南海海流環境特征及其對深水鉆井裝置的影響研究

趙 德，盧先剛，龐東豪，冷雪霜

（中海油能源發展工程技術公司，廣東 湛江 524057）

近十年來，全球重大油氣發現70%來自深水，排名前50 的超大油氣開發項目中，75%是深水項目。走向具備巨大油氣開發潛力的深水區，是海洋油氣資源勘探開發的發展趨勢。中國南海是未來我國油氣資源的重要接替區。據估計，中國南海油氣地質儲量可能高達700 億t，70%蘊藏在深海。世界主要深水作業區位于超過大陸坡頂部至大陸坡底部之間的海域，深水海洋環境不同于大陸架淺水海域，深水海域作業的鉆井平臺裝備承受了更多表層至深層的海流沖擊。本文對南海主要的海流類型及其對深水鉆井平臺的影響進行分析評估，識別出對鉆井平臺影響最大的孤立波，并針對孤立波的影響提出應對策略。

1 南海主要海流類型影響分析

1.1 南海主要海流類型

1.1.1 表層流

表層流按成因可分為風海流、密度流和補償流，對南海影響比較明顯的是表層流的主要形式風海流。作為北太平洋西部流勢最強的暖流，黑潮（日本暖流）主要通過呂宋海峽進入南海，在南海季風表層流的影響下，該支流主要在冬季對南海的深水作業產生影響：流向自動向西，流速1.852～2.778 km/h，厚500 m 左右。

1.1.2 內波流

南海是內波高發海域，南海內波的成因可以分為兩類：呂宋海峽產生的潮汐內波和南海北部大陸架邊緣產生的內波。其中，呂宋海峽產生的內波是南海海域最主要的內波來源，占總內波數量的83%。南海北部陸坡類成因的內波占總內波數量的比例較小，為17%。

1.1.3 孤立波

南海內波在復雜地形的海域內傳播，發生破碎、干擾，產生非線性的孤立波，南海是世界上孤立波發生最頻繁的海域之一。

1.2 主要海流類型對南海深水鉆井裝置的影響評估

南海海流類型對深水鉆井裝置的影響評估如表1所示。經過評估分析，因影響水深大、發生頻率高、影響后果嚴重，孤立波是對南海深水鉆井裝置影響最大的海流類型。針對孤立波的上述特征，對南海鉆井船記錄的孤立波數據進行分析，統計其發生規律和強度范圍，在此基礎上制定專項孤立波監測技術方案和預防孤立波沖擊措施。

表1 南海海流類型對深水鉆井裝置的影響評估

2 南海孤立波風險分析和應對策略

南海常用的深水鉆井裝置分為動力定位鉆井裝置和錨泊式鉆井裝置，根據南海動力定位平臺FX 號和錨泊定位平臺NHX號作業期間的現場孤立波記錄，對南海孤立波發生規律及影響進行針對性分析。

2.1 對動力定位鉆井裝置的影響

表2 數據分析表明，動力定位鉆井裝置作業期間，孤立波在大潮期發生頻率高，平均為1～2 次/d，非大潮期頻率較低。孤立波平均持續時間較長，為19 min/次。平均最大流速較大，為1.2 m/s。孤立波發生方向集中在東至東南方向，介于81°～110°。孤立波突發性較強，在作業期間總計記錄的27 次沖擊中，有9 次未能提前監測到，未提前監測到的比例為43%。整體分析結果為：孤立波在大潮期發生頻率高，沖擊流速大，可監測性一般。

表2 動力定位平臺FX 號孤立波數據

深水動力定位鉆井裝置對裝置定位穩定性的要求較高，以FX 號在1 000 m 水深的作業為例，正常鉆井作業期間，FX 號定位精度應滿足三級要求：內圈區域可進行正常鉆井，半徑為13 m；中圈區域需要停止鉆井并進行解脫準備，半徑為22 m；外圈區域需要啟動解脫程序，半徑為43 m。

突發性孤立波對平臺穩定性的影響極大，容易造成平臺被動漂移，從而產生作業中斷，影響作業時效，甚至導致隔水管及平臺裝備損壞，存在一定經濟、安全、環境后果。

2.2 對錨泊式鉆井裝置的影響

表3 數據分析表明，在大潮期，孤立波發生頻率較高，為1 次/d。持續時間較長，平均為23 min/次。最大流速較強，平均為1.5 m/s。其對平臺沖擊較大，平均平臺漂移為65 m，平均傾斜為2.7°。孤立波提前監測率為62%。整體分析結果為：孤立波在大潮期發生頻率高，沖擊流速大，可監測性一般。

表3 錨泊定位平臺NHX 號孤立波數據

相比動力定位鉆井裝置，深水錨泊定位鉆井裝置在深水作業中面臨兩點孤立波的特殊挑戰。一是錨泊系統定位能力較差。相比動力定位鉆井裝置，NHX 號通過懸鏈式錨泊系統定位，受限于水深和平臺承重能力，無法按照淺水錨泊系統應用要求使用全錨鏈式錨泊系統，而是采用錨鏈和錨纜復合式錨泊系統，進一步增加鉆井裝置的定位不穩定性。二是錨泊系統主動調整定位能力較差。相比動力定位鉆井裝置，懸鏈式錨泊定位方式只能在監測到孤立波后，提前張緊來流方向錨張力，被動抵擋孤立波沖擊，效果較差。NHX 號最大孤立波沖擊位移達到137 m，對鉆井平臺和隔水管裝置造成一定損害，存在較大的經濟、安全、環保風險。

2.3 孤立波風險應對技術

針對孤立波對深水鉆井裝置造成的較大潛在風險，要對孤立波進行風險分析，提高深水鉆井作業安全性。孤立波風險應對技術主要包括三項內容：孤立波監測技術、動力定位鉆井裝置孤立波應對技術、錨泊定位鉆井裝置孤立波應對技術。

2.3.1 孤立波的監測方法

孤立波監測方法主要有兩種：直接監測和間接監測。兩種方法的典型代表分別為聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）和合成孔徑雷達（SAR）。現場最佳實踐為將兩者綜合使用，更好實現對孤立波的提前預警和監測。

2.3.2 動力定位鉆井裝置孤立波應對技術

目前，主要第六代動力定位鉆井裝置均配備了較為先進的動力定位三代系統，可以提供充足的動力穩定保障。在結合孤立波監測預警技術的情況下，動力定位操作員需要根據孤立波沖擊風險應對預案，提前啟動備用動力系統，加強平臺抗沖擊能力，并提前通知平臺各作業方做好防孤立波沖擊的安全準備。

2.3.3 錨泊定位鉆井裝置孤立波應對技術

錨泊定位系統應對孤立波沖擊風險的整體能力較弱，因其受限于錨鏈質量和平臺可變荷載，整體深水定位能力不足。針對該風險，首先需要評估錨泊定位鉆井裝置的深水作業可行性，盡量避開孤立波頻發海域和時間。

3 結論

南海主要的海流形式有表層流、內波流和孤立波，其中，孤立波對深水鉆井裝置影響最大。南海孤立波現場記錄數據分析顯示，其具有大潮期多發、流速較大、單次持續時間較長的特點。要針對這些特點，科學制定防范技術方案。動力定位鉆井裝置和錨泊定位鉆井裝置因各自的定位原理不同，應對孤立波風險的能力和方式也不同，需要分別進行適用性分析。結果表明，南海深水作業優先選用動力定位鉆井裝置，而錨泊定位鉆井裝置需要進行單獨深水作業可行性分析。