海上固定平臺海冰融沖系統的研究

楊俊杰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 背景

海冰被破冰船、導管架抗冰錐破碎后在流經井口隔水套管區域時流速下降，導致堆積、擠壓、沖擊，平臺出現不同程度的振動，隔水套管出現冰激振動和彈性變形，嚴重情況下可能會導致隔水套管疲勞或屈服斷裂，存在重大的安全環保風險。渤海某固定石油平臺為了緩解該現象，分別設計安裝高壓海水沖冰系統和氣爆沖冰裝置，但在實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，不能形成系統互補的高效集成方案。

目前，海上固定平臺的抗冰方法主要分為主動破冰和被動破冰兩大類。破冰船破冰、沖冰融冰為主動破冰，導管架抗冰錐、沉箱平臺、移動破冰錐屬于被動破冰。在破冰船和抗冰錐體的雙重作用下，海冰對平臺主結構的威脅已控制在可接受范圍內。目前亟待解決的是堆積冰對井口隔水套管的影響。實踐證明，單一形式的破冰方法達不到理想效果，而且各融冰方案有待進一步完善提升。如何基于平臺現有設施，經過科學合理的設計，各資源整合優化后達到理想的堆積冰處理效果，是本文的論證要點。

2 堆積冰的形成

海水溫度下降至冰點溫度以下時，逐漸形成海冰，海冰在風、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，冰面凹凸不平。大塊海冰被破冰船和抗冰錐體破碎后，流經海洋固定平臺井口區，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，最高時堆積高度超過3m，如果繼續發展，可形成冰丘，使隔水套管的受力面積倍增（圖1）。

圖1 隔水套管區域輕冰年的堆積冰情況

3 總體方案設計

消除井口區堆積冰的關鍵是融冰、沖冰。融冰的作用是降低堆積冰的強度，進而將其解體；沖冰的作用是增大冰的動能，使碎冰和解體冰流出井口區，避免繼續堆積。

3.1 融冰裝置

眾所周知，淡水冰點是0℃，海水由于鹵素的存在冰點稍低。因此，只要溫度在冰點之上，冰就會融化。平臺當前可利用的融冰資源有生產換熱器排放海水、生產注水、水源井水。海冰期換熱器排放海水溫度一般為3～6℃，生產注水和水源井水溫度一般為40℃；按照冰點由低到高排序依次為海水、生產注水、水源井水。綜合分析生產、成本、環保等因素，最佳的融冰資源為海水，生產注水和水源井水可作為輔助。生產換熱器排放海水溫度雖然可達到3～6℃，但在排放到隔水套管區域后，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℃。平臺可利用的加熱資源有燃氣輪機發電機組的廢熱、熱介質油、電加熱器。考慮到將海水加熱對生產流程的影響降到最低，推薦使用電加熱器對海水進行單獨加熱，避免因泄漏導致的熱介質流失。對于沒有海水換熱器的井口平臺，可考慮為海水設置電加熱裝置，以提升海水融冰能力。

隔水套管陣列內側冬季上風向靠近3個角點位置、陣列正中央位置，設置4個融冰點。3個角點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。在帶纜走道相應角點位置，設置輔助旋轉水炮，當堆積冰較為嚴重時，利用高溫高壓地熱水進行輔助融冰和沖冰。

融冰裝置工藝簡圖如圖2。

圖2 融冰裝置工藝簡圖

3.2 沖冰裝置

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

沖冰裝置的核心設備為中壓壓縮機和氣體虹吸噴嘴。壓縮機出口壓力應達到1500kPa,也就是說到達虹吸噴嘴壓力也要達到這個數值，以保證噴射氣流和水流對海冰的沖擊驅散效果。壓縮后空氣溫度要達100℃，不設置空氣后置冷卻器，高溫高壓空氣直接進入緩沖罐儲存，經保溫管線進入水下虹吸噴嘴。壓縮機排量能力要基于噴嘴數量和所期望的海冰動能進行設計確定。虹吸噴嘴設計類似于高壓水射流噴嘴技術，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化為海水的動能，直接作用于海冰，增加海冰的流速并加速其融化。虹吸噴嘴結構原理示意如圖3。

圖3 虹吸噴嘴結構原理圖

隔水套管陣列內側靠近4個角點位置，設置4個水下氣流虹吸噴頭；這4個水下氣流虹吸噴頭在水平面的投影位置，與水上水流相應的噴頭位置重合；在穿錐隔水套管與錐體結構之間布置1個水下氣流虹吸噴頭；在2#和3#噴口連線靠近2#噴口的位置，額外布置1個水下氣流虹吸噴頭。這7個噴頭的噴射方向均為垂直向上，統一布置在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

沖冰裝置工藝簡圖如圖5，某海上平臺實際安裝應用情況如圖6。

圖5 虹吸噴頭位置布局

4 效果評估

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現有成熟資源，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加強，沖冰裝置阻止海冰的堆積，兩者立體配合、互不干擾、優勢互補，避免海冰在井口隔水套管區域堆積成丘，最大限度降低海冰對油井隔水套管的危害。

圖6 某海上平臺實際安裝應用情況