海上固定平臺(tái)海冰融沖系統(tǒng)的研究

楊俊杰

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 背景

海冰被破冰船、導(dǎo)管架抗冰錐破碎后在流經(jīng)井口隔水套管區(qū)域時(shí)流速下降，導(dǎo)致堆積、擠壓、沖擊，平臺(tái)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)，隔水套管出現(xiàn)冰激振動(dòng)和彈性變形，嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致隔水套管疲勞或屈服斷裂，存在重大的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。渤海某固定石油平臺(tái)為了緩解該現(xiàn)象，分別設(shè)計(jì)安裝高壓海水沖冰系統(tǒng)和氣爆沖冰裝置，但在實(shí)際使用中效果不甚理想。分析以上兩種破冰形式，存在破冰方法單一的缺點(diǎn)，不能形成系統(tǒng)互補(bǔ)的高效集成方案。

目前，海上固定平臺(tái)的抗冰方法主要分為主動(dòng)破冰和被動(dòng)破冰兩大類。破冰船破冰、沖冰融冰為主動(dòng)破冰，導(dǎo)管架抗冰錐、沉箱平臺(tái)、移動(dòng)破冰錐屬于被動(dòng)破冰。在破冰船和抗冰錐體的雙重作用下，海冰對(duì)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的威脅已控制在可接受范圍內(nèi)。目前亟待解決的是堆積冰對(duì)井口隔水套管的影響。實(shí)踐證明，單一形式的破冰方法達(dá)不到理想效果，而且各融冰方案有待進(jìn)一步完善提升。如何基于平臺(tái)現(xiàn)有設(shè)施，經(jīng)過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，各資源整合優(yōu)化后達(dá)到理想的堆積冰處理效果，是本文的論證要點(diǎn)。

2 堆積冰的形成

海水溫度下降至冰點(diǎn)溫度以下時(shí)，逐漸形成海冰，海冰在風(fēng)、浪、流、潮的作用下而形成海冰堆積。堆積冰冰塊雜亂無章，重疊堆積在冰面上，呈直立或角度較大的傾斜狀態(tài)，冰面凹凸不平。大塊海冰被破冰船和抗冰錐體破碎后，流經(jīng)海洋固定平臺(tái)井口區(qū)，此處隔水套管布置密集，浮冰遇阻降速甚至停止不前，冰與冰在此彼此交叉堆疊，隨潮水向上爬升，最高時(shí)堆積高度超過3m，如果繼續(xù)發(fā)展，可形成冰丘，使隔水套管的受力面積倍增（圖1）。

圖1 隔水套管區(qū)域輕冰年的堆積冰情況

3 總體方案設(shè)計(jì)

消除井口區(qū)堆積冰的關(guān)鍵是融冰、沖冰。融冰的作用是降低堆積冰的強(qiáng)度，進(jìn)而將其解體；沖冰的作用是增大冰的動(dòng)能，使碎冰和解體冰流出井口區(qū)，避免繼續(xù)堆積。

3.1 融冰裝置

眾所周知，淡水冰點(diǎn)是0℃，海水由于鹵素的存在冰點(diǎn)稍低。因此，只要溫度在冰點(diǎn)之上，冰就會(huì)融化。平臺(tái)當(dāng)前可利用的融冰資源有生產(chǎn)換熱器排放海水、生產(chǎn)注水、水源井水。海冰期換熱器排放海水溫度一般為3～6℃，生產(chǎn)注水和水源井水溫度一般為40℃；按照冰點(diǎn)由低到高排序依次為海水、生產(chǎn)注水、水源井水。綜合分析生產(chǎn)、成本、環(huán)保等因素，最佳的融冰資源為海水，生產(chǎn)注水和水源井水可作為輔助。生產(chǎn)換熱器排放海水溫度雖然可達(dá)到3～6℃，但在排放到隔水套管區(qū)域后，在寒冷空氣的作用下，溫度迅速下降至0℃甚至更低。因此，有必要額外增加一套海水加熱裝置，將原3～6℃提升至40℃。平臺(tái)可利用的加熱資源有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的廢熱、熱介質(zhì)油、電加熱器。考慮到將海水加熱對(duì)生產(chǎn)流程的影響降到最低，推薦使用電加熱器對(duì)海水進(jìn)行單獨(dú)加熱，避免因泄漏導(dǎo)致的熱介質(zhì)流失。對(duì)于沒有海水換熱器的井口平臺(tái)，可考慮為海水設(shè)置電加熱裝置，以提升海水融冰能力。

隔水套管陣列內(nèi)側(cè)冬季上風(fēng)向靠近3個(gè)角點(diǎn)位置、陣列正中央位置，設(shè)置4個(gè)融冰點(diǎn)。3個(gè)角點(diǎn)位置的融冰管線朝向陣列中心，便于融冰面積最大化和溫度的有效利用。在帶纜走道相應(yīng)角點(diǎn)位置，設(shè)置輔助旋轉(zhuǎn)水炮，當(dāng)堆積冰較為嚴(yán)重時(shí)，利用高溫高壓地?zé)崴M(jìn)行輔助融冰和沖冰。

融冰裝置工藝簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 融冰裝置工藝簡(jiǎn)圖

3.2 沖冰裝置

沖冰裝置是在井口隔水套管區(qū)周圍水下水平層布置虹吸噴嘴，由空氣管匯連接空壓機(jī)和水下噴嘴，利用空壓機(jī)壓縮出的高壓高溫空氣形成周圍海水的高速擾動(dòng)的流場(chǎng)，借助海水動(dòng)能及壓縮空氣的壓力能、熱能防止隔水套管處的海冰結(jié)成堆積，以及達(dá)到加速疏散破冰的目的。

沖冰裝置的核心設(shè)備為中壓壓縮機(jī)和氣體虹吸噴嘴。壓縮機(jī)出口壓力應(yīng)達(dá)到1500kPa,也就是說到達(dá)虹吸噴嘴壓力也要達(dá)到這個(gè)數(shù)值，以保證噴射氣流和水流對(duì)海冰的沖擊驅(qū)散效果。壓縮后空氣溫度要達(dá)100℃，不設(shè)置空氣后置冷卻器，高溫高壓空氣直接進(jìn)入緩沖罐儲(chǔ)存，經(jīng)保溫管線進(jìn)入水下虹吸噴嘴。壓縮機(jī)排量能力要基于噴嘴數(shù)量和所期望的海冰動(dòng)能進(jìn)行設(shè)計(jì)確定。虹吸噴嘴設(shè)計(jì)類似于高壓水射流噴嘴技術(shù)，海水通過噴嘴上的虹吸口隨高溫、高壓、高速氣流噴射而出，把氣體的壓力能一部分轉(zhuǎn)化為海水的動(dòng)能，直接作用于海冰，增加海冰的流速并加速其融化。虹吸噴嘴結(jié)構(gòu)原理示意如圖3。

圖3 虹吸噴嘴結(jié)構(gòu)原理圖

隔水套管陣列內(nèi)側(cè)靠近4個(gè)角點(diǎn)位置，設(shè)置4個(gè)水下氣流虹吸噴頭；這4個(gè)水下氣流虹吸噴頭在水平面的投影位置，與水上水流相應(yīng)的噴頭位置重合；在穿錐隔水套管與錐體結(jié)構(gòu)之間布置1個(gè)水下氣流虹吸噴頭；在2#和3#噴口連線靠近2#噴口的位置，額外布置1個(gè)水下氣流虹吸噴頭。這7個(gè)噴頭的噴射方向均為垂直向上，統(tǒng)一布置在EL.-2500mm高程處。噴頭的布置型式如圖4所示。

圖4 虹吸噴頭布置型式

沖冰裝置工藝簡(jiǎn)圖如圖5，某海上平臺(tái)實(shí)際安裝應(yīng)用情況如圖6。

圖5 虹吸噴頭位置布局

4 效果評(píng)估

融冰裝置和沖冰裝置合二為一組成融沖裝置，融冰裝置最大限度地利用平臺(tái)現(xiàn)有成熟資源，甚至可以利用電站廢熱提升融沖效果。融冰裝置抑制海冰的凝結(jié)加強(qiáng)，沖冰裝置阻止海冰的堆積，兩者立體配合、互不干擾、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，避免海冰在井口隔水套管區(qū)域堆積成丘，最大限度降低海冰對(duì)油井隔水套管的危害。

圖6 某海上平臺(tái)實(shí)際安裝應(yīng)用情況