南海內波流對深水鉆井的影響及對策

胡偉杰　劉正禮　陳　彬（.中國海洋石油總公司，北京　0000；.中海石油深圳分公司，廣東深圳58067）

南海內波流對深水鉆井的影響及對策

胡偉杰1劉正禮2陳彬2
（1.中國海洋石油總公司，北京100010；2.中海石油深圳分公司，廣東深圳518067）

針對深水鉆井過程中遭遇內波流后可能產生的平臺位移、隔水管損毀等問題，分析了南中國海內波流的規律特征，并基于內波流對鉆井平臺、隔水管及水下井口安全造成的影響，通過多普勒聲波測速儀及電導率溫深儀，建立內波流早期預警系統，結合現場作業，制定了鉆井平臺應對內波流的技術方案，對南中國海內波流后續調查研究工作提出了建議。

南海；內波流；深水鉆井；規律；應對措施

南中國海是內波災害發生最頻繁的海域，給深水油氣資源的開發帶來了巨大的安全隱患。由于海洋遠離大陸，且受風、浪和流等海洋環境影響，使得海洋內波觀測困難，目前人們對內波的認識并不多。內波對海洋人工設施的危害極大，曾有內波把平臺扭轉了90°方位、并推移了30.48 m，以及內波把潛艇拖下海底撞毀的報道。因此，內波的研究日益受到重視，人們注意到在內波活動頻繁的海區，海洋結構物設計必須考慮其能經受內波產生的作用力。

1　南中國海內波流的特征

流體內部密度垂直分布呈現層化構造時，流體層化界面受到擾動時會出現波動，由于這種波發生在流體內部，因此稱作內波流。海洋內波的振幅與波長均大于海面的風浪。海面風浪波高最高30 m，但目前所知世界上最大的內波流——南中國海內波流的振幅高達150 m，約50層樓高。海面風浪周期約幾秒到幾十秒，海洋內波的周期卻可長達幾分鐘到幾十分鐘。

南中國海北部內波流分布：東經114~117°、北緯20~22°區域（即西江、惠州、陸豐、番禺、流花和東沙）觀測到的內波流最多，另文昌和開平區域內波流也較多，深水海域（如虎門、花縣、高鶴、順德和荔灣等）觀測到的內波流很少。

研究區域內春夏秋冬四季內波流都有發生并被遙感觀測到，夏季（6—8月）最多，占61%左右，冬季（12—2月）最少，只占6%左右，與整個南海的內波季節規律相似。

在東沙島附近，平均波長可達2 km以上；內波流往西傳播過程中，波長隨著水深變淺而變短到700 m左右。南海北部內波流波長變化總的趨勢是：在往近海傳播的過程中，內波流波長不斷變短。南海北部內波從呂宋海峽向西傳播過程中，波速不斷減小。在深海海域（如靖海），波速達到了4.5 m/s；到水深變淺海域（如東沙、流花、白云等），波速減小到1~2.5 m/s；在更淺海域（如西江、佛山等），波速進一步減小到0.5 m/s以下。內波流在往近岸傳播過程中，振幅逐漸變小，內波流能量在摩擦耗散和垂直混合等過程中逐漸減少。在深海盆地中內波流振幅達到100 m以上，最高可達近170 m，在東沙島附近1 000 m水深時（如潮州），內波流平均振幅可以達到70 m，在300~500 m水深的區域（如流花），振幅為15~50 m。在水深100 m左右的區域，平均振幅在15 m以內。

南海內部海域大部分內波流向西或西北傳播，即向近岸傳播，少量內波流向西偏南方向傳播。

2　內波對深水鉆井安全的影響

內波的破壞力，主要是產生內波的躍層上下，會形成2支流向正相反的內波，這種內波可高達1.5~2.0 m/s，猶如剪刀一般。當鉆井平臺的立柱或隔水管等結構物遭遇內波時，會受到非常大的扭力，破壞力極大，使鉆井平臺處于一個不穩定的狀態，產生一定的偏移。同時，較大的內波會嚴重縮小鉆井作業窗口而導致鉆井作業無法正常開展。

2.1內波流對鉆井平臺安全的影響

鉆井平臺在遭遇強內波流時，可能無法抵抗強流推移而造成平臺定位失效，瞬間被推離井位，無法作業。1992年，東沙群島附近的石油鉆井平臺在內波經過時無法操作，錨定的油罐箱在不到5 min內搖擺了110°。2006年哈斯基石油公司在南海荔灣深水區塊采用深水鉆井平臺進行LW3-1-A井鉆探作業時，遭遇強內波流，平臺抵抗不住強流推移而啟動應急解脫裝置，造成固井作業中斷。2010年的4月21日，一個流速1.3 m/s的內波經過時，導致深水鉆井平臺“西方大力神號”瞬間被推移了6 m，同時平臺傳輸管線破裂纏繞到供應船螺旋槳。2012年5月9日，海洋石油981深水平臺在進行荔灣6-1-A表層鉆井作業時，監測到流速為2.2 m/s內波流經過，立即增加推進器功率，平臺被推移原井位5 m。

2.2內波流對無隔水管鉆進作業的影響

在無隔水管鉆進井段，由于內波流的作用，管柱下入過程中產生較大扭力或渦激震動導致管柱脫落落海，甚至平臺被推離井位過大，導致鉆柱折斷及對接井口作業受影響。20世紀90年代，在流花及陸豐等工區鉆進作業時，多次出現?127 mm鉆桿在海水中下鉆過程中，遭遇內波而導致鉆桿脫扣落海，后更換為高強度的?140 mm鉆桿，情況才得到改善。南海八號作業期間，也出現過在海水中下入棄井切割鉆柱時，鉆柱突然脫扣落海，后分析同內波流影響有較大關系。

在對接井口及防噴器作業過程中，多次出現內波流突然襲擊，致使防噴器碰撞水下井口，嚴重時可能導致井口密封面受損而報廢。

2.3內波流對隔水管系統安全的影響

在安裝井口作業后， 因平臺受到內波流的作業而產生較大的位移，導致隔水管系統嚴重受損，造成鉆井作業中斷。2014年4月~5月，南海8號平臺在LH29-4-B井作業期間遭遇內波流30余次，最大監測流速達2.05 m/s，平臺最大漂移量達137 m，導致張力器鋼絲繩琵琶頭斷裂，張力繩多處斷股；張力器液缸全部被拉到行程極限，沖擊張力器底座；在月池伸縮節上球接頭處傾斜超過15°，導致伸縮節上下盤根密封均失效，出現漏失鉆井液情況。同時，導致平臺2#錨走錨及供應船與平臺發生擦碰等事件，現場鉆井作業多次暫停，作業損失8 d時間。

3　應對措施

深水鉆井作業時，可通過建立早期預警系統進行實時監測，獲得應對內波流的準備時間，建立深水鉆井平臺應對內波流技術方案，以保障作業的安全。

內波早期預警系統主要由多普勒聲波測速儀（ADCP）以及電導率溫深儀（CTD）組成，如圖1所示，可以提前2~8 h預報內波經過的方向及強度。其主要通過沿深度分布的傳感器來測量電傳導率、流速、溫度和鹽度等變化數據，將實時數據傳送至平臺，結合局部海底地形和潮流特征，通過數值模型來進行模擬計算，從而獲取內波信息。根據內波通常來臨的方向及速度，可設置監測儀器設備距離作業平臺的方位及距離，做到早期預警。并實時將預警信號傳送給陸地支持部門及作業平臺，以便現場有充足的應對內波準備時間。

對于錨泊定位平臺，作業前期要優化錨泊設計，對艏向、錨頭、錨纜等要重點研究。監測到內波流時，守護船及時接拖待命，拖船根據平臺指揮適當的提高雙車功率，盡量穩住平臺位置。

圖1　內波流早期實時監測預警系統

對于動力定位平臺，當監測到內波流時，主要通過調整平臺艏向對準內波流方向，增加推進器功率，穩定鉆井裝置位置。此外，針對內波流的特征及平臺構造，可制定以下防內波流應對措施（以某深水鉆井平臺設計抗內波流能力為1.5 m/s為例）：

（1）除采用內波流早期預警系統外，平臺也配備雷達來探測內波流蹤跡；

（2）若ADCP監測到內波流后，對平臺、供應船和ROV進行預警，提前將平臺艏向對準內波流方向，或者行駛到平臺至井口中心，根據流速調節推進器功率；

（3）若內波流速小于1.3 m/s：保持正常作業，調整平臺艏向對準內波流方向，平臺推進器加力，頂住內波流；

（4）若內波流速介入1.5 m/s與1.3 m/s之間：計算調整鉆具接箍位置，使剪切閘板處于隨時可以剪斷鉆具，調整平臺艏向，推進器加力，頂流；

（5）若內波流速大于1.5 m/s：計算調整鉆具接箍位置，關中閘板，懸掛鉆具，盡可能頂替隔水管內的油基鉆井液，調整平臺艏向，推進器加力，頂流。如果無法頂住內波，剪切鉆具，解脫井口；

（6）對隔水管張力器系統，應提前預沖張力器壓力，做好應急解脫平臺準備工作；

（7）內波流抵達平臺前1 h到內波離開的時間內平臺停止靠船吊裝作業，供應船處在平臺下流處守候，水下機器人等避免入水作業。

4　結論

（1）目前所采用的多普勒聲波測速儀存在監測準確度及維護上的弊端，在實際使用中出現過內波流方向及流速未能準確監測、數據傳輸故障、監測系統不穩定等問題，亟待有關海洋學家開發更加穩定可靠的監測設備。

（2）在南中國海域進行石油工程勘探開發作業期間，應隨時關注并監測內波流的形成和發展，制定并嚴格執行內波應急安全作業程序，以保證平臺和人員的安全，保障作業的順利。

（3）南中國海是內波流的頻發區，該海域的石油資源勘探開發過程也面臨著遭受內波流潛在的破壞性影響，而現有的研究工作不足，僅有少量的錨碇量測繪數據和雷達、衛星檢測數據，建議開展有關南中國海內波流的調查研究，進一步掌握內波流的特征。

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［2］蔡樹群，甘子鈞.南海北部孤立子內波的研究進展［J］.地球科學進展，2001，12（2）：215-219.

［3］李家春.水面下的波浪——海洋內波［J］.力學與實踐，2005，27（2）：107-110.

［4］方文東，施平.南海北部孤立內波的現場觀測［J］.科學通報，2005， 50（13）：1400-1404.

［5］方文東，陳榮裕.南海北部大陸坡區的突發性強流［J］.熱帶海洋，2000（1）：70-75.

（修改稿收到日期2014-12-23）

〔編輯張百靈〕

Impacts of internal waves in the South China Sea on deepwater drilling safety and corresponding countermeasures

HU Weijie,1LIU Zhengli2, CHEN Bin3
（1. China National offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Focusing on the problems like platform displacement and damage of riser that may arise in deepwater drilling under the presence of internal waves, the paper analyzes the regular characteristics of internal waves in the South China Sea and establishes an early warning system based on the impacts of internal waves on the drilling platform, the riser, and the subsea wellhead safety through Doppler acoustic marine speedometer and conductivity bathythermograph. With consideration to field operations, a technical solution for the drilling platform to adress internal waves is developed and suggestions on follow-up research on internal waves in the South China Sea are provided.

the South China Sea; internal waves; deepwater drilling; regularity; countermeasures

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0160 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.041

“十二五”國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應用技術研究”(編號：2011ZX05026-001-04)。

胡偉杰，1976年生。1999年畢業于中國石油大學，現主要從事鉆完井技術研究及戰略規劃。電話：010-84526389。E-mail：Huweijie@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：胡偉杰，劉正禮，陳彬. 南海內波流對深水鉆井的影響及對策［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（1）：160-162.