胡伟杰　刘正礼　陈　彬（.中国海洋石油总公司，北京　0000；.中海石油深圳分公司，广东深圳58067）

南海内波流对深水钻井的影响及对策

胡伟杰1刘正礼2陈彬2
（1.中国海洋石油总公司，北京100010；2.中海石油深圳分公司，广东深圳518067）

针对深水钻井过程中遭遇内波流后可能产生的平台位移、隔水管损毁等问题，分析了南中国海内波流的规律特征，并基于内波流对钻井平台、隔水管及水下井口安全造成的影响，通过多普勒声波测速仪及电导率温深仪，建立内波流早期预警系统，结合现场作业，制定了钻井平台应对内波流的技术方案，对南中国海内波流后续调查研究工作提出了建议。

南海；内波流；深水钻井；规律；应对措施

南中国海是内波灾害发生最频繁的海域，给深水油气资源的开发带来了巨大的安全隐患。由于海洋远离大陆，且受风、浪和流等海洋环境影响，使得海洋内波观测困难，目前人们对内波的认识并不多。内波对海洋人工设施的危害极大，曾有内波把平台扭转了90°方位、并推移了30.48 m，以及内波把潜艇拖下海底撞毁的报道。因此，内波的研究日益受到重视，人们注意到在内波活动频繁的海区，海洋结构物设计必须考虑其能经受内波产生的作用力。

1　南中国海内波流的特征

流体内部密度垂直分布呈现层化构造时，流体层化界面受到扰动时会出现波动，由于这种波发生在流体内部，因此称作内波流。海洋内波的振幅与波长均大于海面的风浪。海面风浪波高最高30 m，但目前所知世界上最大的内波流——南中国海内波流的振幅高达150 m，约50层楼高。海面风浪周期约几秒到几十秒，海洋内波的周期却可长达几分钟到几十分钟。

南中国海北部内波流分布：东经114~117°、北纬20~22°区域（即西江、惠州、陆丰、番禺、流花和东沙）观测到的内波流最多，另文昌和开平区域内波流也较多，深水海域（如虎门、花县、高鹤、顺德和荔湾等）观测到的内波流很少。

研究区域内春夏秋冬四季内波流都有发生并被遥感观测到，夏季（6—8月）最多，占61%左右，冬季（12—2月）最少，只占6%左右，与整个南海的内波季节规律相似。

在东沙岛附近，平均波长可达2 km以上；内波流往西传播过程中，波长随着水深变浅而变短到700 m左右。南海北部内波流波长变化总的趋势是：在往近海传播的过程中，内波流波长不断变短。南海北部内波从吕宋海峡向西传播过程中，波速不断减小。在深海海域（如靖海），波速达到了4.5 m/s；到水深变浅海域（如东沙、流花、白云等），波速减小到1~2.5 m/s；在更浅海域（如西江、佛山等），波速进一步减小到0.5 m/s以下。内波流在往近岸传播过程中，振幅逐渐变小，内波流能量在摩擦耗散和垂直混合等过程中逐渐减少。在深海盆地中内波流振幅达到100 m以上，最高可达近170 m，在东沙岛附近1 000 m水深时（如潮州），内波流平均振幅可以达到70 m，在300~500 m水深的区域（如流花），振幅为15~50 m。在水深100 m左右的区域，平均振幅在15 m以内。

南海内部海域大部分内波流向西或西北传播，即向近岸传播，少量内波流向西偏南方向传播。

2　内波对深水钻井安全的影响

内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形成2支流向正相反的内波，这种内波可高达1.5~2.0 m/s，犹如剪刀一般。当钻井平台的立柱或隔水管等结构物遭遇内波时，会受到非常大的扭力，破坏力极大，使钻井平台处于一个不稳定的状态，产生一定的偏移。同时，较大的内波会严重缩小钻井作业窗口而导致钻井作业无法正常开展。

2.1内波流对钻井平台安全的影响

钻井平台在遭遇强内波流时，可能无法抵抗强流推移而造成平台定位失效，瞬间被推离井位，无法作业。1992年，东沙群岛附近的石油钻井平台在内波经过时无法操作，锚定的油罐箱在不到5 min内摇摆了110°。2006年哈斯基石油公司在南海荔湾深水区块采用深水钻井平台进行LW3-1-A井钻探作业时，遭遇强内波流，平台抵抗不住强流推移而启动应急解脱装置，造成固井作业中断。2010年的4月21日，一个流速1.3 m/s的内波经过时，导致深水钻井平台“西方大力神号”瞬间被推移了6 m，同时平台传输管线破裂缠绕到供应船螺旋桨。2012年5月9日，海洋石油981深水平台在进行荔湾6-1-A表层钻井作业时，监测到流速为2.2 m/s内波流经过，立即增加推进器功率，平台被推移原井位5 m。

2.2内波流对无隔水管钻进作业的影响

在无隔水管钻进井段，由于内波流的作用，管柱下入过程中产生较大扭力或涡激震动导致管柱脱落落海，甚至平台被推离井位过大，导致钻柱折断及对接井口作业受影响。20世纪90年代，在流花及陆丰等工区钻进作业时，多次出现Ø127 mm钻杆在海水中下钻过程中，遭遇内波而导致钻杆脱扣落海，后更换为高强度的Ø140 mm钻杆，情况才得到改善。南海八号作业期间，也出现过在海水中下入弃井切割钻柱时，钻柱突然脱扣落海，后分析同内波流影响有较大关系。

在对接井口及防喷器作业过程中，多次出现内波流突然袭击，致使防喷器碰撞水下井口，严重时可能导致井口密封面受损而报废。

2.3内波流对隔水管系统安全的影响

在安装井口作业后， 因平台受到内波流的作业而产生较大的位移，导致隔水管系统严重受损，造成钻井作业中断。2014年4月~5月，南海8号平台在LH29-4-B井作业期间遭遇内波流30余次，最大监测流速达2.05 m/s，平台最大漂移量达137 m，导致张力器钢丝绳琵琶头断裂，张力绳多处断股；张力器液缸全部被拉到行程极限，冲击张力器底座；在月池伸缩节上球接头处倾斜超过15°，导致伸缩节上下盘根密封均失效，出现漏失钻井液情况。同时，导致平台2#锚走锚及供应船与平台发生擦碰等事件，现场钻井作业多次暂停，作业损失8 d时间。

3　应对措施

深水钻井作业时，可通过建立早期预警系统进行实时监测，获得应对内波流的准备时间，建立深水钻井平台应对内波流技术方案，以保障作业的安全。

内波早期预警系统主要由多普勒声波测速仪（ADCP）以及电导率温深仪（CTD）组成，如图1所示，可以提前2~8 h预报内波经过的方向及强度。其主要通过沿深度分布的传感器来测量电传导率、流速、温度和盐度等变化数据，将实时数据传送至平台，结合局部海底地形和潮流特征，通过数值模型来进行模拟计算，从而获取内波信息。根据内波通常来临的方向及速度，可设置监测仪器设备距离作业平台的方位及距离，做到早期预警。并实时将预警信号传送给陆地支持部门及作业平台，以便现场有充足的应对内波准备时间。

对于锚泊定位平台，作业前期要优化锚泊设计，对艏向、锚头、锚缆等要重点研究。监测到内波流时，守护船及时接拖待命，拖船根据平台指挥适当的提高双车功率，尽量稳住平台位置。

图1　内波流早期实时监测预警系统

对于动力定位平台，当监测到内波流时，主要通过调整平台艏向对准内波流方向，增加推进器功率，稳定钻井装置位置。此外，针对内波流的特征及平台构造，可制定以下防内波流应对措施（以某深水钻井平台设计抗内波流能力为1.5 m/s为例）：

（1）除采用内波流早期预警系统外，平台也配备雷达来探测内波流踪迹；

（2）若ADCP监测到内波流后，对平台、供应船和ROV进行预警，提前将平台艏向对准内波流方向，或者行驶到平台至井口中心，根据流速调节推进器功率；

（3）若内波流速小于1.3 m/s：保持正常作业，调整平台艏向对准内波流方向，平台推进器加力，顶住内波流；

（4）若内波流速介入1.5 m/s与1.3 m/s之间：计算调整钻具接箍位置，使剪切闸板处于随时可以剪断钻具，调整平台艏向，推进器加力，顶流；

（5）若内波流速大于1.5 m/s：计算调整钻具接箍位置，关中闸板，悬挂钻具，尽可能顶替隔水管内的油基钻井液，调整平台艏向，推进器加力，顶流。如果无法顶住内波，剪切钻具，解脱井口；

（6）对隔水管张力器系统，应提前预冲张力器压力，做好应急解脱平台准备工作；

（7）内波流抵达平台前1 h到内波离开的时间内平台停止靠船吊装作业，供应船处在平台下流处守候，水下机器人等避免入水作业。

4　结论

（1）目前所采用的多普勒声波测速仪存在监测准确度及维护上的弊端，在实际使用中出现过内波流方向及流速未能准确监测、数据传输故障、监测系统不稳定等问题，亟待有关海洋学家开发更加稳定可靠的监测设备。

（2）在南中国海域进行石油工程勘探开发作业期间，应随时关注并监测内波流的形成和发展，制定并严格执行内波应急安全作业程序，以保证平台和人员的安全，保障作业的顺利。

（3）南中国海是内波流的频发区，该海域的石油资源勘探开发过程也面临着遭受内波流潜在的破坏性影响，而现有的研究工作不足，仅有少量的锚碇量测绘数据和雷达、卫星检测数据，建议开展有关南中国海内波流的调查研究，进一步掌握内波流的特征。

［1］海潮.南海石油资源与中国深水发展战略［J］.舰船知识，2009（7）：34-37.

［2］蔡树群，甘子钧.南海北部孤立子内波的研究进展［J］.地球科学进展，2001，12（2）：215-219.

［3］李家春.水面下的波浪——海洋内波［J］.力学与实践，2005，27（2）：107-110.

［4］方文东，施平.南海北部孤立内波的现场观测［J］.科学通报，2005， 50（13）：1400-1404.

［5］方文东，陈荣裕.南海北部大陆坡区的突发性强流［J］.热带海洋，2000（1）：70-75.

（修改稿收到日期2014-12-23）

〔编辑张百灵〕

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”国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究”(编号：2011ZX05026-001-04)。

胡伟杰，1976年生。1999年毕业于中国石油大学，现主要从事钻完井技术研究及战略规划。电话：010-84526389。E-mail：Huweijie@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：胡伟杰，刘正礼，陈彬. 南海内波流对深水钻井的影响及对策［J］. 石油钻采工艺，2015，37（1）：160-162.