南堡油田海域的冰情对工程作业的影响

袁本坤，郭可彩，商杰，黎舸，王相玉，江帆

（1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛，266033；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛，266033；3.国家海洋标准计量中心天津300112）

南堡油田海域的冰情对工程作业的影响

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.国家海洋局北海预报中心，山东青岛，266033；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛，266033；3.国家海洋标准计量中心天津300112）

通过对2005—2011年冬季南堡油田海域海冰监测资料进行统计、分析，给出了该海域海冰时空分布特征，在分析了海冰对海上工程作业的影响以及海冰防灾减灾所面临形势的基础上，结合油田实际提出了防冰减灾工作的具体建议。

南堡油田海域；冰情；工程作业；影响

1 引言

南堡油田位于渤海湾盆地南堡凹陷南翼，地处渤海湾北岸的河北省唐山市沿海浅水区，其开发主体位于曹妃甸工业开发区。该油田以储量规模和油层厚度大、单井产量高等优势而成为40多年来我国石油勘探激动人心的发现[1]。该油田的开发建设对于落实我国石油工业“东部硬稳定”战略方针、增强我国能源安全供应的保障能力具有重要意义。但是，该油田开发海域因受地理位置和气象、水文条件等影响，每年冬季都有不同程度的结冰现象[2]，给油田的海上工程作业造成影响，并对各种海上工程设施构成威胁。因此，全面了解和掌握该海域海冰时空分布及变化，对于保障油田冬季海上生产极为重要。

2 海冰监测概况

为了充分了解和掌握南堡油田海域海冰时空分布变化特征，自2005年12月开始，国家海洋局北海预报中心利用卫星、船舶、飞机以及岸基监测等多种方式，连续六年冬季（每年12月至翌年2月）对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）范围内的南堡油田勘探开发海域及其沿岸（见图1）进行了全方位、立体化的海冰监测。

图1 监测海域卫星遥感影像图

2.1 冰日和冰期

冰日是指结冰海区海冰的初冰日、严重冰日（又称盛冰日）、融冰日和终冰日；冰期指的是各个冰日之间间隔的时间，包括初冰期、严重冰期、融冰期和总冰期，通常用天（d）来表示。2005—2011年冬季南堡油田海域冰日和冰期监测结果见表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：以初生冰和冰皮为主，间有莲叶冰、尼罗冰和少量灰冰，平整冰厚一般3—6 cm，最大10 cm左右,浮冰最大外缘线离岸一般在2 n mile以内，最大5 n mile左右；

严重冰期：以灰冰为主，间有尼罗冰、莲叶冰及少量灰白冰（见图2），平整冰厚一般5—12 cm，最大15 cm左右，浮冰最大外缘线离岸一般在2—5 n mile，最大10 n mile左右；

图2 2006年1月7日南堡油田海域浮冰冰情

终冰期：以冰皮为主，间有莲叶冰、尼罗冰及少量灰冰，平整冰厚一般3—7 cm，最大10 cm左右，浮冰最大外缘线离岸一般在3 n mile以内，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浅滩分布，且有一定堆积现象。

初冰期：以冰脚和沿岸冰为主，单层冰厚一般4—12 cm，最大16 cm左右，固定冰宽度一般在400—1500 m，最大2000 m左右，堆积高度一般0.2—0.5 m，最大0.8 m左右；

严重冰期：以沿岸冰和搁浅冰为主，单层冰厚一般4—16 cm，最大30 cm左右，固定冰宽度一般在600—2000 m，最大3500 m左右，堆积高度一般0.2—0.6 m，最大1.0 m左右；

融冰期：以搁浅冰和沿岸冰为主，单层冰厚一般4—12 cm，最大18 cm左右，固定冰宽度一般在400—1500 m，最大1800 m左右，堆积高度一般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：一号岛以北沿岸及附近海域结冰较早，融冰和终冰时间也较其他海区相对滞后，其冰期最长、冰情最重；一号岛至五号岛和腰坨至东杭坨沿岸及附近海域次之；五号岛至腰坨沿岸及附近海域最轻，其中曹妃甸沿岸及附近海域每年冬季几乎没有明显的结冰现象（见图3）。

图3 2011年1月15日南堡油田海域卫星遥感海冰冰情

2.2.4 冰情时间分布

初冰期冰情由轻到重，但不稳定，常因短期的气温回升而使冰情迅速减轻甚至消失；严重冰期冰情显著加重，冰量增多、冰厚和密集度增大，冰情相对稳定；融冰期冰情逐日减轻，直至消失，但各年度终冰期内均出现过冰情重新加重或“返冻”现象。

各年度不同冰期内，冰情均呈现出时轻时重的态势，且阶段性冰情变化起伏较大。

2.3 海冰表面特征

海冰表面特征是指海冰在动力或热力作用下所呈现出的外貌特征。根据监测，2005—2011年冬季南堡油田海域海冰表面特征类型主要为平整冰和重叠冰，但由于该海域属于滩浅海区，水深较浅，滩涂比较广阔，海冰极易搁浅、堆积，因此经常出现冰丘。此外，该海域每年冬季均出现过覆雪冰。

2.4 浮冰流向和流速

监测表明，南堡油田海域大多数海区的浮冰流向与潮流往复方向基本一致，以NW-SE向为主，其次为WNW-ESE向；流速一般在0.3—0.5 m/s，最大可达0.8 m/s以上。

3 海冰对南堡油田开发生产的影响

根据多年相关历史资料分析，南堡油田海域的冰期平均在85 d左右，实际有冰日数为65 d左右[3]。结冰期间尤其是严重冰期期间，海冰往往布满海面[4]，使油田正常的海上生产作业受到很大影响，并对海上工程设施带来极大威胁和安全隐患。

3.1 对海上生产作业的影响

结冰期间，油田多数勘探开发海区尤其是近岸或浅水区域无法安排生产作业，已经开工或正在进行的生产作业，受海冰影响不得不被迫停止,并且需对平台等海上工程设施进行拖航移位等，给油田造成极大的经济损失。另一方面，南堡油田的海洋油气勘探开发主要采取平台和人工岛两种方式，而海上浮冰则影响了平台（人工岛等）与基地之间的人员及各类物资的海上运输，冰情严重时往往冰封码头、困住船舶（见图4），运输被迫中断，使生产作业受到严重影响。

图4 2010年1月18日1号岛码头被冰封

3.2 对海上工程设施的影响

南堡油田海域的浮冰多数处于漂流状态，且经常形成堆积，对海上平台、导管架等各类工程设施造成严重威胁。

通常，海冰对南堡油田海上工程设施的影响主要有以下几种[5]：

（1）在海流及风等外力作用下，大面积海冰整体移动，挤压结构物，造成结构物振动；

（2）自由漂移的流冰对结构物产生冲击；

（3）因潮汐等因素导致的水位变化，使冻结在结构物四周的海冰对结构物产生上拔或下压；

（4）流冰对结构物造成磨蚀；

（5）海冰膨胀对结构物形成挤压，等等。

上述任何一种方式的影响，都可能对海上工程设施带来威胁甚至酿成灾难。例如，2008年1月23日，正在南堡油田海域作业的“胜利7号”钻井平台，因被堆积的浮冰围困而被迫停止作业，同时大量堆积的浮冰在潮流、风浪等作用下不断对平台形成冲击，使平台的安全受到了极大威胁（见图5）。

图5 2008年1月23日“胜利7号”钻井平台下方堆积的浮冰

4 海冰防灾减灾形势

海冰是一种自然现象，海冰灾害则是海冰作用于人类海上活动所产生的危害。南堡油田是我国新发现的大油田，战略意义非常重要。随着油田开发建设力度的加大，海上钻井、采油平台、导管架、人工岛等构筑物以及施工和运输等船舶日益增多。结冰期间，这些工程设施以及船舶等都不可避免地要承受海冰荷载（包括挤压力、撞击力、摩擦力、膨胀力以及上拔力等）造成的影响甚至破坏[6]，一旦出现比较严重冰情，其成灾概率和损失程度都相应增大。因此，油田今后生产作业过程中必须高度重视防冰减灾工作。

5 对防冰减灾工作的建议

海冰致灾因素包括自然属性和社会属性两个方面。因此，防冰减灾工作应在充分尊重海冰自然变异规律的前提下进行综合性科学防御。

5.1 继续开展海冰监测工作

海冰监测是获取海冰资料的唯一手段，同时也是海冰防灾减灾工作的基础。尽管已经进行了6个年度的监测，但其资料远不能满足深入探讨南堡油田海域海冰变化规律等研究工作的需要。另一方面，通过监测不但可以为油田的海冰预报预警提供准确的资料，同时可以第一时间为油田提供实时冰情信息。因此，应继续采用由卫星、航空、船舶、平台、岸基（包括车载雷达）等多种方式开展海冰立体化监测。

5.2 充分发挥海冰预警报的重要作用

作为一种自然现象，海冰有着自身的发展变化规律。通过多年的研究和探索，目前人们已经可以比较准确地对其进行预测、预报和预警。近年来，北海预报中心每年冬季都为南堡油田发布冰情预报和警报。通过使用这些预报预警信息，油田科学、合理地调度和安排生产，不但延长了冬季海上生产时间，使油田经济效益显著提高，而且保证了油田冬季海上生产在平稳、有序的环境中进行。实践证明，海冰预报预警可以对油田海上生产提供有效的环境保障和技术支撑，是海冰防灾减灾工作的重要环节。因此，油田应高度重视并加强对海冰预报预警信息的接收、使用等工作，切实发挥预报预警信息的重要作用，做到防患于未然。

5.3 落实各类抗冰措施

海洋工程设施在施工之前首先要充分考虑海上结构物的抗冰能力。为此，要开展海冰灾害指标体系和海冰与承灾体相互作用的研究工作。例如，根据海冰的弯曲强度小于抗压强度的基本原理，把平台腿柱建成锥形，使海冰发生弯曲破坏，以减小海冰荷载作用[6]等；

对于无抗冰能力的各类海洋工程设施需在冰期到来之前撤离结冰海区，以确保安全；

人工岛及平台等设施要提高设计标准，以提高这些设施的安全系数。根据《滩海环境条件与载荷技术规范》（SY/T4085-95），砂石人工岛采用百年一遇的环境条件参数进行设计，导管架平台采用50年一遇环境条件参数进行设计[7]；

海冰载荷往往是冰区各类海上工程设施的控制载荷，而海冰强度又是海冰载荷的重要计算参数，因此，应严格按照国家有关标准和规范控制各类海上设施的设计载荷[7]；

需在冰期承担海上运输及施工船舶在建造时应考虑具有一定的破冰能力，例如增加中间肋骨和抗冰纵横，加强首柱、舵叶及轴系等。船舶在冰区航行时，可根据冰情分布状况，选择海冰厚度薄、密集度小、浮冰飘流方向与船舶航向一致的航线；

无冰期作业能力的工程设施在每年结冰之前应安全撤离作业海区。没有抗冰能力或破冰能力的船只，不要随意进入冰区航行，以免被冰困住，甚至发生灾难性事故。

5.4 完善应急措施

逐级编制或修订海冰灾害应急预案，完善各项应急措施，提高海冰灾害防御和应急能力。结冰期间应配备具有一定破冰能力的船舶值班守护，必要时可对海上油气设施周边进行破冰。同时，应建立专业的应急队伍，配齐人员、设备及物资，切实提高发生海冰灾害时的实际处置能力。

[1]冉永平.我国发现储量规模10亿吨大油田[N].人民日报, 2007-05-04：第01版.

[2]张方俭.我国的海冰[M].北京：海洋出版社,1986.

[3]王文辉,王相玉,袁本坤.曹妃甸邻近海域的海冰状况与特征[J].海岸工程,2005,24(3)：50-57.

[4]袁本坤,江崇波,郭可彩,等.南堡油田海域海冰监测——实践与思考[C].北海区海洋观测预报领域学术交流会论文集, 2010.

[5]孙振平.渤海平台设计冰载荷的计算的回顾及考虑[J].中国海上油气(工程),2001,13(1)：26-29.

[6]丁德文.工程海冰学概论[M].北京：海洋出版社,1999.

[7]王铁刚,刘欢,冯梅芳,等.海冰对滩浅海油气设施的影响及防冰措施研究——以冀东南堡油田海域为例[J].油气田地面工程,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

海洋公益性行业科研专项经费项目（201105016）

袁本坤（1960-），男，研究员，主要从事海冰监测、预报及海冰灾害预警技术研究工作。Email:yuanbenkun@163.com