警。實踐證明，海冰預警報是油田海冰防災減災的最有效措施之一[13]。通過開展海冰預報預警工作，可以做到防患于未然。

6.2.3 落實各類抗冰措施

嚴格落實各類抗冰措施是油田海冰防災減災的重要環(huán)節(jié)之一。這些措施主要包括優(yōu)化設計形式、提高設計標準、限制作業(yè)條件、提高抗冰能力等[14]。

6.2.4 開展海冰對人工島等構筑物的影響研究

目前在勝利油田作業(yè)海域及其沿岸已經(jīng)形成了多個人工島及其登陸碼頭等構筑物。由于人工島采油模式是近些年才在我國灘淺海油田中使用的新型模式，海冰對這些構筑物及其附屬設施的作用機理和影響目前還尚不十分明確。因此，需要加強對這些工程設施周邊的冰情監(jiān)測，并且進行系統(tǒng)性研究，以摸清其影響機理和規(guī)律，確保這類設施的安全。

6.2.5 完善應急措施

逐級編制(或修訂完善)油田海冰災害應急預案，提高油田的海冰災害防御和應急能力。同時應該及時配備相應的應急物資，建立海冰災害專業(yè)應急隊伍，切實提高油田發(fā)生海冰災害時的應急處置能力。

7 結論與討論

本文利用國家海洋局北海預報中心2005—2016年冬季的各類冰情監(jiān)測數(shù)據(jù)并結合部分已有的研究成果，對勝利油田作業(yè)海域的冰情及海冰防災減災形勢進行了綜合分析，得到如下結論。

(1)勝利油田作業(yè)海域是冰情相對較重的區(qū)域之一，并且對油田海上油氣勘探開發(fā)以及工程設施等造成嚴重影響和威脅。因此，海冰是勝利油田海上勘探開發(fā)過程中必須考慮的重要海洋環(huán)境要素之一。

(2)勝利油田作業(yè)海域冰情分布的總體特征是西部海域冰情最重、南部海域次之，中部海域最輕。

(3)隨著勝利油田海上油氣勘探開發(fā)力度的進一步加大，海上生產作業(yè)及工程設施日益增多，海冰成災概率和損失程度都相應增大。因此，必須高度重視海冰防災減災工作。

(4)只有在尊重海冰自然規(guī)律的前提下，實施海冰災害的社會性和工程性綜合防御，才能有效地防御和減輕海冰對油田生產作業(yè)及工程設施造成的影響。

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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

海洋公益性行業(yè)科研專項(201105016).

孫明，高級工程師，碩士，研究方向為海洋油氣生產及安全技術管理工作，電子信箱：sunming9@163.com

袁本坤，研究員，研究方向為海冰防災減災技術研究，電子信箱：yuanbenkun@163.com

P7

A

1005-9857(2017)05-0098-05