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)重點實驗室 青島 266061；3.國家海洋局北海預(yù)報中心 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的淺海地帶進行勘探開發(fā)的油田。隨著陸上油田陸續(xù)進入高含水和產(chǎn)量遞減的開發(fā)階段，我國東部油田紛紛將目光投向灘淺海地區(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、數(shù)量相對較多的地區(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 （以下簡稱 “南堡油田”）是我國近年來發(fā)現(xiàn)的一個儲量規(guī)模較大的灘淺海油田［2］。該油田的開發(fā)建設(shè)對于增強我國能源安全供應(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。冰情嚴重時這些海區(qū)整個海面往往布滿海冰，給海上石油勘探開發(fā)和生產(chǎn)作業(yè)等造成很大影響，并對油田的各種海上工程作業(yè)設(shè)施構(gòu)成嚴重威脅［4］。歷史上也曾發(fā)生過多起海冰損毀海上油氣設(shè)施的嚴重事故，并造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，海冰是渤海灘淺海油田海上工程設(shè)計、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行詳細論述。

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空分布變化特征，自2005年12月至今，國家海洋局北海預(yù)報中心利用衛(wèi)星、船舶、飛機以及岸基監(jiān)測等多種方式，連續(xù)8個冬季 （每年12月至翌年2月）對南堡油田所在海域進行了海冰監(jiān)測，獲取了大量冰情和海洋環(huán)境要素數(shù)據(jù)［6］。本研究中各類冰情要素統(tǒng)計值主要來源于上述監(jiān)測數(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8成，冰厚達5 cm，這3 d中的第一天謂之嚴重冰日；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

冰期指的是各個冰日之間間隔的時間，包括初冰期、嚴重冰期、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、嚴重冰期和融冰期3個階段［8］。2005－2013年南堡油田海域逐年冰期統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 2005－2013年南堡油田海域逐年冰期統(tǒng)計結(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

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力或熱力影響程度的重要指標。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，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、浪、流等外力作用下，會發(fā)生漂移和流動。海冰運動時產(chǎn)生的推力和撞擊力都是巨大的。根據(jù)8個年度的監(jiān)測分析，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向為主，其次為WNW－ESE向；流速一般在0.3～0.5 m/s，最大可達0.8 m/s以上。

3.5 冰情時間變化與地理分布

3.5.1 時間變化

受氣象、海洋等自然因子的變化影響，該海域的冰情具有時間變化特征。2005－2013年各年度冬季該海域的冰情時間變化總體特征為：初冰期內(nèi)冰情由輕到重，但不穩(wěn)定，常因短時的氣溫回升而使冰情迅速減輕，甚至無冰；嚴重冰期內(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，直至完全融化、消失。不同冰期內(nèi)，冰情均呈現(xiàn)出時輕時重的態(tài)勢，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：一號島和四號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)相對滯后，其冰期最長、冰情最重；一號島至五號島、腰坨至東坑坨沿岸及附近海域次之；五號島至腰坨沿岸及附近海域冰情最輕。

4 海冰對海上生產(chǎn)作業(yè)及工程設(shè)施的影響

4.1 對海上生產(chǎn)作業(yè)的影響

每年冰期尤其是嚴重冰期內(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)開工或正在進行的生產(chǎn)作業(yè)，受海冰影響被迫停止，并且需對正在進行勘探作業(yè)的鉆井平臺等海上工程設(shè)施進行拖航移位，造成極大經(jīng)濟損失。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兩種方式，而海上浮冰則影響了人工島、平臺與基地之間的人員及各類物資的海上運輸，冰情嚴重時往往冰封碼頭、困住船舶，運輸被迫中斷，使生產(chǎn)作業(yè)受到嚴重影響。

4.2 對海上工程設(shè)施的影響

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

（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海上平臺等油氣工程結(jié)構(gòu)物造成沖擊；

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

（4）浮冰對結(jié)構(gòu)物造成磨蝕；

（5）海冰膨脹可以對結(jié)構(gòu)物形成擠壓，等。

5 海冰防災(zāi)減災(zāi)形勢及防御對策

5.1 海冰防災(zāi)減災(zāi)形勢分析

近年來，隨著全球氣溫上升，渤海冰情總體呈現(xiàn)減輕趨勢［10］。盡管如此，冰情較重或偏重年份依然時有出現(xiàn) （如2009年和2010年冬季發(fā)生的近30年來的最嚴重冰情），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，我國渤海大致每5～6年發(fā)生一次嚴重或比較嚴重的海冰災(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)計數(shù)據(jù)顯示［10］，近20年來，盡管渤海冰情呈減輕態(tài)勢，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輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)越來越多，海上平臺、導管架以及工程作業(yè)船只等日益增多。一旦出現(xiàn)嚴重或比較嚴重的冰情，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)所面臨的一個重大課題。

5.2 防御對策

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屬性兩個方面。因此，應(yīng)該在尊重海冰自然規(guī)律的前提下，實施海冰災(zāi)害社會性和工程性綜合防御。

5.2.1 開展海冰監(jiān)測和預(yù)警報工作

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(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)。通過監(jiān)測，不但可以為灘淺海油田的海冰預(yù)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(yù)測、預(yù)警。近年來，北海預(yù)報中心每年冬季都為有關(guān)灘淺海油田發(fā)布冰情預(yù)報和警報。油田據(jù)此科學、合理地調(diào)度和安排生產(chǎn)，不但延長了冬季海上生產(chǎn)時間，使油田經(jīng)濟效益顯著提高，而且保證了油田冬季海上生產(chǎn)的平穩(wěn)、有序進行。實踐證明，海冰預(yù)警報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 落實各類抗冰措施

（1）優(yōu)化設(shè)計形式。根據(jù)海冰彎曲強度小于抗壓強度等基本原理，優(yōu)化各類海上結(jié)構(gòu)物的設(shè)計形式。例如，把平臺腿柱建成錐形、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)計標準。人工島及平臺等設(shè)施要提高設(shè)計標準，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)進行設(shè)計，導管架平臺采用50年一遇環(huán)境條件參數(shù)進行設(shè)計［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，而海冰強度又是海冰載荷的重要計算參數(shù)，因此，應(yīng)嚴格按照國家有關(guān)標準和規(guī)范控制各類海上設(shè)施的設(shè)計載荷。

（3）嚴格限制作業(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，從而實現(xiàn)成本相對較低的 “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，海冰對人工島及其進海路、碼頭等構(gòu)筑物及其附屬設(shè)施的作用機理和影響目前尚不十分明確。因此，在加強這些工程設(shè)施周邊冰情監(jiān)測的同時，應(yīng)系統(tǒng)開展海冰影響機理的研究，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，對于需在冰期承擔海上運輸及施工的船舶，在建造時應(yīng)考慮具有一定的破冰能力，增加中間肋骨和抗冰縱橫，加強首柱、舵葉及軸系等。同時，船舶在冰區(qū)航行時，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

逐級編制或修訂海冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，完善各項應(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，必要時可對海上油氣設(shè)施周邊進行破冰。同時，應(yīng)建立專業(yè)的應(yīng)急隊伍，配齊人員、設(shè)備及物資，切實提高發(fā)生海冰災(zāi)害時的實際處置能力。

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，同時也是冰情相對較重的區(qū)域之一，并對海上油氣工程設(shè)施和生產(chǎn)作業(yè)造成嚴重影響和威脅。

（2）隨著灘淺海油田海上生產(chǎn)作業(yè)活動日益頻繁，冰情較輕或偏輕時，災(zāi)害發(fā)生頻率并不一定會減少，同時也不排除發(fā)生較重甚至嚴重冰情的可能。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，加強海冰監(jiān)測和預(yù)警報，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、有序進行。

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