海洋平台与设施抗冰技术综述

海洋平台与设施抗冰技术综述

1海滩油田的冰情与抗冰问题1.1固定冰厚度低东湾、渤海湾和莱州湾是中国最重要的海气田。冬季开始于12月初至1月初，冬季结束于1月中旬至3月初。结冰情况根据水深和离岸距离而不同。远岸深水区为流冰,近岸浅水区为固定冰,而在极浅海、潮间带和滩区则会形成堆积冰(冰脊)。辽河滩海冰情较重,50年重现期固定冰厚度为50cm,流冰最大速度为1.0～1.1m/s。冀东南堡油田冰期为12月中旬至2月中旬,冬季固定冰在河口附近外缘线距岸边2～5km,最远约15km。浮冰厚度一般在10～20cm,最大厚度为30cm,最大流速为0.45m/s。固定冰大多由3层以上单层冰冻积而成,冰厚为30～40cm。沿岸堆积冰高度可达2～4m。1.2辽东湾和渤海湾的海上施工冰可影响海上交通,也会对海上构筑物和船舶造成危害,是滩海油田冬季海上作业必须考虑的一项重要环境因素。在一定情况下,冰可成为滩海油田作业中的一项控制性因素。2010年为近40年来的又一重冰年。辽东湾2010年1月11日浮冰最大外缘线曾达131km,单层海冰厚度超过30cm。2010年,被称为中国最北部不冻港的营口鲅鱼圈港,局部海冰最厚达1m,大凌河口最厚冰层达到1m,小凌河口近岸冰层平均厚度为30～50cm,冰层比往年平均增加一倍,部分滩海油田被迫暂停作业。渤海湾浮冰外沿距岸46km,一般冰厚10～15cm,最大25cm。2010年,位于渤海湾的大港滩海油田海区冰情严重,海上设施及平台被冰围困,9口井的海上井口在重冰推压下消失。莱州湾最大浮冰范围81km,一般冰厚5～15cm,最大厚度30～35cm,给船舶航行带来较严重的影响,并造成多起事故。在此海域,胜利滩海油田有6座平台被迫停止作业,并派出破冰船围绕平台破冰保证平台安全。本次重冰灾害的特点是发生时间早、发展速度快、分布范围广。观测数据显示,环渤海及黄海北部进入严重冰期时间较往年提前了约半个月,由初生冰期发展到严重冰期时间很短,有些地区仅为1～2天,有猝不及防之感。由于冰情影响和考虑生产安全,渤海湾和辽东湾滩海的移动式钻井平台一般从11月下旬至12月中旬开始直到翌年3月上旬停止海上作业。因此,制约了钻井工作的进程。为了利用有限的钻井平台加快滩海钻井作业,2008年在冀东南堡滩海油田和大港滩海油田实施了冬季海上钻井作业。由于未逢重冰年,钻井平台得以在未设置防冰措施的情况下进行钻井作业,但冰对钻井隔水导管具有明显的威胁。滩海油田的固定式生产平台,冬季生产同样也受到冰的威胁。例如,辽河滩海葵东101平台冬季冰激振动严重,影响到正常生产。因此,也面临冬季冰期的海上生产保障问题。为了能在冬季保持安全生产,各油田在抗冰技术方面开展了一些工作。但就总体而言,面对开展冬季勘探和保证开发生产安全作业的需要,我国还需要结合辽东湾和渤海湾的具体条件和工程实际,有计划地对抗冰技术进行深入系统研究,制订适用的防冰措施和标准。在这些方面,可以借鉴一些国外的经验和思路。2抗冰能力实现设施配套的油田开发在里海浅海、萨哈林浅海以及波福海浅海海域的油田开发中,为适应严峻的冰情环境,采用了人工岛、锥形平台以及重力式平台等多种自身具有良好抗冰能力的固定式生产设施。2.1人工岛消能设计的必要性人工岛的结构特点使其具有良好的抗冰性能,在条件适宜时,可有效地用于浅水水域的油田开发。但需要特别关注的是,除一般的经济技术评估外,人工岛会对所在海域的海流产生干扰,并对海域的生态环境产生影响。为此,国家有关法规要求,在水深3m以深海域不宜建设人工岛;在水深1m以浅的水域,岛陆间应采用栈桥等透流构筑物连接,而不宜采用路堤连接。因此,在考虑方案时,须将环境影响评估置于重要位置。人工岛在滩海油田开发中的应用已较普遍,就抗冰性能而言,不仅其主体结构本身具有良好的抗冰能力,而且于冰期早期在边坡上形成的积冰,还会自然成为对后期重冰推挤的有效防护。国外一座建在波福海浅海的砂石人工岛,位于水深1.20～1.83m海域,距岸2.5km。冬季气温低至-45℃,极端最低温度达-70℃,冰情严重。人工岛采用砂石结构,岛的面积约为4.4×104m2,周围用沙袋边坡,设计冰载为6.7MN/m2。为减少运输困难,人工岛在冬季冰期施工时,使用卡车在冰面运输砂石及建筑物料。2.2种抗冰平台混凝土重力式平台具有良好的抗冰性能,但是,由于本身重量巨大,难以在浅水水域漂浮拖航,因而其使用受到限制。为了在浅水水域利用其良好的抗冰性能,国外开发了一种具有混凝土抗冰主体的混合结构重力式平台(见图1)。此平台初期用于水深10m的浅海海域移动式钻井,以后改建为可通用于严寒地区范围较大水深的浅海油田开发和钻井的抗冰生产平台。平台包括4个基础模块(见图1)。2.2.1拖航平台下基础钢结构沉垫底座为箱形结构,空载时可以提供浮力,保证平台漂浮拖航的需要。到达工位后,注入压载水成为平台的坐底基础。为增加平台对冰载、波浪、海流和地震的水平抗力,在沉垫底部设有入泥的裙板。2.2.2冰层高度的确定混凝土主体设在钢结构沉垫底座之上,其高度根据水深和冰层高度位置而定。混凝土主体的高度应可覆盖冰层和积冰范围,从而可以发挥其良好的抗冰性能和耐腐蚀性能。2.2.3其他平台结构顶部功能结构可因不同需要而采用不同设置,可分别组成钻井平台、生产平台或其他平台。图1所示为一座钻井平台,其顶部结构包括一个平底钻井驳船模块、一个生活楼及辅助设施驳船模块。两个驳船模块直接放置于平台的混凝土主体模块之上,并用连接装置加以固定,构成了一座可以迁移的混合结构抗冰钻井平台。2.3抗冰质桩基平台桩基平台在浅海油田开发中广为采用,对于小型井口平台尤为适用,但桩腿结构不利于抗冰。为了提高抗冰能力,国外开发了一种下部采用锥形结构主体的桩基平台(见图2a)。这种平台的下部结构中,处于水线(冰面)上下的一段,在桩腿外围加装一个具有足够刚度的抗冰锥形主体结构,将冰对平台桩腿的垂直推挤改变为沿锥形主体斜面上滑,并最终导致冰的弯曲断裂。这一结构可以大幅减小平台的冰载,从而显著提高平台的抗冰能力。抗冰锥形主体桩基平台的结构可根据平台所处水深、冰情、平台功能和规模以及生产条件而定。用于某滩海油田的一座小型锥形结构井口平台,将锥形防冰结构和桩基相结合,具有抗冰和轻便的特点(图2b)。平台的甲板尺度为16m×20m,井口呈环形布置,可布6～10口井。平台的下部(主体)为壁间充混凝土的双壁截顶锥体结构,冰层以上的部分采用圆柱体结构。沿平台锥形主体的内壁向海床打入桩基,用以承受平台的载荷。平台可以用自升式钻井平台或轻型浮吊进行海上就位安装。3钻井作业,保证海上运行随着高寒区浅海大型油田的勘探开发,需要在漫长的冰期中持续进行钻井作业,以保证海上生产平台的安全运行。为此,结合油田的勘探开发工程,国外相继对适用于浅海平台和海上设施的外设抗冰防护技术开展了研究并取得了进展。3.1天然冰堤固定式抗冰桩置于海上平台或生产设施的外围,通过拦冰、破冰作用,对相关的海上平台及设施进行保护。抗冰桩的不同形式和布置(不同桩间距、垂直桩与倾斜桩以及桩的组合形式)对抗冰桩的破冰和阻冰能力具有显著影响。为使抗冰桩取得最佳效果,应于初冰期使破碎冰在抗冰桩的前沿堆积,并形成一道沉积并固结于海床上的重力式的冰堤,当盛冰期厚重流冰到来时,这一冰堤可与抗冰桩一起,发挥有效甚至主要的拦冰和破冰作用。在里海,为保证坐底式钻井平台冬季钻井,首先采用了抗冰桩技术。抗冰桩直接打入海床,拦截浮冰并保护钻井平台不受主流向上的浮冰推挤。经过大量的试验研究,对于在一定条件下抗冰桩的应用取得了进一步的认识:一是,桩的间距对防冰效果具有重要影响,随着排桩的桩距减小,破冰能力增加。二是,在桩中心距大于3D时,抗冰桩不能有效地拦阻破碎冰流失到下游。在该试验(海域)条件下,桩中心距以3D为宜,对于倾斜桩,桩中心距不宜大于4D。三是,试验中,抗冰排桩前没有形成有效的固定堆积冰冰堤,只形成一定的破碎冰。预期的目的是使冰在抗冰桩前破碎堆积,形成固结于海床之上(着地)的固定冰堤,以抵抗冰的水平推挤载荷,减轻抗冰桩的荷载。试验表明,单独的抗冰排桩难以形成堆积于海床之上(着地)的固定冰堤。在破碎冰未能形成堆积并形成固结于海床之上的冰堤时,随破碎冰的积结和扩展,桩所承受的载荷会有所增大。因此,单独的抗冰排桩并不是一种高效的抗冰手段。3.2模块化重力式防冰堤由于依靠简单的抗冰桩进行防冰,难以使破碎冰在桩前堆积形成固结于海床之上的冰堤,冰的全部水平力载荷都需由抗冰桩承担,从而使其成本明显增加。此外,采用固定式抗冰桩对移动式钻井平台进行抗冰防护时,不仅需要先期在海区打桩并长期影响海域通行,而且还需较高的打桩和拆桩费用。为了提高防冰效果及经济性,在抗冰桩技术的基础上,国外研发了可以移动的、以抗冰桩为基础构架的模块化重力式防冰堤(见图3)。这种防冰堤模块的基本结构以沉垫(浮箱)为基础,并在其上相对并列装设两排抗冰桩。按需要将若干模块拖航至海上工作地点,进行联结并沉放海床,即可形成防冰堤的基础骨架。经过对多种形式的防冰堤模块进行试验对比,在一定的冰载条件下,以抗冰桩加倾斜顶板(迎冰斜面)的防冰堤模块效果最佳。该种防冰堤模块是在两排抗冰桩之间的顶部加设倾斜的波折式钢顶板(迎冰斜面),并在抗冰桩之间架设尼龙网(见图3),将破碎的冰捕集在两排桩柱之间的集冰区,以形成重力式冰堤。在初冰阶段,浮冰从上游方向爬上迎冰斜面,弯曲破碎后落入斜顶板后的集冰区空间内。经过一定时间后,集冰区空间内的碎冰逐步沉积。随集冰区空间内的碎冰沉积和重量的增加,防冰堤垂直力(重力)不断增大,从而使防冰堤成为一个稳定的重力式冰坝。为防范来自不同方向的流冰,防冰堤需根据被保护的海上设施(或构筑物)和流冰情况进行多个方向的布置。由于此种模块化防冰堤对周围环境具有良好的适应能力,而且可以利用已有的驳船充当沉垫,因而具有较高的灵活性和良好的经济性。用这种防冰堤对移动式钻井平台进行防冰保护时的海上布置见图4。3.3防冰堤模块结构设计随着浅海勘探和钻井工作的大规模开展,对自升式钻井平台钻井的需求快速增长。对自升式钻井平台冰区作业的抗冰研究表明,自升式钻井平台的控制性冰载荷,是冰在平台桩腿间的积结和胀挤。据此,自升式钻井平台抗冰措施的重点是防止流冰进入平台桩腿之间产生胀挤。由于前述的以抗冰桩为基础的防冰堤会有部分流冰从抗冰桩间通过,并流积到被防护的钻井平台,因而不适用于在重冰区作业的自升式钻井平台的抗冰保护。针对自升式钻井平台的防冰需要,国外正在研发一种由混凝土沉箱防冰堤模块为骨架的重力式防冰堤,可望在近期内得到工业应用验证。混凝土沉箱防冰堤模块为中空的混凝土结构,由坐放于海床的基座、迎冰坡面、斜肩以及直壁阻冰墙组成,其结构见图5。防冰堤模块迎冰坡面的斜坡可使冰弯曲折断而降低冰载荷和提高破冰能力。在初冰期,冰在防冰堤模块前破碎并不断堆积,逐步形成与海床及混凝土沉箱防冰堤模块固结在一起的稳定的重力式堆积冰坝防冰堤。借助于其对地的巨大摩擦阻力,可以显著减轻防冰堤模块的冰载,并对盛冰期较重的流冰进行有效破冰和拦阻。模块的基座、迎冰坡面、斜肩以及直壁阻冰墙均为单独的元件,其截面如图5所示。除基座可根据不同水深和冰层高程改变高度外,其他的迎冰坡面、斜肩以及直壁阻冰墙等上部元件均取决于海区环境条件下设计的标准尺寸。这种设计更有利于建造、选用和降低成本,充分发挥模块化的优势。模块可在沿海基地或船厂建造,从海上漂浮拖运到工作海区的设定位置,将各模块连接组装成防冰堤,注入压载水沉放到海床上。钻井完毕后,可排出模块中的压载水,起浮后拆离拖移,恢复海洋环境,不仅可提高防冰堤的灵活性和重复利用,还可以避免固定式防冰堤对海区环境的长期影响。根据被防护海上设施的情况,可将防冰堤模块连接组成不同形式的防冰堤。防冰堤的开敞边应在主流向的下游方向。对于开敞端,可在其外围设置模块化混凝土沉箱防冰堤加以防护。在防冰堤的完全防护下,即使在冰期,钻井平台自身无需防冰能力,井位也可以不受海冰影响,在钻井完成后,即可进行后续工程施工,并使油井提前投入生产。3.4卧式桩基平台根据生产需要和综合评估,在一定条件下,即使在重冰区,也可以采用具有防冰堤保护的固定式桩基平台作为主体生产设施。但需特别关注的是,防冰堤对海流具有明显的阻断和干扰作用,除了需要进行环境评估外,还应在防冰堤的结构和布置等方面采取优化措施,尽量减少对海洋环境的干扰。3.5水下基台防冰设计为适应浅海区水深变化和流冰对平台作用的不同高程位置,可以在海床上预先修筑海底砾石基台,相应地提高坐底式钻井平台的高程,使船舷高度适应堆积冰的高度,以满足抗冰需要。图6为一座坐底式钻井平台的水下基台防冰措施。根据海区环境条件,在坐底式钻井平台就位前,根据水深和冰的高程位置,先在海床上修筑高度为1～4m的水下砾石基台,基台尺度为50m×80m。基台的台芯为砾石,外侧则用块石和混凝土板防护。根据钻井需要,可在不同工位预先修筑基台,缩短钻井平台移位的准备时间。根据各处海床工程地质条件,基台可采用不同的设计。图6中基台为底面铺设土工布的结构设计。在基台周围布有24根抗冰桩,保护钻井平台不受浮冰的推挤。4基础钻平台的抗冰改造4.1水平平台抗冰浮筒普通的平台可以通过抗冰改造来适应冬季重冰期的工作需要。国外对一座原为内陆浅水坐底式钻井平台进行了抗冰改造。改造后,可适应重冰区海上作业。改造中采用的主要措施包括:一是,用32mm耐低温钢板改建平台沉垫主体;二是,在钻井平台主体沉垫两侧各加装1个特定结构的抗冰浮筒舷台(高度为4.27m),增加平台沉垫主体两舷的高度和宽度,达到平台抗冰的目的。加装浮筒舷台还可增加钻井平台的浮力和负载能力,在保证浅吃水要求的同时,将载重从3000t提高到9000t;三是,在舷台外围加设弯坡形破冰阻冰护板,替代原来的垂直船舷,使逼近平台的浮冰弯曲破碎,以减少冰阻和载荷;四是,为了提高平台抵御浮冰推挤的抗滑移能力,在浮筒舷台的底部加设裙板。4.2分段热坡式侧壳抗冰能力将钻井平台的主体改造为45°坡式侧舷,并且在舷内分段装设内热管道,利用发动机冷却水的余热,对与冰层接触的平台侧舷部位加热,使浮冰在与平台侧舷的接触面上产生部分融化并形成水膜润滑,减小冰沿坡舷面上爬的阻力。冰在沿侧舷的45°斜坡上爬时弯曲折断破碎,可减小冰对平台主体的挤压载荷。破碎冰在海床上堆积固结后,所形成的固定冰堆也可发挥抗冰作用。国外对一座浅水坐底式钻井平台进行了分段内热坡式侧舷抗冰改造。该平台的工作水深为2～9m,工作海域的最大冰厚可达2.1m,堆积冰最大高度可达3.9m。与原来的直壁侧舷相比,改造后,流冰对平台主体的挤压作用载荷减小了90%。5冰季海上支持5.1破冰时要保持航道无论是海上冬季钻井还是海上冬季生产,除平台本身的抗冰外,还需要解决海上的通航支持和安全保障。常规的做法是采用破冰船或具有抗冰能力的多用途工作船进行破冰,开辟并保持航道,以及破除平台周围的积冰,保障生产作业的安全运行。海上平台在重冰期作业时,应有一艘破冰船或抗冰工作船(拖轮)值班守护。5.1.1反向破冰船对滩海地区而言,除破冰能力外,破冰船必须适应浅水水域的工作水深要求。通常的破冰船是利用自身重量,自上而下将冰压碎。由于水深的限制,这种方式在浅水水域中无法实施。因而,破冰船可采用反向破冰。作业时,采用倒退航行,用特殊设计的螺旋桨将冰击碎破冰。5.1.2开发内冷剂破冰平台对于水深小于2m的极浅海水域,由于难以保证破冰船的工作水深,因而需要另外的破冰手段。国外研制了一种气垫破冰平台以应对这一问题。该气垫破冰平台为非自航式,由一艘工作船推顶进行破冰作业。破冰作业时,气垫破冰平台通过气垫的压力,可在冰层和水面之间产生一定的空隙,并使处于悬空状态的冰层在气垫压力和自身重量下断裂并被排开。5.2应急犯罪稳定性在被冰覆盖船只无法通行的海区,可以使用抗冰两栖通行工具作为常备应急逃生手段。国外在重冰区作业的平台上配备了具有抗冰能力的两栖履带车